Technologie d'usinage à grande vitesse : principes, optimisation de la trajectoire des outils et applications industrielles
Résumé
L'usinage à grande vitesse (HSM) n'est pas une simple augmentation de la vitesse de la broche, mais un système technique complet comprenant la dynamique des machines-outils, les matériaux des outils, les stratégies de coupe et la planification du chemin CAM. Son objectif principal est d'améliorer considérablement le taux d'enlèvement des matériaux (MRR) et de réduire la force de coupe grâce à une petite profondeur de coupe, une vitesse élevée et une grande avance sous le principe d'assurer la précision de l'usinage. Partant de l'essence physique de la coupe à grande vitesse, cet article explique la base théorique du principe de "l'amincissement des copeaux" et de "l'angle de coupe constant" en profondeur, et analyse systématiquement les exigences techniques des matériaux d'outils (nano-revêtement, carbure cémenté revêtu de PVD) et du système de tige (tige thermorétractable HSK) adaptés à l'usinage à grande vitesse. Au niveau de la FAO, les stratégies de trajectoire des outils pour les machines-outils à grande vitesse telles que le fraisage cycloïde, la coupe hélicoïdale et la trajectoire de transition en douceur sont discutées, et la mise en œuvre technologique du réglage automatique de la vitesse d'avance et de la commande avant d'accélération est donnée. En prenant l'usinage à grande vitesse des moules de couverture automobile comme exemple, les données comparatives de l'efficacité de l'usinage et de la qualité de la surface sont fournies. Enfin, les meilleures pratiques de la découpe à grande vitesse dans l'usinage de pièces à parois minces, de métaux non ferreux et d'acier trempé sont discutées, et la fenêtre de paramètres utilisable est fournie aux techniciens.
Tout d'abord, la coupe à grande vitesse : définition et nature physique
Le concept de coupe à grande vitesse a été proposé pour la première fois par le savant allemand Carl Salomon, dont l'hypothèse théorique soutient que lorsque la vitesse de coupe dépasse une certaine valeur critique, la température de coupe diminue à la place. Bien que ce tournant spécifique n'ait pas été entièrement confirmé dans de nombreux matériaux, la coupe à grande vitesse a en effet apporté des changements révolutionnaires dans l'industrie : une force de coupe réduite, une formation de copeaux plus douce et une plus faible proportion de chaleur entrant dans la pièce.
En fait, la coupe à grande vitesse est définie comme une vitesse de coupe de 1000-7000 m / min pour les alliages d'aluminium ; 300-800 m / min pour les pièces en acier ; et 150-300 m / min pour l'acier trempé (au-dessus de HRC 50). Les caractéristiques distinctives de la coupe à grande vitesse sont : une petite profondeur radiale de coupe (généralement de 3 % à 10 % du diamètre de l'outil), une profondeur de coupe axiale moyenne, mais une vitesse d'avance extrêmement élevée (jusqu'à 20 m / min ou plus). Cette coupe par "décapage de couche" permet d'appliquer la force de coupe principalement dans la direction axiale, réduisant la déformation latérale, et convient particulièrement aux structures à parois minces.
Effet d'amincissement des copeaux et chemin d'angle de coupe constant
Pour comprendre la coupe à grande vitesse, il est nécessaire de maîtriser "l'effet d'amincissement des copeaux". Lorsque vous utilisez une petite profondeur radiale de coupe (par exemple, diamètre de l'outil 10 mm, profondeur radiale de coupe 0,5 mm), l'épaisseur maximale des copeaux est inférieure à l'avance par dent. Pour maintenir l'épaisseur de copeaux souhaitée (pour éviter la surchauffe de l'outil), la vitesse d'avance doit être augmentée. La formule est : épaisseur maximale réelle des copeaux = avance par dent (angle de coupe). L'angle de coupe dépend du rapport profondeur radiale de coupe / diamètre de l'outil. Cet effet permet une augmentation significative de la vitesse d'avance tout en maintenant la charge thermique constante.
Sur cette base, un principe de base du chemin de coupe CAM à grande vitesse est de maintenir une profondeur radiale de coupe constante, c'est-à-dire un angle de coupe constant. À cette fin, une stratégie de fraisage cycloïdal a été développée : l'outil se déplace le long d'une trajectoire d'arc, et la profondeur radiale de coupe reste constante, même dans le fraisage de rainures ou l'usinage à cavité étroite. Cette stratégie rend le choc thermique de l'outil uniforme et prolonge considérablement la durée de vie.
Trois, système d'outils d'usinage à grande vitesse et exigences en matière de machines-outils
La coupe à grande vitesse impose des exigences extrêmement élevées aux outils et aux porte-outils. L'expansion centrifuge des porte-outils BT conventionnels au-dessus de 20 000 tr / min peut entraîner une chute d'outil. Les porte-outils HSK (cônes courts creux) sont plus adaptés aux broches à grande vitesse en raison de leur structure de contact double face. Les porte-outils thermorétractables ou hydrauliques offrent une meilleure précision de battement (
En termes de machines-outils, des lits à haute rigidité (par exemple, du béton polymère), des guides à rouleaux linéaires, des broches électriques haute puissance (≥30kW, au-dessus de 30 000 tr / min) et des servo-entraînements à réponse rapide sont nécessaires. Le contrôle de l'accélération et des secousses est particulièrement important - il y a un grand nombre de minuscules segments de ligne dans le chemin d'usinage à grande vitesse, et le système de commande doit avoir une fonction de limitation de vitesse élevée pour éviter les vibrations de la machine.
IV. Stratégie d'usinage à grande vitesse CAM et lissage des trajectoires
La trajectoire d'outil décalée équidistante "dentelée" traditionnelle produira des changements de charge soudains et des virages de direction brusques, ce qui n'est pas adapté à la coupe à grande vitesse. Modern CAM a développé les technologies suivantes spécifiquement pour HSM :
Usinage en spirale à hauteur constante : spirale couche par couche le long du plan Z, avec une alimentation et une sortie lisses et continues.
Fraisage à rainure cycloïdale : Comme mentionné précédemment, il résout efficacement la difficulté de l'élimination des copeaux à rainure profonde.
Connexion à charge constante : des transitions automatiques en forme d'arc ou de S sont utilisées aux connexions de zone au lieu d'angles droits nets.
Réglage automatique de la vitesse d'avance : ajustez la vitesse d'avance en temps réel en fonction du changement du volume de coupe pour maintenir la puissance de la broche constante.
Filtre de lissage de trajectoire : les petits segments de ligne sont simulés en courbes NURBS, et le contrôleur effectue une interpolation directe pour réduire l'impact de l'accélération.
Le "fraisage adaptatif" de Siemens NX et le "fraisage dynamique" de Mastercam sont tous deux des stratégies représentatives basées sur le concept d'angles de coupe constants.
Cas : Usinage à grande vitesse de moules de panneaux de portes automobiles
Un grand moule d'injection de panneau de porte automobile (matériau P20, dureté HRC32, taille de la cavité 800500200mm). Processus traditionnel : couteau à tête sphérique Ø 20mm, S8000, F1500, profondeur radiale de coupe 6mm, cycle d'ébauche 32 heures. Processus à grande vitesse : utilisez un couteau à fond plat à revêtement super dur Ø 12mm, S18000, F6000, profondeur radiale de coupe 0,8mm, fraisage dynamique cycloïdal. L'ébauche ne prend que 9,5 heures, la durée de vie de l'outil est multipliée par 3 et l'allocation de semi-finition ultérieure est uniforme, aucun polissage manuel n'est requis. La rugosité finale de la surface usinée est réduite de Ra1,8μm à Ra0,6μm.
VI. Conclusion
La coupe à grande vitesse nécessite un changement global dans la pensée de programmation : de "profondeur de coupe lourde et basse vitesse" à "coupe légère haute et ultra-haute vitesse". La mise en œuvre réussie du HSM nécessite une optimisation collaborative des outils, des machines-outils, de la FAO et des commandes, en particulier avec des angles de coupe constants au cœur. Pour les moules, les pièces à parois minces et les matériaux difficult-to-machine , la coupe à grande vitesse est devenue une pratique standard pour améliorer la compétitivité.
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