Титан - плохой теплопроводник. Теплота при механической обработке, которая могла бы уходить со стружкой или рассеиваться в заготовке, вместо этого концентрируется в инструменте. Микроскопические тепловые трещины развиваются на поверхности инструмента. Это начало быстрого разрушения инструмента, которое может охарактеризовать обработку титана. Однако вибрация процесса механической обработки вызывает то, что эти трещины распространяются и углубляются.
NIST, Национальный институт стандартов и технологий правительства США, недавно профинансировал проект стоимостью 2 миллиона долларов США, нацеленный на разработку «сверхжесткого безвибрационного» (SSVF) станка, который мог бы обрабатывать титан более продуктивно, чем существующие станки. Финансирование осуществлялось компанией Rockford Engineering Associates LLC или REALLCo. В течение трех лет REALLCo провела испытания, чтобы подтвердить теорию получения более жесткой системы подшипников станков, затем - с помощью Rockford компания построила рабочий CNC-станок, основанный на этом принципе.
ЧПУ продемонстрировал способность удваивать срок службы инструмента или скорость обработки материала во время титанового фрезерования. По словам разработчиков станка, ключевым является технология гидростатического направляющего устройства, обеспечивающая жесткость, которая (буквально) бесконечна.
Технология, применяемая к сверхжесткому станку, включает в себя регулирование гидростатических систем направляющих с помощью «мембранного двойного ограничителя». В гидростатических направляющих используется тонкая пленка масла для устранения контакта металл-металл по осям машины.
Мембранные двойные ограничители, разработанные командой Rockford, по существу обеспечивают контур управления, который поддерживает толщину этой масляной пленки. Устройства реагируют механически (у них нет электроники) на изменения давления жидкости. Принцип не нова, но команда утверждает, что предыдущие версии мембранного двойного ограничителя были использованы для уменьшения соответствия направляющей в точке, в которой жесткость была очень высокой, но все же некоторое измеримое значение.
Инновация для станка SSVF заключалась в создании системы, которая должна поддерживать постоянную толщину масляной пленки независимо от изменения силы. Таким образом, сила в системе может увеличиваться без изменения, производящего измеримое отклонение. Нулевое отклонение на единицу увеличения силы - это математическое определение бесконечной жесткости.
Разумеется, на станке в целом нет жесткости, которая бесконечна. Узел машины состоит из больших твердых масс, которые индивидуально искажают и соответствуют. Плюс (как и в любой сборке), соответствие этих компонентов является совокупным.
Однако жесткость системы направляющих устраняет большую часть соответствия, характерную для даже прецизионных машин. Кроме того, Rockford разработала форму машины для повышения жесткости и спроектировала шпиндель с гидростатическими подшипниками, который также увеличивает жесткость. Итоговая жесткость всей машины составляет 2 миллиона фунтов на дюйм на лицевой стороне шпинделя - в несколько раз выше жесткости даже жесткого стандартного обрабатывающего центра. Эта высокая жесткость также способствует точности.
Линейные двигатели от Siemens приводят движение XYZ на машине SSVF, а система управления станком применяет усиление сервопривода 10 для точной точности при высоких скоростях подачи. Коэффициент усиления 2 может быть неустойчивым на стандартной машине. Чтобы обеспечить этот гибкий контроль, Хайденхайн внес свой вклад в проект, предоставив линейные шкалы с точным разрешением (описанные в сером квадрате ниже).
Компании Double Take Cutting также присоединились к проекту. Режущие инструменты Ingersoll, Kennametal и Sandvik Coromant все это обеспечили инструментами для измерения производительности машины. От каждой из этих компаний команда запросила инструмент для титана, а также рекомендации по скорости, скорости подачи и глубине резки. При тестировании по этим параметрам срок службы инструмента постоянно удваивался.
При испытательных срезах скорость вращения в два раза превышала рекомендуемую скорость (при сохранении постоянной скорости на каждый зуб), сверхжесткая машина всегда достигла ожидаемого срока службы инструмента при удвоении скорости обработки материала.
Помимо титана жесткость станка также будет эффективной для обработки других термостойких материалов, включая керамику. Во время демонстрации станка, было показано, что масляная пленка обеспечивает демпфирование.
Характеристики станка для обработки титана
Вклад Siemens в проект SSVF включал линейные двигатели и блок управления. Heidenhain предложил линейные шкалы линейки LC 183 для осей X, Y и Z. Эта комбинация, наряду с высокой жесткостью станочной структуры, обеспечивает исключительно высокие коэффициенты позиционирования на осях.
Технические преимущества линейных весов выходят за рамки их прекрасного разрешения. Близость датчиков Heidenhain к нагрузке была выбрана для минимизации соответствия вне контура управления позицией. Последовательный выход линейных весов устраняет необходимость в любом дополнительном интерфейсе. В результате команда могла установить кодировщики в критических точках в узких местах, взаимодействуя непосредственно с элементом управления.
Благодаря этой системе движений машина SSVF теперь достигает коэффициентов усиления в полосе 10 мм / мин на микрометр (или 10 мкм на 0,001 дюйма). Станок может перемещаться по круговой интерполяции диаметром 25 мм при скорости 200 мм / мин в пределах общей погрешности 1,1 мкм, включая ошибки разворота в точках перехода. Это сравнивается с коэффициентами позиционной петли от 0,5 до 1,5 в большинстве станков, а также с геометрической погрешностью 10-25 микрон.
