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利用高速数控加工实现超精密加工：制造业的革命

11 月 5, 2024

了解高速数控加工在航空航天、医疗设备和电子等行业实现超精密制造。了解使用先进数控系统和工具进行精密制造的未来。

通过高速数控加工实现超高精度

超精密制造是生产系统的未来吗？本文将介绍制造商如何使用高速 CNC 加工技术。我们还将了解如何通过使用 CNC 加工来提升复杂性和精确性，以及在未来几年中如何使用该技术来满足全球各行业的严格公差要求。

超精密加工

因此，超精密加工可以被描述为使用各种工艺制造公差在微米/纳米级别的高精度零件的制造过程。超精密加工使用的工具包括适合要切割的工件或材料类型的切削工具，并且在大多数情况下需要特殊的切削技术，以实现严格的公差和光滑的表面光洁度。因此，超精密加工是一种强调高精度的制造工艺，可制造出小特征和小公差的专门操作。

超精密加工的主要特点

超精密加工的一些方面包括通过集成的多主轴和 5 轴数控加工服务.为了应对影响精度的温度、噪音和振动等环境影响，有一些特殊的工具可供使用。此外，还需要精确的计量设备来检测超精细的加工细节。可以加工各种特殊和难以加工的材料，使其达到严格的精度水平。

需要超精密加工的应用

使用超精密加工的行业包括航空航天业、医疗保健业、电子工业和能源业。其中包括飞机零部件、假肢和关节、半导体制造芯片、加速器设备和组件。新产品开发和许多其他制造领域也使用这种技术来制作零件原型和其他要求非常精确的复杂设计。在设备的可靠性和性能不能受到影响的应用中，低公差是必不可少的。

高速数控加工

高速数控加工的定义和概述

高速数控加工是指利用先进的数控系统、控制设计和切削工具，以远高于传统加工的进给量和速度快速去除工件上的材料。这些新功能可在不影响精度或零件质量的前提下，将零件加工速度提高一个数量级。

高速加工与传统加工相比的优势

高速数控加工的优势包括通过提高产量来提高生产率，以及通过缩短加工周期来提高效率。在保持零件精度的同时，最大限度地减少了刀具与工作界面的发热问题。结合最新的 CAM 软件，复杂的几何形状现在可以实现更严格的公差。每个零件的总体生产成本也随之降低。

使用高速 CNC 加工的行业

出于缩短生产周期的经济考虑，飞机零部件制造商很早就采用了高速数控加工中心。现在，汽车行业广泛采用高速数控加工中心进行大批量生产。医疗设备和电子产品等行业则利用该技术的精度和灵活性优势。甚至模具制造也通过高速加工模具部件而发生了变革。

数控技术与精密制造之间的关系

数控系统在精密制造中的作用

数控加工指南是大多数现代精密制造技术的基础。通过编码编程对轴进行精确控制，可实现同类最佳的可重复性和精度，这是人工无法实现的。现在，可以将各种材料的复杂轮廓切割成百万分之一米的尺寸。

CNC 对加工精度和公差的影响

控制系统与机床之间紧密集成的反馈回路有助于消除人为不一致性这一限制精度的因素。通过对热效应、反向间隙和其他差异进行自动补偿，零件可以轻松达到 +/- 2-3 微米或更高的公差要求。复杂的方程式还能实现最佳的切削路径规划。

CNC 如何实现复杂轮廓加工和超精细加工

数控系统的可编程灵活性彻底改变了工具和模具应用中的雕刻几何形状加工。如今，配备高速数控加工主轴的多轴加工中心可对数百毫米或更小的近表面特征进行超精细轮廓加工。医疗植入物等行业都依赖于这种精细加工能力。

利用先进的数控系统实现超高精度

自动化、主轴和控制的重要性

为了达到最严格的公差要求，自动化消除了加工过程中的人为不一致性。高速 CNC 加工主轴配备先进的电机，并采用直接驱动技术，最大限度地减少了反向间隙变化。具有直接扭矩反馈回路的控制装置可在不断变化的热条件下提供 0.1 微米的定位重复性。

温度、振动和噪音控制等因素

稳定性至关重要，因此现代系统采用了密封机箱，通过油雾或氮气加压。空气轴承或花岗岩床将切割力作用下的机器挠度降至最低。传感器可检测共振频率，并将其从结构中过滤掉。主动阻尼接近工件的振动是实现超精密加工的关键。

现代高速数控系统的功能

最先进的系统具有 5 轴甚至 6 轴同步插补功能，可雕刻复杂的自由曲面。性能监控和反馈可根据加工材料优化刀具。系统在加工 1 米长的工件时可达到 ±1μm 的精度。通过实时补偿热膨胀效应来保持公差。

精密部件的高速加工技术

微加工、超精细加工和激光加工

微车和微铣等技术使用专门的微型工具来塑造复杂的微米级结构。激光高速数控加工还支持通过烧蚀铣削精细的次表面特征。这些方法可共同制造出微流体芯片、医疗植入物和其他精密部件。

使用高速工具和刀具

要充分发挥先进系统的作用，机床需要采用最佳材料、几何形状和涂层的精制刀具。在以 5000 SFM 或更高的速度进行匀砂时，金刚石刀尖和自锐刀具可保持边缘的清晰度。刀具可最大限度地减少加工力和振颤，从而获得出色的表面效果。

优化高速切割等技术

要实现高精度，就必须优化高速数控加工技术，如动态铣削和再生铣削。处理器对每次加工的间距、倾斜度和深度进行动态调整。冷却剂可同时保护边缘和基体。对切削参数进行微调，以防止变形，同时最大限度地提高金属去除率，从而提高生产效率。

利用高速主轴和刀具实现效率最大化

高速主轴在数控加工中的优势

主轴转速可达 25,000 RPM 以上，配有相关的直接驱动电机，消除了皮带传动带来的运动损失。空气轴承可为超过 300 牛米的扭矩提供无摩擦支持。所有这些使材料去除速度大大加快，同时保持了表面完整性。

模具技术的发展

先进技术包括涂层整体硬质合金工具、多晶金刚石工具和立方氮化硼钎焊工具。旋转刀架增强了径向刚性，避免了高速运转时的变形。刀具路径策略使切削刃保持啮合，以获得最大的切屑载荷。

刀具选择和加工参数的重要性

切屑稀化趋势和材料硬度决定了最佳几何形状、涂层和切削参数。每齿进给量、主轴功率和切削液选择等因素会影响可实现的金属去除率、刀具寿命和成品质量。加工人员要仔细评估所有变量，以实现最高效率。

实现超高精度的未来

数控技术和工具的不断进步

未来的发展将包括用于 6 轴系统的高刚性并联运动设计。多轴主轴提供旋转驱动刀具。新型硬质合金微粒技术提高了刀具寿命。集成计量技术可对切削进行现场检测。涂层，如铝数控加工氮化钛突破粘附极限。数据分析有助于最大限度地优化工艺参数。

在医疗和航空航天等行业的应用日益增多

医疗器械机械部件的微型化推动了这一需求。植入物在制造过程中需要化学纯度和生物兼容性。航空航天采用只能通过超精密技术加工的新型合金。消费类产品依赖于通过高精度高速 CNC 加工制造的微型光学元件。

自动化、机器人和增材制造的作用

自动化可实现每周 7 天每天 24 小时的生产单元，进行多品种小批量生产。机器人技术将数控加工与装配相结合。快速成型制造技术改进了零件整合，降低了设置的复杂性。混合系统利用每种技术的优势，实现新的零件几何形状。

总之，利用最新的系统和工具进行高速数控加工可使制造商实现以前无法达到的精度、效率和零件质量水平。将高速加工技术与先进的自动化技术相结合，将是满足各行业需求的关键，这些行业依赖于超精密制造.

结论

总之，高速加工能力与先进数控系统的整合为精密制造带来了革命性的变化。制造商不再受传统技术的限制，现在可以常规生产具有微米级精度和重复性的复杂部件。随着应用领域不断突破微型化、复杂性和质量的极限，超快速加工和高度自动化的高速数控加工之间的结合开辟了新的可能性。对于严重依赖超精密加工以满足未来技术需求的行业来说，利用最新的工具、计量学和过程智能将是至关重要的。