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Wie kann die Bearbeitungseffizienz von Werkzeugmaschinen verbessert werden, ohne die Laserleistung zu erhöhen?

05/28/2024

In der Vergangenheit galt die Steigerung der Laserleistung als der direkteste und effektivste Weg zur Verbesserung der Verarbeitungseffizienz. Nach der Markteinführung der 60.000-Watt-Laserschneidmaschine hat die Branche jedoch eine Diskussion darüber begonnen, ob die Leistung ihre Grenzen erreicht hat.

Branchenexperten gehen davon aus, dass 60.000 Watt bereits ausreichen, um Plasma- und Brennschneiden umfassend zu ersetzen. Weitere Leistungssteigerungen tragen nicht viel zur Effizienz und Leistungsfähigkeit des Schneidens bei, sondern erhöhen stattdessen die Benutzerkosten und den Energieverbrauch. Das Streben nach mehr Effizienz im industriellen Bereich ist jedoch endlos. Wenn die Leistung ihre Obergrenze erreicht hat, welche anderen Möglichkeiten gibt es dann, um die Verarbeitungseffizienz zu verbessern?

Einführung von Querträgern aus Kohlefaser zur Verdoppelung der Beschleunigung

Kohlenstofffaser-Verbundträger

Es ist bekannt, dass der Querträger eine der Schlüsselkomponenten einer Werkzeugmaschine vom Portaltyp ist. Die statischen und dynamischen Eigenschaften des Querträgers bestimmen die Gesamtleistung der Werkzeugmaschine und haben einen wichtigen Einfluss auf die Verarbeitungseffizienz, Genauigkeit und Stabilität der Werkzeugmaschine. Derzeit werden Querträger von Werkzeugmaschinen aus Metallen hergestellt, hauptsächlich aus Stahl- und Aluminiumlegierungsgussteilen.

Querträger aus Stahl haben den Vorteil guter Stabilität und hoher Präzision, aber ihr hohes Gewicht wird normalerweise bei Werkzeugmaschinen mit niedrigen Geschwindigkeitsanforderungen verwendet. Um hohe Geschwindigkeiten und hohe Beschleunigungen zu erreichen, müssen die Motoren mit sehr viel Leistung und Drehmoment ausgestattet sein. Wenn die dynamischen Eigenschaften den Grenzwert überschreiten, ist es unmöglich, die Leistung weiter zu verbessern. Um das Gewicht des Querträgers zu reduzieren, hat man begonnen, Querträger aus Aluminiumlegierungen zu verwenden, aber das Gewicht von Aluminiumträgern ist immer noch zu groß und die Verbesserung von Geschwindigkeit und Beschleunigung ist begrenzt. Aluminiumlegierungsmaterialien haben außerdem einen niedrigen Modul, sind weich, verformungsanfällig und haben einen großen Wärmeausdehnungskoeffizienten, sodass die Genauigkeit leicht durch Temperaturänderungen beeinträchtigt wird. Daher müssen Querträger aus Aluminiumlegierungen oft alle 3-6 Monate neu eingestellt werden.

 

ArtikelKohlenstoffstahlAluminiumlegierungKohlefaser
Festigkeitsvergleich126
Steifigkeitsvergleich11.54
Zugfestigkeit (Mpa)400-8002601700
Stretchfolienmenge21069120
Streckgrenze340110
Dichte7.82.51.55
Wärmeausdehnungskoeffizient (x10^-7)12254

Wie kann die Bearbeitungseffizienz von Werkzeugmaschinen verbessert werden, ohne die Laserleistung zu steigern?

Das Gewicht eines Querträgers aus Kohlefaser beträgt 1/4 bis 1/5 eines Stahlträgers und 1/2 bis 1/3 eines Aluminiumlegierungsträgers. Dieses leichte Material ermöglicht es, die Bewegungsgeschwindigkeit und Beschleunigung der Werkzeugmaschine weiter zu erhöhen. Einige Hersteller von Lasermaschinen haben Querträger aus Kohlefaser eingeführt, wodurch die Beschleunigung von den üblichen 0,8 g bis 1 g bei Präzisionsschneidemaschinen auf 2 g erhöht und gleichzeitig die Präzision vom Mikron- auf den Submikrometer-Bereich verbessert wird.

Können Querträger aus CFK auch Kosten senken?

Neben der Geschwindigkeitsverbesserung können Querträger aus Kohlefaser auch die Gesamtkosten der Maschine senken. Aufgrund ihres geringen Gewichts haben Querträger aus Kohlefaser eine geringe Trägheit, wodurch die Anforderungen an Zahnstange und Motoren erheblich reduziert werden. Dadurch kann auch das Maschinenbett leichter gemacht werden. Wie bereits erwähnt, erfordern Stahl- und Aluminiumträger zum Erreichen hoher Geschwindigkeiten und hoher Beschleunigung Motoren mit sehr hoher Leistung und Drehmoment. Mit Querträgern aus Kohlefaser können die Kosten für Bett, Zahnstange und Motoren jedoch effektiv gesenkt werden, während die gleiche Beschleunigungsleistung beibehalten wird. Gewöhnliche Motoren können auch eine Beschleunigung von 1 g erreichen und die Präzision kann erheblich verbessert werden.

Darüber hinaus sind höhere Geschwindigkeit und Beschleunigung das ewige Streben der Industrie. Wenn Stahlträger oder Aluminiumträger verwendet werden, geht eine verbesserte Beschleunigung oft auf Kosten der Präzision und eine verbesserte Präzision oft auf Kosten der Beschleunigung. Beides ist schwer gleichzeitig zu erreichen. Um Präzision und Beschleunigung gleichzeitig zu verbessern, müsste man viel leistungsstärkere Motoren, Zahnstangen usw. kaufen, und die Mehrkosten könnten sogar den für den Benutzer geschaffenen Wert übersteigen, der nicht bereit wäre, dafür zu zahlen.

Querträger aus Kohlefaser erhöhen die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Beschleunigungsverbesserung erheblich und sind zudem viel kostengünstiger als Stahl- oder Aluminiumträger. Aus diesem Grund haben einige Hersteller vollständig auf Querträger aus Kohlefaser umgestellt und Metallquerträger vollständig aufgegeben.

Für Endbenutzer können Querträger aus Kohlefaser auch die Kosten erheblich senken. Wenn die Beschleunigung der Werkzeugmaschine von 1 g auf 2 g erhöht wird, bedeutet dies, dass der Benutzer nur etwas mehr ausgeben muss als zuvor, um eine Maschine zu kaufen, aber den Effekt erzielen kann, als hätte er früher zwei Maschinen gekauft, was den Wert der gesamten Maschine erheblich steigert. Gleichzeitig bedeutet der leichtere Querträger auch, dass die Führungsschienen und Zahnstangen, die die Hauptbewegungslasten tragen, weniger verschleißen, was ihre Lebensdauer und die Lebensdauer der Ausrüstung erheblich verlängert.

Es ist erwähnenswert, dass der Formungsprozess von Querträgern aus Metall eine Heißverarbeitung ist und eine umfangreiche Bearbeitung im Inneren des Metalls Restspannungen erzeugt, die sich mit der Zeit allmählich lösen, wodurch sich der Querträger verzieht und verbiegt, was die Präzision der Ausrüstung beeinträchtigt. Selbst wiederholte Wärmebehandlung kann dies nicht beseitigen. Querträger aus Aluminiumlegierungen sind außerdem weich und anfällig für Verformungen, sodass häufige Anpassungen durch das Kundendienstpersonal erforderlich sind, um die Präzision der Ausrüstung sicherzustellen. Die schweren Querträger können außerdem bei langfristigem Betrieb eine Überhitzung (sogar ein Durchbrennen) des Motors verursachen, was dem Unternehmen enorme Kundendienstkosten verursacht und dazu führt, dass Benutzer die Produktion für Reparaturen einstellen müssen.

Kohlefaser besteht hauptsächlich aus Kohlenstoff, einem spröden anorganischen Material mit geringer plastischer Verformung und einer Bruchdehnung von nur etwa 2%. Kohlefaserverbundwerkstoffe kriechen oder ermüden nach der Formgebung nicht und können lange Zeit eine hohe Präzision beibehalten, ohne dass wiederholte Anpassungen durch das Kundendienstpersonal erforderlich sind. Der leichtere Querträger aus Kohlefaser verursacht auch weniger Verluste am Motor und es kommt fast nicht zu einer Überhitzung des Motors. Daher können Querträger aus Kohlefaser Unternehmen dabei helfen, Kundendienstkosten zu sparen und Benutzern dabei helfen, häufige Ausfallzeiten zu vermeiden.

Nach der Erhöhung der Laserleistung kann die Geschwindigkeit beim Schneiden komplexer oder kleiner Muster jedoch häufig nicht mithalten, und der Geschwindigkeitsvorteil der ultrahohen Leistung kann nur bei relativ langen und richtungskonsistenten geraden Linien oder Bögen genutzt werden. Mit der Verbesserung des Industriedesigns werden die Bearbeitungsobjekte von Werkzeugmaschinen immer gekrümmter und feiner und die Muster werden komplexer, sodass eine hohe Leistung die Bearbeitungseffizienz nicht umfassend verbessern kann. Der Schlüssel liegt nach wie vor in der Beschleunigung und Geschwindigkeit der Bewegungsachsen (wobei die Beschleunigung des Querträgers am kritischsten und am schwierigsten zu erreichen ist).

Die schwereren Querträger aus Stahl verursachen bei Beschleunigungsversuchen leicht Vibrationen, was Leistungsverbesserungen begrenzt. Querträger aus Aluminium sind leichter, aber das Material ist weich und mangelt es an Steifigkeit, und Vibrationen während der Beschleunigung begrenzen ebenfalls Leistungsverbesserungen. Querträger aus Kohlefaser sind leicht, weisen eine Steifigkeit auf, die der von Stahl nahe kommt, und das Material dämpft die Vibrationsausbreitung viel stärker als Metallmaterialien, was sich positiv auf die Vibrationsreduzierung während der Bewegung auswirkt. Daher können Querträger aus Kohlefaser die dynamische Leistung von Hochleistungs-Schneidmaschinenwerkzeugen erheblich verbessern.

Schadensresistenzeigenschaften von Querträgern aus Kohlefaser

Querträger vom Portaltyp verwenden häufig einen beidseitigen, numerisch gesteuerten Synchronantrieb. Bei Störungen des Steuerungssystems oder externen Kollisionen kann es passieren, dass die beiden Antriebsmotoren nicht mehr synchron sind, was zu Blockierungen und starken Verdrehungsverformungen des Querträgers führt. Da Metallmaterialien plastisch verformt werden, handelt es sich bei einer starken Verformung um eine dauerhafte Verformung, die nicht mehr in den ursprünglichen Zustand zurückversetzt werden kann. Die Werkzeugmaschine muss dann angehalten werden, bis der Querträger ausgetauscht ist.

Kohlefaser weist jedoch keine plastische Verformung auf. Selbst wenn das Material aufgrund einer großen äußeren Kraft stark verformt wird, kann das Kohlefaserverbundmaterial, solange es keine inneren Schäden aufweist, nach Wegfall der Kraft ohne bleibende Verformung in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren. Diese Eigenschaft ist metallischen Materialien weit überlegen, weshalb Kohlefaserverbundmaterialien auch für elastische Komponenten (wie Federplatten von Vibrationstischen) verwendet werden, die eine dauerhafte und stabile Elastizität aufweisen, die nicht nachlässt. Bei Verwendung auf Hochgeschwindigkeitswerkzeugmaschinen kann die Präzision auch dann aufrechterhalten werden, wenn schwere Unfälle wie Kollisionen oder unausgeglichene beidseitige Antriebsblockierungen auftreten, die eine Verformung des Querträgers verursachen, da der Querträger in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren kann, nachdem der Unfall behoben wurde.

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