Актуални тенденции при металорежещите машини

МашиниТенденцииСпециален брой: Металообработка • 01.09.2021

  • С навлизането на металообработката “все по-надълбоко” в Industry 4.0 металорежещите машини следват отчетлива тенденция към нарастваща степен на дигитализация, свързаност, автономност и интелигентност

  • Все повече производства използват предимствата на виртуалната и интернет базираната обработка, цифровите двойници и средствата за отдалечен и прогнозен мониторинг и диагностика, за да оптимизират работата и жизнения цикъл на машините си

  • CNC обработката се комбинира с иновации като триизмерното принтиране, за да създаде изцяло нова генерация хибридни системи за комбинирано субтрактивно и адитивно производство

 

С навлизането на металообработката “все по-надълбоко” в Industry 4.0 металорежещите машини следват отчетлива тенденция към нарастваща степен на дигитализация, свързаност, автономност и интелигентност. Наред с това непрекъснато се подобряват тяхната ефективност, производителност и точност, като същевременно се съкращават времената за реакция и циклите на обработка. Иновативни и комплексни методологии като ултрависокоскоростно рязане и ултрапрецизна обработка вече са част от масовата практика в множество модерни цехове. Благодарение на напредъка в информационните и комуникационни технологии, автоматизацията, триизмерното моделиране и симулация, изкуствения интелект и машинното обучение все повече производства използват предимствата на виртуалната и интернет базираната обработка, цифровите двойници и средствата за отдалечен и прогнозен мониторинг и диагностика, за да оптимизират работата и жизнения цикъл на машините си.

Не можем да не се запитаме къде е пределът и кога ще настъпи моментът, в които производителите на металорежещо оборудване ще се изчерпат в опитите си да усъвършенстват дизайна и функционалността на всеки по-нов модел. Експертите отговарят еднозначно – никога. Според тях новаторски инженерни разработки в сфери като материалознание, производствени процеси, механична обработка, трибология, повърхностно инженерство, структурна механика, приложна и изчислителна механика, механичен дизайн, мехатроника и роботика, флуидна механика, възобновяема енергия, наноинженеринг и т. н. винаги ще има. А браншът непрекъснато ще се стреми адекватно да им отговори с най-новото поколение металорежещи машини, специализирани в...

Тук умишлено ще поставим многоточие и ще разгледаме водещите тенденции, които дефинират посоките на технологично развитие при оборудването в сегмента през последните години и някои от най-вероятните прогнози за бъдещата им модернизация.


Мултифункционални, ултрабързи и изненадващо прецизни

Такива са най-модерните металорежещи машини с ЦПУ в съвременните фабрики, макар да са базирани на метод, разработен и въведен през далечния 18 в. Цели три столетия по-късно CNC обработката продължава да е водещ производствен процес за изработка на метални изделия чрез отнемане на материал, но не спира да се развива и да “влиза” в комплексни технологични колаборации с иновации като триизмерното принтиране, за да създаде изцяло нова генерация хибридни решения за комбинирано субтрактивно и адитивно производство.

И въпреки постоянния сблъсък на фактори с противоположен знак и глобална значимост в сегмента – например бума на интелигентните решения и пандемията от COVID-19, пазарът на металорежещи машини остава относително стабилен благодарение на впечатляващата гъвкавост на производителите. На колебанията във връзка с инвестиция в специализирана конфигурация в трудните времена на икономическа стагнация през последната година пазарът отговаря с мултифункционални решения. Оборудвани с устройства за автоматизирана смяна на инструмента и инструментални магазини с капацитет от порядъка на 100 и повече позиции, модерните съвременни обработващи центри могат да извършват фрезоване, пробиване, разстъргване, струговане, райбероване, нарязване на резби и много други операции на една и съща машина, а също и да прилагат многошпинделна и многолицева обработка.

Високата скорост и прецизност са други “златни” предимства в арсенала на металорежещите машини с ЦПУ, които ги правят незаменими в съвременната металообработка, тъй като пряко кореспондират с ефективността, производителността и качеството. Днешните модели CNC системи са базирани на цифрови процесори с по-висока честота, които драстично увеличават скоростта на системата на ниво изчислителна мощ. В същото време свръхмащабни интегрални схеми и многопроцесорни структури се използват за подобряване на способността на системата да обработва данни и повишаване на скоростта и точността на интерполационните операции. На ниво конструкция се залага на линейни двигатели, тъй като скоростта и динамичните им характеристики са значително по-добри в сравнение с други технологични аналози.


Интелигентни функции и автоматизация

Съвременните металорежещи машини с ЦПУ все по-масово са базирани на адаптивни технологии за управление, които отчитат промените в условията на рязане, автоматично настройват работните параметри, за да се запази оптималният статус на обработващия процес и да се повиши прецизността с цел по-високо качество на повърхностите, а също – да се удължи полезният живот на инструментите и да се подобри цялостната производствена ефективност на оборудването.

От изключителна важност за максимално точната и рентабилна обработка са интелигентните инструменти за самодиагностика и самоконфигуриране, благодарение на които системата може автономно да провери и адаптира работата на ЦПУ и свързаното с него оборудване в реално време, по всяко време, съобразно моментните условия.

В случай на неизправност интелигентното управление на машината незабавно и автоматично инициира съответната мярка – аварийно спиране, задействане на аларма към отговорния оператор, както и генериране на подробен доклад с причината, местоположението и параметрите на проблема към техническия екип. Модулният принцип, на който са изградени повечето съвременни металообработващи конфигурации, позволява автоматично изолиране или изключване само на засегнатия модул, ако това е възможно, без необходимост от спиране на цялото оборудване. В някои случаи на изцяло автономно производство дефектиралата част може да бъде идентифицирана с помощта на диагностична система с изкуствен интелект и автоматично подменена, без реално да се налага прекъсване на основните производствени процеси.

С напредъка в технологичното развитие на компютърните технологии в металорязането и металообработката все по-масово се използва т. нар. интерактивно автоматично CAD/CAM програмиране. При него се използват CAD чертежът на модела, по който ще се обработва детайла, и компютърните данни за траекторията на инструмента с цел извършване на необходимите изчисления и последваща обработка. С тяхна помощ автоматично се генерира цифрова програма за обработка на съответното изделие, позволяваща пълна интеграция на CAD и CAM софтуера в процеса.

През последното десетилетие значително се измени моделът на използване на CAD/CAM софтуер в металорязането. Относително скъпите в миналото платформи в сегмента днес са достъпни за много по-широк кръг от малки и средни предприятия. В допълнение самата технология сега е много по-интуитивна и достъпна за използване, както и в пъти по-мощна.

Тази тенденция влияе значително и върху развитието на металорежещите машини, които са способни на непостигани досега ефективност и прецизност. За да протичат максимално плавно и безпроблемно производствените процеси в металообработващите цехове, усъвършенстваният CAD/CAM софтуер предлага и почти безкрайни възможности за интеграция с различни машинни платформи, софтуерни пакети за базирано на модели дефиниране (MBD), системи за триизмерна визуализация и др.


Миниатюризация и повече оси

Друга отчетлива тенденция при металорежещите машини е миниатюризацията на дигиталните системи за управление, която позволява по-лесното комбиниране на механично и електрическо оборудване в общ корпус. Масовите решения до момента бяха базирани на свръхмащабни интегрирани компоненти и многослойни печатни платки посредством използването на триизмерни методи за инсталация, така че електронните компоненти да могат да бъдат интегрирани в комплексна система с висока плътност, която заема и относително много пространство.

Въвеждането на новите тънки и цветни течнокристални дисплеи като аналог на традиционната електронно-лъчева тръба допълнително улеснява миниатюризацията при CNC системите. Така ЦПУ блокът е достатъчно компактен, за да може да бъде монтиран върху самата металорежеща машина, вместо да бъде помещаван в голям отделен корпус, което значително опростява управлението и позволява значителни икономии на място в цеховете.

Сред водещите тенденции при оборудването за металорязане е и конструирането на системи за обработка по повече на брой оси. За разлика от традиционните машини с ЦПУ, които са базирани на линейно движение по три оси, все повече модерни модели са конфигурирани с 4, 5 и повече оси. При една триосна система обикновено леглото се движи линейно по две оси, докато вретеното се води нагоре и надолу по третата ос. 4-осните машини позволяват по-детайлно рязане чрез включване на ротационна ос. Въртящата се четвърта ос типично е монтирана към работната маса на машината, а детайлът се фиксира към лицевата й страна. Това прави 4-осните конфигурации подходящи за производство на медицински изделия и детайли със сложна геометрия.

5-осните машини до голяма степен отразяват най-високите достижения във фрезоването. Те позволяват микрообработка и са способни да извършват изключително детайлни металорежещи операции с несравними скорости. Системите в сегмента се състоят от три линейни оси и две ротационни степени на свободно движение. И макар 4- и 5-осните машини да са налични на пазара от дълги години, масовото им приложение едва сега се стимулира от все по-достъпните им цени.

Огромно предимство при традиционните машинни конфигурации в експлоатация е, че могат да бъдат подложени на сравнително лесен и рентабилен ретрофит чрез добавянето на повече оси за обработка. Това се постига например посредством интегрирането на цапфа (частта от вала или оста, на която се намира опората/лагера), която позволява по-свободно накланяне и въртене. Така една конвенционална 3-осна машина може да бъде трансформирана за 5-осна обработка, което прави възможно изпълнението на повече обработки с по-малко на брой настройки. На теория всяка отделна настройка носи риск от грешки, а изначалното им елиминиране директно кореспондира с оптимизацията на оперативните разходи. Популяризирането на многоосната обработка спомага и за спад в цените на по-компактните машини с ЦПУ. Така фрезоването като технология става все по-достъпно и за малките цехове и производства.


Технологичните иновации моделират пазара

Новите разработки при технологиите за металорязане и металообработка водят до неминуем технически прогрес и при оборудването, тъй като производителите се стремят да осигурят специализирани решения за всяка набираща популярност новост, както и мултифункционални системи, които включват най-новите методологии в обхвата си. Сред иновациите е лазерното рязане, популярно и като лазерна микрообработка. Процесът може да бъде конфигуриран за заваряване, плакиране (покритие), ецване, повърхностна обработка, пробиване и рязане. Сред “горещите” му приложения е и хибридната обработка, която комбинира отнемане на материал и триизмерен печат с цел бързо и ефективно производство на прецизни изделия с максимално близка до крайната форма на един обработващ център. Все повече металорежещи машини разполагат и с автоматизирани системи за финишна обработка, които ускоряват и оптимизират процеса по изработка на готови високоточни изделия.

Други популярни технологии в металообработката, които стимулират технологичната диверсификация и специализация при металообработващото оборудване, са електрохимичната (ECM) и ултразвуковата обработка, както и водоструйното рязане.

Наред с миниатюризацията при оборудването, същата тенденция се наблюдава и при компонентите. Нарастващо търсене на миниатюрни изделия пазарните анализатори регистрират в редица сектори като авиационната и космическата индустрия, медицината и биоинженерството, оптиката, микроелектрониката, автомобилостроенето и отбраната. Механичната микрообработка се доказва като най-ефективна във времеви и разходен аспект, а едно от най-популярните приложения в сегмента е микрофрезоването. Тази технология се отличава с висока производителност и прецизност и позволява работа с широк набор от материали като метали, керамика, полимери и композити. Чрез електрохимична микрообработка пък могат да бъдат третирани по-устойчиви и здрави материали като титан, никел и техните сплави, както и специални инженерни суперсплави, неръждаема стомана и т. н. в индустрии като самолето- и автомобилостроенето, медицината, оптиката, електрониката и др.


Металорежещите машини в дигиталната епоха

Проектирани и интегрирани като ключови градивни единици на дигиталното производство, интелигентните и високотехнологични металорежещи машини все по-често се разглеждат като двуединство между физическа и виртуална архитектура. Последната се изгражда все по-масово в цифровите фабрики с цел обезпечаване на иновативни функции и технологии като цифрови двойници, изкуствен интелект, машинно обучение, прогнозна поддръжка, отдалечен мониторинг и т. н.

Възникват и изцяло нови бизнес модели на промотиране на металорежещите машини “като услуга” (Machine-as-a-Service) и “като платформа” (Machine-as-a-Platform). Основна цел на предлагането и управлението на една машина като платформа е минимизиране на нововъзникващите рискове за безопасността вследствие на усложняването на обработката с допълнителни оси и спомагателни операции. С помощта на CAM софтуер доставчиците на услугата изграждат комплексен виртуален модел (цифров двойник) на оборудването с ЦПУ. Така всеки продукт, операция, програма, траектория на инструмента или стратегия за обработка могат да бъдат предварително симулирани и тествани, за да се предотвратят потенциалните грешки, сблъсъци и проблеми във виртуална среда, без това да носи риск от повреди на машината, продукцията и всички свързани разходи.

Все повече производители на металорежещо оборудване осигуряват машините си и със специални интелигентни обучителни платформи с помощта на усъвършенстван софтуер, триизмерна визуализация, симулация и моделиране и инструменти за виртуална и добавена реалност. Така процесът по обучение на персонала и отстраняване на реални проблеми може да бъде значително оптимизиран и интегриран в непрекъснатото производство, без излишни престои и загуби на време и средства.

Възможно е интерактивното комбиниране на локално и отдалечено обучение, поддръжка и конфигурация.

В контекста на цифровизацията при металорежещите машини е важно да споменем и множеството ползи, които носи интеграцията на IIoT технологиите в сегмента. Сензорите днес са много по-компактни, мултифункционални, интелигентни и достъпни, което позволява внедряването им във все повече устройства и системи в металообработката. Благодарение на това става възможно събирането на големи обеми от разнородни данни за работата и поведението на машината в исторически план, отделните конструктивни модули могат да бъдат централизирано управлявани или самостоятелно адресирани при необходимост, а интелигентният мониторинг спомага за поддръжката на оптимални параметри на обработка и превантивно отстраняване на настъпващи проблеми.

 





ЕКСКЛУЗИВНО

Top