La tecnologia di lavorazione ad alta-velocità sta ricevendo una crescente attenzione. Non solo offre una maggiore produttività, ma raggiunge anche un’elevata qualità di lavorazione e riduce i costi di produzione, rendendola una delle tecnologie di produzione avanzate più promettenti del 21° secolo.
Nei paesi industriali avanzati, questa tecnologia è stata ampiamente applicata nell’industria aerospaziale e degli stampi. Negli ultimi cinque anni, anche il mio Paese ha compiuto progressi significativi in questa tecnologia. La lavorazione ad alta-velocità è un prerequisito per ottenere un taglio ad alta-velocità.
Le macchine utensili ad alta-velocità e le macchine utensili-ad assi virtuali rappresentano innovazioni significative nella tecnologia delle macchine utensili. Che si tratti di una macchina utensile CNC convenzionale o di una macchina utensile ad asse virtuale-, il componente chiave per raggiungere l'alta velocità rimane l'unità mandrino.
La velocità di un mandrino ad alta-velocità viene spesso misurata dal suo valore dn (il prodotto del diametro medio del cuscinetto del mandrino (mm) e della velocità di rotazione massima del mandrino (giri/min)). I mandrini ad alta-velocità hanno in genere un valore dn pari a 1,0 × 10⁶ o superiore. Con lo sviluppo delle tecnologie dei cuscinetti e della lubrificazione, le velocità del mandrino sono aumentate di anno in anno. I dati mostrano che negli anni ’80 il valore dn massimo per i cuscinetti dei mandrini lubrificati a grasso era solo 0,5 × 10⁶. Tuttavia, dopo lo sviluppo dei sistemi di lubrificazione olio-aria, il valore dn è aumentato rapidamente fino a 1,0 × 10⁶. Con l'uso di cuscinetti a sfere in ceramica a contatto obliquo, il valore dn del cuscinetto del mandrino è ulteriormente aumentato a 2,0 × 10⁶.
Negli anni '90, un nuovo metodo di lubrificazione-lubrificazione a getto-ha consentito al valore dn del mandrino di raggiungere 3,0 × 10⁶. Per unità mandrino con velocità superiore a 10.000 giri/min non è più adatto il passaggio tramite cinghie o giunti. Un approccio più ragionevole consiste nell'utilizzare un motore-integrato per l'azionamento diretto, in cui il rotore del motore è montato direttamente sul mandrino e lo statore è installato nel manicotto del mandrino, formando un cosiddetto-elettromandrino.
Questo elettromandrino presenta vantaggi quali struttura compatta, facilità di bilanciamento ed elevata efficienza di trasmissione, che lo rendono una struttura ideale per mandrini ad alta-velocità. Le prestazioni dell'elettromandrino sono influenzate in modo significativo dai cuscinetti e dalla loro tecnologia di lubrificazione, nonché da molti altri fattori, tra cui il controllo del precarico dei cuscinetti, il riscaldamento e il raffreddamento del motore integrato-, l'equilibrio dinamico del mandrino e il collegamento delle parti sull'albero.
Inoltre, anche il design dell'estremità dell'albero del mandrino è un aspetto cruciale degli elettromandrini ad alta-velocità che non può essere trascurato. I cuscinetti utilizzati nelle unità mandrino ad alta-velocità includono principalmente cuscinetti a sfere a contatto obliquo, cuscinetti a levitazione magnetica, cuscinetti idrostatici a base d'acqua- e cuscinetti idrostatici ad aria.
A causa del costo elevato, dei sistemi di controllo complessi e delle difficoltà nel risolvere i problemi di generazione di calore, i cuscinetti a levitazione magnetica non sono ancora ampiamente utilizzati nelle unità mandrino ad alta-velocità.
I cuscinetti idrostatici-a base d'acqua sono uno degli argomenti di ricerca più diffusi in Cina. Sfruttano la grande capacità termica dell'acqua e il conseguente minor aumento della temperatura dei cuscinetti, risolvendo parzialmente il grave problema della generazione di calore dei normali cuscinetti dinamici e idrostatici. Vengono utilizzati principalmente in applicazioni a bassa-velocità e-carico pesante.
I cuscinetti idrostatici ad aria hanno una bassa rigidità radiale e sono suscettibili agli urti, ma offrono buone prestazioni ad alta-velocità e sono generalmente utilizzati in mandrini a velocità ultra-alta-, con carico leggero-e di precisione.
I cuscinetti a sfere a contatto obliquo vengono utilizzati nelle-unità mandrino ad alta velocità con un valore dn inferiore a 2,0 × 10⁶. Soddisfano i requisiti in termini di limite di velocità, capacità di carico, rigidità e precisione e sono standardizzati ed economici. Le prestazioni dei cuscinetti a sfere a contatto obliquo possono essere migliorate anche attraverso i seguenti metodi.
