ההתקדמות המהירה של טכנולוגיית מערכות CNC סיפקה תנאים להתקדמות טכנולוגית של מכונות CNC. על מנת לענות על צרכי השוק ולעמוד בדרישות הגבוהות יותר של טכנולוגיית ייצור מודרנית לטכנולוגיית CNC, ההתפתחות הנוכחית של טכנולוגיית CNC העולמית והציוד שלה באה לידי ביטוי בעיקר במאפיינים הטכניים הבאים:
1. מהירות גבוהה
הפיתוח שלכלי עבודה של מכונות CNCכיוון של עיבוד במהירות גבוהה יכול לא רק לשפר משמעותית את יעילות העיבוד ולהפחית את עלויות העיבוד, אלא גם לשפר את איכות עיבוד פני השטח ואת הדיוק של החלקים. לטכנולוגיית עיבוד במהירות גבוהה במיוחד יש תחולה רחבה להשגת ייצור בעלות נמוכה בתעשיית הייצור.
מאז שנות ה-90, מדינות באירופה, ארצות הברית ויפן מתחרות על פיתוח ויישום דור חדש של מכונות CNC במהירות גבוהה, מה שמאיץ את קצב הפיתוח המהיר של מכונות. פריצות דרך חדשות נעשו ביחידות ציר במהירות גבוהה (ציר חשמלי, מהירות 15000-100000 סל"ד), רכיבי הזנה במהירות גבוהה ותאוצה/האטה גבוהה (מהירות תנועה מהירה 60-120 מטר/דקה, מהירות הזנת חיתוך עד 60 מטר/דקה), מערכות CNC וסרוו בעלות ביצועים גבוהים, ומערכות כלי CNC, והגיעו לרמות טכנולוגיות חדשות. עם פתרון טכנולוגיות מפתח בשורה של תחומים טכניים כגון מנגנון חיתוך במהירות גבוהה במיוחד, חומרי כלים קשים במיוחד ועמידים בפני שחיקה בעלי אורך חיים ארוך וכלי השחזה שוחקים, ציר חשמלי במהירות גבוהה בעל הספק גבוה, רכיבי הזנה מונעים על ידי מנוע ליניארי בתאוצה/האטה גבוהה, מערכות בקרה בעלות ביצועים גבוהים (כולל מערכות ניטור) והתקני הגנה, נוצר בסיס טכני לפיתוח ויישום של הדור החדש של מכונות CNC במהירות גבוהה.
כיום, בעיבוד שבבי במהירות גבוהה במיוחד, מהירות החיתוך של חריטה וכרסום הגיעה ליותר מ-5000-8000 מטר/דקה; מהירות הציר היא מעל 30000 סל"ד (חלקם יכולים להגיע עד 100000 סל"ד); מהירות התנועה (קצב הזנה) של שולחן העבודה: מעל 100 מטר/דקה (חלקם עד 200 מטר/דקה) ברזולוציה של מיקרומטר אחד, ומעל 24 מטר/דקה ברזולוציה של 0.1 מיקרומטר; מהירות החלפת כלים אוטומטית תוך שנייה אחת; קצב ההזנה עבור אינטרפולציה של קווים קטנים מגיע ל-12 מטר/דקה.
2. דיוק גבוה
הפיתוח שלכלי עבודה של מכונות CNCמעיבוד שבבי מדויק לעיבוד שבבי מדויק במיוחד הוא כיוון אליו מחויבות מעצמות תעשייתיות ברחבי העולם. דיוקו נע בין מיקרומטר לרמת תת-מיקרון, ואפילו לרמת ננומטר (<10 ננומטר), וטווח היישומים שלו הולך ונרחב.
כיום, תחת הדרישה לעיבוד שבבי בדיוק גבוה, דיוק העיבוד של מכונות CNC רגילות גדל מ-± 10 מיקרומטר ל-± 5 מיקרומטר; דיוק העיבוד של מרכזי עיבוד שבבי מדויקים נע בין ± 3 ל-5 מיקרומטר. העלייה ל-± 1-1.5 מיקרומטר ואף גבוה יותר; דיוק העיבוד האולטרה-מדויק הגיע לרמת ננומטרי (0.001 מיקרומטר), ודיוק סיבוב הציר נדרש להגיע ל-0.01~0.05 מיקרומטר, עם עגלגלות עיבוד של 0.1 מיקרומטר וחספוס פני שטח של עיבוד של Ra=0.003 מיקרומטר. מכונות אלה משתמשות בדרך כלל בצירים חשמליים בעלי הנעה בתדר משתנה מבוקר וקטור (משולבים עם המנוע והציר), עם ריצה רדיאלית של הציר של פחות מ-2 מיקרומטר, תזוזה צירית של פחות מ-1 מיקרומטר, וחוסר איזון בציר המגיע לרמת G0.4.
הנעת ההזנה של מכונות עיבוד שבבי במהירות גבוהה ובדיוק גבוה כוללת בעיקר שני סוגים: "מנוע סרוו סיבובי עם בורג כדורי מדויק במהירות גבוהה" ו"מנוע ליניארי הנעה ישירה". בנוסף, מכונות מקביליות מתפתחות גם הן בעלות הזנה מהירה בקלות.
בשל הטכנולוגיה הבוגרת והשימוש הנרחב שלהם, ברגי כדור לא רק משיגים דיוק גבוה (ISO3408 רמה 1), אלא גם בעלי עלות נמוכה יחסית להשגת עיבוד במהירות גבוהה. לכן, הם עדיין בשימוש במכונות עיבוד במהירות גבוהה רבות עד היום. למכונת עיבוד במהירות גבוהה הנוכחית המונעת על ידי ברגי כדור יש מהירות תנועה מקסימלית של 90 מטר/דקה ותאוצה של 1.5 גרם.
בורג כדורי שייך לתיבת הילוכים מכנית, אשר כרוכה באופן בלתי נמנע בעיוות אלסטי, חיכוך ומרווח הפוך במהלך תהליך ההילוכים, וכתוצאה מכך להיסטרזיס בתנועה ושגיאות לא ליניאריות אחרות. על מנת לבטל את ההשפעה של שגיאות אלו על דיוק העיבוד השבבי, הנעה ישירה של מנוע ליניארי יושמה על כלי עבודה מכניים בשנת 1993. מכיוון שמדובר ב"תיבת הילוכים אפס" ללא קשרי ביניים, יש לה לא רק אינרציה תנועה קטנה, קשיחות מערכת גבוהה ותגובה מהירה, היא יכולה להשיג מהירות ותאוצה גבוהות, ואורך המהלך שלה אינו מוגבל תיאורטית. דיוק המיקום יכול להגיע גם לרמה גבוהה תחת פעולת מערכת משוב מיקום מדויקת, מה שהופך אותה לשיטת הנעה אידיאלית עבור כלי עבודה מכניים במהירות ובדיוק גבוה, במיוחד כלי עבודה בינוניים וגדולים. נכון לעכשיו, מהירות התנועה המרבית המהירה של מכונות עיבוד שבבי במהירות ובדיוק גבוה המשתמשות במנועים ליניאריים הגיעה ל-208 מטר/דקה, עם תאוצה של 2 גרם, ועדיין יש מקום לפיתוח.
3. אמינות גבוהה
עם פיתוח יישומים רשתיים שלכלי עבודה של מכונות CNC, האמינות הגבוהה של מכונות CNC הפכה למטרה שנשאפו אליה יצרני מערכות CNC ויצרני מכונות CNC. עבור מפעל לא מאויש העובד בשתי משמרות ביום, אם נדרש לעבוד ברציפות ובצורה תקינה תוך 16 שעות עם שיעור נטול כשל של P(t)=99% או יותר, הזמן הממוצע בין כשלים (MTBF) של מכונת ה-CNC חייב להיות גדול מ-3000 שעות. עבור מכונת CNC אחת בלבד, יחס שיעור הכשל בין המארח למערכת ה-CNC הוא 10:1 (אמינות ה-CNC גבוהה בסדר גודל אחד מזו של המארח). בשלב זה, ה-MTBF של מערכת ה-CNC חייב להיות גדול מ-33333.3 שעות, וה-MTBF של מכשיר ה-CNC, הציר וההינע חייב להיות גדול מ-100000 שעות.
ערך ה-MTBF של מכשירי CNC זרים קיימים הגיע ליותר מ-6000 שעות, ומכשיר ההנעה הגיע ליותר מ-30000 שעות. עם זאת, ניתן לראות שעדיין קיים פער מהיעד האידיאלי.
4. ריבית מורכבת
בתהליך עיבוד החלקים, זמן רב חסר תועלת מבוזבז על טיפול בחומר עבודה, טעינה ופריקה, התקנה וכיוונון, החלפת כלים ועלייה והורדת מהירות הציר. על מנת למזער את הזמן חסר התועלת הזה ככל האפשר, אנשים מקווים לשלב פונקציות עיבוד שונות באותו כלי מכונה. לכן, מכונות עם פונקציות מורכבות הפכו למודל המתפתח במהירות בשנים האחרונות.
המושג עיבוד שבבי של כלי מכונה מרוכבים בתחום הייצור הגמיש מתייחס ליכולתה של כלי מכונה לבצע באופן אוטומטי עיבוד שבבי רב-תהליכי של אותן שיטות תהליך או סוגים שונים של שיטות תהליך בהתאם לתוכנית עיבוד שבבי CNC לאחר הידוק חומר העבודה בבת אחת, על מנת להשלים תהליכי עיבוד שונים כגון חריטה, כרסום, קידוח, קידוח, השחזה, הברגה, רימינג והרחבה של חלק בעל צורה מורכבת. באשר לחלקים פריזמטיים, מרכזי עיבוד שבבי הם כלי המכונה הנפוצים ביותר המבצעים עיבוד מרוכב רב-תהליכי באותה שיטת תהליך. הוכח כי עיבוד שבבי של כלי מכונה מרוכבים יכול לשפר את דיוק ויעילות העיבוד, לחסוך מקום, ובעיקר לקצר את מחזור העיבוד של חלקים.
5. פוליאקסיליזציה
עם הפופולריות של מערכות CNC ותוכנות תכנות עם קישוריות 5 צירים, מרכזי עיבוד שבבי מבוקרי קישוריות 5 צירים ומכונות כרסום CNC (מרכזי עיבוד שבבי אנכיים) הפכו למוקד פיתוח עכשווי. בשל הפשטות של בקרת קישוריות 5 צירים בתכנות CNC עבור חותכי קצה כדוריים בעת עיבוד משטחים חופשיים, והיכולת לשמור על מהירות חיתוך סבירה עבור חותכי קצה כדוריים במהלך תהליך הכרסום של משטחים תלת-ממדיים, כתוצאה מכך, חספוס משטח העיבוד משתפר משמעותית ויעילות העיבוד משתפרת מאוד. עם זאת, במכונות כלי עבודה מבוקרי קישוריות 3 צירים, אי אפשר למנוע מקצה חותך קצה הכדוריים עם מהירות חיתוך קרובה לאפס להשתתף בחיתוך. לכן, מכונות כלי עבודה עם קישוריות 5 צירים הפכו למוקד פיתוח פעיל ותחרות בין יצרני מכונות גדולים בשל יתרונות הביצועים הבלתי ניתנים להחלפה שלהם.
לאחרונה, מדינות זרות עדיין חוקרים בקרת קישור 6 צירים באמצעות כלי חיתוך שאינם מסתובבים במרכזי עיבוד שבבי. למרות שצורת העיבוד שלהם אינה מוגבלת ועומק החיתוך יכול להיות דק מאוד, יעילות העיבוד נמוכה מדי וקשה ליישם אותה באופן מעשי.
6. מודיעין
אינטליגנציה היא כיוון מרכזי בפיתוח טכנולוגיית הייצור במאה ה-21. עיבוד שבבי חכם הוא סוג של עיבוד שבבי המבוסס על בקרת רשתות נוירונים, בקרה עמומה, טכנולוגיית רשתות דיגיטליות ותיאוריה. מטרתו לדמות את הפעילויות האינטליגנטיות של מומחים אנושיים במהלך תהליך העיבוד השבבי, על מנת לפתור בעיות רבות ולא ודאיות הדורשות התערבות ידנית. תוכן האינטליגנציה כולל היבטים שונים במערכות CNC:
לשאוף ליעילות ואיכות עיבוד חכמות, כגון בקרה אדפטיבית ויצירה אוטומטית של פרמטרי תהליך;
כדי לשפר את ביצועי הנהיגה ולאפשר חיבור חכם, כגון בקרת הזנה קדימה, חישוב אדפטיבי של פרמטרי מנוע, זיהוי אוטומטי של עומסים, בחירה אוטומטית של דגמים, כוונון עצמי וכו';
תכנות פשוט ותפעול חכמה, כגון תכנות אוטומטי חכם, ממשק אדם-מכונה חכם וכו';
אבחון וניטור חכמים מקלים על אבחון ותחזוקת המערכת.
ישנן מערכות חיתוך ועיבוד שבבי חכמות רבות הנמצאות במחקר בעולם, ביניהן פתרונות העיבוד החכמים לקידוח של איגוד המחקר של מכשירי CNC חכמים ביפן מייצגים.
7. יצירת קשרים
בקרה רשתית של מכונות כלים מתייחסת בעיקר לחיבור הרשת ובקרת הרשת בין המכונה לבין מערכות בקרה חיצוניות אחרות או מחשבים עליונים דרך מערכת ה-CNC המצוידת בה. מכונות CNC בדרך כלל פונות תחילה לאתר הייצור ולרשת הרשת המקומית הפנימית של הארגון, ולאחר מכן מתחברות לחוץ הארגון דרך האינטרנט, הנקראת טכנולוגיית אינטרנט/אינטראנט.
עם הבשלות והפיתוח של טכנולוגיית הרשת, התעשייה הציעה לאחרונה את מושג הייצור הדיגיטלי. ייצור דיגיטלי, המכונה גם "ייצור אלקטרוני", הוא אחד מסמלי המודרניזציה במפעלי ייצור מכניים ושיטת האספקה הסטנדרטית עבור יצרני כלי מכונות מתקדמים בינלאומיים כיום. עם האימוץ הנרחב של טכנולוגיית מידע, יותר ויותר משתמשים ביתיים זקוקים לשירותי תקשורת מרחוק ופונקציות אחרות בעת ייבוא כלי מכונות CNC. על בסיס האימוץ הנרחב של CAD/CAM, מפעלי ייצור מכניים משתמשים יותר ויותר בציוד עיבוד שבבי CNC. תוכנת יישומי CNC הופכת לעשירה וידידותית יותר למשתמש. תכנון וירטואלי, ייצור וירטואלי וטכנולוגיות אחרות נמשכות יותר ויותר על ידי אנשי הנדסה וטכניקה. החלפת חומרה מורכבת בבינה תוכנתית הופכת למגמה חשובה בפיתוח כלי מכונות עכשוויים. תחת מטרת הייצור הדיגיטלי, מספר תוכנות ניהול ארגוניות מתקדמות כגון ERP צצו באמצעות הנדסת תהליכים מחדש וטרנספורמציה של טכנולוגיית מידע, ויוצרות יתרונות כלכליים גבוהים יותר עבור ארגונים.
8. גמישות
המגמה של מכונות CNC לכיוון מערכות אוטומציה גמישות היא להתפתח מנקודה (מכונה בודדת CNC, מרכז עיבוד שבבי ומכונת עיבוד שבבי CNC מרוכבת), קו (FMC, FMS, FTL, FML) למשטח (אי ייצור עצמאי, FA), ולגוף (CIMS, מערכת ייצור משולבת ברשת מבוזרת), ומצד שני, להתמקד ביישום ובחסכון. טכנולוגיית אוטומציה גמישה היא האמצעי העיקרי עבור תעשיית הייצור להסתגל לדרישות השוק הדינמיות ולעדכן מוצרים במהירות. זוהי המגמה המרכזית של פיתוח ייצור במדינות שונות והטכנולוגיה הבסיסית בתחום הייצור המתקדם. המיקוד שלה הוא בשיפור האמינות והמעשיות של המערכת, במטרה של רשת ואינטגרציה קלים; דגש על פיתוח ושיפור טכנולוגיית היחידה; מכונת CNC בודדת מתפתחת לכיוון דיוק גבוה, מהירות גבוהה וגמישות גבוהה; מכונות CNC ומערכות הייצור הגמישות שלהן ניתנות לחיבור בקלות עם CAD, CAM, CAPP, MTS, ולהתפתח לכיוון שילוב מידע; פיתוח מערכות רשת לכיוון פתיחות, אינטגרציה ואינטליגנציה.
9. הירוקיזציה
מכונות חיתוך מתכת של המאה ה-21 חייבות לתת עדיפות להגנה על הסביבה ולשימור אנרגיה, כלומר, להשיג את הפיכת תהליכי החיתוך לירוקים יותר. כיום, טכנולוגיית עיבוד ירוקה זו מתמקדת בעיקר בהימנעות משימוש בנוזל חיתוך, בעיקר משום שנוזל החיתוך לא רק מזהם את הסביבה ומסכן את בריאות העובדים, אלא גם מגדיל את צריכת המשאבים והאנרגיה. חיתוך יבש מתבצע בדרך כלל באווירה אטמוספרית, אך הוא כולל גם חיתוך באטמוספרות גז מיוחדות (חנקן, אוויר קר או שימוש בטכנולוגיית קירור אלקטרוסטטי יבש) ללא שימוש בנוזל חיתוך. עם זאת, עבור שיטות עיבוד מסוימות ושילובי חומרי עבודה, חיתוך יבש ללא שימוש בנוזל חיתוך קשה כיום ליישום בפועל, ולכן צץ חיתוך קוואזי יבש עם שימון מינימלי (MQL). כיום, 10-15% מהעיבוד המכני בקנה מידה גדול באירופה משתמש בחיתוך יבש וכמעט יבש. עבור כלי עבודה כמו מרכזי עיבוד שבבי המיועדים לשיטות עיבוד מרובות/שילובי חומרי עבודה, נעשה שימוש בעיקר בחיתוך קוואזי יבש, בדרך כלל על ידי ריסוס תערובת של כמויות קטנות ביותר של שמן חיתוך ואוויר דחוס לתוך אזור החיתוך דרך התעלה החלולה בתוך ציר המכונה והכלי. מבין סוגים שונים של מכונות חיתוך מתכת, מכונת חיתוך גלגלי שיניים היא הנפוצה ביותר לחיתוך יבש.
בקיצור, ההתקדמות והפיתוח של טכנולוגיית מכונות CNC סיפקו תנאים נוחים לפיתוח תעשיית הייצור המודרנית, וקידמו את התפתחות הייצור לכיוון אנושי יותר. ניתן לצפות שעם התפתחות טכנולוגיית מכונות CNC והיישום הנרחב של מכונות CNC, תעשיית הייצור תביא למהפכה עמוקה שיכולה לנער את מודל הייצור המסורתי.