Apa dampak suhu pada akurasi dalam pemesinan CNC

Deformasi termal pada pemesinan CNC adalah salah satu alasan yang memengaruhi akurasi pemesinan. Alat mesin dipengaruhi oleh perubahan suhu lingkungan bengkel, pemanasan motor listrik, pemanasan gesekan gerakan mekanis, panas pemotongan, dan media pendingin, yang mengakibatkan kenaikan suhu yang tidak merata di berbagai bagian alat mesin, yang menyebabkan perubahan akurasi bentuk dan pemrosesan keakuratan alat mesin. Misalnya, pemesinan 70mm pada mesin penggilingan CNC presisi reguler × Dibandingkan dengan benda kerja yang diproses dari pukul 2:00 hingga 3:30 sore, perubahan kesalahan kumulatif sekrup 1650mm dapat mencapai 85m. Di bawah kondisi suhu konstan, kesalahan dapat dikurangi menjadi 40m.

Misalnya, mesin gerinda ujung ganda presisi yang digunakan untuk menggiling benda kerja lembaran baja tipis dengan ketebalan 0,6-3,5 mm di kedua ujungnya, yang memproses 200 mm selama inspeksi penerimaan × 25 mm × Benda kerja lembaran baja 1,08 mm dapat mencapai akurasi dimensi mm , dan derajat tekukan kurang dari 5m sepanjang keseluruhan. Tetapi setelah 1 jam penggilingan otomatis terus menerus, kisaran perubahan ukuran meningkat menjadi 12m, dan suhu cairan pendingin meningkat dari 17 ℃ saat dinyalakan menjadi 45 ℃. Karena pengaruh panas penggilingan, jurnal spindel memanjang dan jarak antara bantalan depan spindel meningkat. Berdasarkan hal tersebut, menambahkan kulkas 5,5kW ke tangki pendingin alat mesin telah mencapai hasil yang sangat ideal. Praktik telah membuktikan bahwa deformasi peralatan mesin setelah dipanaskan merupakan alasan penting yang memengaruhi keakuratan pemesinan. Tetapi alat mesin berada di lingkungan yang suhunya berubah kapan saja dan di mana saja; Alat mesin itu sendiri pasti akan mengkonsumsi energi selama operasi, dan sebagian besar energi ini akan diubah menjadi panas dengan berbagai cara, menyebabkan perubahan fisik pada berbagai komponen alat mesin. Perubahan ini sangat bervariasi karena perbedaan bentuk struktur, bahan, dan alasan lainnya. Perancang alat mesin harus menguasai mekanisme pembentukan panas dan hukum distribusi suhu, dan mengambil tindakan yang sesuai untuk mengurangi dampak deformasi termal pada akurasi pemesinan hingga Z kecil.

Kenaikan suhu, distribusi suhu, dan iklim alami peralatan mesin memengaruhi wilayah China yang luas. Sebagian besar wilayah terletak di zona subtropis. Suhu sangat berubah sepanjang tahun, dan perbedaan suhu berubah secara berbeda dalam satu hari. Akibatnya, orang memiliki cara dan tingkat intervensi yang berbeda dalam suhu dalam ruangan (seperti bengkel), dan suhu di sekitar peralatan mesin sangat bervariasi. Misalnya, kisaran variasi suhu musiman di wilayah Delta Sungai Yangtze sekitar 45 ℃, dan variasi suhu diurnal sekitar 5-12 ℃. Bengkel pemesinan umumnya tidak memiliki pemanas di musim dingin dan tidak ada AC di musim panas, tetapi selama bengkel tersebut memiliki ventilasi yang baik, gradien suhu di bengkel pemesinan tidak banyak berubah. Di wilayah Timur Laut, perbedaan suhu musiman bisa mencapai 60℃, dengan variasi diurnal sekitar 8-15℃. Periode pemanasan adalah dari akhir Oktober hingga awal April tahun berikutnya, dan bengkel pemesinan dirancang dengan pemanasan, sehingga sirkulasi udara tidak mencukupi. Perbedaan suhu di dalam dan di luar bengkel bisa mencapai 50 ℃. Oleh karena itu, gradien suhu di bengkel selama musim dingin sangat kompleks, dengan suhu luar ruangan 1,5 ℃ diukur dari 8:15 hingga 8:35 pagi, dan perubahan suhu sekitar 3,5 ℃ di bengkel. Keakuratan pemesinan alat mesin presisi akan sangat dipengaruhi oleh suhu lingkungan di bengkel tersebut.

 

Pengaruh lingkungan sekitar pada alat mesin mengacu pada lingkungan termal yang dibentuk oleh berbagai tata letak dalam jarak dekat dari alat mesin.

Mereka mencakup empat aspek berikut:

1) Iklim mikro bengkel: seperti distribusi suhu di bengkel (arah vertikal dan horizontal). Saat pergantian siang dan malam atau saat iklim dan ventilasi berubah, suhu bengkel akan mengalami perubahan yang lambat.

2) Sumber panas bengkel: seperti radiasi matahari, peralatan pemanas, dan radiasi penerangan daya tinggi, yang secara langsung dapat mempengaruhi kenaikan suhu seluruh alat mesin atau beberapa komponen untuk waktu yang lama ketika berada di dekat alat mesin. Panas yang dihasilkan oleh peralatan yang berdekatan selama operasi dapat mempengaruhi kenaikan suhu alat mesin melalui radiasi atau aliran udara.

3) Pembuangan panas: Fondasi memiliki efek pembuangan panas yang baik, terutama untuk peralatan mesin presisi. Jangan mendekati pipa pemanas bawah tanah. Begitu pecah dan bocor, mungkin menjadi sumber panas yang sulit dicari penyebabnya; Bengkel terbuka akan menjadi 'radiator' yang baik, yang mendukung keseimbangan suhu di bengkel.

4) Suhu konstan: Mengadopsi fasilitas suhu konstan di bengkel sangat efektif dalam menjaga presisi dan akurasi pemrosesan peralatan mesin presisi, tetapi menghabiskan banyak energi.

3. Faktor pengaruh termal internal peralatan mesin

1) Sumber panas struktural untuk peralatan mesin. Motor listrik yang menghasilkan panas, seperti motor spindel, motor servo umpan, motor pompa pendingin dan pelumasan, dan kotak kontrol listrik, semuanya dapat menghasilkan panas. Situasi ini diperbolehkan untuk motor itu sendiri, tetapi memiliki efek buruk yang signifikan pada komponen seperti spindel dan sekrup bola, dan langkah-langkah harus diambil untuk mengisolasinya. Ketika energi listrik input menggerakkan motor untuk beroperasi, kecuali sebagian kecil (sekitar 20%) yang diubah menjadi energi panas motor, sebagian besar akan diubah menjadi energi kinetik oleh mekanisme gerak, seperti putaran spindel, gerakan meja kerja. , dll; Namun, tidak dapat dihindari bahwa sebagian besar masih akan diubah menjadi panas gesekan selama gerakan, seperti panas yang dihasilkan oleh mekanisme seperti bantalan, rel pemandu, sekrup bola, dan kotak transmisi.

2) Panas pemotongan dari proses. Selama proses pemotongan, sebagian energi kinetik alat atau benda kerja dikonsumsi oleh pekerjaan pemotongan, sementara sebagian besar diubah menjadi energi deformasi pemotongan dan panas gesekan antara chip dan alat, membentuk panas. dihasilkan oleh pahat, spindel, dan benda kerja. Sejumlah besar panas chip ditransmisikan ke perlengkapan meja kerja dan komponen lain dari alat mesin. Mereka secara langsung akan mempengaruhi posisi relatif antara pahat dan benda kerja.

3) Pendinginan. Pendinginan adalah tindakan kebalikan yang ditujukan untuk meningkatkan suhu peralatan mesin, seperti pendinginan motor, pendinginan komponen spindel, dan pendinginan komponen struktur dasar. Peralatan mesin kelas atas sering kali memiliki mesin dingin yang dilengkapi dengan kotak kontrol listrik untuk pendinginan paksa.

4. Pengaruh bentuk struktural perkakas mesin terhadap kenaikan suhu Di bidang deformasi termal perkakas mesin, dibahas bentuk struktural perkakas mesin, yang biasanya mengacu pada bentuk struktural, distribusi massa, sifat material, distribusi sumber panas dan masalah lainnya. Bentuk struktur mempengaruhi distribusi suhu, arah konduksi panas, arah deformasi termal dan pencocokan alat mesin.

 

1) Bentuk struktural alat mesin. Dalam hal struktur keseluruhan, peralatan mesin meliputi tipe vertikal, horizontal, gantry, dan kantilever, dengan perbedaan yang signifikan dalam respons dan stabilitas termal. Misalnya, kenaikan suhu kotak poros utama dari bubut kecepatan variabel roda gigi dapat mencapai hingga 35 ℃, menyebabkan ujung poros terangkat ke atas, dan waktu keseimbangan termal membutuhkan sekitar 2 jam. Pusat pemesinan dan penggilingan presisi alas miring memiliki dasar yang stabil untuk alat mesin. Secara signifikan meningkatkan kekakuan keseluruhan alat berat, poros utama digerakkan oleh motor servo, dan bagian transmisi roda gigi dilepas. Kenaikan suhunya umumnya kurang dari 15 ℃.

2) Pengaruh distribusi sumber panas. Pada peralatan mesin, diyakini bahwa sumber panas mengacu pada motor listrik. Motor spindel, motor umpan, dan sistem hidrolik sebenarnya tidak lengkap. Pemanasan motor listrik hanyalah energi yang dikonsumsi oleh arus pada impedansi angker saat memikul beban, dan sebagian besar energi dikonsumsi oleh pekerjaan gesekan yang disebabkan oleh mekanisme seperti bantalan, mur sekrup, dan pemandu. rel. Jadi motor listrik dapat disebut sebagai sumber panas primer, dan bantalan, mur, rel pemandu, dan chip dapat disebut sebagai sumber panas sekunder. Deformasi termal adalah hasil dari pengaruh gabungan dari semua sumber panas ini. Kenaikan suhu dan deformasi pusat pemesinan vertikal dengan kolom bergerak selama gerakan umpan sumbu Y. Saat memberi makan ke arah Y, meja kerja tidak bergerak, sehingga memiliki sedikit efek pada deformasi termal ke arah X. Pada pilar, semakin jauh sekrup pemandu dari sumbu Y, semakin kecil kenaikan suhunya. Keadaan mesin yang bergerak pada sumbu Z lebih jauh menggambarkan pengaruh distribusi sumber panas terhadap deformasi termal. Umpan sumbu Z lebih jauh dari sumbu X, sehingga dampak deformasi termal lebih kecil. Semakin dekat kolom dengan mur motor sumbu Z, semakin besar kenaikan suhu dan deformasi.

3) Pengaruh Distribusi Massa. Pengaruh distribusi massa terhadap deformasi termal peralatan mesin memiliki tiga aspek.

 

Pertama, mengacu pada ukuran dan konsentrasi massa, biasanya mengacu pada perubahan kapasitas panas dan laju perpindahan panas, serta perubahan waktu untuk mencapai kesetimbangan termal.

Kedua, Dengan mengubah bentuk susunan kualitas, seperti susunan berbagai tulang rusuk dan pelat, kekakuan termal struktur dapat ditingkatkan, mengurangi pengaruh deformasi termal atau mempertahankan deformasi yang relatif kecil di bawah kenaikan suhu yang sama.

Ketiga, mengacu pada pengurangan kenaikan suhu komponen alat mesin dengan mengubah bentuk pengaturan kualitas, seperti mengatur tulang rusuk pembuangan panas di luar struktur.

 

Dampak sifat material: Bahan yang berbeda memiliki parameter kinerja termal yang berbeda (panas spesifik, konduktivitas termal, dan koefisien ekspansi linier), dan di bawah pengaruh panas yang sama, kenaikan suhu dan deformasi semuanya berbeda.

 

Pengujian kinerja termal peralatan mesin

1. Tujuan pengujian kinerja termal alat mesin adalah untuk mengontrol deformasi termal alat mesin. Kuncinya adalah memahami sepenuhnya perubahan suhu lingkungan, sumber panas dan perubahan suhu alat mesin itu sendiri, dan respons titik kunci (perpindahan deformasi) melalui pengujian karakteristik termal. Data uji atau kurva menggambarkan karakteristik termal alat mesin untuk mengambil tindakan pencegahan, mengontrol deformasi termal, dan meningkatkan akurasi dan efisiensi pemesinan alat mesin.

Secara khusus, tujuan berikut harus dicapai:

1) Uji lingkungan sekitar alat mesin. Ukur suhu lingkungan di bengkel, gradien suhu spasialnya, perubahan distribusi suhu dalam pergantian siang dan malam, bahkan dampak perubahan musim pada distribusi suhu di sekitar alat mesin.

2) Uji karakteristik termal dari alat mesin itu sendiri. Di bawah kondisi menghilangkan gangguan lingkungan sebanyak mungkin, pertahankan alat mesin dalam berbagai kondisi operasi untuk mengukur perubahan suhu dan perpindahan pada titik-titik penting dari alat mesin itu sendiri, catat perubahan suhu dan perpindahan titik kunci selama periode waktu yang cukup lama. waktu, dan juga merekam distribusi termal dari setiap periode waktu menggunakan termograf inframerah.

3) Uji kenaikan suhu dan deformasi termal selama proses pemesinan untuk menentukan dampak deformasi termal alat mesin terhadap keakuratan proses pemesinan.

4) Eksperimen di atas dapat mengumpulkan data dan kurva dalam jumlah besar, memberikan kriteria yang dapat diandalkan untuk desain alat mesin dan kontrol pengguna terhadap deformasi termal, dan menunjukkan arah untuk mengambil tindakan yang efektif.

2. Prinsip pengujian deformasi termal alat mesin Pengujian deformasi termal pertama-tama memerlukan pengukuran suhu beberapa titik yang relevan, termasuk aspek-aspek berikut:

1) Sumber panas: termasuk berbagai motor umpan, motor spindel, pasangan penggerak sekrup bola, rel pemandu, dan bantalan spindel.

2) Perangkat bantu: termasuk sistem hidrolik, mesin pendingin, sistem deteksi perpindahan pendinginan dan pelumasan.

3) Struktur mekanik: termasuk tempat tidur, alas, pelat geser, kolom, kotak kepala penggilingan, dan spindel. Batang pengukur baja indium dijepit di antara spindel dan meja kerja putar, dan lima sensor kontak dikonfigurasikan dalam arah X, Y, dan Z untuk mengukur deformasi menyeluruh dalam berbagai kondisi untuk mensimulasikan perpindahan relatif antara pahat dan benda kerja.

3. Pemrosesan dan analisis data uji: Uji deformasi termal alat mesin harus dilakukan dalam jangka waktu yang lama, dengan perekaman data yang berkelanjutan. Setelah analisis dan pemrosesan, karakteristik deformasi termal yang dipantulkan memiliki keandalan yang tinggi. Jika penghapusan kesalahan dilakukan melalui beberapa percobaan, keteraturan yang ditampilkan dapat diandalkan. Sebanyak 5 titik pengukuran ditetapkan untuk uji deformasi termal sistem spindel, dengan titik 1 dan 2 terletak di ujung spindel dan di dekat bantalan spindel, dan titik 4 dan 5 terletak di dekat rel pemandu arah-Z dari shell kepala penggilingan, masing-masing. Waktu pengujian berlangsung total 14 jam, dengan kecepatan spindel bergantian antara 0 dan 9000r/menit selama 10 jam pertama. Mulai dari jam ke-10, spindel terus berputar dengan kecepatan tinggi 9000r/menit.

 

Kesimpulan berikut dapat ditarik:

1) Waktu keseimbangan termal spindel adalah sekitar 1 jam, dan kisaran kenaikan suhu setelah keseimbangan adalah 1,5 ℃.

2) Kenaikan suhu terutama berasal dari bantalan spindel dan motor spindel, dan kinerja termal bantalan bagus dalam kisaran kecepatan normal.

3) Deformasi termal memiliki pengaruh yang kecil pada arah-X.

4) Deformasi ekspansi arah-Z relatif besar, sekitar 10m, yang disebabkan oleh perpanjangan termal poros utama dan peningkatan jarak bebas bantalan.

5) Ketika kecepatan terus berada di 9000r/min, suhu naik tajam, naik sekitar 7 ℃ dalam 2,5 jam, dan ada kecenderungan kenaikan lebih lanjut. Deformasi pada arah Y dan Z mencapai 29m dan 37m, menunjukkan bahwa spindel tidak dapat lagi beroperasi secara stabil pada kecepatan 9000r/menit, tetapi dapat beroperasi dalam waktu singkat (20 menit). Kontrol deformasi termal peralatan mesin dibahas melalui analisis di atas. Kenaikan suhu dan deformasi termal peralatan mesin memiliki berbagai faktor yang memengaruhi akurasi pemesinan. Saat mengambil tindakan pengendalian, kontradiksi utama harus dipahami, dan tindakan pertama dan kedua harus diambil dengan penekanan untuk mencapai hasil dua kali lipat dengan setengah usaha. Dalam desain, kita harus mulai dari empat arah: mengurangi panas yang dihasilkan, mengurangi kenaikan suhu, keseimbangan struktural, dan pendinginan yang wajar.

1. Mengurangi pembangkitan panas dan mengendalikan sumber panas adalah tindakan mendasar. Langkah-langkah harus diambil dalam desain untuk secara efektif mengurangi pembangkitan panas dari sumber panas.

1) Pilih daya pengenal motor secara wajar. Daya keluaran P dari motor listrik sama dengan hasil kali tegangan V dan arus I. Umumnya, tegangan V konstan. Oleh karena itu, peningkatan beban berarti daya keluaran motor meningkat, dan arus I yang sesuai juga meningkat. Akibatnya, panas yang dikonsumsi oleh arus dalam impedansi jangkar meningkat. Jika motor yang kami rancang dan pilih beroperasi untuk waktu yang lama dalam kondisi mendekati atau secara signifikan melebihi daya pengenal, kenaikan suhu motor akan meningkat secara signifikan. Untuk tujuan ini, uji komparatif dilakukan pada kepala penggilingan mesin penggilingan slot jarum BK50 CNC (kecepatan motor: 960r/menit; suhu sekitar: 12 ℃). Dari percobaan di atas, konsep-konsep berikut diperoleh: dengan mempertimbangkan kinerja sumber panas, apakah itu motor spindel atau motor umpan, disarankan untuk memilih daya pengenal sekitar 25% lebih tinggi dari daya yang dihitung. Dalam operasi aktual, daya keluaran motor sesuai dengan beban, dan peningkatan daya pengenal motor berdampak kecil pada konsumsi energi. Tetapi secara efektif dapat mengurangi kenaikan suhu motor.