¿Cuál es el impacto de la temperatura en la precisión del mecanizado CNC?

La deformación térmica en el mecanizado CNC es una de las razones que afecta la precisión del mecanizado. La máquina herramienta se ve afectada por los cambios en la temperatura ambiental del taller, el calentamiento del motor eléctrico, el calentamiento por fricción del movimiento mecánico, el calor de corte y el medio de enfriamiento, lo que da como resultado un aumento de temperatura desigual en varias partes de la máquina herramienta, lo que provoca cambios en la precisión y el procesamiento de la forma. precisión de la máquina herramienta. Por ejemplo, mecanizar 70 mm en una fresadora CNC de precisión regular × En comparación con la pieza de trabajo procesada de 2:00 a 3:30 de la tarde, el cambio de error acumulativo del tornillo de 1650 mm puede alcanzar los 85 m. En condiciones de temperatura constante, el error se puede reducir a 40 m.

Por ejemplo, una rectificadora de doble extremo de precisión utilizada para rectificar piezas de chapa de acero delgadas con un espesor de 0,6-3,5 mm en ambos extremos, que procesa 200 mm durante la inspección de aceptación × 25 mm × La pieza de trabajo de chapa de acero de 1,08 mm puede lograr una precisión dimensional de mm , y el grado de flexión es inferior a 5 m en toda la longitud. Pero después de 1 hora de rectificado automático continuo, el rango de cambio de tamaño aumentó a 12 m, y la temperatura del refrigerante aumentó de 17 ℃ al inicio a 45 ℃. Debido a la influencia del calor de rectificado, el muñón del husillo se extiende y aumenta la holgura entre los cojinetes delanteros del husillo. En base a esto, agregar un refrigerador de 5,5kW al tanque de refrigerante de la máquina herramienta ha logrado resultados muy ideales. La práctica ha demostrado que la deformación de las máquinas herramienta después de calentarse es una razón importante que afecta la precisión del mecanizado. Pero la máquina herramienta se encuentra en un entorno donde la temperatura cambia en cualquier momento y en cualquier lugar; La propia máquina herramienta inevitablemente consumirá energía durante el funcionamiento, y una parte considerable de esta energía se convertirá en calor de diversas formas, provocando cambios físicos en los diversos componentes de la máquina herramienta. Este cambio varía mucho debido a las diferencias en las formas estructurales, los materiales y otras razones. Los diseñadores de máquinas herramienta deben dominar el mecanismo de formación del calor y la ley de distribución de la temperatura, y tomar las medidas correspondientes para reducir el impacto de la deformación térmica en la precisión del mecanizado a Z pequeño.

El aumento de la temperatura, la distribución de la temperatura y el clima natural de las máquinas herramienta afectan el vasto territorio de China. La mayoría de las áreas están ubicadas en la zona subtropical. La temperatura cambia mucho a lo largo del año, y la diferencia de temperatura cambia de manera diferente dentro de un día. Como resultado, las personas tienen diferentes formas y grados de intervención en la temperatura interior (como el taller), y la temperatura ambiente alrededor de las máquinas herramienta varía mucho. Por ejemplo, el rango de variación de temperatura estacional en la región del delta del río Yangtze es de aproximadamente 45 ℃, y la variación de temperatura diurna es de aproximadamente 5-12 ℃. El taller de mecanizado generalmente no tiene calefacción en invierno ni aire acondicionado en verano, pero siempre que el taller tenga buena ventilación, el gradiente de temperatura en el taller de mecanizado no cambia mucho. En la región noreste, la diferencia de temperatura estacional puede alcanzar los 60 ℃, con una variación diurna de alrededor de 8-15 ℃. El período de calefacción es desde finales de octubre hasta principios de abril del año siguiente, y el taller de mecanizado está diseñado con calefacción, lo que resulta en una circulación de aire insuficiente. La diferencia de temperatura dentro y fuera del taller puede alcanzar los 50 ℃. Por lo tanto, el gradiente de temperatura en el taller durante el invierno es muy complejo, con una temperatura exterior de 1,5 ℃ medida de 8:15 a 8:35 am y un cambio de temperatura de aproximadamente 3,5 ℃ en el taller. La precisión de mecanizado de las máquinas herramienta de precisión se verá muy afectada por la temperatura ambiental en dicho taller.

 

La influencia del entorno circundante en la máquina herramienta se refiere al entorno térmico formado por varios diseños dentro de un rango cercano de la máquina herramienta.

Incluyen los siguientes cuatro aspectos:

1) Microclima del taller: como la distribución de la temperatura en el taller (direcciones vertical y horizontal). Cuando el día y la noche se alternan o cuando el clima y la ventilación cambian, la temperatura del taller sufrirá cambios lentos.

2) Fuente de calor del taller: como la radiación solar, el equipo de calefacción y la radiación de iluminación de alta potencia, que pueden afectar directamente el aumento de temperatura de toda la máquina herramienta o de algunos componentes durante mucho tiempo cuando están cerca de la máquina herramienta. El calor generado por el equipo adyacente durante la operación puede afectar el aumento de temperatura de la máquina herramienta a través de la radiación o el flujo de aire.

3) Disipación de calor: la base tiene un buen efecto de disipación de calor, especialmente para máquinas herramienta de precisión. No se acerque a la tubería de calefacción subterránea. Una vez que se rompe y tiene fugas, puede convertirse en una fuente de calor cuya causa es difícil de encontrar; Un taller abierto será un buen 'radiador', que favorece el equilibrio de temperatura en el taller.

4) Temperatura constante: la adopción de instalaciones de temperatura constante en el taller es muy eficaz para mantener la precisión y la precisión de procesamiento de las máquinas herramienta de precisión, pero consume mucha energía.

3. Factores de influencia térmica interna de las máquinas herramienta

1) Fuente de calor estructural para máquinas herramienta. Los motores eléctricos que generan calor, como los motores de husillo, los servomotores de alimentación, los motores de bombas de refrigeración y lubricación y las cajas de control eléctrico, pueden generar calor. Estas situaciones están permitidas para el propio motor, pero tienen efectos adversos significativos en componentes como el husillo y el husillo de bolas, y se deben tomar medidas para aislarlos. Cuando la energía eléctrica de entrada hace que el motor funcione, a excepción de una pequeña parte (alrededor del 20 %) que se convierte en energía térmica del motor, la mayor parte se convertirá en energía cinética mediante el mecanismo de movimiento, como la rotación del husillo, el movimiento del banco de trabajo. , etc; Sin embargo, es inevitable que una parte considerable se convierta en calor por fricción durante el movimiento, como el calor generado por mecanismos como cojinetes, rieles guía, husillos de bolas y cajas de transmisión.

2) El calor de corte del proceso. Durante el proceso de corte, una parte de la energía cinética de la herramienta o pieza de trabajo es consumida por el trabajo de corte, mientras que una parte considerable se convierte en la energía de deformación del corte y el calor de fricción entre la viruta y la herramienta, formando el calor. generada por la herramienta, el husillo y la pieza de trabajo. Una gran cantidad de calor de viruta se transmite a los accesorios de la mesa de trabajo y otros componentes de la máquina herramienta. Afectarán directamente la posición relativa entre la herramienta y la pieza de trabajo.

3) Refrigeración. El enfriamiento es una medida inversa destinada a aumentar la temperatura de las máquinas herramienta, como el enfriamiento del motor, el enfriamiento de los componentes del husillo y el enfriamiento de los componentes estructurales básicos. Las máquinas herramienta de gama alta a menudo tienen máquinas frías equipadas con cajas de control eléctrico para enfriamiento forzado.

4. La influencia de la forma estructural de la máquina herramienta en el aumento de temperatura En el campo de la deformación térmica de la máquina herramienta, se analiza la forma estructural de la máquina herramienta, que generalmente se refiere a la forma estructural, la distribución de masa, las propiedades del material, la distribución de la fuente de calor y otros temas. La forma de la estructura afecta la distribución de la temperatura, la dirección de la conducción del calor, la dirección de la deformación térmica y la adaptación de la máquina herramienta.

 

1) La forma estructural de la máquina herramienta. En términos de estructura general, las máquinas herramienta incluyen tipos verticales, horizontales, de pórtico y en voladizo, con diferencias significativas en la respuesta térmica y la estabilidad. Por ejemplo, el aumento de temperatura de la caja del eje principal de un torno de engranajes de velocidad variable puede alcanzar hasta 35 ℃, lo que hace que el extremo del husillo se eleve hacia arriba, y el tiempo de balance térmico necesita alrededor de 2 horas. El centro de mecanizado de fresado y torneado de precisión de bancada inclinada tiene una base estable para la máquina herramienta. Mejorando significativamente la rigidez general de la máquina, el eje principal es accionado por un servomotor y se retira la parte de transmisión de engranajes. Su aumento de temperatura es generalmente inferior a 15 ℃.

2) La influencia de la distribución de la fuente de calor. En las máquinas herramienta, comúnmente se cree que una fuente de calor se refiere a un motor eléctrico. El motor del husillo, el motor de alimentación y el sistema hidráulico están incompletos. El calentamiento de un motor eléctrico es únicamente la energía consumida por la corriente en la impedancia del inducido al soportar la carga, y una parte considerable de la energía es consumida por el trabajo de fricción provocado por mecanismos como cojinetes, tuercas y guías. rieles Por lo tanto, el motor eléctrico puede denominarse fuente de calor primaria, y los cojinetes, las tuercas, los rieles de guía y las virutas pueden denominarse fuente de calor secundaria. La deformación térmica es el resultado de la influencia combinada de todas estas fuentes de calor. El aumento de temperatura y la deformación de un centro de mecanizado vertical con una columna móvil durante el movimiento de avance del eje Y. Cuando se alimenta en la dirección Y, el banco de trabajo no se mueve, por lo que tiene poco efecto sobre la deformación térmica en la dirección X. En el pilar, cuanto más lejos esté el tornillo guía del eje Y, menor será el aumento de temperatura. La situación de la máquina que se mueve en el eje Z ilustra aún más la influencia de la distribución de la fuente de calor en la deformación térmica. La alimentación del eje Z está más alejada del eje X, por lo que el impacto de la deformación térmica es menor. Cuanto más cerca esté la columna de la tuerca del motor del eje Z, mayor será el aumento de temperatura y la deformación.

3) La influencia de la distribución masiva. La influencia de la distribución de masa en la deformación térmica de las máquinas herramienta tiene tres aspectos.

 

En primer lugar, se refiere al tamaño y la concentración de la masa, por lo general se refiere a los cambios en la capacidad calorífica y la tasa de transferencia de calor, así como a los cambios en el tiempo para alcanzar el equilibrio térmico.

En segundo lugar, al cambiar la forma de disposición de la calidad, como la disposición de varias nervaduras y placas, se puede mejorar la rigidez térmica de la estructura, reduciendo la influencia de la deformación térmica o manteniendo una deformación relativamente pequeña bajo el mismo aumento de temperatura.

En tercer lugar, se refiere a reducir el aumento de temperatura de los componentes de la máquina-herramienta cambiando la forma de disposición de la calidad, como disponer las nervaduras de disipación de calor fuera de la estructura.

 

El impacto de las propiedades del material: diferentes materiales tienen diferentes parámetros de rendimiento térmico (calor específico, conductividad térmica y coeficiente de expansión lineal), y bajo la misma influencia del calor, su aumento de temperatura y deformación son todos diferentes.

 

Pruebas de rendimiento térmico de máquinas herramienta.

1. El propósito de las pruebas de rendimiento térmico de la máquina herramienta es controlar la deformación térmica de la máquina herramienta. La clave es comprender completamente los cambios en la temperatura ambiental, la fuente de calor y los cambios de temperatura de la propia máquina herramienta, y la respuesta de los puntos clave (desplazamiento de la deformación) a través de pruebas de características térmicas. Los datos de prueba o las curvas describen las características térmicas de una máquina herramienta para tomar contramedidas, controlar la deformación térmica y mejorar la precisión y eficiencia del mecanizado de la máquina herramienta.

En concreto, se deben alcanzar los siguientes objetivos:

1) Pruebe el entorno circundante de la máquina herramienta. Mida la temperatura ambiente en el taller, su gradiente de temperatura espacial, el cambio de distribución de temperatura en la alternancia del día y la noche, e incluso el impacto de los cambios estacionales en la distribución de temperatura alrededor de la máquina herramienta.

2) Probar las características térmicas de la propia máquina herramienta. Bajo la condición de eliminar la interferencia ambiental tanto como sea posible, mantenga la máquina herramienta en varios estados operativos para medir los cambios de temperatura y desplazamiento en puntos importantes de la propia máquina herramienta, registre los cambios de temperatura y los desplazamientos de puntos clave durante un período suficientemente largo de tiempo, y también registrar la distribución térmica de cada período de tiempo usando un termógrafo infrarrojo.

3) Pruebe el aumento de temperatura y la deformación térmica durante el proceso de mecanizado para determinar el impacto de la deformación térmica de la máquina herramienta en la precisión del proceso de mecanizado.

4) Los experimentos anteriores pueden acumular una gran cantidad de datos y curvas, brindando criterios confiables para el diseño de máquinas herramienta y el control del usuario de la deformación térmica, y señalando la dirección para tomar medidas efectivas.

2. El principio de la prueba de deformación térmica de la máquina herramienta La prueba de deformación térmica primero requiere medir la temperatura de varios puntos relevantes, incluidos los siguientes aspectos:

1) Fuente de calor: incluidos varios motores de alimentación, motores de husillo, pares de husillos de bolas, rieles de guía y cojinetes de husillo.

2) Dispositivos auxiliares: incluyendo sistema hidráulico, máquina de refrigeración, sistema de detección de desplazamiento de refrigeración y lubricación.

3) Estructura mecánica: incluye la cama, la base, la placa deslizante, la columna, la caja del cabezal de fresado y el husillo. Se sujeta una varilla de medición de acero al indio entre el husillo y el banco de trabajo giratorio, y se configuran cinco sensores de contacto en las direcciones X, Y y Z para medir la deformación integral en varios estados para simular el desplazamiento relativo entre la herramienta y la pieza de trabajo.

3. Procesamiento y análisis de datos de prueba: la prueba de deformación térmica de la máquina herramienta debe realizarse durante un largo período de tiempo continuo, con registro continuo de datos. Después del análisis y procesamiento, las características de deformación térmica reflejada tienen una alta confiabilidad. Si la eliminación de errores se lleva a cabo a través de múltiples experimentos, la regularidad mostrada es confiable. Se establecieron un total de 5 puntos de medición para la prueba de deformación térmica del sistema de husillo, con los puntos 1 y 2 ubicados al final del husillo y cerca del rodamiento del husillo, y los puntos 4 y 5 ubicados cerca del riel de guía en dirección Z de la carcasa del cabezal de fresado, respectivamente. El tiempo de prueba duró un total de 14 horas, con la velocidad del husillo alternando entre 0 y 9000r/min durante las primeras 10 horas. A partir de la décima hora, el husillo siguió girando a una alta velocidad de 9000r/min.

 

Se pueden sacar las siguientes conclusiones:

1) El tiempo de equilibrio térmico del husillo es de aproximadamente 1 hora, y el rango de aumento de temperatura después del equilibrio es de 1,5 ℃.

2) El aumento de temperatura proviene principalmente de los cojinetes del husillo y los motores del husillo, y el rendimiento térmico de los cojinetes es bueno dentro del rango de velocidad normal.

3) La deformación térmica tiene poco efecto en la dirección X.

4) La deformación de la expansión en la dirección Z es relativamente grande, alrededor de 10 m, que es causada por el alargamiento térmico del eje principal y el aumento en la holgura de los cojinetes.

5) Cuando la velocidad sigue siendo de 9000 r/min, el aumento de la temperatura aumenta bruscamente, aumentando aproximadamente 7 ℃ en 2,5 horas, y hay una tendencia de mayor aumento. La deformación en las direcciones Y y Z alcanza los 29m y 37m, lo que indica que el husillo ya no puede operar de manera estable a una velocidad de 9000r/min, pero puede operar por un corto período de tiempo (20min). El control de la deformación térmica de las máquinas herramienta se analiza a través del análisis anterior. El aumento de temperatura y la deformación térmica de las máquinas herramienta tienen varios factores que afectan la precisión del mecanizado. Al tomar medidas de control, se debe comprender la principal contradicción, y la primera y la segunda medida se deben tomar con énfasis en lograr el doble de resultados con la mitad del esfuerzo. En el diseño, debemos partir de cuatro direcciones: reducción de la generación de calor, reducción del aumento de temperatura, equilibrio estructural y enfriamiento razonable.

1. Reducir la generación de calor y controlar las fuentes de calor es la medida fundamental. Se deben tomar medidas en el diseño para reducir efectivamente la generación de calor de la fuente de calor.

1) Seleccionar razonablemente la potencia nominal del motor. La potencia de salida P de un motor eléctrico es igual al producto del voltaje V y la corriente I. Generalmente, el voltaje V es constante. Por lo tanto, un aumento en la carga significa que la potencia de salida del motor aumenta y la corriente I correspondiente también aumenta. Como resultado, aumenta el calor consumido por la corriente en la impedancia del inducido. Si el motor que diseñamos y seleccionamos funciona durante mucho tiempo en condiciones cercanas o significativamente superiores a la potencia nominal, el aumento de temperatura del motor aumentará significativamente. Para este propósito, se realizó una prueba comparativa en el cabezal de fresado de la máquina fresadora de ranuras de aguja CNC BK50 (velocidad del motor: 960r/min; temperatura ambiente: 12 ℃). De los experimentos anteriores se obtienen los siguientes conceptos: considerando el rendimiento de la fuente de calor, ya sea el motor de husillo o el motor de avance, es recomendable elegir una potencia nominal que sea aproximadamente un 25% superior a la potencia calculada. En el funcionamiento real, la potencia de salida del motor coincide con la carga y el aumento de la potencia nominal del motor tiene poco impacto en el consumo de energía. Pero puede reducir efectivamente el aumento de temperatura del motor.