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Comprender el impacto de la temperatura en la precisión del mecanizado CNC

La deformación térmica es uno de los factores que afectan a la precisión del mecanizado.

La temperatura afecta a la precisión en el mecanizado CNC

La deformación térmica afecta a la precisión del mecanizado de varias maneras. Los cambios en la temperatura ambiente del taller, el calentamiento por fricción debido al funcionamiento del motor y el movimiento mecánico, el calor de corte y el medio de refrigeración pueden provocar aumentos desiguales de temperatura en diversas partes de la máquina herramienta, lo que provoca cambios en la precisión de forma y la precisión de mecanizado de la máquina.

Por ejemplo, al mecanizar un tornillo de 70 mm x 1650 mm en una fresadora CNC de precisión común, el cambio de error acumulado entre las piezas procesadas de 7:30 a 9:00 y las procesadas de 14:00 a 15:30 puede alcanzar hasta 85 m. Sin embargo, en condiciones de temperatura constante, el error puede reducirse a 40 m.

Otro ejemplo es una rectificadora de superficies de precisión de doble cara utilizada para el rectificado de piezas de trabajo de chapa de acero fina con un grosor de 0,6-3,5 mm. Después de un rectificado automático continuo durante 1 hora, el rango de cambio dimensional aumenta a 12 m y la temperatura del refrigerante aumenta de 17 ºC en el arranque a 45 ºC. Este aumento de temperatura provoca el alargamiento del gorrón del husillo y la holgura del cojinete en la parte delantera del husillo aumente. Añadir un refrigerador de 5,5 kW al depósito de refrigerante de la máquina ha demostrado su eficacia en esta situación.

En conclusión, la deformación térmica es un factor importante que afecta a la precisión del mecanizado, especialmente en un entorno en el que la temperatura cambia constantemente. La máquina-herramienta consume energía durante su funcionamiento, y una parte significativa de esta energía se convierte en calor, provocando cambios físicos en diversos componentes de la máquina-herramienta. Los diseñadores de máquinas herramienta deben comprender el mecanismo de formación de calor y las reglas de distribución de la temperatura y tomar medidas para minimizar el impacto de la deformación térmica en la precisión del mecanizado.

Aumento y distribución de la temperatura de las máquinas herramienta, e influencia del clima natural

La temperatura afecta a la precisión en el mecanizado CNC

1. Impacto climático natural

China es un país extenso, situado en su mayor parte en las zonas subtropicales. La temperatura varía mucho a lo largo del año y presenta diferentes fluctuaciones térmicas durante el día. Como consecuencia, las intervenciones de las personas para regular la temperatura en la habitación, como el taller, también varían y la temperatura alrededor de la máquina herramienta es muy diferente.

Por ejemplo, en el delta del río Yangtsé, el gradiente de temperatura estacional es de unos 45°C, y el cambio de temperatura entre el día y la noche es de unos 5-12°C. El taller de mecanizado no suele tener calefacción en invierno ni aire acondicionado en verano, pero mientras el taller esté bien ventilado, el gradiente de temperatura en el taller no cambia mucho.

En el noreste de China, la diferencia de temperatura estacional puede alcanzar los 60°C, y el cambio entre el día y la noche es de unos 8-15°C. El periodo de calefacción dura desde finales de octubre hasta principios de abril del año siguiente, y el taller de mecanizado está diseñado para proporcionar calefacción con una circulación de aire insuficiente. La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior del taller puede alcanzar los 50°C, lo que provoca un complicado gradiente de temperatura en invierno. Por ejemplo, cuando se mide entre las 8:15 y las 8:35 de la mañana, la temperatura exterior es de 1,5ºC, y el cambio de temperatura en el taller es de unos 3,5ºC.

La temperatura ambiente en un taller de este tipo puede afectar en gran medida a la precisión de mecanizado de las máquinas herramienta de precisión.

2. Influencia del entorno

El entorno de una máquina herramienta se refiere al entorno térmico formado por diversos factores que se encuentran en las proximidades de la máquina herramienta. Estos factores incluyen:

(1) Microclima del taller: como la distribución de la temperatura en el taller, que cambia lentamente con los cambios de día y noche, el clima o la ventilación.

(2) Fuentes de calor del taller: como la radiación solar, los equipos de calefacción y la iluminación de alta potencia. Estas fuentes, cuando están cerca de la máquina herramienta, pueden tener un efecto directo y duradero en el aumento de temperatura de toda la máquina herramienta o de una parte de ella. El calor generado por los equipos adyacentes durante el funcionamiento también puede afectar al aumento de temperatura de la máquina herramienta a través de la radiación o el flujo de aire.

(3) Disipación del calor: Los cimientos deben ser capaces de disipar el calor de forma eficaz, especialmente los de las máquinas herramienta de precisión, que no deben situarse cerca de tuberías de calefacción subterráneas. Si una tubería se rompe y tiene fugas, puede convertirse en una fuente de calor difícil de localizar, pero un taller abierto puede servir como un buen "radiador" y ayudar a igualar la temperatura del taller.

(4) Temperatura constante: Mantener una temperatura constante en el taller puede preservar eficazmente la precisión y la exactitud de procesamiento de las máquinas herramienta de precisión, pero también puede conllevar un elevado consumo de energía.

3. Tl afactores de influencia térmica en la máquina herramienta

(1) Fuentes de calor estructurales de las máquinas herramienta

El calentamiento de los motores, como el motor del husillo, el motor del servoalimentador, el motor de la bomba de refrigeración y lubricación, la caja de control eléctrico, etc., puede generar calor. Aunque estas condiciones son aceptables para los propios motores, tienen un impacto significativo en componentes como el husillo y el husillo de bolas. Deben tomarse medidas para aislarlos.

Cuando la energía eléctrica hace funcionar el motor, la mayor parte se convierte en energía cinética mediante mecanismos de movimiento, como la rotación del husillo y el movimiento de la mesa, mientras que una pequeña parte (unos 20%) se convierte en energía térmica del motor. Sin embargo, una parte considerable se convierte inevitablemente en calor por fricción durante el movimiento. Los componentes como rodamientos, raíles guía, husillos de bolas y cajas de engranajes también generan calor.

(2) Calor de corte durante el proceso

Durante el proceso de corte, parte de la energía cinética de la herramienta o de la pieza es consumida por el trabajo de corte. Una parte importante se convierte en energía de deformación del corte y en calor de fricción entre la viruta y la herramienta, lo que genera calor en la herramienta, el husillo y la pieza de trabajo. Además, una gran cantidad de calor de la viruta se transmite a la fijación de la mesa de la máquina herramienta y a otros componentes, lo que afectará directamente a la posición relativa entre la herramienta y la pieza de trabajo.

(3) Refrigeración

La refrigeración es una contramedida contra el aumento de temperatura de la máquina herramienta, como la refrigeración de motores, componentes del husillo e infraestructura. Las máquinas herramienta de gama alta suelen utilizar refrigeradores para enfriar sus cajas de control electrónico.

4. Influencia de la estructura de la máquina herramienta en el aumento de temperatura

En el campo de la deformación térmica de máquinas herramienta, la estructura de la máquina herramienta se refiere generalmente en términos de su forma estructural, la distribución de la masa, propiedades del materialy la distribución de la fuente de calor. La forma de la estructura afecta a la distribución de la temperatura, la dirección de conducción del calor, la dirección de deformación térmica y la adaptación de la máquina herramienta, entre otros factores.

(1) Forma estructural de la máquina herramienta: En términos de estructura general, las máquinas herramienta pueden ser verticales, horizontales, de pórtico o en voladizo, que presentan grandes diferencias en cuanto a respuesta térmica y estabilidad. Por ejemplo, el aumento de temperatura del cabezal de un torno de engranajes puede alcanzar los 35 ºC, y se tarda unas 2 horas en alcanzar el equilibrio térmico cuando se levanta el extremo del husillo. En cambio, el aumento de temperatura de un cama inclinada tipo centro de mecanizado de torneado y fresado de precisión suele ser inferior a 15°C, ya que cuenta con una base estable que mejora la rigidez de toda la máquina y un servomotor que acciona el eje principal.

(2) Influencia de la distribución de la fuente de calor: Las máquinas herramienta suelen considerar el motor eléctrico como la fuente de calor, como el motor del husillo, el motor de avance, el sistema hidráulico, etc. Sin embargo, se trata de una visión incompleta, ya que una parte considerable de la energía se consume en el calentamiento causado por el trabajo de fricción de los rodamientos, las tuercas de los husillos, los carriles guía y las virutas. El motor puede considerarse una fuente de calor primaria, mientras que los rodamientos, las tuercas, los raíles guía y las virutas pueden considerarse fuentes de calor secundarias, y la deformación térmica es el resultado de sus efectos combinados.

(3) Efecto de la distribución de la masa: La influencia de la distribución de la masa en la deformación térmica tiene tres aspectos: (i) el tamaño y la concentración de la masa, que afecta a la capacidad calorífica y a la velocidad de transferencia de calor, y al tiempo necesario para alcanzar el equilibrio térmico, (ii) el cambio de la calidad de la disposición, como la adición de varias nervaduras para mejorar la rigidez térmica, reducir la deformación térmica o mantener pequeña la deformación relativa bajo el mismo aumento de temperatura, y (iii) la reducción del aumento de temperatura del componentes de máquinas herramienta cambiando la forma de disposición de la calidad, como añadiendo nervaduras de disipación del calor fuera de la estructura.

(4) Influencia de las propiedades del material: Los distintos materiales tienen diferentes parámetros de rendimiento térmico, como el calor específico, la conductividad térmica y el coeficiente de dilatación lineal. Bajo el mismo calor, su aumento de temperatura y su deformación serán diferentes.

La temperatura afecta a la precisión en el mecanizado CNC

Pruebas de rendimiento térmico de máquinas herramienta

1. Propósito de la prueba de rendimiento térmico de la máquina herramienta

La clave para controlar la deformación térmica en las máquinas herramienta es conocer a fondo los cambios en la temperatura ambiente, las fuentes de calor y los cambios de temperatura dentro de la máquina herramienta, así como la respuesta de los puntos clave (desplazamiento de la deformación) mediante pruebas térmicas. Al medir las características térmicas de la máquina herramienta, se pueden tomar contramedidas para controlar la deformación térmica y mejorar la precisión y eficacia de la máquina.

Las pruebas deben permitir alcanzar los siguientes objetivos:

(1) Comprobación del entorno de la máquina: Medir la temperatura en el taller, el gradiente espacial de temperatura, los cambios de distribución de la temperatura a lo largo del día y la noche, y el impacto de los cambios estacionales en la distribución de la temperatura alrededor de la máquina herramienta.

(2) Pruebas de las características térmicas de la máquina herramienta: Elimine las interferencias ambientales en la medida de lo posible y mida los cambios de temperatura y los cambios de desplazamiento de los puntos importantes de la máquina herramienta durante varios estados de funcionamiento. Registre los cambios de temperatura y los desplazamientos de los puntos clave durante un periodo de tiempo suficiente, utilizando instrumentos de imagen térmica por infrarrojos para capturar la distribución térmica en cada periodo de tiempo.

(3) Pruebas de aumento de temperatura y deformación térmica durante el procesamiento: Evaluar el impacto de la deformación térmica en la precisión del procesado midiendo el aumento de temperatura y la deformación térmica durante el procesado.

(4) Acumulación de datos y curvas: Los experimentos pueden acumular una gran cantidad de datos y curvas, proporcionando criterios fiables para el diseño de máquinas herramienta y el control de la deformación térmica, e indicando la dirección de las medidas eficaces.

2. Principio del ensayo de deformación térmica de máquinas herramienta

La prueba de deformación térmica comienza midiendo la temperatura de varios puntos relevantes, entre ellos:

(1) Fuente de calor: como el motor de alimentación, el motor del husillo, el par de accionamiento del husillo de bolas, el carril guía y los rodamientos del husillo de cada pieza.

(2) Dispositivos auxiliares: incluido el sistema hidráulico, el refrigerador, la refrigeración y el sistema de detección de desplazamiento de la lubricación.

(3) Estructura mecánica: incluyendo la bancada, la base, el carro, la columna y la caja del cabezal de fresado, así como el husillo. Se sujeta una sonda de acero al indio entre el husillo y la mesa giratoria.

Cinco sensores de contacto están dispuestos en las direcciones X, Y y Z para medir la deformación integral en varios estados, simulando el desplazamiento relativo entre la herramienta y la pieza de trabajo.

3. Procesamiento y análisis de los datos de las pruebas

El ensayo de deformación térmica de la máquina-herramienta debe realizarse durante un largo período continuo y debe realizarse un registro continuo de datos. Tras el análisis y el procesamiento, la fiabilidad de las características de deformación térmica reflejadas puede ser muy alta, y si el rechazo de errores se realiza mediante múltiples experimentos, la regularidad mostrada es creíble.

En la prueba de deformación térmica del sistema de husillo, se establecieron un total de cinco puntos de medición, con el punto 1 en el extremo del husillo y el punto 2 cerca del cojinete del husillo, y los puntos 4 y 5 situados cerca del carril guía de dirección Z en la carcasa del cabezal de fresado. La prueba duró 14 horas, con la velocidad del husillo cambiando alternativamente en el rango de 0 a 9000 r/min durante las primeras 10 horas, y luego continuando girando a una velocidad alta de 9000 r/min durante el tiempo restante.

De la prueba pueden extraerse las siguientes conclusiones:

  • El tiempo de equilibrado térmico del husillo es de aproximadamente 1 hora, y el aumento de temperatura tras el equilibrado es de 1,5 ℃.
  • El aumento de temperatura procede principalmente del rodamiento del husillo y del motor del husillo. El rendimiento térmico del rodamiento es bueno en el rango de velocidad normal.
  • La deformación térmica tiene poco efecto en la dirección X.
  • La deformación telescópica en dirección Z es grande, de unos 10 m, debido a la extensión térmica del eje principal y al aumento del juego de los cojinetes.
  • Cuando la velocidad de rotación continúa a 9000 r/min, la temperatura aumenta bruscamente, unos 7 ℃ en 2,5 horas, con una tendencia ascendente continuada. Las deformaciones en las direcciones Y y Z alcanzaron 29 m y 37 m, lo que indica que el husillo ya no puede funcionar de forma estable a una velocidad de 9000 r/min, pero puede funcionar durante poco tiempo (20 minutos).
La temperatura afecta a la precisión en el mecanizado CNC

Control de la deformación térmica de las máquinas herramienta

Del análisis y la discusión se desprende que el aumento de temperatura y la deformación térmica de las máquinas herramienta pueden afectar significativamente a su precisión de procesamiento. A la hora de tomar medidas de control, es crucial identificar los principales factores que contribuyen a ello y centrarse en unas pocas medidas eficaces para lograr resultados óptimos.

En el proceso de diseño, debe prestarse atención a reducir la generación de calor y el aumento de temperatura, crear una estructura equilibrada y proporcionar una refrigeración eficaz.

1. Reducir el calor

El control de las fuentes de calor es una medida fundamental para reducir el aumento de temperatura y la deformación térmica de las máquinas herramienta. Para lograrlo, en el proceso de diseño deben seguirse los siguientes pasos:

(1) Seleccionar razonablemente la potencia nominal del motor: La potencia de salida del motor es proporcional a la tensión y la corriente. En general, la tensión es constante, y un aumento de la carga provoca un aumento de la potencia de salida y de la corriente, lo que se traduce en un aumento del calor consumido por la impedancia del inducido. Para minimizar el aumento de temperatura del motor, es mejor seleccionar una potencia nominal que sea aproximadamente 25% mayor que la potencia calculada.

(2) Reducir la generación de calor a partir de fuentes de calor secundarias: Para minimizar el aumento de temperatura de las fuentes de calor secundarias, deben tomarse medidas en el diseño del estructura de la máquina. Por ejemplo, la mejora de la coaxialidad de los cojinetes delantero y trasero y el uso de cojinetes de alta precisión pueden reducir la fricción y la generación de calor. La sustitución de las guías deslizantes por guías lineales rodantes o el uso de un motor lineal también pueden reducir la generación de calor.

(3) Utilización de corte de alta velocidad en el proceso de mecanizado: El corte a alta velocidad reduce la generación de calor durante el proceso de corte. Cuando la velocidad lineal de corte de metales está por encima de un cierto rango, el metal no tiene tiempo de sufrir una deformación plástica, y no se genera calor de deformación en las virutas. La mayor parte de la energía de corte se convierte en energía cinética de la viruta y se la lleva.

La temperatura afecta a la precisión en el mecanizado CNC

2. Equilibrio estructural para reducir la deformación térmica

El control de la deformación térmica en las máquinas herramienta exige prestar atención a la dirección y velocidad de la transferencia de calor para reducir sus efectos. Una estructura simétrica ayuda a distribuir el calor uniformemente, reduciendo la deriva y la deformación.

(1) Pretensado y deformación térmica

En los sistemas de alimentación de alta velocidad, los husillos a bolas suelen pretensarse en ambos extremos para reducir los errores de deformación térmica. La estructura de pretensado axial reduce el error acumulado en comparación con una estructura fija en un extremo y libre en el otro. El principal efecto del aumento de temperatura en esta estructura es cambiar la tensión de tracción a cero o a compresión, teniendo poco efecto en la precisión del desplazamiento.

(2) Cambiar la estructura y la dirección de deformación

La corredera de husillo del eje Z de a CNC La fresadora de ranura de aguja con una estructura de fijación axial de husillo de bolas diferente requiere un error de ranura de fresado de 0,05 mm. La estructura de extremo flotante garantiza el cambio de profundidad de la ranura durante el procesamiento, mientras que la estructura flotante axial da lugar a una profundización gradual de la ranura.

(3) Geometría simétrica

Una estructura simétrica de la máquina herramienta minimiza la deformación térmica y la deriva de la punta de la herramienta. El centro de micromecanizado YMC430 es un ejemplo de máquina que ha tenido en cuenta el rendimiento térmico en su diseño. Tiene una disposición completamente simétrica, con columnas y vigas integradas en forma de H, un carro de husillo circular y motores lineales para los tres ejes móviles. Los dos ejes giratorios utilizan transmisión directa, lo que minimiza la fricción y la transmisión mecánica.

3. Medidas de refrigeración razonables

(1) El refrigerante durante el procesado afecta directamente a la precisión del procesado.

Se realizó una prueba comparativa en una trituradora GRV450C de doble cara y se demostró que el tratamiento de intercambio térmico del líquido refrigerante mediante un refrigerador mejora considerablemente la precisión del procesado.

Los métodos tradicionales de suministro de refrigerante provocaron que el tamaño de la pieza de trabajo estuviera fuera de tolerancia después de 30 minutos, mientras que el uso de un refrigerador permitió un procesamiento normal durante más de 70 minutos. El tamaño excesivo de la pieza después de 80 minutos se debía a la necesidad de recortar la muela, lo que eliminaba virutas de metal de la superficie de la muela. La precisión de mecanizado original se restablecía inmediatamente después del recorte y el efecto era muy notable.

Del mismo modo, la refrigeración forzada del husillo también puede dar muy buenos resultados.

(2) Aumentar la superficie de refrigeración natural.

Por ejemplo, añadir zonas naturales de refrigeración por aire a la estructura de la caja del eje principal también puede desempeñar un papel importante en la disipación del calor en un taller con buena circulación de aire.

(3) Retirada oportuna de las virutas.

La eliminación oportuna o en tiempo real de las virutas a alta temperatura de la pieza, la mesa y la herramienta reduce en gran medida el aumento de temperatura y la deformación térmica de las piezas críticas.

La temperatura afecta a la precisión en el mecanizado CNC

Perspectivas y visión

El control de la deformación térmica de las máquinas herramienta es una cuestión crucial en el mecanizado de precisión moderno, y los factores que influyen en ella son muy complejos. La combinación de alta velocidad, eficacia y precisión en el mecanizado de corte moderno agrava el problema y ha suscitado una gran atención por parte de los... fabricación de máquinas herramienta industria.

Los investigadores de la industria de máquinas herramienta tanto a nivel nacional como internacional, han realizado importantes avances en la comprensión de esta cuestión a través de una amplia investigación, convirtiendo la deformación térmica de las máquinas herramienta en una teoría fundacional en este campo.

Este artículo examina el impacto del diseño y los métodos de aplicación, medición y análisis en el rendimiento térmico de las máquinas herramienta, y propone medidas para mejorar el diseño.

Para optimizar el rendimiento térmico de las máquinas herramienta, deben tomarse las siguientes medidas:

  • Durante la fase de diseño de las modernas máquinas-herramienta de gama alta, hay que tener en cuenta las condiciones ambientales en las que se utilizará la máquina-herramienta.
  • Controlar y configurar la fuente de calor. Esto implica gestionar el consumo energético y la fuente de energía, adoptar nuevas estructuras, reducir las fuentes de calor secundarias por fricción y mejorar la eficiencia energética.
  • Reevalúe el pensamiento tradicional y eleve la importancia de los sistemas de refrigeración, disipación de calor, lubricación y eliminación de virutas de componentes auxiliares a componentes esenciales.
  • Considerar la simetría de la estructura y la dirección de la deformación térmica en el diseño, para minimizar el impacto de la deformación térmica en la precisión, en particular mediante la investigación y la aplicación de modelos matemáticos para la deformación térmica de las partes estructurales, que pueden proporcionar una orientación cuantitativa para el diseño de control de la deformación térmica.

¡A un paso!

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