Как часто мы задумываемся о тонком, но сильном влиянии температуры на точность обработки на станках с ЧПУ? В этой статье рассматривается, как тепловые деформации влияют на точность станков, начиная с изменения температуры в цеху и заканчивая внутренним тепловыделением во время работы. Читатели узнают о механизмах, лежащих в основе этих тепловых воздействий, и откроют для себя стратегии минимизации ошибок, обеспечивающие более высокую точность и эффективность обработки. Окунитесь в эту тему, чтобы понять, какую важную роль играет контроль температуры в современной обработке на станках с ЧПУ.
Тепловая деформация является одним из факторов, влияющих на точность обработки.
Тепловые деформации влияют на точность обработки различными способами. Изменение температуры окружающей среды в цехе, нагрев от трения при работе двигателя и механическом движении, теплота резания и охлаждающая среда - все это может вызвать неравномерное повышение температуры в различных частях станка, что приводит к изменению точности формы станка и точности обработки.
Например, при обработке винта 70 мм x 1650 мм на фрезерном станке с ЧПУ общей точности суммарная погрешность между заготовками, обработанными с 7:30 до 9:00 утра и с 14:00 до 15:30 вечера, может достигать 85 м. Однако в условиях постоянной температуры эта погрешность может быть снижена до 40 м.
Другой пример - прецизионный двухсторонний плоскошлифовальный станок, используемый для двухстороннего шлифования тонких заготовок из стального листа толщиной 0,6-3,5 мм. После непрерывного автоматического шлифования в течение 1 часа диапазон изменения размеров увеличивается до 12 м, а температура охлаждающей жидкости повышается с 17 °C при запуске до 45 °C. Такое повышение температуры приводит к удлинению цапфы шпинделя и зазор в подшипнике на передней части шпинделя увеличивается. В этой ситуации эффективным оказалось добавление холодильника мощностью 5,5 кВт в бак с охлаждающей жидкостью станка.
В заключение следует отметить, что тепловая деформация является существенным фактором, влияющим на точность обработки, особенно в условиях постоянного изменения температуры. Станок потребляет энергию во время работы, и значительная часть этой энергии преобразуется в тепло, вызывая физические изменения в различных компонентах станка. Разработчики станков должны понимать механизм образования тепла и правила распределения температуры и принимать меры для минимизации влияния тепловых деформаций на точность обработки.
Китай - большая страна, расположенная в основном в субтропиках. Температура здесь сильно колеблется в течение года и имеет различные температурные колебания в течение дня. В результате вмешательства людей в регулирование температуры в помещении, например в мастерской, также меняются, и температура вокруг станка сильно отличается.
Например, в дельте реки Янцзы сезонный диапазон температур составляет около 45°C, а перепад температур между днем и ночью - около 5-12°C. В цехе механической обработки обычно нет отопления зимой или кондиционера летом, но если цех хорошо проветривается, градиент температуры в нем не сильно меняется.
На северо-востоке Китая сезонный перепад температур может достигать 60 °C, а смена дня и ночи составляет около 8-15 °C. Отопительный период длится с конца октября по начало апреля следующего года, и обрабатывающий цех спроектирован таким образом, чтобы обеспечить отопление при недостаточной циркуляции воздуха. Разница температур внутри и снаружи цеха может достигать 50 °C, что приводит к сложному температурному градиенту в зимний период. Например, при измерении между 8:15 и 8:35 утра наружная температура составляет 1,5°C, а изменение температуры в цехе - около 3,5°C.
Температура окружающей среды в такой мастерской может сильно повлиять на точность обработки прецизионных станков.
Окружающая среда станка - это тепловая среда, формируемая различными факторами в непосредственной близости от станка. К этим факторам относятся:
(1) Микроклимат в мастерской: Например, распределение температуры в цеху, которая медленно меняется в зависимости от смены дня и ночи, климата или вентиляции.
(2) Источники тепла в мастерской: такие как солнечное излучение, нагревательное оборудование и мощное освещение. Эти источники, находясь в непосредственной близости от станка, могут оказывать прямое и длительное влияние на повышение температуры всего станка или его части. Тепло, выделяемое соседним оборудованием во время работы, также может влиять на повышение температуры станка посредством излучения или воздушного потока.
(3) Рассеивание тепла: Фундамент должен эффективно отводить тепло, особенно это касается фундаментов точных станков, которые не должны располагаться вблизи подземных теплотрасс. В случае разрыва и утечки трубопровода он может стать источником тепла, который трудно обнаружить, но открытая мастерская может служить хорошим "радиатором" и помочь выровнять температуру в мастерской.
(4) Постоянная температура: Поддержание постоянной температуры в цеху позволяет эффективно сохранять точность и аккуратность обработки прецизионных станков, но при этом может привести к высокому потреблению энергии.
(1) Структурные источники тепла для станков
Нагрев двигателей, таких как двигатель шпинделя, двигатель сервоподачи, двигатель насоса охлаждения и смазки, электрический блок управления и т. д., может привести к выделению тепла. Хотя эти условия приемлемы для самих двигателей, они оказывают значительное влияние на такие компоненты, как шпиндель и шарико-винтовая пара. Необходимо принять меры по их изоляции.
Когда электрическая энергия приводит в движение двигатель, большая ее часть преобразуется в кинетическую энергию механизмов движения, таких как вращение шпинделя и движение стола, а небольшая часть (около 20%) преобразуется в тепловую энергию двигателя. Однако значительная часть неизбежно преобразуется в теплоту трения во время движения. Такие компоненты, как подшипники, направляющие, шарико-винтовые пары и редукторы, также выделяют тепло.
(2) Отключение тепла во время процесса
В процессе резания часть кинетической энергии инструмента или заготовки расходуется на работу резания. Значительная часть преобразуется в энергию деформации при резании и теплоту трения между стружкой и инструментом, что приводит к выделению тепла в инструменте, шпинделе и заготовке. Кроме того, большое количество тепла от стружки передается на крепление стола станка и другие компоненты, что непосредственно влияет на относительное положение инструмента и заготовки.
(3) Охлаждение
Охлаждение - это мера борьбы с повышением температуры станка, например, охлаждение двигателей, компонентов шпинделя и инфраструктуры. В станках высокого класса для охлаждения электронных блоков управления часто используются холодильники.
В области термического деформирования станков под структурой станка обычно понимают его конструктивную форму, распределение массы, свойства материалаи распределение источников тепла. Форма конструкции влияет на распределение температуры, направление теплопроводности, направление тепловой деформации и соответствие станку, а также на другие факторы.
(1) Конструктивная форма станка: По общей структуре станки могут быть вертикальными, горизонтальными, портальными или консольными, которые имеют значительные различия в тепловой реакции и стабильности. Например, повышение температуры бабки токарного станка с зубчатым переключением может достигать 35°C, а для достижения теплового равновесия при подъеме конца шпинделя требуется около 2 часов. В отличие от этого, повышение температуры прецизионного токарно-фрезерного обрабатывающего центра с наклонной станиной обычно составляет менее 15°C, поскольку он имеет устойчивое основание, повышающее жесткость всего станка, и серводвигатель, приводящий в движение главный вал.
(2) Влияние распределения источников тепла: В станках источником тепла обычно считается электродвигатель, например, двигатель шпинделя, двигатель подачи, гидравлическая система и т.д. Однако это неполное представление, поскольку значительная часть энергии расходуется на нагрев, вызванный трением подшипников, гаек винтов, направляющих и стружки. Двигатель можно рассматривать как первичный источник тепла, а подшипники, гайки, направляющие и стружка - как вторичные источники тепла, и тепловая деформация является результатом их совместного воздействия.
(3) Эффект распределения массы: Влияние распределения массы на тепловую деформацию имеет три аспекта: (i) размер и концентрация массы, что влияет на теплоемкость, скорость теплопередачи и время достижения теплового равновесия; (ii) изменение качества компоновки, например, добавление различных ребер для улучшения тепловой жесткости, уменьшения тепловой деформации или сохранения относительной деформации небольшой при одинаковом повышении температуры; (iii) снижение повышения температуры компонентов станка путем изменения формы компоновки качества, например, добавление теплоотводящих ребер снаружи конструкции.
(4) Влияние свойств материала: Различные материалы имеют разные тепловые характеристики, такие как удельная теплота, теплопроводность и коэффициент линейного расширения. При одинаковом нагреве их температура и деформация будут разными.
Ключом к контролю тепловых деформаций в станках является глубокое понимание изменений температуры окружающей среды, источников тепла и температурных изменений внутри станка, а также реакция ключевых точек (смещение деформации) с помощью тепловых испытаний. Измеряя тепловые характеристики станка, можно принять контрмеры для контроля тепловых деформаций и повышения точности и эффективности работы станка.
С помощью тестирования должны быть достигнуты следующие цели:
(1) Тестирование машинного окружения: Измерьте температуру в цеху, пространственный градиент температуры, изменение распределения температуры в течение дня и ночи, а также влияние сезонных изменений на распределение температуры вокруг станка.
(2) Испытание тепловых характеристик станка: Максимально устраните помехи со стороны окружающей среды и измерьте изменения температуры и смещения важных точек станка в различных рабочих режимах. Регистрируйте изменения температуры и смещения ключевых точек в течение достаточного количества времени, используя инфракрасные тепловизионные приборы для регистрации теплового распределения в каждый период времени.
(3) Тестирование повышения температуры и тепловой деформации во время обработки: Оцените влияние тепловой деформации на точность обработки, измерив повышение температуры и тепловую деформацию во время обработки.
(4) Накопление данных и кривых: Эксперименты позволяют накопить большое количество данных и кривых, обеспечивая надежные критерии для проектирования станков и контроля тепловой деформации, а также указывая направление для принятия эффективных мер.
Испытание на термическую деформацию начинается с измерения температуры в нескольких соответствующих точках, включая:
(1) Источник тепла: например, двигатель подачи, двигатель шпинделя, пара шарико-винтовых передач, направляющая и подшипники шпинделя каждой детали.
(2) Вспомогательные устройства: включая гидравлическую систему, холодильник, систему охлаждения и обнаружения смещения смазки.
(3) Механическая конструкция: включая станину, основание, ползун, колонну, коробку фрезерной головки и шпиндель. Между шпинделем и поворотным столом зажимается зонд из индиевой стали.
Пять контактных датчиков расположены в направлениях X, Y и Z для измерения комплексной деформации в различных состояниях, имитируя относительное перемещение между инструментом и заготовкой.
Испытание станка на термическую деформацию должно проводиться в течение длительного периода времени с непрерывной регистрацией данных. После анализа и обработки достоверность отраженных характеристик тепловой деформации может быть очень высокой, а если отбраковка ошибок осуществляется путем многократных экспериментов, то полученная закономерность будет достоверной.
При испытании системы шпинделя на тепловую деформацию было установлено пять точек измерения: точка 1 находилась на конце шпинделя, точка 2 - возле подшипника шпинделя, а точки 4 и 5 располагались возле направляющей Z-направления в корпусе фрезерной головки. Испытание длилось 14 часов, при этом скорость вращения шпинделя попеременно изменялась в диапазоне от 0 до 9000 об/мин в течение первых 10 часов, а затем продолжала вращаться с высокой скоростью 9000 об/мин в течение оставшегося времени.
По результатам теста можно сделать следующие выводы:
Из проведенного анализа и обсуждения следует, что повышение температуры и тепловая деформация станков могут существенно влиять на точность их обработки. При принятии мер контроля очень важно определить основные факторы, способствующие этому, и сосредоточиться на нескольких эффективных мерах для достижения оптимальных результатов.
В процессе проектирования следует уделить внимание снижению выделения тепла и повышения температуры, созданию сбалансированной структуры и обеспечению эффективного охлаждения.
Управление источниками тепла является основной мерой по снижению повышения температуры и тепловой деформации станков. Для этого в процессе проектирования необходимо предпринять следующие шаги:
(1) Выбор номинальной мощности двигателя обоснован: Выходная мощность двигателя пропорциональна напряжению и току. В общем случае напряжение постоянно, а увеличение нагрузки приводит к увеличению выходной мощности и тока, в результате чего увеличивается тепло, потребляемое сопротивлением якоря. Чтобы минимизировать повышение температуры двигателя, лучше выбрать номинальную мощность, которая примерно на 25% больше расчетной.
(2) Сокращение производства тепла из вторичных источников тепла: Чтобы свести к минимуму повышение температуры от вторичных источников тепла, необходимо принять меры при проектировании структура машины. Например, улучшение соосности передних и задних подшипников и использование высокоточных подшипников может снизить трение и тепловыделение. Замена направляющих скольжения на линейные направляющие качения или использование линейного двигателя также может снизить выделение тепла.
(3) Использование высокоскоростной резки в процессе обработки: Высокоскоростная резка снижает выделение тепла в процессе резки. Когда линейная скорость резка металла выше определенного диапазона, металл не успевает подвергнуться пластической деформации, и на стружке не образуется тепло деформации. Большая часть энергии резания преобразуется в кинетическую энергию стружки и отводится в сторону.
Контроль тепловой деформации в станках требует внимания к направлению и скорости передачи тепла для уменьшения ее последствий. Симметричная структура помогает равномерно распределять тепло, уменьшая смещение и деформацию.
(1) Предварительное напряжение и тепловая деформация
В высокоскоростных системах подачи шариковинтовые пары часто предварительно натягиваются с обоих концов для уменьшения погрешностей тепловой деформации. Осевая структура предварительного натяжения уменьшает суммарную погрешность по сравнению со структурой, которая фиксирована на одном конце и свободна на другом. Основной эффект повышения температуры в такой конструкции заключается в изменении напряжения с растягивающего на нулевое или сжимающее, что мало влияет на точность перемещения.
(2) Изменение структуры и направления деформации
Шпиндельный суппорт оси Z a CNC Игольчатая пазовая фреза с другой структурой осевого крепления ШВП требует погрешности фрезерного паза 0,05 мм. Плавающая торцевая структура обеспечивает изменение глубины паза в процессе обработки, в то время как осевая плавающая структура приводит к постепенному углублению паза.
(3) Симметричная геометрия
Симметричная конструкция станка минимизирует тепловую деформацию и смещение точки инструмента. Микрообрабатывающий центр YMC430 - пример станка, в конструкции которого учтены тепловые характеристики. Он имеет полностью симметричную компоновку с интегрированными H-образными колоннами и балками, круговым шпиндельным суппортом и линейными двигателями для трех движущихся валов. Два вращающихся вала имеют прямой привод, что сводит к минимуму трение и механическую передачу.
(1) Охлаждающая жидкость во время обработки напрямую влияет на точность обработки.
Сравнительные испытания были проведены на двухстороннем шлифовальном станке GRV450C и показали, что теплообменная обработка охлаждающей жидкости с помощью холодильника значительно повышает точность обработки.
Традиционные методы подачи охлаждающей жидкости приводили к тому, что размер заготовки выходил за пределы допуска уже через 30 минут, в то время как использование холодильника позволяло вести нормальную обработку в течение более 70 минут. Чрезмерный размер заготовки через 80 минут был вызван необходимостью подрезки шлифовального круга, которая удаляла металлическую стружку с поверхности круга. После обрезки сразу же восстанавливалась исходная точность обработки, и эффект был очень заметен.
Аналогичным образом, принудительное охлаждение шпинделя также может привести к очень хорошим результатам.
(2) Увеличение площади естественного охлаждения.
Например, добавление естественных зон воздушного охлаждения в конструкцию коробки главного вала также может сыграть важную роль в отводе тепла в цеху с хорошей циркуляцией воздуха.
(3) Своевременное удаление стружки.
Своевременное или в режиме реального времени удаление высокотемпературной стружки с заготовки, стола и инструмента значительно снижает повышение температуры и тепловую деформацию ответственных деталей.
Контроль тепловой деформации станков - важнейший вопрос современной прецизионной обработки, и факторы, влияющие на него, очень сложны. Сочетание высоких скоростей, эффективности и точности в современной обработке резанием обостряет эту проблему и привлекает значительное внимание со стороны производство станков промышленность.
Исследователи в станкостроительная промышленность отечественные и зарубежные специалисты добились значительного прогресса в понимании этой проблемы благодаря обширным исследованиям, сделав термическую деформацию станков основополагающей теорией в этой области.
В этой статье рассматривается влияние конструкции и применения, методов измерения и анализа на тепловые характеристики станков, а также предлагаются меры по улучшению конструкции.
Чтобы оптимизировать тепловые характеристики станков, необходимо предпринять следующие шаги:
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
DE 
ES 
FR 
IT 
NL 
PT 