La influència de la temperatura en la precisió de mecanitzat de les màquines-eina

La deformació tèrmica és una de les raons que afecta la precisió del mecanitzat. Les màquines-eina es veuen afectades pels canvis en la temperatura de l'entorn del taller, l'escalfament del motor elèctric, la calefacció per fricció del moviment mecànic, la calor de tall i els mitjans de refrigeració, donant lloc a un augment desigual de la temperatura en diverses parts de la màquina-eina, provocant canvis en la precisió de la forma i la precisió del mecanitzat. de la màquina-eina. Per exemple, mecanitzar 70 mm en una fresadora CNC de precisió normal × La variació d'error acumulada del cargol de 1650 mm pot arribar als 85 m en comparació amb la peça fresada a partir de les 7:30-9:00 del matí i processada a partir de les 2 :00-3:30 de la tarda. En condicions de temperatura constant, l'error es pot reduir a 40 m.
Per exemple, una rectificadora de doble extrem de precisió que s'utilitza per rectificar peces primes de xapa d'acer amb un gruix de 0.6-3.5 mm a ambdós costats, que processa 200 mm durant la inspecció d'acceptació × 25 mm × l'acer d'1,08 mm La peça de fulla pot aconseguir una precisió dimensional de mm i la curvatura és inferior a 5 m en tota la longitud. Però després d'una mòlta automàtica contínua durant 1 hora, el rang de canvi de mida va augmentar a 12 m i la temperatura del refrigerant va augmentar de 17 graus a l'inici a 45 graus. A causa de la influència de la calor de mòlta, el coll de l'eix principal s'allarga i augmenta el joc entre els coixinets davanters de l'eix principal. En base a això, afegir una unitat de refrigeració de 5,5 kW al dipòsit de refrigerant de la màquina-eina ha aconseguit resultats molt ideals. La pràctica ha demostrat que la deformació de les màquines eina després de ser escalfada és un factor important que afecta la precisió del mecanitzat. Però la màquina-eina es troba en un entorn on la temperatura canvia constantment i arreu; La pròpia màquina-eina consumirà inevitablement energia durant el funcionament, i una part considerable d'aquesta energia es convertirà en calor de diverses maneres, provocant canvis físics en els diferents components de la màquina-eina. Aquests canvis també varien molt a causa de les diferències en les formes estructurals, els materials i altres motius. Els dissenyadors de màquines-eina haurien de dominar el mecanisme de formació de calor i distribució de la temperatura, prendre les mesures corresponents per minimitzar l'impacte de la deformació tèrmica en la precisió del mecanitzat.
L'augment de la temperatura i la distribució de les màquines-eina, així com la influència del clima natural, tenen un ampli territori a la Xina. La majoria de les zones es troben en regions subtropicals, amb canvis significatius de temperatura al llarg de l'any i diferències de temperatura variables al llarg del dia. Com a resultat, les persones tenen diferents maneres i graus d'intervenció a la temperatura interior (com ara el taller), i l'atmosfera de temperatura al voltant de la màquina-eina varia molt. Per exemple, l'interval de variació estacional de la temperatura a la regió del delta del riu Yangtze és d'uns 45 graus i la variació de la temperatura diürna és d'uns 5-12 graus. El taller de mecanitzat generalment no té calefacció a l'hivern ni aire condicionat a l'estiu, però sempre que el taller tingui una bona ventilació, el gradient de temperatura al taller de mecanitzat no canvia gaire. A la regió del nord-est, la diferència de temperatura estacional pot arribar als 60 graus, amb una variació diürna d'uns 8-15 graus. El període de calefacció és des de finals d'octubre fins a principis d'abril de l'any següent, i el taller de mecanitzat està dissenyat amb calefacció, la qual cosa provoca una circulació d'aire insuficient. La diferència de temperatura dins i fora del taller pot arribar als 50 graus. Per tant, el gradient de temperatura al taller durant l'hivern és molt complex, amb una temperatura exterior d'1,5 graus mesurat de 8:15 a 8:35 del matí, i un canvi de temperatura d'uns 3,5 graus al taller. La precisió de mecanitzat de les màquines eina de precisió es veurà molt afectada per la temperatura ambiental en aquest taller.
La influència de l'entorn circumdant es refereix a l'entorn tèrmic format per diversos dissenys dins d'un rang proper de la màquina-eina.
Inclouen els quatre aspectes següents:
1) Microclima del taller: com la distribució de la temperatura dins del taller (direccions vertical i horitzontal). Quan el dia i la nit s'alternen o canvien el clima i la ventilació, la temperatura del taller experimentarà canvis lents.
2) Fonts de calor del taller: com la llum solar, la radiació dels equips de calefacció i la il·luminació d'alta potència, poden afectar directament l'augment de temperatura de tota la màquina-eina o alguns components durant molt de temps quan estan a prop de la màquina-eina. La calor generada pels dispositius adjacents durant el funcionament pot afectar l'augment de temperatura de la màquina-eina per radiació o flux d'aire.
3) Dissipació de calor: la base té un bon efecte de dissipació de calor, especialment la base de màquines-eina de precisió. És important evitar estar a prop de canonades de calefacció subterrànies. Un cop es trenca i es filtra, pot convertir-se en una font de calor de la qual és difícil trobar-ne la causa; Un taller obert serà un bon "radiador", que afavoreix l'equilibri de la temperatura al taller.
4) Temperatura constant: l'adopció d'instal·lacions de temperatura constant al taller és molt eficaç per mantenir la precisió i la precisió de mecanitzat de les màquines-eina de precisió, però consumeix molta energia.
3. Factors d'influència tèrmica interna de les màquines-eina
1) Font de calor estructural per a màquines-eina. Els motors elèctrics que generen calor, com ara motors de cargol, servomotors d'alimentació, motors de bombes de refrigeració i lubricació i caixes de control elèctrics, poden generar calor. Aquestes situacions estan permeses per al propi motor, però tenen efectes adversos importants en components com el cargol i el cargol de boles, i s'han de prendre mesures per aïllar-los. Quan l'energia elèctrica d'entrada fa funcionar el motor, excepte una petita part (al voltant del 20%) que es converteix en energia tèrmica del motor, la major part es convertirà en energia cinètica pel mecanisme de moviment, com ara la rotació de l'eix, el moviment del banc de treball. , etc; Tanmateix, és inevitable que una part considerable es converteixi encara en calor de fricció durant el procés de moviment, com ara la calor generada per mecanismes com ara coixinets, guies, cargols de boles i caixes de transmissió.
2) La calor de tall del procés. Durant el procés de tall, una part de l'energia cinètica de l'eina o peça es consumeix pel treball de tall, mentre que una part considerable es converteix en l'energia de deformació del tall i la calor de fricció entre les encenalles i l'eina, donant lloc a la escalfament de l'eina, el cargol i la peça. A continuació, es transmet una gran quantitat de calor d'encenall als accessoris de la taula de treball i altres components de la màquina-eina. Afectaran directament la posició relativa entre l'eina i la peça de treball.
3) Refrigeració. La refrigeració és una mesura inversa destinada a augmentar la temperatura de les màquines-eina, com ara la refrigeració del motor, la refrigeració dels components de l'eix i la refrigeració dels components estructurals bàsics. Les màquines eina de gamma alta solen equipar la caixa de control elèctrica amb una màquina freda per a la refrigeració forçada.
4. La influència de la forma estructural de les màquines-eina en l'augment de la temperatura es discuteix en el camp de la deformació tèrmica de les màquines-eina, normalment referint-se a qüestions com la forma estructural, la distribució de masses, les propietats del material i la distribució de la font de calor. La forma estructural afecta la distribució de la temperatura, la direcció de la conducció de la calor, la direcció de la deformació tèrmica i la combinació de màquines-eina.
1) La forma estructural de la màquina-eina. Pel que fa a l'estructura general, les màquines eina inclouen tipus vertical, horitzontal, pòrtic i voladís, que presenten diferències significatives en la resposta tèrmica i l'estabilitat. Per exemple, l'augment de temperatura de la caixa de l'eix principal d'un torn de velocitat variable d'engranatges pot arribar fins a 35 graus, fent que l'extrem de l'eix s'aixequi cap amunt i el temps d'equilibri tèrmic triga unes 2 hores. El centre de mecanitzat de fresat i tornejat de precisió tipus llit inclinat té una base estable per a la màquina-eina. La rigidesa de tota la màquina s'ha millorat significativament i l'eix és accionat per un servomotor. La part de la transmissió d'engranatges s'ha eliminat i el seu augment de temperatura és generalment inferior a 15 graus.
2) La influència de la distribució de la font de calor. A les màquines-eina, generalment es creu que la font de calor es refereix al motor elèctric. Components com ara motors de cargol, motors d'alimentació i sistemes hidràulics són realment incomplets. L'escalfament d'un motor elèctric és només l'energia consumida pel corrent a la impedància de l'induït quan suporta la càrrega, i una quantitat considerable d'energia es consumeix pel treball de fricció dels coixinets, cargols, femelles i guies. Així, el motor elèctric es pot anomenar la font de calor primària, i els coixinets, femelles, guies i xips es poden anomenar font de calor secundària. La deformació tèrmica és el resultat de la influència combinada de totes aquestes fonts de calor. Augment de temperatura i deformació d'un centre de mecanitzat vertical amb una columna mòbil durant el moviment d'alimentació de l'eix Y. Quan s'alimenta en la direcció Y, el banc de treball no es mou, de manera que té poc efecte sobre la deformació tèrmica en la direcció X. Al pilar, com més allunyat el cargol guia de l'eix Y, menor serà l'augment de temperatura. La situació de la màquina en moviment a l'eix Z il·lustra encara més la influència de la distribució de la font de calor sobre la deformació tèrmica. L'alimentació de l'eix Z està més lluny de l'eix X, de manera que l'impacte de la deformació tèrmica és menor. Com més a prop estigui la columna de la femella del motor de l'eix Z, major serà l'augment de temperatura i la deformació.
3) L'impacte de la distribució de qualitat. La influència de la distribució de la qualitat en la deformació tèrmica de les màquines-eina té tres aspectes. En primer lloc, es refereix a la mida i la concentració de massa, normalment referint-se als canvis en la capacitat tèrmica i la velocitat de transferència de calor, així com els canvis en el temps per assolir l'equilibri tèrmic.
2, Canviant la disposició de la qualitat, com ara la disposició de diverses plaques de reforç, es pot millorar la rigidesa tèrmica de l'estructura, reduint la influència de la deformació tèrmica o mantenint una deformació relativament petita sota el mateix augment de temperatura;
En tercer lloc, es refereix a reduir l'augment de temperatura dels components de la màquina-eina canviant la forma de disposició de la qualitat, com ara la disposició de costelles de dissipació de calor fora de l'estructura.
La influència de les propietats del material: els diferents materials tenen diferents paràmetres de rendiment tèrmic (calor específica, conductivitat tèrmica i coeficient d'expansió lineal), i sota la mateixa influència de la calor, la seva augment de temperatura i deformació són diferents. Prova de rendiment tèrmic de màquines-eina
1. L'objectiu de les proves de rendiment tèrmic de màquines-eina és controlar la deformació tèrmica de la màquina-eina. La clau és entendre completament els canvis de temperatura ambiental, la font de calor i els canvis de temperatura de la pròpia màquina-eina i la resposta dels punts clau (desplaçament de deformació) mitjançant proves de característiques tèrmiques. Les dades o corbes de prova descriuen les característiques tèrmiques d'una màquina-eina per prendre contramesures, controlar la deformació tèrmica i millorar la precisió i l'eficiència del mecanitzat de la màquina-eina.
En concret, s'han d'assolir els següents objectius:
1) Proveu l'entorn de la màquina-eina. Mesureu l'ambient de temperatura al taller, el seu gradient de temperatura espacial, els canvis en la distribució de la temperatura durant l'alternança diürna i nocturna i fins i tot l'impacte dels canvis estacionals en la distribució de la temperatura al voltant de la màquina-eina.
2) Comprovar les característiques tèrmiques de la pròpia màquina-eina. Sota la condició d'eliminar les interferències ambientals tant com sigui possible, mantingueu la màquina-eina en diversos estats de funcionament per mesurar els canvis de temperatura i de desplaçament de punts importants de la pròpia màquina-eina, registreu els canvis de temperatura i el desplaçament del punt clau durant un període prou llarg de temps, i també enregistreu la distribució tèrmica de cada període de temps mitjançant una càmera tèrmica infraroja.
3) Proveu l'augment de la temperatura i la deformació tèrmica durant el procés de mecanitzat per determinar l'impacte de la deformació tèrmica de la màquina-eina en la precisió del procés de mecanitzat.
4) Els experiments anteriors poden acumular una gran quantitat de dades i corbes, proporcionant criteris fiables per al disseny de la màquina-eina i el control de l'usuari de la deformació tèrmica, i assenyalant la direcció de prendre mesures efectives.
2. El principi de les proves de deformació tèrmica per a màquines-eina. Les proves de deformació tèrmica requereixen primer mesurar la temperatura de diversos punts rellevants, inclosos els aspectes següents:
1) Font de calor: incloses diverses parts del motor d'alimentació, motor de cargol, parell de transmissió de cargols de boles, guia guia i coixinet de cargol.
2) Dispositius auxiliars: incloent sistema hidràulic, màquina de refrigeració, sistema de detecció de desplaçament de refrigeració i lubricació.
3) Estructura mecànica: incloent el llit, la base, el monopatí, la columna, la caixa del capçal de fresat i l'eix. Una vareta de mesura d'acer a l'indi està subjecta entre l'eix i la taula de treball rotativa, i es configuren 5 sensors de contacte en les direccions X, Y i Z per mesurar la deformació completa en diversos estats, simulant el desplaçament relatiu entre l'eina i la peça. 3. Processament i anàlisi de dades de prova: la prova de deformació tèrmica de la màquina-eina s'ha de dur a terme durant un llarg període de temps continu, amb un registre de dades continu. Després de l'anàlisi i el processament, les característiques de deformació tèrmica reflectides són altament fiables. Si l'eliminació d'errors es realitza mitjançant múltiples experiments, la regularitat mostrada és fiable. Es van establir un total de 5 punts de mesura per a la prova de deformació tèrmica del sistema de cargols, amb els punts 1 i 2 situats a l'extrem de l'eix i prop del coixinet de la claveguera, i els punts 4 i 5 situats a prop del rail guia en direcció Z de la carcassa del capçal de fresat, respectivament. La prova va durar un total de 14 hores, amb les primeres 10 hores de rotació de l'eix alternant entre 0-9000r/min. A partir de la 10a hora, el cargol va continuar girant a una velocitat elevada de 9000r/min. Es poden extreure les conclusions següents: 1) El temps d'equilibri tèrmic del cargol és d'aproximadament 1 hora i el rang d'augment de temperatura després de l'equilibri és d'1,5 graus; 2) L'augment de temperatura prové principalment dels coixinets del cargol i dels motors del cargol. Dins del rang de velocitat normal, el rendiment tèrmic dels coixinets és bo; 3) La deformació tèrmica té poc efecte en la direcció X; 4) La deformació d'expansió de la direcció Z és relativament gran, d'uns 10 m, que és causada per l'allargament tèrmic de l'eix principal i l'augment de la separació del coixinet; 5) Quan la velocitat continua sent 9000r/min, la temperatura augmenta bruscament, augmentant uns 7 graus en 2,5 hores, i hi ha una tendència a un augment addicional. La deformació en les direccions Y i Z arriba als 29 m i 37 m, el que indica que el cargol ja no pot funcionar de manera estable a una velocitat de 9000 r/min, però pot funcionar durant un període de temps curt (20 minuts). El control de la deformació tèrmica de les màquines-eina s'analitza i es comenta anteriorment. L'augment de la temperatura i la deformació tèrmica de les màquines-eina tenen diversos factors que influeixen en la precisió del mecanitzat. Quan es prenen mesures de control, s'ha d'entendre la principal contradicció i destacar la primera i la segona mesures per aconseguir el doble del resultat amb la meitat de l'esforç. En el disseny, hauríem de partir de quatre direccions: reduir la generació de calor, reduir l'augment de la temperatura, aconseguir un equilibri estructural i un refredament raonable. 1. Reduir la generació de calor i controlar les fonts de calor és la mesura fonamental. S'han de prendre mesures en el disseny per reduir eficaçment la generació de calor de la font de calor. 1) Seleccioneu raonablement la potència nominal del motor. La potència de sortida P d'un motor elèctric és igual al producte de la tensió V i el corrent I. Generalment, la tensió V és constant. Per tant, un augment de la càrrega significa que augmenta la potència de sortida del motor i també augmenta el corrent I corresponent. Com a resultat, augmenta la calor consumida pel corrent a la impedància de l'induït. Si el motor que dissenyem i seleccionem funciona durant molt de temps en condicions properes o superiors a la potència nominal, l'augment de temperatura del motor augmentarà significativament. Amb aquesta finalitat, es va realitzar una prova comparativa al capçal de fresat de la fresadora de ranura d'agulla CNC BK50 (velocitat del motor: 960 r/min; temperatura ambient: 12 graus). De l'experiment anterior, s'obtenen els conceptes següents: tenint en compte el rendiment de la font de calor, ja sigui el motor del cargol o el motor d'alimentació, el millor és triar una potència nominal que sigui aproximadament un 25% superior a la potència calculada. En funcionament real, la potència de sortida del motor coincideix amb la càrrega i augmentar la potència nominal del motor té poc efecte en el consum d'energia. Però pot reduir eficaçment l'augment de temperatura del motor.