Las máquinas herramienta se ven afectadas por los cambios en la temperatura ambiente del taller, el calentamiento del motor y el calor por fricción del movimiento mecánico, el calor de corte y los medios de enfriamiento, lo que resulta en un aumento desigual de la temperatura en varias partes de la máquina herramienta, lo que resulta en cambios en la precisión de la forma y el mecanizado. Precisión de la máquina herramienta.
Caso 1: Se procesa un tornillo de 70 mm × 1650 mm en una fresadora CNC de precisión ordinaria. En comparación con la pieza de trabajo fresada entre las 7:30 y las 9:00 a. m. y la pieza de trabajo procesada entre las 2:00 y las 3:30 p. m., el cambio en el error acumulativo puede ser de hasta 85 m. En condiciones de temperatura constante, el error se puede reducir a 40 m.
Caso 2: Una amoladora frontal de precisión de doble extremo utilizada para el rectificado de doble extremo de piezas de trabajo de acero delgadas con un espesor de 0,6 a 3,5 mm. Durante la aceptación, la pieza de acero de 200 mm × 25 mm × 1,08 mm se puede procesar con una precisión dimensional de mm y la curvatura está dentro de menos de 5 m de longitud total. Sin embargo, después de 1 hora de molienda automática continua, el rango de cambio de tamaño aumentó a 12 m y la temperatura del refrigerante aumentó de 17 °C al inicio a 45 °C. Debido a la influencia del calor de rectificado, el muñón del husillo se alarga y la holgura del cojinete delantero del husillo aumenta. En base a esto, se añadió un refrigerador de 5,5 kW al tanque de refrigerante de la máquina herramienta y el efecto fue ideal.
La práctica ha demostrado que la deformación de las máquinas herramienta después del calentamiento es una razón importante que afecta la precisión del mecanizado. Sin embargo, las máquinas herramienta se encuentran en un entorno donde la temperatura cambia en cualquier momento y en cualquier lugar; La propia máquina herramienta consumirá inevitablemente energía durante su funcionamiento, y una parte considerable de esta energía se convertirá en calor de diversas formas, provocando cambios físicos en los distintos componentes de la máquina herramienta. Este cambio se debe a que varían mucho debido a diferentes formas estructurales, diferencias de materiales y otras razones. Los diseñadores de máquinas herramienta deben comprender el mecanismo de formación de calor y las reglas de distribución de temperatura, y tomar las medidas correspondientes para minimizar el impacto de la deformación térmica en la precisión del mecanizado.
Nuestro país tiene un territorio vasto y la mayoría de las áreas se encuentran en áreas subtropicales. La temperatura cambia mucho a lo largo del año y la diferencia de temperatura cambia en un día. Como resultado, las personas tienen diferentes formas y grados de intervención en la temperatura interior (como los talleres), y la temperatura ambiente alrededor de las máquinas herramienta varía ampliamente.
Por ejemplo, el rango de temperatura estacional en la región del delta del río Yangtze es de aproximadamente 45°C, y los cambios de temperatura diurnos y nocturnos son de aproximadamente 5°C a 12°C. Los talleres mecánicos generalmente no tienen calefacción en invierno ni aire acondicionado en verano. Sin embargo, mientras el taller esté bien ventilado, el gradiente de temperatura en el taller mecánico no cambiará mucho. En el noreste, la diferencia de temperatura estacional puede alcanzar los 60°C, y la variación entre el día y la noche es de unos 8 a 15°C. El período de calefacción es desde finales de octubre hasta principios de abril del año siguiente. El taller mecánico está diseñado con calefacción y circulación de aire insuficiente. La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior del taller puede alcanzar los 50 ℃. Por tanto, el gradiente de temperatura en el taller en invierno es muy complicado. La temperatura exterior fue de 1,5°C durante la medición y el horario fue de 8:15 a 8:35 am. El cambio de temperatura en el taller fue de aproximadamente 3,5°C. La precisión del mecanizado de las máquinas herramienta de precisión se verá muy afectada por la temperatura ambiente en dicho taller.
El entorno alrededor de la máquina herramienta se refiere al entorno térmico formado por varios diseños dentro del alcance cercano de la máquina herramienta. Incluyen los siguientes 3 aspectos.
1) Microclima del taller: como la distribución de la temperatura en el taller (dirección vertical, dirección horizontal). La temperatura ambiente cambiará lentamente cuando cambien el día y la noche o cuando cambien el clima y la ventilación.
2) Fuentes de calor del taller: como la radiación solar, los equipos de calefacción y la radiación de lámparas de iluminación de alta potencia. Cuando están cerca de la máquina herramienta, pueden afectar directamente al aumento de temperatura de toda o parte de la máquina herramienta durante mucho tiempo. El calor generado por los equipos adyacentes durante la operación afectará el aumento de temperatura de la máquina herramienta en forma de radiación o flujo de aire.
3) Disipación de calor: la base tiene un buen efecto de disipación de calor. Especialmente los cimientos de máquinas herramienta de precisión no deben estar cerca de tuberías de calefacción subterráneas. Una vez que se rompe y gotea, puede convertirse en una fuente de calor cuya causa es difícil de encontrar; un taller abierto será un buen dispositivo de "disipación de calor", lo que favorece el equilibrio de temperatura en el taller.
4) Temperatura constante: el uso de instalaciones de temperatura constante en los talleres es muy eficaz para mantener la precisión y la exactitud del procesamiento de las máquinas herramienta de precisión, pero consume mucha energía.
1) Fuente de calor estructural de máquinas herramienta. Todos los motores que generan calor, como motores de husillo, servomotores de alimentación, motores de bombas de refrigeración y lubricación, cajas de control eléctrico, etc., pueden generar calor. Estas situaciones están permitidas para el motor en sí, pero tienen un impacto adverso significativo en componentes como el husillo y el husillo de bolas, y se deben tomar medidas para aislarlos. Cuando la energía eléctrica de entrada hace funcionar el motor, excepto una pequeña parte (aproximadamente el 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.; pero inevitablemente todavía hay una parte considerable que se convierte en calor por fricción durante el movimiento, como cojinetes, rieles guía, husillos de bolas, cajas de transmisión y otros mecanismos.
2) Reducir el calor en el proceso. Durante el proceso de corte, parte de la energía cinética de la herramienta o pieza de trabajo se consume en el trabajo de corte, y una parte considerable se convierte en energía de deformación del corte y calor de fricción entre la viruta y la herramienta, provocando que la herramienta, el husillo y la pieza de trabajo se calientan, y una gran cantidad de calor de la viruta se transfiere al accesorio del banco de trabajo de la máquina herramienta. y otras partes. Afectarán directamente a la posición relativa entre la herramienta y la pieza de trabajo.
3) Enfriarse. El enfriamiento es una medida inversa contra el aumento de la temperatura de la máquina 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 alta gama suelen estar equipadas con un refrigerador para la caja de control eléctrico para proporcionar refrigeración forzada.
Discutir la forma estructural de las máquinas herramienta en el campo de la deformación térmica de las máquinas herramienta generalmente se refiere a cuestiones como la forma estructural, la distribución de masa, las propiedades del material y la distribución de la fuente de calor. La forma estructural afecta la distribución de la temperatura, la dirección de 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 voladizos, etc., y su respuesta térmica y estabilidad son bastante diferentes. Por ejemplo, el aumento de temperatura de la caja del husillo de un torno de velocidad de engranajes puede alcanzar hasta 35°C, lo que hace que el extremo del husillo se levante, y el tiempo de equilibrio térmico tarda aproximadamente 2 horas. En cuanto al centro de mecanizado de fresado y torneado de precisión de tipo bancada inclinada, la máquina herramienta tiene una base estable. La rigidez de toda la máquina mejora significativamente. El eje principal es accionado por un servomotor y se retira la parte de transmisión de engranajes. El aumento de temperatura es generalmente inferior a 15°C.
2) La influencia de la distribución de las fuentes de calor. En las máquinas herramienta, la fuente de calor suele considerarse el motor. Como el motor del husillo, el motor de alimentación y el sistema hidráulico, etc., en realidad están incompletos. El calor generado por el motor es sólo la energía consumida por la corriente en la impedancia del inducido cuando está bajo carga, y una parte considerable de la energía es consumida por el calor provocado por el trabajo de fricción de cojinetes, tuercas, rieles guía y otros mecanismos. Por lo tanto, el motor puede denominarse fuente de calor primaria y los cojinetes, tuercas, rieles guía y virutas se denominan fuentes de calor secundarias. La deformación térmica es el resultado de la influencia combinada de todas estas fuentes de calor.
Aumento de temperatura y deformación de un centro de mecanizado vertical móvil de columna durante el movimiento de alimentación en la dirección Y. La mesa de trabajo no se mueve cuando avanza en la dirección Y, por lo que tiene poco efecto sobre la deformación térmica en la dirección X. En la columna, cuanto más lejos del tornillo guía del eje Y, menor será el aumento de temperatura.
La situación cuando la máquina se mueve en el eje Z ilustra además la influencia de la distribución de la fuente de calor en la deformación térmica. La alimentación del eje Z está más alejada de la dirección 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. Primero, se refiere al tamaño y concentración de la masa, generalmente refiriéndose al cambio de la capacidad calorífica y la velocidad de transferencia de calor, y al cambio del tiempo para alcanzar el equilibrio térmico; en segundo lugar, mejorar la rigidez térmica de la estructura cambiando la disposición de la masa, como la disposición de varias nervaduras. Bajo el mismo aumento de temperatura, reduzca la influencia de la deformación térmica o mantenga pequeña la deformación relativa; en tercer lugar, se refiere a cambiar la forma de disposición de la masa, como disponer nervaduras de disipación de calor fuera de la estructura, para reducir el aumento de temperatura de los componentes de la máquina herramienta.
4) Influencia de las propiedades del material: diferentes materiales tienen diferentes parámetros de rendimiento térmico (calor específico, conductividad térmica y coeficiente de expansión lineal). Bajo la influencia del mismo calor, su aumento de temperatura y deformación son diferentes.
Del análisis y discusión anteriores, el aumento de temperatura y la deformación térmica de la máquina herramienta tienen varios factores que afectan la precisión del mecanizado. Al tomar medidas de control, debemos captar la principal contradicción y centrarnos en tomar una o dos medidas para lograr el doble de resultado con la mitad de esfuerzo. En el diseño, debemos partir de cuatro direcciones: reducir la generación de calor, reducir el aumento de temperatura, equilibrio estructural y enfriamiento razonable.
Controlar las fuentes de calor es una medida fundamental. En el diseño se deben tomar medidas para reducir efectivamente el poder calorífico de la fuente de calor.
1) Seleccione razonablemente la potencia nominal del motor.
La potencia de salida P del motor es igual al producto del voltaje V y la corriente I. En circunstancias normales, el voltaje V es constante. Por lo tanto, un aumento en la carga significa que la potencia de salida del motor aumenta, es decir, la corriente correspondiente I también aumenta, luego aumenta la corriente El calor disipado en la impedancia del inducido. Si el motor que diseñamos y seleccionamos funciona durante mucho tiempo cerca o supera con creces la potencia nominal, el aumento de temperatura del motor aumentará significativamente. Para ello, se realizó una prueba comparativa en el cabezal de fresado de la fresadora ranuradora de agujas CNC BK50 (velocidad del motor: 960 r/min; temperatura ambiente: 12 °C).
De los experimentos anteriores, se obtienen los siguientes conceptos: Desde la perspectiva del rendimiento de la fuente de calor, ya sea un motor de husillo o un motor de alimentación, al seleccionar la potencia nominal, es mejor elegir una potencia que sea aproximadamente un 25% mayor que la potencia calculada. En funcionamiento real, la potencia de salida del motor es consistente con la carga. Al igualar, aumentar la potencia nominal del motor tiene poco impacto en el consumo de energía. Pero puede reducir eficazmente el aumento de temperatura del motor.
2) Tomar medidas estructurales apropiadas para reducir el poder calorífico de la fuente de calor secundaria y reducir el aumento de temperatura.
Por ejemplo: al diseñar la estructura del husillo, se debe mejorar la coaxialidad de los cojinetes delantero y trasero y se deben utilizar cojinetes de alta precisión. Siempre que sea posible, cambie el riel guía deslizante por un riel guía rodante lineal o utilice un motor lineal. Estas nuevas tecnologías pueden reducir eficazmente la fricción, la generación de calor y el aumento de temperatura.
3) En términos de tecnología, se adopta el corte de alta velocidad. Basado en el mecanismo de corte de alta velocidad.
Cuando la velocidad lineal de corte de metal es superior a un cierto rango, el metal que se corta no tiene tiempo para sufrir deformación plástica, no se genera calor de deformación en las virutas y la mayor parte de la energía de corte se convierte en energía cinética de las virutas y es quitado.
En las máquinas herramienta, las fuentes de calor siempre están presentes y es necesario prestar más atención a cómo hacer que la dirección y la velocidad de la transferencia de calor sean propicias para reducir la deformación térmica. O la estructura tiene buena simetría, de modo que la transferencia de calor se realiza en la dirección simétrica, la distribución de temperatura es uniforme y las deformaciones se anulan entre sí, formando una estructura de afinidad térmica.
1) Pretensado y deformación térmica.
En sistemas de alimentación de mayor velocidad, los dos extremos del husillo de bolas suelen estar fijados axialmente para formar una tensión de pretensión. Esta estructura no sólo mejora la estabilidad dinámica y estática para la alimentación a alta velocidad, sino que también desempeña un papel importante en la reducción de los errores de deformación térmica.
El aumento de temperatura de la estructura fijada axialmente y preestirada 35 m dentro de una longitud total de 600 mm es relativamente similar a diferentes velocidades de alimentación. El error acumulativo de la estructura preestirada con dos extremos fijos es significativamente menor que el de la estructura con un extremo fijo y el otro extremo libre para extenderse. En la estructura pretensada fijada axialmente en ambos extremos, el aumento de temperatura causado por el calentamiento cambia principalmente el estado de tensión dentro del tornillo de tensión de tracción a tensión cero o tensión de compresión. Por lo tanto, tiene poco impacto en la precisión del desplazamiento.
2) Cambiar la estructura y cambiar la dirección de la deformación térmica.
El deslizamiento del husillo del eje Z de una fresadora de ranura de aguja CNC que utiliza diferentes estructuras de fijación axial de husillo de bolas requiere un error de profundidad de ranura de fresado de 5 m durante el procesamiento. Usando una estructura flotante axial en el extremo inferior del tornillo, la profundidad de la ranura se profundiza gradualmente de 0 a 0,045 mm dentro de las 2 horas posteriores al procesamiento. Por el contrario, el uso de una estructura con un extremo superior flotante del tornillo puede garantizar que cambie la profundidad de la ranura.
3) La simetría de la forma geométrica de la estructura de la máquina herramienta puede hacer que la tendencia de deformación térmica sea consistente y minimizar la deriva del punto de punta de la herramienta.
Por ejemplo, el centro de micromecanizado YMC430 lanzado por Yasda Precision Tools Company de Japón es una máquina herramienta de mecanizado submicrónica de alta velocidad. El diseño de la máquina herramienta considera plenamente el rendimiento térmico.
En primer lugar, se adopta una disposición completamente simétrica en la estructura de la máquina herramienta. Las columnas y vigas son estructuras integradas en forma de H, lo que equivale a una estructura de doble columna y tiene buena simetría. Además, el carro de husillo aproximadamente circular es simétrico tanto en sentido longitudinal como transversal.
Todos los accionamientos de avance de los tres ejes móviles utilizan motores lineales, lo que facilita la consecución de simetría en la estructura. Los dos ejes giratorios utilizan accionamientos directos para minimizar las pérdidas por fricción y la transmisión mecánica.
1) El refrigerante durante el procesamiento tiene un impacto directo en la precisión del procesamiento.
Se realizó una prueba comparativa en la amoladora de doble extremo GRV450C. Las pruebas muestran que el intercambio de calor del refrigerante con la ayuda de un refrigerador es muy eficaz para mejorar la precisión del mecanizado.
Usando el método tradicional de suministro de refrigerante, el tamaño de la pieza de trabajo estará fuera de tolerancia después de 30 minutos. Después de usar el refrigerador, el procesamiento normal puede durar más de 70 minutos. La razón principal por la que el tamaño de la pieza de trabajo está fuera de tolerancia a los 80 minutos es que es necesario rectificar la muela (para eliminar las virutas de metal de la superficie de la muela) y la precisión del mecanizado original se puede restaurar inmediatamente después del rectificado. El efecto es muy obvio. Del mismo modo se pueden esperar muy buenos resultados con la refrigeración forzada del husillo.
2) Aumentar el área de enfriamiento natural.
Por ejemplo, agregar un área de enfriamiento de aire natural a la estructura de la caja del husillo también puede lograr un buen efecto de disipación de calor en un taller con buena circulación de aire.
3) Eliminación automática de virutas en el momento oportuno.
Expulsar virutas de alta temperatura de la pieza de trabajo, el banco de trabajo y las piezas de la herramienta de manera oportuna o en tiempo real será muy útil para reducir el aumento de temperatura y la deformación térmica de las piezas clave.
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