La deformación térmica es una de las razones que afectan la precisión del mecanizado. La máquina herramienta se ve afectada por los cambios en la temperatura ambiente del taller, el calentamiento del motor y la fricción del movimiento mecánico, el calor de corte y el medio de enfriamiento, lo que resulta en un aumento desigual de la temperatura en varias partes de la máquina herramienta, lo que lleva a cambios en la precisión de la forma. y precisión de mecanizado de la máquina herramienta. Por ejemplo, al procesar un tornillo de 70 mm × 1650 mm en una fresadora CNC con precisión normal, el error acumulativo de la pieza fresada entre las 7:30 y las 9:00 de la mañana puede alcanzar los 85 m en comparación con la pieza procesada entre las 2:00 y las 9:00. 3:30 de la tarde. En condiciones de temperatura constante, el error se puede reducir a 40 m.
Por ejemplo: una amoladora de doble extremo de precisión utilizada para el rectificado de doble extremo de piezas de trabajo de láminas de acero delgadas con un espesor de 0,6 a 3,5 mm puede lograr una precisión dimensional de nivel milimétrico al procesar piezas de láminas de acero de 200 mm × 25 mm × 1,08 mm durante la aceptación, y la curvatura es inferior a 5 m en toda su longitud. Sin embargo, después de una molienda automática continua durante 1 hora, el rango de cambio de tamaño aumenta a 12 m y la temperatura del refrigerante aumenta de 17 ℃ en el arranque a 45 ℃. 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 agrega un refrigerador de 5,5 kW al tanque de refrigerante de la máquina herramienta y el efecto es ideal. La práctica ha demostrado que la deformación de la máquina herramienta después del calentamiento es una razón importante que afecta la precisión del procesamiento. Sin embargo, 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 su funcionamiento, y una parte considerable de esta energía se convertirá en calor de diversas formas, provocando cambios físicos en los componentes de la máquina herramienta. Este cambio varía mucho debido a las diferentes formas estructurales y diferencias materiales. Los diseñadores de máquinas herramienta deben dominar el mecanismo de formación de calor y la ley de distribución de temperatura, y tomar las medidas correspondientes para minimizar el impacto de la deformación térmica en la precisión del procesamiento.
Las formas y grados de intervención de las personas en la temperatura interior (como la del taller) también son diferentes, y la temperatura ambiente alrededor de la máquina herramienta varía mucho. El gradiente de temperatura en invierno es muy complejo. Cuando se mide, la temperatura exterior es de 1,5 ℃, la hora es de 8:15 a 8:35 de la mañana y la temperatura en el taller cambia en aproximadamente 3,5 ℃. La precisión del procesamiento de las máquinas herramienta de precisión se verá muy afectada por la temperatura ambiente en dicho taller.
El entorno circundante se refiere al entorno térmico formado por varios diseños dentro del alcance cercano de la máquina herramienta. Incluyen los siguientes 4 aspectos:
1) Microclima del taller: como la distribución de la temperatura en el taller (dirección vertical, dirección horizontal). Cuando el día y la noche se alternan o el clima y la ventilación cambian, la temperatura del taller cambiará lentamente.
2) Fuente de calor del taller: como la luz solar, los equipos de calefacción y la radiación de lámparas de alta potencia, etc., cuando están cerca de la máquina herramienta, pueden afectar directamente el aumento de temperatura de la totalidad o de algunas partes de la misma. 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 la base de máquinas herramienta de precisión no debe 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 "radiador" que favorece el equilibrio de temperatura del taller.
4) Temperatura constante: las instalaciones de temperatura constante adoptadas en el taller son muy efectivas para mantener la precisión y la exactitud del procesamiento de las máquinas herramienta de precisión, pero el consumo de energía es grande.
1) Fuentes de calor estructurales de máquinas herramienta. El calor de motores como los de husillo, los servomotores de alimentación, los motores de bombas de refrigeración y lubricación y las cajas de control electrónico pueden generar calor. Estas situaciones están permitidas para el motor en sí, pero tienen un efecto 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 de la mesa de trabajo. , etc.; pero inevitablemente, una parte considerable todavía se convierte en calor por fricción durante el proceso de movimiento, como el calentamiento de cojinetes, rieles guía, husillos de bolas y cajas de transmisión.
2) Cortar el calor durante 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 de corte y calor de fricción entre virutas y herramientas, lo que genera calentamiento de la herramienta, el husillo y la pieza de trabajo. y una gran cantidad de calor de la viruta se conduce al accesorio de la mesa de trabajo de la máquina herramienta y a otros componentes. Afectarán directamente a la posición relativa entre la herramienta y la pieza de trabajo.
3) Enfriamiento. El enfriamiento es una medida inversa para el aumento de temperatura de las máquinas herramienta, como el enfriamiento de motores, el enfriamiento de componentes del husillo y el enfriamiento de piezas estructurales básicas. Las máquinas herramienta de alta gama suelen equipar la caja de control eléctrico con un refrigerador para refrigeración forzada.
En el campo de la deformación térmica de máquinas herramienta, la discusión sobre la forma estructural de la máquina herramienta generalmente se refiere a 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 la estructura general, las máquinas herramienta son verticales, horizontales, de pórtico y en voladizo, y la respuesta y estabilidad al calor son bastante diferentes. Por ejemplo, el aumento de temperatura de la caja del husillo de un torno con cambio de marchas 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. El centro de mecanizado de fresado y torneado de precisión de bancada inclinada tiene una base estable. La rigidez de toda la máquina mejora significativamente. El husillo es accionado por un servomotor y se retira la parte de transmisión de engranajes. Su aumento de temperatura es generalmente inferior a 15°C.
2) La influencia de la distribución de las fuentes de calor. Generalmente se considera que la fuente de calor en las máquinas herramienta es el motor. Como el motor del husillo, el motor de alimentación y el sistema hidráulico, etc., que 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 se consume por el trabajo de fricción de los cojinetes, tuercas y rieles guía. Por lo tanto, el motor puede denominarse fuente de calor primaria y los cojinetes, tuercas, rieles guía y virutas pueden denominarse fuentes de calor secundarias. 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 movimiento de columna durante el movimiento de alimentación del eje Y. La mesa de trabajo no se mueve durante el avance del eje Y, por lo que la influencia sobre la deformación térmica en el eje X es muy pequeña. En la columna, cuanto más lejos esté el punto del tornillo guía del eje Y, menor será el aumento de temperatura. La situación de la máquina cuando se mueve 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 efecto de deformación térmica es menor. Cuanto más cerca esté la tuerca del motor del eje Z en la columna del eje Z, mayor será el aumento de temperatura y la deformación.
3) La influencia de la distribución masiva. Hay tres aspectos de la influencia de la distribución de masa en la deformación térmica de las máquinas herramienta. Primero, se refiere al tamaño y concentración de la masa, que generalmente se refiere a cambiar la capacidad calorífica y la velocidad de transferencia de calor, y cambiar el tiempo para alcanzar el equilibrio térmico; en segundo lugar, cambiando la disposición de la masa, tal como la disposición de varias nervaduras, se mejora la rigidez térmica de la estructura y, bajo el mismo aumento de temperatura, se reduce la influencia de la deformación térmica o se mantiene pequeña la deformación relativa; en tercer lugar, se refiere a cambiar la 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 de la misma cantidad de calor, su aumento de temperatura y deformación son diferentes.
(1) Propósito de las pruebas de rendimiento térmico de la máquina herramienta La clave para controlar la deformación térmica de las máquinas herramienta es comprender completamente los cambios en la temperatura ambiente de la máquina herramienta, la fuente de calor y los cambios de temperatura de la máquina herramienta en sí, y la respuesta. (desplazamiento de deformación) de puntos clave mediante pruebas de características térmicas. Los datos o curvas de prueba describen las características térmicas de una máquina herramienta para que se puedan tomar contramedidas para controlar la deformación térmica y mejorar la precisión del procesamiento y la eficiencia de la máquina herramienta.
En concreto, se deben alcanzar los siguientes objetivos:
1) Prueba del entorno circundante de la máquina herramienta. Mida la temperatura ambiente en el taller, su gradiente de temperatura espacial, los cambios en la distribución de la temperatura durante la alternancia del día y la noche, e incluso mida el impacto de los cambios estacionales en la distribución de la temperatura alrededor de la máquina herramienta.
2) Ensayo de las características térmicas de la propia máquina herramienta. Con la condición de eliminar la interferencia ambiental tanto como sea posible, coloque la máquina herramienta en varios estados operativos para medir los cambios de temperatura y los cambios de desplazamiento de puntos importantes de la propia máquina herramienta, registre los cambios de temperatura y los desplazamientos de los puntos clave en un período suficientemente largo. de tiempo, y utilice una cámara térmica infrarroja para registrar la distribución térmica de cada período de tiempo.
3) Probar el aumento de temperatura y la deformación térmica durante el proceso de procesamiento para determinar el impacto de la deformación térmica de la máquina herramienta en la precisión del proceso de procesamiento.
4) Las pruebas anteriores pueden acumular una gran cantidad de datos y curvas, lo que proporcionará criterios confiables para que el diseño de máquinas herramienta y los usuarios controlen la deformación térmica, y señalarán la dirección a seguir para tomar medidas efectivas.
(2) Principio de la prueba de deformación térmica de la máquina herramienta La prueba de deformación térmica primero debe medir la temperatura de varios puntos relacionados, incluidos los siguientes aspectos:
1) Fuente de calor: incluido el motor de alimentación de cada pieza, el motor del husillo, el par de transmisión del husillo de bolas, el riel guía y el cojinete del husillo. 2) Dispositivos auxiliares: incluyendo sistema hidráulico, refrigerador, sistema de detección de desplazamiento de refrigeración y lubricación.
3) Estructura mecánica: incluye bancada, base, corredera, columna, caja del cabezal de fresado y husillo. Se sujeta una varilla de medición de acero indio entre el husillo y la mesa giratoria, y se configuran 5 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 en un tiempo prolongado y continuo y se realiza un registro continuo de datos. Después del análisis y procesamiento, las características de deformación térmica reflejadas son altamente confiables. Si el error se elimina mediante múltiples pruebas, la regularidad mostrada es creíble. Se establecen un total de 5 puntos de medición en la prueba de deformación térmica del sistema de husillo, de los cuales el punto 1 y el punto 2 están en el extremo del husillo y cerca del cojinete del husillo, y el punto 4 y el punto 5 están respectivamente en el fresado. alojamiento del cabezal cerca del riel guía Z. La prueba duró 14 horas. En las primeras 10 horas, la velocidad del husillo se cambió alternativamente en el rango de 0 a 9000 r/min. A partir de la décima hora, el husillo continuó girando a una alta velocidad de 9000 r/min. Se pueden sacar las siguientes conclusiones:
1) El tiempo de equilibrio térmico del husillo es de aproximadamente 1 hora y el aumento de temperatura después del equilibrio varía en 1,5 ℃.
2) El aumento de temperatura proviene principalmente de los cojinetes del husillo y del motor del husillo. Dentro del rango de velocidad normal, el rendimiento térmico de los rodamientos es bueno.
3) La deformación térmica tiene poco efecto en la dirección X.
4) La deformación por expansión en la dirección Z es grande, aproximadamente 10 m, causada por el alargamiento térmico del husillo y el aumento de la holgura del rodamiento.
5) Cuando la velocidad es continua de 9000 r/min, el aumento de temperatura aumenta bruscamente, aumentando aproximadamente 7 ℃ en 2,5 h, y hay una tendencia de aumento continuo. La deformación en las direcciones Y y Z alcanza 29 my 37 m, lo que indica que el husillo ya no puede funcionar de manera estable a una velocidad de 9000 r/min, pero puede funcionar en un corto tiempo (20 min).
El control de la deformación térmica de las máquinas herramienta se analiza en el análisis anterior. Hay muchos factores que afectan el aumento de temperatura y la deformación térmica de las máquinas herramienta en la precisión del procesamiento. Al tomar medidas de control, debemos captar las principales contradicciones y tomar las medidas correspondientes 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. Reducir la generación de calor y controlar las fuentes de calor son medidas fundamentales. En el diseño se deben tomar medidas para reducir efectivamente la generación de calor de las fuentes de calor. 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 tanto, el aumento de carga significa que la potencia de salida del motor aumenta, es decir, la corriente correspondiente I también aumenta y 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 muy superiores a la potencia nominal, el aumento de temperatura del motor aumentará significativamente. Por este motivo, se realizó una prueba comparativa en el cabezal de fresado de la fresadora de ranuras de agujas CNC BK50 (velocidad del motor: 960 r/min; temperatura ambiente: 12 ℃). De las pruebas anteriores se obtienen los siguientes conceptos: Considerando el rendimiento de la fuente de calor, ya sea el motor del husillo o el motor de alimentación, al seleccionar la potencia nominal, es mejor elegir una que sea aproximadamente un 25% mayor que la potencia calculada. En funcionamiento real, la potencia de salida del motor coincide con la carga. Aumentar la potencia nominal del motor tiene poco efecto sobre el consumo de energía, pero puede reducir eficazmente el aumento de temperatura del motor.
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