As máquinas-ferramentas são afetadas por mudanças na temperatura ambiente da oficina, aquecimento do motor e movimento mecânico, calor de fricção, calor de corte e meios de resfriamento, resultando em aumento desigual de temperatura em várias partes da máquina-ferramenta, resultando em mudanças na precisão da forma e na usinagem precisão da máquina-ferramenta.
Caso 1: Um parafuso de 70 mm × 1650 mm é processado em uma fresadora CNC de precisão comum. Em comparação com a peça fresada entre 7h30 e 9h00 e a peça processada entre 14h00 e 15h30, a mudança no erro cumulativo pode ser de até 85m. Sob condições de temperatura constante, o erro pode ser reduzido para 40m.
Caso 2: Uma retificadora de face dupla de precisão usada para retificação dupla de peças de aço finas com espessura de 0,6 a 3,5 mm. Durante a aceitação, a peça de aço de 200 mm × 25 mm × 1,08 mm pode ser processada com uma precisão dimensional de mm, e a curvatura está dentro de menos de 5 m de comprimento total. No entanto, após 1 hora de retificação automática contínua, a faixa de mudança de tamanho aumentou para 12m e a temperatura do líquido refrigerante aumentou de 17°C na inicialização para 45°C. Devido à influência do calor de retificação, o munhão do fuso se alonga e a folga do rolamento dianteiro do fuso aumenta. Com base nisso, um refrigerador de 5,5 kW foi adicionado ao tanque de refrigeração da máquina-ferramenta e o efeito foi ideal.
A prática provou que a deformação das máquinas-ferramentas após o aquecimento é uma razão importante que afeta a precisão da usinagem. Entretanto, as máquinas-ferramentas estão em um ambiente onde a temperatura muda a qualquer hora e em qualquer lugar; a própria máquina-ferramenta consumirá inevitavelmente energia durante o trabalho, e uma parte considerável dessa energia será convertida em calor de diversas maneiras, causando alterações físicas nos diversos componentes da máquina-ferramenta. Esta mudança deve-se a Eles variam muito devido a diferentes formas estruturais, diferenças de materiais e outros motivos. Os projetistas de máquinas-ferramenta devem compreender o mecanismo de formação de calor e as regras de distribuição de temperatura e tomar as medidas correspondentes para minimizar o impacto da deformação térmica na precisão da usinagem.
Nosso país possui um vasto território e a maioria das áreas está em áreas subtropicais. A temperatura muda muito ao longo do ano e a diferença de temperatura muda em um dia. Como resultado, as pessoas têm diferentes formas e graus de intervenção na temperatura interna (como oficinas), e a temperatura atmosférica ao redor das máquinas-ferramentas varia amplamente.
Por exemplo, a variação sazonal de temperatura na região do Delta do Rio Yangtze é de cerca de 45°C, e as mudanças de temperatura diurna e noturna são de cerca de 5°C a 12°C. As oficinas mecânicas geralmente não têm aquecimento no inverno e nem ar condicionado no verão. Porém, desde que a oficina esteja bem ventilada, o gradiente de temperatura na oficina mecânica não mudará muito. No Nordeste, a diferença sazonal de temperatura pode chegar a 60°C, e a variação diurna e noturna é de cerca de 8 a 15°C. O período de aquecimento vai do final de outubro ao início de abril do ano seguinte. A oficina mecânica foi projetada com aquecimento e circulação de ar insuficiente. A diferença de temperatura entre dentro e fora da oficina pode chegar a 50°C. Portanto, o gradiente de temperatura na oficina no inverno é muito complicado. A temperatura externa foi de 1,5°C durante a medição, e o horário foi das 8h15 às 8h35. A mudança de temperatura na oficina foi de cerca de 3,5°C. A precisão da usinagem de máquinas-ferramentas de precisão será muito afetada pela temperatura ambiente em tal oficina.
O ambiente ao redor da máquina-ferramenta refere-se ao ambiente térmico formado por vários layouts próximos à máquina-ferramenta. Eles incluem os três aspectos a seguir.
1) Microclima da oficina: como a distribuição da temperatura na oficina (direção vertical, direção horizontal). A temperatura ambiente mudará lentamente quando o dia e a noite mudarem ou quando o clima e a ventilação mudarem.
2) Fontes de calor da oficina: como radiação solar, equipamentos de aquecimento e radiação de lâmpadas de iluminação de alta potência. Quando estão próximos à máquina-ferramenta, podem afetar diretamente o aumento da temperatura de toda ou parte da máquina-ferramenta por um longo período. O calor gerado por equipamentos adjacentes durante a operação afetará o aumento da temperatura da máquina-ferramenta na forma de radiação ou fluxo de ar.
3) Dissipação de calor: A fundação tem um bom efeito de dissipação de calor. Especialmente a fundação de máquinas-ferramentas de precisão não deve ficar perto de tubos de aquecimento subterrâneos. Uma vez quebrado e vazando, pode se tornar uma fonte de calor cuja causa é difícil de encontrar; uma oficina aberta será um bom dispositivo de “dissipação de calor”, o que é benéfico para o equilíbrio da temperatura na oficina.
4) Temperatura constante: O uso de instalações de temperatura constante em oficinas é muito eficaz na manutenção da precisão e exatidão do processamento de máquinas-ferramentas de precisão, mas consome muita energia.
1) Fonte de calor estrutural de máquinas-ferramentas. Motores que geram calor, como motores de fuso, servomotores de alimentação, motores de bombas de refrigeração e lubrificação, caixas de controle elétrico, etc., podem gerar calor. Estas situações são permitidas para o próprio motor, mas têm um impacto adverso significativo em componentes como o fuso e o fuso de esferas, e devem ser tomadas medidas para isolá-los. Quando a energia elétrica de entrada faz o motor funcionar, exceto uma pequena parte (cerca de 20%) que é convertida em energia térmica do motor, a maior parte será convertida em energia cinética pelo mecanismo de movimento, como rotação do fuso, movimento da bancada , etc.; mas inevitavelmente ainda há uma parte considerável que é convertida em calor de fricção durante o movimento, como rolamentos, trilhos-guia, parafusos de esferas, caixas de transmissão e outros mecanismos.
2) Cortar o calor no processo. Durante o processo de corte, parte da energia cinética da ferramenta ou peça é consumida no trabalho de corte, e uma parte considerável é convertida na energia de deformação do corte e no calor de atrito entre o cavaco e a ferramenta, fazendo com que a ferramenta, fuso e a peça de trabalho aquecem, e uma grande quantidade de calor do cavaco é transferida para o acessório da bancada da máquina-ferramenta. e outras peças. Eles afetarão diretamente a posição relativa entre a ferramenta e a peça.
3) Acalme-se. O resfriamento é uma medida reversa contra o aumento da temperatura da máquina-ferramenta, como resfriamento do motor, resfriamento dos componentes do fuso e resfriamento dos componentes estruturais básicos. Máquinas-ferramentas de última geração geralmente são equipadas com um refrigerador para a caixa de controle elétrico fornecer resfriamento forçado.
Discutir a forma estrutural de máquinas-ferramentas no campo da deformação térmica de máquinas-ferramenta geralmente se refere a questões como forma estrutural, distribuição de massa, propriedades do material e distribuição da fonte de calor. A forma estrutural afeta a distribuição de temperatura, direção de condução de calor, direção de deformação térmica e correspondência da máquina-ferramenta.
1) A forma estrutural da máquina-ferramenta. Em termos de estrutura geral, as máquinas-ferramentas incluem os tipos vertical, horizontal, pórtico e cantilever, etc., e sua resposta térmica e estabilidade são bastante diferentes. Por exemplo, o aumento de temperatura da caixa do fuso de um torno de velocidade de engrenagem pode chegar a 35°C, fazendo com que a extremidade do fuso se levante, e o tempo de equilíbrio térmico leva cerca de 2 horas. Quanto ao centro de usinagem de torneamento e fresamento de precisão tipo leito inclinado, a máquina-ferramenta possui uma base estável. A rigidez de toda a máquina é significativamente melhorada. O eixo principal é acionado por um servo motor e a peça de transmissão da engrenagem é removida. O aumento da temperatura é geralmente inferior a 15°C.
2) A influência da distribuição da fonte de calor. Nas máquinas-ferramentas, a fonte de calor é geralmente considerada o motor. Como o motor do fuso, o motor de alimentação e o sistema hidráulico, etc., estão na verdade incompletos. O calor gerado pelo motor é apenas a energia consumida pela corrente na impedância da armadura quando este está sob carga, e uma parte considerável da energia é consumida pelo calor causado pelo trabalho de atrito dos rolamentos, porcas, trilhos guia e outros mecanismos. Portanto, o motor pode ser chamado de fonte primária de calor, e os rolamentos, porcas, trilhos-guia e cavacos são chamados de fontes secundárias de calor. A deformação térmica é o resultado da influência combinada de todas estas fontes de calor.
Aumento de temperatura e deformação de um centro de usinagem vertical com coluna móvel durante o movimento de alimentação na direção Y. A mesa de trabalho não se move durante a alimentação na direção Y, portanto tem pouco efeito na deformação térmica na direção X. Na coluna, quanto mais longe do parafuso guia do eixo Y, menor será o aumento de temperatura.
A situação quando a máquina se move no eixo Z ilustra ainda mais a influência da distribuição da fonte de calor na deformação térmica. A alimentação do eixo Z está mais distante da direção X, portanto o impacto da deformação térmica é menor. Quanto mais próxima a coluna estiver da porca do motor do eixo Z, maior será o aumento de temperatura e a deformação.
3) A influência da distribuição em massa. A influência da distribuição de massa na deformação térmica de máquinas-ferramenta tem três aspectos. Primeiro, refere-se ao tamanho e concentração da massa, geralmente referindo-se à alteração da capacidade térmica e à velocidade de transferência de calor, e à alteração do tempo para atingir o equilíbrio térmico; segundo, melhorar a rigidez térmica da estrutura alterando a disposição da massa, tal como a disposição de várias nervuras. Sob o mesmo aumento de temperatura, reduza a influência da deformação térmica ou mantenha a deformação relativa pequena; terceiro, refere-se à mudança da forma do arranjo de massa, como a disposição de nervuras de dissipação de calor fora da estrutura, para reduzir o aumento de temperatura dos componentes da máquina-ferramenta.
4) Influência das propriedades do material: Diferentes materiais possuem diferentes parâmetros de desempenho térmico (calor específico, condutividade térmica e coeficiente de expansão linear). Sob a influência do mesmo calor, o aumento de temperatura e a deformação são diferentes.
A partir da análise e discussão acima, o aumento da temperatura e a deformação térmica da máquina-ferramenta têm vários fatores que afetam a precisão da usinagem. Ao tomar medidas de controlo, devemos compreender a principal contradição e concentrar-nos em tomar uma ou duas medidas para alcançar o dobro do resultado com metade do esforço. No projeto, devemos partir de quatro direções: redução da geração de calor, redução do aumento de temperatura, equilíbrio estrutural e resfriamento razoável.
O controle das fontes de calor é uma medida fundamental. No projeto, devem ser tomadas medidas para reduzir efetivamente o poder calorífico da fonte de calor.
1) Selecione razoavelmente a potência nominal do motor.
A potência de saída P do motor é igual ao produto da tensão V e da corrente I. Em circunstâncias normais, a tensão V é constante. Portanto, um aumento na carga significa que a potência de saída do motor aumenta, ou seja, a corrente correspondente I também aumenta, então a corrente O calor dissipado na impedância da armadura aumenta. Se o motor que projetamos e selecionamos funcionar por um longo período próximo ou exceder muito a potência nominal, o aumento de temperatura do motor aumentará significativamente. Para tanto, foi realizado um teste comparativo no cabeçote de fresagem da fresadora CNC para ranhuras com agulha BK50 (velocidade do motor: 960 r/min; temperatura ambiente: 12°C).
A partir dos experimentos acima, são obtidos os seguintes conceitos: Do ponto de vista do desempenho da fonte de calor, seja um motor de fuso ou um motor de alimentação, ao selecionar a potência nominal, é melhor escolher uma potência que seja cerca de 25% maior que a potência calculada. Na operação real, a potência de saída do motor é consistente com a carga. Da mesma forma, aumentar a potência nominal do motor tem pouco impacto no consumo de energia. Mas pode efetivamente reduzir o aumento da temperatura do motor.
2) Tomar medidas estruturais adequadas para reduzir o poder calorífico da fonte de calor secundária e reduzir o aumento da temperatura.
Por exemplo: ao projetar a estrutura do fuso, a coaxialidade dos rolamentos dianteiro e traseiro deve ser melhorada e devem ser usados rolamentos de alta precisão. Sempre que possível, troque o trilho-guia deslizante por um trilho-guia linear ou use um motor linear. Essas novas tecnologias podem reduzir efetivamente o atrito, a geração de calor e o aumento da temperatura.
3) Em termos de tecnologia, é adotado corte em alta velocidade. Baseado no mecanismo de corte de alta velocidade.
Quando a velocidade linear de corte de metal é superior a uma determinada faixa, o metal sendo cortado não tem tempo para sofrer deformação plástica, nenhum calor de deformação é gerado nos cavacos e a maior parte da energia de corte é convertida em energia cinética dos cavacos e é levado embora.
Nas máquinas-ferramentas, as fontes de calor estão sempre presentes e é necessário prestar mais atenção em como fazer com que a direção e a velocidade da transferência de calor conduzam à redução da deformação térmica. Ou a estrutura tem boa simetria, de modo que a transferência de calor ocorre ao longo da direção simétrica, a distribuição de temperatura é uniforme e as deformações se cancelam, formando uma estrutura de afinidade térmica.
1) Protensão e deformação térmica.
Em sistemas de alimentação de alta velocidade, as duas extremidades do fuso de esferas são frequentemente fixadas axialmente para formar tensão de pré-tensão. Esta estrutura não só melhora a estabilidade dinâmica e estática para alimentação em alta velocidade, mas também desempenha um papel significativo na redução de erros de deformação térmica.
O aumento de temperatura da estrutura fixa axialmente pré-esticada em 35m dentro do comprimento total de 600mm é relativamente semelhante em diferentes velocidades de alimentação. O erro cumulativo da estrutura pré-esticada com duas extremidades fixas é significativamente menor do que o da estrutura com uma extremidade fixa e a outra extremidade livre para se estender. Na estrutura pré-tensionada fixada axialmente em ambas as extremidades, o aumento de temperatura causado pelo aquecimento altera principalmente o estado de tensão dentro do parafuso de tensão de tração para tensão zero ou tensão de compressão. Portanto, tem pouco impacto na precisão do deslocamento.
2) Mude a estrutura e mude a direção da deformação térmica.
O deslizamento do fuso do eixo Z de uma fresadora CNC de ranhura de agulha usando diferentes estruturas de fixação axial de parafuso esférico requer um erro de profundidade da ranhura de fresagem de 5m durante o processamento. Usando uma estrutura flutuante axial na extremidade inferior do parafuso, a profundidade da ranhura aprofunda gradualmente de 0 a 0,045 mm em 2 horas de processamento. Pelo contrário, usar uma estrutura com extremidade superior flutuante do parafuso pode garantir que a profundidade da ranhura mude.
3) A simetria da forma geométrica da estrutura da máquina-ferramenta pode tornar a tendência de deformação térmica consistente e minimizar o desvio do ponto da ponta da ferramenta.
Por exemplo, o centro de microusinagem YMC430 lançado pela Yasda Precision Tools Company do Japão é uma máquina-ferramenta de usinagem submícron de alta velocidade. O projeto da máquina-ferramenta considera totalmente o desempenho térmico.
Em primeiro lugar, é adotado um layout completamente simétrico na estrutura da máquina-ferramenta. Os pilares e vigas são estruturas integradas em forma de H, o que equivale a uma estrutura de pilar duplo e apresenta boa simetria. O deslizamento do fuso aproximadamente circular também é simétrico tanto longitudinal quanto transversalmente.
Todos os acionamentos de alimentação dos três eixos móveis utilizam motores lineares, o que facilita a obtenção de simetria na estrutura. Os dois eixos rotativos utilizam acionamentos diretos para minimizar perdas por atrito e transmissão mecânica.
1) O refrigerante durante o processamento tem um impacto direto na precisão do processamento.
Um teste comparativo foi realizado na retificadora dupla GRV450C. Os testes mostram que a troca de calor do refrigerante com a ajuda de um refrigerador é muito eficaz para melhorar a precisão da usinagem.
Usando o método tradicional de fornecimento de refrigerante, o tamanho da peça estará fora da tolerância após 30 minutos. Depois de usar a geladeira, o processamento normal pode durar mais de 70 minutos. A principal razão pela qual o tamanho da peça está fora da tolerância em 80 minutos é que o rebolo precisa ser vestido (para remover lascas de metal na superfície do rebolo), e a precisão original da usinagem pode ser restaurada imediatamente após o vestido. O efeito é muito óbvio. Da mesma forma, resultados muito bons podem ser esperados do resfriamento forçado do fuso.
2) Aumente a área de resfriamento natural.
Por exemplo, adicionar uma área de resfriamento de ar natural à estrutura da caixa do fuso também pode obter um bom efeito de dissipação de calor em uma oficina com boa circulação de ar.
3) Remoção automática de cavacos em tempo hábil.
A ejeção de cavacos de alta temperatura da peça de trabalho, bancada e peças da ferramenta em tempo hábil ou em tempo real será muito útil para reduzir o aumento de temperatura e a deformação térmica das peças principais.
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