A deformação térmica é uma das razões que afetam a precisão da usinagem. A máquina-ferramenta é afetada por mudanças na temperatura ambiente da oficina, aquecimento do motor e fricção do movimento mecânico, corte de calor e meio de resfriamento, resultando em aumento desigual de temperatura em várias partes da máquina-ferramenta, levando a mudanças na precisão da forma e precisão de usinagem da máquina-ferramenta. Por exemplo, ao processar um parafuso de 70 mm × 1650 mm em uma fresadora CNC com precisão normal, o erro cumulativo da peça fresada às 7h30-9h00 da manhã pode chegar a 85m em comparação com a peça processada às 2h00- 3h30 da tarde. Sob condições de temperatura constante, o erro pode ser reduzido para 40m.
Por exemplo: Uma retificadora dupla de precisão usada para retificação dupla de peças de chapa de aço finas com uma espessura de 0,6 a 3,5 mm pode atingir precisão dimensional de nível milimétrico ao processar peças de chapa de aço de 200 mm × 25 mm × 1,08 mm durante a aceitação, e a curvatura é inferior a 5m em todo o comprimento. No entanto, após a retificação automática contínua por 1h, a faixa de mudança de tamanho aumenta para 12m e a temperatura do líquido refrigerante aumenta de 17°C na inicialização para 45°C. Devido à influência do calor de retificação, o munhão do fuso é alongado e a folga do rolamento dianteiro do fuso aumenta. Com base nisso, um refrigerador de 5,5 kW é adicionado ao tanque de refrigerante da máquina-ferramenta e o efeito é ideal. A prática provou que a deformação da máquina-ferramenta após o aquecimento é uma razão importante que afeta a precisão do processamento. Porém, a máquina-ferramenta está 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 componentes da máquina-ferramenta. Esta mudança varia muito devido às diferentes formas estruturais e diferenças de materiais. Os projetistas de máquinas-ferramenta devem dominar o mecanismo de formação de calor e a lei de distribuição de temperatura e tomar as medidas correspondentes para minimizar o impacto da deformação térmica na precisão do processamento.
As formas e os graus de intervenção das pessoas na temperatura interna (como na oficina) também são diferentes, e a temperatura da atmosfera ao redor da máquina-ferramenta varia muito. O gradiente de temperatura no inverno é muito complexo. Quando medida, a temperatura externa é de 1,5 ℃, o horário é das 8h15 às 8h35 da manhã e a temperatura na oficina muda em cerca de 3,5 ℃. A precisão do processamento de máquinas-ferramentas de precisão será muito afetada pela temperatura ambiente em tal oficina.
O ambiente circundante refere-se ao ambiente térmico formado por vários layouts próximos à máquina-ferramenta. Eles incluem os seguintes 4 aspectos:
1) Microclima da oficina: como a distribuição da temperatura na oficina (direção vertical, direção horizontal). Quando o dia e a noite se alternam ou o clima e a ventilação mudam, a temperatura da oficina muda lentamente.
2) Fonte de calor da oficina: como luz solar, equipamentos de aquecimento e radiação de lâmpadas de iluminação de alta potência, etc., quando estão próximos à máquina-ferramenta, podem afetar diretamente o aumento de temperatura do todo ou de algumas partes do máquina-ferramenta por muito tempo. 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 estar 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 “radiador”, que contribui para o equilíbrio da temperatura da oficina.
4) Temperatura constante: As instalações de temperatura constante adotadas na oficina são muito eficazes para manter a precisão e a precisão do processamento de máquinas-ferramentas de precisão, mas o consumo de energia é grande.
1) Fontes estruturais de calor de máquinas-ferramentas. O calor de motores como motores de eixo, servomotores de alimentação, motores de bombas de refrigeração e lubrificação e caixas de controle eletrônico podem gerar calor. Estas situações são permitidas para o próprio motor, mas têm um efeito 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 aciona o funcionamento do motor, exceto por 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 mesa de trabalho , etc.; mas inevitavelmente, uma parte considerável ainda é convertida em calor de fricção durante o processo de movimento, como aquecimento de rolamentos, trilhos-guia, fusos de esferas e caixas de transmissão.
2) Corte de calor durante o 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 em energia de deformação de corte e calor de fricção entre cavacos e ferramentas, formando aquecimento da ferramenta, fuso e peça, e uma grande quantidade de calor do cavaco é conduzida para o dispositivo de fixação da mesa de trabalho da máquina-ferramenta e outros componentes. Eles afetarão diretamente a posição relativa entre a ferramenta e a peça.
3) Resfriamento. O resfriamento é uma medida reversa para o aumento de temperatura de máquinas-ferramentas, como resfriamento de motores, resfriamento de componentes de fusos e resfriamento de peças estruturais básicas. Máquinas-ferramentas de última geração geralmente equipam a caixa de controle elétrico com um refrigerador para resfriamento forçado.
No campo da deformação térmica de máquinas-ferramenta, a discussão da forma estrutural da máquina-ferramenta geralmente se refere à 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 da estrutura geral, as máquinas-ferramentas são verticais, horizontais, pórtico e cantilever, e a resposta e estabilidade ao calor são bastante diferentes. Por exemplo, o aumento de temperatura da caixa do fuso de um torno com mudança de marcha pode chegar a 35°C, o que faz com que a extremidade do fuso se levante e o tempo de equilíbrio térmico leva cerca de 2 horas. O centro de usinagem de torneamento e fresamento de precisão com base inclinada possui uma base estável. A rigidez de toda a máquina é significativamente melhorada. O fuso é acionado por um servo motor e a peça de transmissão da engrenagem é removida. Seu aumento de temperatura é geralmente inferior a 15°C.
2) A influência da distribuição da fonte de calor. A fonte de calor nas máquinas-ferramentas é geralmente considerada o motor. Como motor do fuso, motor de alimentação e sistema hidráulico, etc., que na verdade está incompleto. O calor gerado pelo motor é apenas a energia consumida pela corrente na impedância da armadura quando está sob carga, e uma parte considerável da energia é consumida pelo trabalho de fricção dos mancais, porcas e trilhos guia. Portanto, o motor pode ser chamado de fonte primária de calor, e os rolamentos, porcas, trilhos-guia e cavacos podem ser chamados de fontes secundárias de calor. A deformação térmica é o resultado da influência combinada de todas estas fontes de calor. O aumento de temperatura e a deformação de um centro de usinagem vertical com movimento de coluna durante o movimento de avanço do eixo Y. A mesa de trabalho não se move durante a alimentação do eixo Y, portanto a influência na deformação térmica no eixo X é muito pequena. Na coluna, quanto mais distante a ponta estiver do parafuso guia do eixo Y, menor será o aumento de temperatura. A situação da máquina quando o eixo Z se move ilustra ainda mais a influência da distribuição da fonte de calor na deformação térmica. A alimentação do eixo Z está mais distante do eixo X, portanto o efeito de deformação térmica é menor. Quanto mais próxima a porca do motor do eixo Z na coluna estiver do eixo Z, maior será o aumento de temperatura e a deformação.
3) A influência da distribuição em massa. Existem três aspectos da influência da distribuição de massa na deformação térmica de máquinas-ferramentas. Primeiro, refere-se ao tamanho e concentração da massa, que geralmente se refere à alteração da capacidade térmica e à velocidade de transferência de calor, e à alteração do tempo para atingir o equilíbrio térmico; em segundo lugar, ao alterar a disposição da massa, tal como a disposição de várias nervuras, a rigidez térmica da estrutura é melhorada e, sob o mesmo aumento de temperatura, a influência da deformação térmica é reduzida ou a deformação relativa é mantida pequena; terceiro, refere-se à alteração do layout da 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 da mesma quantidade de calor, o aumento de temperatura e a deformação são diferentes.
(1) Objetivo do teste de desempenho térmico da máquina-ferramenta A chave para controlar a deformação térmica das máquinas-ferramenta é compreender completamente as mudanças na temperatura ambiente da máquina-ferramenta, a fonte de calor e as mudanças de temperatura da própria máquina-ferramenta e a resposta (deslocamento de deformação) de pontos-chave através de testes de características térmicas. Os dados ou curvas de teste descrevem as características térmicas de uma máquina-ferramenta para que contramedidas possam ser tomadas para controlar a deformação térmica e melhorar a precisão e a eficiência do processamento da máquina-ferramenta.
Especificamente, os seguintes objetivos devem ser alcançados:
1) Testando o ambiente circundante da máquina-ferramenta. Meça a temperatura ambiente na oficina, seu gradiente espacial de temperatura, as mudanças na distribuição de temperatura durante a alternância do dia e da noite e até mesmo meça o impacto das mudanças sazonais na distribuição de temperatura ao redor da máquina-ferramenta.
2) Testar as características térmicas da própria máquina-ferramenta. Sob a condição de eliminar ao máximo a interferência ambiental, coloque a máquina-ferramenta em vários estados operacionais para medir as mudanças de temperatura e mudanças de deslocamento de pontos importantes da própria máquina-ferramenta, registre as mudanças de temperatura e deslocamentos de pontos-chave em um período suficientemente longo de tempo e use uma câmera térmica infravermelha para registrar a distribuição térmica de cada período de tempo.
3) Testar o aumento de temperatura e a deformação térmica durante o processo de processamento para determinar o impacto da deformação térmica da máquina-ferramenta na precisão do processo de processamento.
4) Os testes acima podem acumular uma grande quantidade de dados e curvas, que fornecerão critérios confiáveis para o projeto de máquinas-ferramenta e para os usuários controlarem a deformação térmica, e apontarão a direção para tomar medidas eficazes.
(2) Princípio do teste de deformação térmica da máquina-ferramenta O teste de deformação térmica primeiro precisa medir a temperatura de vários pontos relacionados, incluindo os seguintes aspectos:
1) Fonte de calor: incluindo o motor de alimentação de cada peça, motor do fuso, par de transmissão do fuso de esferas, trilho guia e rolamento do fuso. 2) Dispositivos auxiliares: incluindo sistema hidráulico, refrigerador, sistema de detecção de deslocamento de refrigeração e lubrificação.
3) Estrutura mecânica: incluindo cama, base, corrediça, coluna, caixa principal de fresagem e fuso. Uma haste de medição de aço índio é fixada entre o fuso e a mesa rotativa, e 5 sensores de contato são configurados nas direções X, Y e Z para medir a deformação abrangente em vários estados para simular o deslocamento relativo entre a ferramenta e a peça de trabalho.
(3) Processamento e análise de dados de teste O teste de deformação térmica da máquina-ferramenta deve ser realizado em um longo tempo contínuo e o registro contínuo de dados é realizado. Após análise e processamento, as características de deformação térmica refletidas são altamente confiáveis. Se o erro for eliminado através de múltiplos testes, a regularidade mostrada é credível. Um total de 5 pontos de medição são definidos no teste de deformação térmica do sistema de fuso, dos quais o ponto 1 e o ponto 2 estão na extremidade do fuso e próximos ao rolamento do fuso, e o ponto 4 e o ponto 5 estão respectivamente na fresagem alojamento da cabeça próximo ao trilho-guia Z. O teste durou 14 horas. Nas primeiras 10 horas, a velocidade do fuso foi alterada alternadamente na faixa de 0 a 9.000 r/min. A partir da 10ª hora, o fuso continuou a girar a uma alta velocidade de 9.000 r/min. As seguintes conclusões podem ser tiradas:
1) O tempo de equilíbrio térmico do fuso é de cerca de 1 hora e o aumento da temperatura após o equilíbrio varia em 1,5 ℃.
2) O aumento da temperatura vem principalmente dos rolamentos do fuso e do motor do fuso. Dentro da faixa normal de velocidade, o desempenho térmico dos rolamentos é bom.
3) A deformação térmica tem pouco efeito na direção X.
4) A deformação de expansão na direção Z é grande, cerca de 10m, que é causada pelo alongamento térmico do fuso e pelo aumento da folga do rolamento.
5) Quando a velocidade está continuamente em 9.000 r/min, o aumento da temperatura aumenta acentuadamente, aumentando cerca de 7 ℃ em 2,5 horas, e há uma tendência de aumento contínuo. A deformação nas direções Y e Z atinge 29m e 37m, indicando que o fuso não pode mais funcionar de forma estável a uma velocidade de 9.000r/min, mas pode funcionar em um curto espaço de tempo (20min).
O controle da deformação térmica de máquinas-ferramentas é discutido na análise acima. Existem muitos fatores que afetam o aumento da temperatura e a deformação térmica das máquinas-ferramentas na precisão do processamento. Ao tomar medidas de controlo, devemos compreender as principais contradições e tomar as medidas correspondentes 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. A redução da geração de calor e o controle das fontes de calor são medidas fundamentais. No projeto, devem ser tomadas medidas para reduzir efetivamente a geração de calor das fontes de calor. 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, o aumento da carga significa que a potência de saída do motor aumenta, ou seja, a corrente correspondente I também aumenta, e o calor consumido pela corrente na impedância da armadura aumenta. Se o motor que projetamos e selecionamos funcionar por um longo período em condições próximas ou superiores à potência nominal, o aumento de temperatura do motor aumentará significativamente. Por esta razão, um teste comparativo foi realizado na cabeça de fresagem da fresadora CNC para ranhuras de agulha BK50 (velocidade do motor: 960 r/min; temperatura ambiente: 12 ℃). Os seguintes conceitos são obtidos a partir dos testes acima: Considerando o desempenho da fonte de calor, seja o motor do fuso ou o motor de alimentação, ao selecionar a potência nominal, é melhor escolher uma que seja cerca de 25% maior que a potência calculada. Na operação real, a potência de saída do motor corresponde à carga. Aumentar a potência nominal do motor tem pouco efeito no consumo de energia, mas pode efetivamente reduzir o aumento da temperatura do motor.
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