Utjecaj temperature na tačnost obrade alatnih mašina

Toplinska deformacija je jedan od razloga koji utječe na točnost obrade. Na alatne strojeve utječu promjene temperature okoline u radionici, grijanje elektromotora, grijanje mehaničkim trenjem, toplina rezanja i rashladni mediji, što rezultira neravnomjernim porastom temperature u različitim dijelovima alatne mašine, što dovodi do promjena u tačnosti oblika i točnosti obrade. alatne mašine. Na primjer, obrada 70 mm na običnoj preciznoj CNC glodalici × Kumulativna varijacija greške vijka od 1650 mm može doseći 85 m u poređenju sa obratkom koji se gloda od 7:30-9:00 ujutro i obrađuje od 2 :00-3:30 popodne. U uslovima konstantne temperature greška se može smanjiti na 40m.
Na primjer, precizna mašina za brušenje sa dva kraja koja se koristi za brušenje tankih obradaka čeličnog lima debljine 0.6-3.5 mm sa obje strane, koja obrađuje 200 mm tokom prijemne inspekcije × 25 mm × Čelik od 1,08 mm Limeni radni komad može postići dimenzionalnu tačnost od mm, a zakrivljenost je manja od 5m po cijeloj dužini. Ali nakon kontinuiranog automatskog mljevenja u trajanju od 1 sata, raspon promjene veličine se povećao na 12 m, a temperatura rashladne tekućine se povećala sa 17 stupnjeva pri pokretanju na 45 stupnjeva. Usljed utjecaja topline mljevenja, vrat glavne osovine se izdužuje i povećava se zazor između prednjih ležajeva glavne osovine. Na osnovu toga, dodavanjem rashladne jedinice od 5,5 kW u rezervoar rashladne tečnosti alatne mašine postignuti su vrlo idealni rezultati. Praksa je pokazala da je deformacija alatnih mašina nakon zagrijavanja važan faktor koji utiče na točnost obrade. Ali alatna mašina se nalazi u okruženju gde se temperatura menja stalno i svuda; Sama alatna mašina će neizbježno trošiti energiju tokom rada, a značajan dio te energije će se na različite načine pretvarati u toplinu, uzrokujući fizičke promjene u različitim komponentama alatne mašine. Ove promjene također uvelike variraju zbog razlika u strukturnim oblicima, materijalima i drugih razloga. Projektanti alatnih mašina treba da ovladaju mehanizmom formiranja toplote i raspodele temperature, preduzmu odgovarajuće mere da minimiziraju uticaj termičke deformacije na tačnost obrade.
Porast temperature i distribucija alatnih mašina, kao i uticaj prirodne klime, zauzimaju ogromnu teritoriju u Kini. Većina područja se nalazi u suptropskim regijama, sa značajnim temperaturnim promjenama tokom cijele godine i različitim temperaturnim razlikama tokom dana. Kao rezultat toga, ljudi imaju različite načine i stupnjeve intervencije na unutrašnju (kao što je radionička) temperaturu, a temperaturna atmosfera oko alatne mašine uvelike varira. Na primjer, raspon sezonskih temperaturnih varijacija u regiji delte rijeke Jangce je oko 45 stepeni, a dnevna temperaturna varijacija je oko 5-12 stepeni. Radionica za obradu uglavnom nema grijanje zimi i nema klimatizaciju ljeti, ali sve dok radionica ima dobru ventilaciju, temperaturni gradijent u radionici za obradu se ne mijenja mnogo. U sjeveroistočnom regionu, sezonska temperaturna razlika može doseći 60 stepeni, sa dnevnom varijacijom od oko 8-15 stepeni. Period grijanja je od kraja oktobra do početka aprila naredne godine, a obradna radionica je projektovana sa grijanjem, što rezultira nedovoljnom cirkulacijom zraka. Temperaturna razlika unutar i izvan radionice može doseći 50 stepeni. Zbog toga je temperaturni gradijent u radionici tokom zime veoma složen, sa spoljnom temperaturom od 1,5 stepena mereno od 8:15 do 8:35 ujutru, i promenom temperature od oko 3,5 stepena u radionici. Na preciznost obrade preciznih alatnih mašina u velikoj meri utiče temperatura okoline u takvoj radionici.
Utjecaj okolnog okruženja odnosi se na toplinsko okruženje formirano različitim rasporedima unutar bliskog dometa alatne mašine.
Oni uključuju sljedeća četiri aspekta:
1) Mikroklima u radionici: kao što je distribucija temperature unutar radionice (vertikalni i horizontalni pravac). Kada se dan i noć smenjuju ili se klima i ventilacija menjaju, temperatura u radionici će se sporo menjati.
2) Radionički izvori topline: kao što su sunčeva svjetlost, zračenje opreme za grijanje i rasvjeta velike snage, mogu direktno utjecati na porast temperature cijele alatne mašine ili nekih komponenti dugo vremena kada su blizu alatne mašine. Toplina koju stvaraju susjedni uređaji tokom rada može utjecati na porast temperature alatne mašine kroz zračenje ili protok zraka.
3) Odvođenje topline: Temelj ima dobar učinak odvođenja topline, posebno temelj preciznih alatnih mašina. Važno je izbjegavati blizinu podzemnih cjevovoda grijanja. Jednom kada pukne i procuri, može postati izvor topline kojem je teško pronaći uzrok; Otvorena radionica će biti dobar "radijator", koji pogoduje temperaturnoj ravnoteži u radionici.
4) Konstantna temperatura: Usvajanje objekata sa konstantnom temperaturom u radionici je veoma efikasno u održavanju preciznosti i tačnosti obrade preciznih mašina alatki, ali troši mnogo energije.
3. Unutrašnji faktori toplotnog uticaja mašina alatki
1) Strukturalni izvor toplote za alatne mašine. Električni motori koji generiraju toplinu, kao što su motori vretena, servo motori za napajanje, motori pumpi za hlađenje i podmazivanje i električne kontrolne kutije, svi mogu generirati toplinu. Ove situacije su dozvoljene za sam motor, ali imaju značajne štetne efekte na komponente kao što su vreteno i kuglični vijak, te treba poduzeti mjere za njihovo izolovanje. Kada ulazna električna energija pokreće motor da radi, osim malog dijela (oko 20%) koji se pretvara u toplinsku energiju motora, većina će se pretvoriti u kinetičku energiju mehanizmom pokreta, kao što je rotacija vretena, kretanje radnog stola , itd; Međutim, neizbježno je da će se značajan dio i dalje pretvoriti u toplinu trenja tokom procesa kretanja, kao što je toplina koju stvaraju mehanizmi kao što su ležajevi, vodilice, kuglični vijci i kutije za prijenos.
2) Toplota rezanja procesa. Tokom procesa rezanja, dio kinetičke energije alata ili radnog komada troši se na rad rezanja, dok se značajan dio pretvara u energiju deformacije rezanja i toplinu trenja između strugotine i alata, što rezultira zagrijavanje alata, vretena i obratka. Velika količina topline strugotine se zatim prenosi na učvršćenje radnog stola i druge komponente alatne mašine. Oni će direktno uticati na relativni položaj između alata i radnog komada.
3) Hlađenje. Hlađenje je obrnuta mjera usmjerena na povećanje temperature alatnih mašina, kao što su hlađenje motora, hlađenje komponenti vretena i hlađenje osnovnih strukturnih komponenti. Vrhunski alatni strojevi često opremaju električnu kontrolnu kutiju hladnom mašinom za prisilno hlađenje.
4. Uticaj strukturnog oblika alatnih mašina na porast temperature razmatra se u oblasti termičke deformacije alatnih mašina, obično se odnosi na pitanja kao što su strukturni oblik, raspodela mase, svojstva materijala i distribucija izvora toplote. Konstruktivni oblik utiče na raspodjelu temperature, smjer provođenja topline, smjer toplinske deformacije i usklađenost alatnih mašina.
1) Konstruktivni oblik alatne mašine. U pogledu ukupne strukture, alatni strojevi uključuju vertikalne, horizontalne, portalne i konzolne tipove, koji imaju značajne razlike u termičkom odzivu i stabilnosti. Na primjer, porast temperature glavne osovinske kutije struga sa promjenjivom brzinom može doseći i do 35 stepeni, uzrokujući da se kraj vretena podiže prema gore, a vrijeme termičke ravnoteže traje oko 2 sata. Precizni obradni centar za struganje i glodanje sa kosim ležajem ima stabilnu osnovu za alatnu mašinu. Krutost cijele mašine je značajno poboljšana, a vreteno pokreće servo motor. Dio zupčanika je uklonjen, a njegov porast temperature je uglavnom manji od 15 stepeni.
2) Uticaj distribucije izvora toplote. Na alatnim mašinama se općenito vjeruje da se izvor topline odnosi na električni motor. Komponente kao što su motori vretena, motori za napajanje i hidraulički sistemi su zapravo nekompletni. Zagrijavanje elektromotora je samo energija koju troši struja na impedanciji armature pri podnošenju opterećenja, a znatna količina energije se troši na rad trenja ležajeva, vijaka, matica i vodilica. Dakle, električni motor se može nazvati primarnim izvorom topline, a ležajevi, matice, vodilice i strugotine mogu se nazvati sekundarnim izvorom topline. Toplinska deformacija je rezultat kombinovanog uticaja svih ovih izvora toplote. Porast temperature i deformacija vertikalnog obradnog centra sa pokretnim stupom tokom kretanja po Y osi. Prilikom dodavanja u smjeru Y, radni stol se ne pomiče, tako da ima mali utjecaj na termičku deformaciju u smjeru X. Na stubu, što je vodeći vijak udaljeniji od Y-ose, to je manji porast temperature. Situacija kretanja mašine po Z-osi dalje ilustruje uticaj distribucije izvora toplote na termičku deformaciju. Pomak Z-ose je dalje od X-ose, tako da je uticaj termičke deformacije manji. Što je stub bliži matici motora osi Z, veći je porast temperature i deformacija.
3) Uticaj distribucije kvaliteta. Uticaj distribucije kvaliteta na termičku deformaciju alatnih mašina ima tri aspekta. Prvo, to se odnosi na veličinu i koncentraciju mase, obično se odnosi na promjene u toplinskom kapacitetu i brzini prijenosa topline, kao i na promjene u vremenu za postizanje toplinske ravnoteže
2, Promjenom rasporeda kvalitete, kao što je raspored različitih ploča za ojačanje, može se poboljšati toplinska krutost konstrukcije, smanjujući utjecaj toplinske deformacije ili održavajući relativno malu deformaciju pod istim porastom temperature;
Treće, odnosi se na smanjenje porasta temperature komponenti alatnih mašina promjenom oblika kvalitetnog rasporeda, kao što je uređenje rebara za disipaciju topline izvan strukture.
Utjecaj svojstava materijala: Različiti materijali imaju različite termičke parametre (specifična toplina, toplinska provodljivost i koeficijent linearne ekspanzije), a pod istim utjecajem topline njihov porast temperature i deformacija su različiti. Ispitivanje termičkih performansi alatnih mašina
1. Svrha ispitivanja termičkih performansi alatnih mašina je kontrola termičke deformacije alatne mašine. Ključno je u potpunosti razumjeti promjene temperature okoline, izvora topline i temperaturnih promjena same mašine alatke, kao i odgovor ključnih tačaka (deformacijski pomak) kroz ispitivanje termičkih karakteristika. Ispitni podaci ili krive opisuju termičke karakteristike alatne mašine kako bi se poduzele protumjere, kontrolirala termička deformacija i poboljšala točnost obrade i efikasnost alatne mašine.
Konkretno, trebalo bi postići sljedeće ciljeve:
1) Testirajte okolinu alatne mašine. Izmjerite temperaturnu okolinu u radionici, njen prostorni temperaturni gradijent, promjene u distribuciji temperature tokom smjene dana i noći, pa čak i utjecaj sezonskih promjena na raspodjelu temperature oko alatne mašine.
2) Testirajte termičke karakteristike same mašine alatke. Pod uslovom eliminisanja uticaja okoline koliko god je to moguće, držite alatnu mašinu u različitim radnim stanjima kako biste izmerili temperaturu i promene pomaka važnih tačaka same mašine alatke, zabeležili promene temperature i pomeranje ključnih tačaka tokom dovoljno dugog perioda od vrijeme, a također snimite toplotnu distribuciju svakog vremenskog perioda pomoću infracrvene termalne slike.
3) Testirajte porast temperature i termičku deformaciju tokom procesa obrade kako biste utvrdili uticaj termičke deformacije alatne mašine na tačnost procesa obrade.
4) Navedeni eksperimenti mogu akumulirati veliku količinu podataka i krivulja, dajući pouzdane kriterijume za projektovanje alatnih mašina i korisničku kontrolu termičke deformacije, i ukazujući na pravac preduzimanja efikasnih mera.
2. Princip ispitivanja termičke deformacije alatnih mašina. Ispitivanje termičke deformacije prvo zahtijeva mjerenje temperature nekoliko relevantnih tačaka, uključujući sljedeće aspekte:
1) Izvor topline: uključujući različite dijelove motora za dovod, motora vretena, par prijenosa s kugličnim vijkom, vodilicu i ležaj vretena.
2) Pomoćni uređaji: uključujući hidraulički sistem, rashladnu mašinu, sistem za detekciju pomaka za hlađenje i podmazivanje.
3) Mehanička struktura: uključujući krevet, bazu, skejtbord, stub, kutiju za glavu za glodanje i vreteno. Merna šipka od indijum čelika je pričvršćena između vretena i rotacionog radnog stola, a 5 kontaktnih senzora je konfigurisano u X, Y i Z pravcima za merenje sveobuhvatne deformacije u različitim stanjima, simulirajući relativni pomak između alata i radnog komada. 3. Obrada i analiza testnih podataka: Ispitivanje termičke deformacije alatne mašine treba da se sprovodi tokom dugog kontinuiranog vremenskog perioda, uz kontinuirano snimanje podataka. Nakon analize i obrade, reflektovane karakteristike termičke deformacije su vrlo pouzdane. Ako se otklanjanje greške vrši kroz više eksperimenata, prikazana pravilnost je pouzdana. Ukupno 5 mernih tačaka postavljeno je za ispitivanje termičke deformacije sistema vretena, sa tačkama 1 i 2 koje se nalaze na kraju vretena i blizu ležaja vretena, a tačke 4 i 5 koje se nalaze u blizini vodilice u Z-smeru kućište glave za glodanje, respektivno. Testiranje je trajalo ukupno 14 sati, sa prvih 10 sati rotacije vretena naizmjenično između 0-9000r/min. Počevši od 10. sata, vreteno je nastavilo da se okreće velikom brzinom od 9000 o/min. Mogu se izvući sledeći zaključci: 1) Vreme termičke ravnoteže vretena je oko 1 sat, a opseg porasta temperature nakon ravnoteže je 1,5 stepeni; 2) Porast temperature uglavnom dolazi od ležajeva vretena i motora vretena. Unutar normalnog raspona brzine, toplinske performanse ležajeva su dobre; 3) Termička deformacija ima mali uticaj u X-smjeru; 4) Deformacija širenja u smjeru Z je relativno velika, oko 10m, što je uzrokovano toplinskim izduženjem glavne osovine i povećanjem zazora ležaja; 5) Kada brzina nastavi da bude 9000r/min, temperatura naglo raste, raste za oko 7 stepeni u roku od 2,5 sata, i postoji trend daljeg porasta. Deformacija u smjeru Y i Z dostiže 29m i 37m, što ukazuje da vreteno više ne može raditi stabilno pri brzini od 9000r/min, ali može raditi kratko vrijeme (20 minuta). Kontrola termičke deformacije alatnih mašina je analizirana i razmatrana gore. Porast temperature i termička deformacija alatnih mašina imaju različite faktore uticaja na tačnost obrade. Prilikom preduzimanja kontrolnih mjera treba shvatiti glavnu kontradiktornost, te naglasiti prvu i drugu mjeru kako bi se uz pola truda postigao dvostruki rezultat. U dizajnu treba krenuti iz četiri smjera: smanjenje proizvodnje topline, smanjenje porasta temperature, postizanje strukturne ravnoteže i razumno hlađenje. 1. Smanjenje proizvodnje toplote i kontrola izvora toplote je osnovna mjera. U projektu treba poduzeti mjere kako bi se efikasno smanjilo stvaranje topline izvora topline. 1) Razumno odaberite nazivnu snagu motora. Izlazna snaga P elektromotora jednaka je proizvodu napona V i struje I. Generalno, napon V je konstantan. Stoga povećanje opterećenja znači da se povećava izlazna snaga motora, a povećava se i odgovarajuća struja I. Kao rezultat, povećava se toplina koju troši struja u impedanciji armature. Ako motor koji dizajniramo i odaberemo radi dugo vremena u uvjetima koji su blizu ili značajno premašuju nazivnu snagu, porast temperature motora će se značajno povećati. U tu svrhu izvršeno je uporedno ispitivanje na glavi za glodanje igličaste glodalice BK50 CNC (brzina motora: 960 o/min; temperatura okoline: 12 stepeni). Iz gornjeg eksperimenta dobijaju se sljedeći koncepti: s obzirom na performanse izvora topline, bilo da se radi o motoru vretena ili motoru za napajanje, najbolje je odabrati nazivnu snagu koja je oko 25% veća od izračunate snage. U stvarnom radu, izlazna snaga motora odgovara opterećenju, a povećanje nazivne snage motora ima mali utjecaj na potrošnju energije. Ali može efikasno smanjiti porast temperature motora.