Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chính xác của máy CNC

Máy công cụ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh nhà xưởng, nhiệt động cơ và nhiệt ma sát chuyển động cơ học, nhiệt cắt và phương tiện làm mát, dẫn đến nhiệt độ tăng không đều ở các bộ phận khác nhau của máy công cụ, dẫn đến thay đổi độ chính xác hình dạng và gia công độ chính xác của máy công cụ.

Trường hợp 1: Vít 70mm × 1650mm được gia công trên máy phay CNC chính xác thông thường. So với phôi được xay trong khoảng thời gian từ 7:30-9:00 sáng và phôi được gia công trong khoảng thời gian từ 2:00-3:30 chiều, sự thay đổi sai số tích lũy có thể lên tới 85m. Trong điều kiện nhiệt độ không đổi, sai số có thể giảm xuống 40m.

Trường hợp 2: Máy mài hai đầu chính xác dùng để mài hai đầu phôi thép mỏng có độ dày từ 0,6 đến 3,5mm. Trong quá trình nghiệm thu, phôi thép 200mm×25mm×1.08mm có thể được xử lý với độ chính xác kích thước mm và độ cong có tổng chiều dài dưới 5m. Tuy nhiên, sau 1 giờ mài tự động liên tục, phạm vi thay đổi kích thước tăng lên 12m và nhiệt độ nước làm mát tăng từ 17°C khi khởi động lên 45°C. Do ảnh hưởng của nhiệt mài, cổ trục trục dài ra và khe hở ổ trục phía trước trục chính tăng lên. Dựa trên điều này, một tủ lạnh 5,5kW đã được thêm vào thùng làm mát máy công cụ và hiệu quả rất lý tưởng.

Thực tiễn đã chứng minh rằng biến dạng của máy công cụ sau khi gia nhiệt là nguyên nhân quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác gia công. Tuy nhiên, máy công cụ ở trong môi trường có nhiệt độ thay đổi mọi lúc, mọi nơi; Bản thân máy công cụ chắc chắn sẽ tiêu thụ năng lượng khi làm việc và một phần đáng kể năng lượng này sẽ được chuyển hóa thành nhiệt theo nhiều cách khác nhau, gây ra những thay đổi vật lý trong các bộ phận khác nhau của máy công cụ. Sự thay đổi này là do Chúng khác nhau rất nhiều do các dạng cấu trúc khác nhau, sự khác biệt về vật liệu và các lý do khác. Các nhà thiết kế máy công cụ nên hiểu cơ chế hình thành nhiệt và quy tắc phân bổ nhiệt độ, đồng thời thực hiện các biện pháp tương ứng để giảm thiểu tác động của biến dạng nhiệt đến độ chính xác gia công.

Tăng nhiệt độ và phân bố nhiệt độ của máy

(1) Tác động tự nhiên của khí hậu

Nước ta có lãnh thổ rộng lớn, phần lớn diện tích nằm ở vùng cận nhiệt đới. Nhiệt độ thay đổi rất nhiều trong suốt cả năm và chênh lệch nhiệt độ thay đổi trong vòng một ngày. Kết quả là, mọi người có những cách và mức độ can thiệp khác nhau vào nhiệt độ trong nhà (chẳng hạn như xưởng), và nhiệt độ không khí xung quanh máy công cụ cũng rất khác nhau.

Ví dụ, phạm vi nhiệt độ theo mùa ở vùng đồng bằng sông Dương Tử là khoảng 45°C, và sự thay đổi nhiệt độ ngày và đêm là khoảng 5°C đến 12°C. Các cửa hàng máy móc thường không có hệ thống sưởi vào mùa đông và không có điều hòa vào mùa hè. Tuy nhiên, chỉ cần xưởng được thông gió tốt thì độ dốc nhiệt độ trong xưởng máy sẽ không thay đổi nhiều. Ở vùng Đông Bắc, chênh lệch nhiệt độ theo mùa có thể lên tới 60°C, chênh lệch ngày đêm khoảng 8 đến 15°C. Thời kỳ nắng nóng từ cuối tháng 10 đến đầu tháng 4 năm sau. Xưởng máy được thiết kế có hệ thống sưởi và không đủ lưu thông không khí. Chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài xưởng có thể lên tới 50oC. Vì vậy, độ dốc nhiệt độ trong xưởng vào mùa đông rất phức tạp. Nhiệt độ ngoài trời trong thời gian đo là 1,5°C và thời gian đo là từ 8h15 đến 8h35 sáng. Sự thay đổi nhiệt độ trong xưởng là khoảng 3,5°C. Độ chính xác gia công của máy công cụ chính xác sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiệt độ môi trường trong xưởng như vậy.

(2) Ảnh hưởng của môi trường xung quanh

Môi trường xung quanh máy công cụ đề cập đến môi trường nhiệt được hình thành bởi nhiều cách bố trí khác nhau trong phạm vi gần của máy công cụ. Chúng bao gồm 3 khía cạnh sau đây.

1) Vi khí hậu nhà xưởng: như sự phân bố nhiệt độ trong nhà xưởng (hướng dọc, hướng ngang). Nhiệt độ phòng sẽ thay đổi chậm khi ngày và đêm thay đổi hoặc khi khí hậu và thông gió thay đổi.

2) Nguồn nhiệt của nhà xưởng: như bức xạ mặt trời, thiết bị sưởi ấm và bức xạ từ đèn chiếu sáng công suất cao. Khi ở gần máy công cụ, chúng có thể ảnh hưởng trực tiếp đến sự tăng nhiệt độ của toàn bộ hoặc một phần máy công cụ trong thời gian dài. Nhiệt do các thiết bị lân cận tạo ra trong quá trình vận hành sẽ ảnh hưởng đến sự tăng nhiệt độ của máy công cụ dưới dạng bức xạ hoặc luồng không khí.

3) Tản nhiệt: Kem nền có tác dụng tản nhiệt tốt. Đặc biệt nền móng của máy công cụ chính xác không được đặt gần các ống dẫn nhiệt ngầm. Một khi nó bị vỡ, rò rỉ có thể trở thành nguồn nhiệt khó tìm ra nguyên nhân; nhà xưởng mở sẽ là thiết bị “tản nhiệt” tốt”, có lợi cho việc cân bằng nhiệt độ trong nhà xưởng.

4) Nhiệt độ không đổi: Việc sử dụng các thiết bị có nhiệt độ không đổi trong xưởng rất hiệu quả trong việc duy trì độ chính xác và độ chính xác gia công của máy công cụ chính xác nhưng lại tiêu tốn nhiều năng lượng.

(3) Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt bên trong máy

1) Nguồn nhiệt kết cấu của máy công cụ. Các động cơ tạo ra nhiệt, chẳng hạn như động cơ trục chính, động cơ servo cấp liệu, động cơ bơm làm mát và bôi trơn, hộp điều khiển điện, v.v., đều có thể tạo ra nhiệt. Những tình huống này được cho phép đối với bản thân động cơ, nhưng chúng có tác động bất lợi đáng kể đến các bộ phận như trục xoay và vít bi, đồng thời cần thực hiện các biện pháp để cách ly chúng. Khi năng lượng điện đầu vào làm động cơ chạy, ngoại trừ một phần nhỏ (khoảng 20%) được chuyển hóa thành nhiệt năng động cơ, phần lớn sẽ được chuyển hóa thành động năng nhờ cơ chế chuyển động như chuyển động quay của trục chính, chuyển động của bàn làm việc. , vân vân.; nhưng chắc chắn vẫn còn một phần đáng kể được chuyển thành nhiệt ma sát trong quá trình chuyển động, chẳng hạn như vòng bi, ray dẫn hướng, vít bi, hộp truyền động và các cơ cấu khác.

2) Cắt nhiệt trong quá trình. Trong quá trình cắt, một phần động năng của dụng cụ hoặc phôi được tiêu hao trong quá trình cắt và một phần đáng kể được chuyển thành năng lượng biến dạng của quá trình cắt và nhiệt ma sát giữa phoi và dụng cụ, khiến dụng cụ, trục chính và phôi nóng lên, đồng thời một lượng lớn nhiệt phoi được truyền đến bộ phận cố định bàn làm việc của máy công cụ. và các bộ phận khác. Chúng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến vị trí tương đối giữa dao và phôi.

3) Hạ nhiệt. Làm mát là một biện pháp đảo ngược chống lại sự gia tăng nhiệt độ của máy công cụ, chẳng hạn như làm mát động cơ, làm mát bộ phận trục chính và làm mát bộ phận cấu trúc cơ bản. Các máy công cụ cao cấp thường được trang bị tủ lạnh cho hộp điều khiển điện để cung cấp khả năng làm mát cưỡng bức.

(4) Ảnh hưởng của dạng kết cấu máy đến độ tăng nhiệt:

Thảo luận về dạng cấu trúc của máy công cụ trong lĩnh vực biến dạng nhiệt máy công cụ thường đề cập đến các vấn đề như dạng cấu trúc, phân bố khối lượng, tính chất vật liệu và phân bố nguồn nhiệt. Hình dạng cấu trúc ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt độ, hướng dẫn nhiệt, hướng biến dạng nhiệt và sự phù hợp của máy công cụ.

1) Dạng cấu trúc của máy công cụ. Về cấu trúc tổng thể, máy công cụ bao gồm các loại dọc, ngang, giàn và đúc hẫng, v.v., phản ứng nhiệt và độ ổn định của chúng khá khác nhau. Ví dụ, mức tăng nhiệt độ của hộp trục chính của máy tiện tốc độ bánh răng có thể lên tới 35 ° C, khiến đầu trục chính nâng lên và thời gian cân bằng nhiệt mất khoảng 2 giờ. Đối với trung tâm gia công phay và tiện chính xác kiểu giường nghiêng, máy công cụ có chân đế ổn định. Độ cứng của toàn bộ máy được cải thiện đáng kể. Trục chính được dẫn động bởi mô tơ servo và bộ phận truyền bánh răng được tháo ra. Nhiệt độ tăng thường nhỏ hơn 15°C.

2) Ảnh hưởng của sự phân bố nguồn nhiệt. Trong máy công cụ, nguồn nhiệt thường được coi là động cơ. Chẳng hạn như động cơ trục chính, động cơ cấp liệu và hệ thống thủy lực, v.v., thực sự chưa hoàn thiện. Nhiệt do động cơ tạo ra chỉ là năng lượng tiêu thụ bởi dòng điện trong trở kháng phần ứng khi nó chịu tải và một phần năng lượng đáng kể được tiêu thụ bởi nhiệt do công ma sát của vòng bi, đai ốc, ray dẫn hướng và các cơ chế khác. Do đó, động cơ có thể được gọi là nguồn nhiệt chính, còn vòng bi, đai ốc, ray dẫn hướng và chip được gọi là nguồn nhiệt thứ cấp. Biến dạng nhiệt là kết quả của sự tác động tổng hợp của tất cả các nguồn nhiệt này.

Sự tăng nhiệt độ và biến dạng của trung tâm gia công đứng di động theo cột trong quá trình chuyển động tiến dao theo hướng Y. Bàn làm việc không di chuyển khi nạp theo hướng Y nên ít ảnh hưởng đến biến dạng nhiệt theo hướng X. Trên cột, càng xa vít dẫn hướng trục Y thì mức tăng nhiệt độ càng nhỏ.

Tình huống khi máy chuyển động theo trục Z minh họa thêm về ảnh hưởng của sự phân bố nguồn nhiệt đến biến dạng nhiệt. Bước tiến của trục Z nằm xa hướng X hơn nên tác động của biến dạng nhiệt nhỏ hơn. Cột càng gần đai ốc động cơ trục Z thì nhiệt độ tăng và biến dạng càng lớn.

3) Ảnh hưởng của sự phân bố đại chúng. Ảnh hưởng của sự phân bố khối lượng đến biến dạng nhiệt của máy công cụ có ba khía cạnh. Đầu tiên, nó đề cập đến kích thước và nồng độ của khối lượng, thường đề cập đến việc thay đổi công suất nhiệt và tốc độ truyền nhiệt, cũng như thay đổi thời gian để đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt; thứ hai, cải thiện độ cứng nhiệt của kết cấu bằng cách thay đổi cách sắp xếp khối lượng, chẳng hạn như cách sắp xếp các gân khác nhau. Trong cùng mức tăng nhiệt độ, giảm ảnh hưởng của biến dạng nhiệt hoặc giữ biến dạng tương đối nhỏ; thứ ba, nó đề cập đến việc thay đổi hình thức sắp xếp khối lượng, chẳng hạn như bố trí các gân tản nhiệt bên ngoài cấu trúc, để giảm sự tăng nhiệt độ của các bộ phận máy công cụ.

4) Ảnh hưởng của tính chất vật liệu: Các vật liệu khác nhau có các thông số hiệu suất nhiệt khác nhau (nhiệt dung riêng, độ dẫn nhiệt và hệ số giãn nở tuyến tính). Dưới tác dụng của cùng một lượng nhiệt, độ tăng nhiệt độ và biến dạng của chúng là khác nhau.

2. Kiểm soát biến dạng nhiệt của máy

Từ những phân tích và thảo luận ở trên, độ tăng nhiệt độ và biến dạng nhiệt của máy công cụ có nhiều yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến độ chính xác gia công. Khi thực hiện các biện pháp kiểm soát, chúng ta nên nắm bắt được mâu thuẫn chính và tập trung thực hiện một hoặc hai biện pháp để đạt được kết quả gấp đôi với một nửa công sức. Trong thiết kế, chúng ta nên bắt đầu từ bốn hướng: giảm sinh nhiệt, giảm nhiệt độ tăng lên, cân bằng kết cấu và làm mát hợp lý.

(1) Giảm sốt

Kiểm soát nguồn nhiệt là biện pháp cơ bản. Trong thiết kế, cần thực hiện các biện pháp để giảm hiệu quả nhiệt trị của nguồn nhiệt.

1) Lựa chọn hợp lý công suất định mức của động cơ.

Công suất đầu ra P của động cơ bằng tích của điện áp V và dòng điện I. Trong trường hợp bình thường, điện áp V không đổi. Do đó, tải tăng đồng nghĩa với việc công suất ra của động cơ tăng, tức là dòng điện I tương ứng cũng tăng, khi đó dòng điện tỏa nhiệt trong trở kháng phần ứng tăng. Nếu động cơ chúng ta thiết kế và lựa chọn hoạt động trong thời gian dài gần hoặc vượt quá công suất định mức thì độ tăng nhiệt độ của động cơ sẽ tăng lên đáng kể. Để đạt được mục đích này, một thử nghiệm so sánh đã được tiến hành trên đầu phay của máy phay rãnh kim CNC BK50 (tốc độ động cơ: 960 vòng/phút; nhiệt độ môi trường: 12°C).

Từ các thí nghiệm trên, rút ra các khái niệm sau: Từ góc độ hiệu suất của nguồn nhiệt, dù là động cơ trục chính hay động cơ cấp liệu, khi chọn công suất định mức, tốt nhất nên chọn công suất lớn hơn khoảng 25%. công suất tính toán. Trong hoạt động thực tế, công suất ra của động cơ phù hợp với tải. Việc khớp, tăng công suất định mức của động cơ ít ảnh hưởng đến mức tiêu thụ năng lượng. Nhưng nó có thể làm giảm sự gia tăng nhiệt độ của động cơ một cách hiệu quả.

2) Thực hiện các biện pháp kết cấu thích hợp để giảm nhiệt trị của nguồn nhiệt thứ cấp và giảm độ tăng nhiệt độ.

Ví dụ: khi thiết kế kết cấu trục chính, cần cải thiện độ đồng trục của ổ trục trước và sau và sử dụng ổ trục có độ chính xác cao. Nếu có thể, hãy thay ray dẫn hướng trượt thành ray dẫn hướng lăn tuyến tính hoặc sử dụng động cơ tuyến tính. Những công nghệ mới này có thể giảm ma sát, sinh nhiệt và tăng nhiệt độ một cách hiệu quả.

3) Về mặt công nghệ, việc cắt tốc độ cao được áp dụng. Dựa trên cơ chế cắt tốc độ cao.

Khi tốc độ tuyến tính của cắt kim loại cao hơn một phạm vi nhất định, kim loại bị cắt không có thời gian để biến dạng dẻo, không tạo ra nhiệt biến dạng trên chip và phần lớn năng lượng cắt được chuyển thành động năng của chip và được lấy đi.

(2) Cân bằng kết cấu để giảm biến dạng nhiệt

Trong máy công cụ, nguồn nhiệt luôn hiện diện và cần chú ý hơn nữa đến việc làm thế nào để làm cho hướng và tốc độ truyền nhiệt có lợi cho việc giảm biến dạng nhiệt. Hoặc cấu trúc có tính đối xứng tốt nên sự truyền nhiệt theo hướng đối xứng, phân bố nhiệt độ đồng đều và các biến dạng triệt tiêu lẫn nhau, tạo thành cấu trúc ái lực nhiệt.

1) Dự ứng lực và biến dạng nhiệt.

Trong hệ thống cấp liệu tốc độ cao hơn, hai đầu của vít bi thường được cố định dọc trục để tạo thành ứng suất căng trước. Cấu trúc này không chỉ cải thiện độ ổn định động và tĩnh cho tốc độ cấp liệu cao mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc giảm lỗi biến dạng nhiệt.

Sự tăng nhiệt độ của cấu trúc cố định theo trục được kéo dài trước 35m trong tổng chiều dài 600mm là tương đối giống nhau ở các tốc độ cấp liệu khác nhau. Sai số tích lũy của kết cấu kéo căng trước với hai đầu cố định nhỏ hơn đáng kể so với sai số tích lũy của kết cấu có một đầu cố định và đầu kia tự do kéo dài. Trong cấu trúc dự ứng lực cố định dọc trục ở cả hai đầu, sự tăng nhiệt độ do gia nhiệt chủ yếu làm thay đổi trạng thái ứng suất bên trong trục vít từ ứng suất kéo sang ứng suất bằng 0 hoặc ứng suất nén. Vì vậy nó ít ảnh hưởng đến độ chính xác của chuyển vị.

2) Thay đổi cấu trúc và thay đổi hướng biến dạng nhiệt.

Trượt trục chính Z của máy phay rãnh kim CNC sử dụng các cấu trúc cố định trục vít bi khác nhau đòi hỏi sai số độ sâu rãnh phay là 5m trong quá trình xử lý. Sử dụng cấu trúc nổi hướng trục ở đầu dưới của vít, độ sâu rãnh sâu dần từ 0 đến 0,045mm trong vòng 2 giờ sau khi xử lý. Ngược lại, sử dụng cấu trúc có đầu trên nổi của vít có thể đảm bảo độ sâu rãnh thay đổi.

3) Tính đối xứng của hình dạng hình học của cấu trúc máy công cụ có thể làm cho xu hướng biến dạng nhiệt nhất quán và giảm thiểu sự trôi dạt của điểm đầu dao.

Ví dụ, trung tâm gia công vi mô YMC430 do Công ty Yasda Precision Tools của Nhật Bản đưa ra là một máy công cụ gia công tốc độ cao subicron. Thiết kế của máy công cụ xem xét đầy đủ đến hiệu suất nhiệt.

Trước hết, bố cục hoàn toàn đối xứng được áp dụng trong cấu trúc máy công cụ. Các cột và dầm là những kết cấu tích hợp theo hình chữ H, tương đương với kết cấu cột đôi và có tính đối xứng tốt. Trục trượt gần tròn cũng đối xứng theo cả chiều dọc và chiều ngang.

Các bộ truyền động tiến của ba trục chuyển động đều sử dụng động cơ tuyến tính, giúp đạt được sự đối xứng trong cấu trúc dễ dàng hơn. Hai trục quay sử dụng truyền động trực tiếp để giảm thiểu tổn thất ma sát và truyền động cơ khí.

3. Biện pháp làm mát hợp lý

1) Chất làm mát trong quá trình xử lý có ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của quá trình xử lý.

Một thử nghiệm so sánh đã được tiến hành trên máy mài hai đầu GRV450C. Các thử nghiệm cho thấy rằng việc trao đổi nhiệt của chất làm mát với sự trợ giúp của tủ lạnh rất hiệu quả trong việc cải thiện độ chính xác gia công.

Sử dụng phương pháp cung cấp chất làm mát truyền thống, kích thước phôi sẽ vượt quá giới hạn cho phép sau 30 phút. Sau khi sử dụng tủ lạnh, quá trình xử lý thông thường có thể kéo dài hơn 70 phút. Lý do chính khiến kích thước phôi vượt quá giới hạn cho phép ở 80 phút là do bánh mài cần được mài mòn (để loại bỏ các mảnh kim loại trên bề mặt bánh mài) và độ chính xác gia công ban đầu có thể được khôi phục ngay sau khi mài. Hiệu quả là rất rõ ràng. Tương tự như vậy, bạn có thể mong đợi kết quả rất tốt từ việc làm mát trục chính cưỡng bức.

2) Tăng diện tích làm mát tự nhiên.

Ví dụ, việc thêm một khu vực làm mát không khí tự nhiên vào cấu trúc hộp trục chính cũng có thể đạt được hiệu quả tản nhiệt tốt trong xưởng có không khí lưu thông tốt.

3) Tự động loại bỏ chip một cách kịp thời.

Việc đẩy các chip nhiệt độ cao ra khỏi phôi, bàn làm việc và các bộ phận dụng cụ một cách kịp thời hoặc theo thời gian thực sẽ rất hữu ích trong việc giảm sự tăng nhiệt độ và biến dạng nhiệt của các bộ phận chính.