Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chính xác gia công CNC

Biến dạng nhiệt là một trong những nguyên nhân ảnh hưởng đến độ chính xác gia công. Máy công cụ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ môi trường của xưởng, làm nóng động cơ và ma sát chuyển động cơ học, nhiệt cắt và môi trường 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 của hình dạng và độ chính xác gia công của máy công cụ. Ví dụ: khi gia công vít 70mm×1650mm trên máy phay CNC với độ chính xác thông thường, sai số tích lũy của phôi được phay lúc 7:30-9:00 sáng có thể lên tới 85m so với phôi được gia công lúc 2:00- 3h30 chiều. Trong điều kiện nhiệt độ không đổi, sai số có thể giảm xuống 40m.

Ví dụ: Máy mài hai đầu chính xác được sử dụng để mài hai đầu phôi thép mỏng có độ dày từ 0,6 đến 3,5mm có thể đạt được độ chính xác kích thước đến từng milimet khi xử lý phôi thép tấm 200mm×25mm×1.08mm trong quá trình nghiệm thu và độ cong toàn bộ chiều dài nhỏ hơn 5m. Tuy nhiên, sau khi mài tự động liên tục trong 1 giờ, phạm vi thay đổi kích thước tăng lên 12m và nhiệt độ nước làm mát tăng từ 17oC khi khởi động lên 45oC. Do ảnh hưởng của nhiệt mài, cổ trục chính bị kéo dài và khe hở ổ trục phía trước của trục chính tăng lên. Dựa trên điều này, một tủ lạnh 5,5kW được thêm vào thùng làm mát của 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 của quá trình 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 tốn năng lượng khi làm việc và một phần năng lượng đáng kể này sẽ được chuyển hóa thành nhiệt theo nhiều cách khác nhau, gây ra những thay đổi vật lý trong các bộ phận của máy công cụ. Sự thay đổi này thay đổi rất nhiều do các dạng cấu trúc khác nhau và sự khác biệt về vật liệu. Các nhà thiết kế máy công cụ phải nắm vững cơ chế hình thành nhiệt và quy luật phân bố nhiệt độ, đồng thời thực hiện các biện pháp tương ứng để giảm thiểu tác động của biến dạng nhiệt đến độ chính xác của quá trình gia công.

1. Máy công cụ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ tăng, sự phân bố nhiệt độ và khí hậu tự nhiên

Cách thức và mức độ can thiệp của mọi người vào nhiệt độ trong nhà (chẳng hạn như xưởng) cũng khác nhau và nhiệt độ không khí xung quanh máy công cụ cũng rất khác nhau. Độ dốc nhiệt độ vào mùa đông rất phức tạp. Khi đo, nhiệt độ ngoài trời là 1,5oC, thời gian là 8:15-8:35 sáng và nhiệt độ trong xưởng thay đổi khoảng 3,5oC. Độ chính xác xử lý của máy công cụ chính xác sẽ bị ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ môi trường trong xưởng như vậy.

2. Môi trường xung quanh ảnh hưởng đến máy

Môi trường xung quanh 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 4 khía cạnh sau:

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

2) Nguồn nhiệt của nhà xưởng: như ánh sáng mặt trời, thiết bị sưởi ấm và bức xạ của đèn chiếu sáng công suất lớn, v.v., khi ở gần máy công cụ, chúng có thể ảnh hưởng trực tiếp đến sự tăng nhiệt độ của toàn bộ hoặc một số bộ phận của nhà xưởng. máy công cụ trong một 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: Nền có tác dụng tản nhiệt tốt, đặc biệt nền của các máy công cụ chính xác không nên để gần các ống dẫn nhiệt ngầm. Một khi nó bị vỡ, rò rỉ có thể trở thành nguồn nhiệt khó tìm ra nguyên nhân; xưởng mở sẽ là một “bộ tản nhiệt” tốt, có lợi cho việc cân bằng nhiệt độ của xưởng.

4) Nhiệt độ không đổi: Các cơ sở nhiệt độ không đổi được áp dụng trong xưởng rất hiệu quả trong việc duy trì độ chính xác và độ chính xác xử lý của máy công cụ chính xác, nhưng mức tiêu thụ năng lượng lớn.

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt bên trong máy

1) Nguồn nhiệt kết cấu của máy công cụ. Nhiệt từ các động cơ như động cơ trục chính, động cơ servo cấp liệu, động cơ bơm làm mát và bôi trơn và hộp điều khiển điện tử đều có thể tạo ra nhiệt. Những tình huống này được cho phép đối với bản thân động cơ, nhưng có ảnh hưởng bất lợi đáng kể đến các bộ phận như trục chính và vít bi, và cần thực hiện các biện pháp để cách ly chúng. Khi năng lượng điện đầu vào làm động cơ hoạt động, 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 tất yếu, một bộ phận không nhỏ vẫn bị chuyển hóa thành nhiệt ma sát trong quá trình chuyển động, chẳng hạn như làm nóng ổ trục, ray dẫn hướng, vít bi, hộp truyền động.

2) Cắt nhiệt trong quá trình. Trong quá trình cắt, một phần động năng của dụng cụ hoặc phôi được tiêu thụ trong quá trình cắt và một phần đáng kể được chuyển thành năng lượng biến dạng cắt và nhiệt ma sát giữa phoi và dụng cụ, tạo thành nhiệt của dụng cụ, trục chính và phôi, và một lượng lớn nhiệt chip được truyền tới 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) Làm mát. Làm mát là biện pháp đảo ngược đối với sự tăng nhiệt độ của máy công cụ, chẳng hạn như làm mát động cơ, làm mát các bộ phận trục chính và làm mát các bộ phận kết cấu cơ bản. Các máy công cụ cao cấp thường trang bị cho hộp điều khiển điện một tủ lạnh để làm mát cưỡng bức.

4. Ảnh hưởng của dạng kết cấu của máy đến sự tăng nhiệt độ

Trong lĩnh vực biến dạng nhiệt của máy công cụ, việc thảo luận về dạng cấu trúc của máy công cụ thường đề cập đến 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. Xét về cấu trúc tổng thể, máy công cụ có dạng thẳng đứng, nằm ngang, giàn và đúc hẫng, phản ứng và độ ổn định với nhiệt khá khác nhau. Ví dụ, độ tăng nhiệt độ của hộp trục chính của máy tiện chuyển số có thể lên tới 35°C, khiến đầu trục chính nâng lên và thời gian cân bằng nhiệt mất khoảng 2 giờ. Trung tâm gia công phay và tiện chính xác giường nghiêng 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. Mức tăng nhiệt độ của nó thường nhỏ hơn 15°C.

2) Ảnh hưởng của sự phân bố nguồn nhiệt. Nguồn nhiệt trên máy công cụ 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 tế vẫn chưa hoàn thiện. Nhiệt do động cơ tạo ra chỉ là năng lượng tiêu thụ bởi dòng điện trên trở kháng phần ứng khi nó chịu tải, và một phần năng lượng đáng kể được tiêu thụ bởi công ma sát của vòng bi, đai ốc và ray dẫn hướng. Do đó, động cơ có thể được gọi là nguồn nhiệt chính, còn vòng bi, đai ốc, ray dẫn hướng và chip có thể 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 thẳng đứng chuyển động theo cột trong quá trình chuyển động tiến dao theo trục Y. Bàn làm việc không di chuyển trong quá trình nạp trục Y, do đó ảnh hưởng đến biến dạng nhiệt ở trục X là rất nhỏ. Trên cột, điểm càng xa vít dẫn hướng trục Y thì độ tăng nhiệt của cột càng nhỏ. Tình huống của máy khi trục Z chuyển động còn minh họa rõ hơn ảnh hưởng của sự phân bố nguồn nhiệt đến biến dạng nhiệt. Bước tiến của trục Z nằm xa trục X hơn nên hiệu ứng biến dạng nhiệt nhỏ hơn. Đai ốc động cơ trục Z trên cột càng gần trục Z thì độ tăng nhiệt và biến dạng càng lớn.

3) Ảnh hưởng của sự phân bố đại chúng. Có ba khía cạnh về ảnh hưởng của sự phân bố khối lượng đến biến dạng nhiệt của máy công cụ. Đầu tiên, nó đề cập đến kích thước và nồng độ 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, bằng cách thay đổi cách bố trí khối lượng, chẳng hạn như cách bố trí các gân khác nhau, độ cứng nhiệt của kết cấu được cải thiện và trong cùng mức tăng nhiệt độ, ảnh hưởng của biến dạng nhiệt sẽ giảm hoặc biến dạng tương đối được giữ ở mức nhỏ; thứ ba, nó đề cập đến việc thay đổi cách bố trí 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.

5. Kiểm tra hiệu suất nhiệt của máy

(1) Mục đích của việc kiểm tra hiệu suất nhiệt của máy công cụ Chìa khóa để kiểm soát biến dạng nhiệt của máy công cụ là hiểu đầy đủ những thay đổi về nhiệt độ môi trường của máy công cụ, nguồn nhiệt và sự thay đổi nhiệt độ của chính máy công cụ và phản ứng (sự dịch chuyển biến dạng) của các điểm chính thông qua thử nghiệm đặc tính nhiệt. Dữ liệu thử nghiệm hoặc đường cong mô tả các đặc tính nhiệt của máy công cụ để có thể thực hiện các biện pháp đối phó nhằm kiểm soát biến dạng nhiệt và cải thiện độ chính xác và hiệu quả xử lý của máy công cụ.

Cụ thể cần đạt được các mục tiêu sau:

1) Kiểm tra môi trường xung quanh máy công cụ. Đo môi trường nhiệt độ trong xưởng, độ dốc nhiệt độ không gian, sự thay đổi phân bổ nhiệt độ trong sự luân phiên ngày và đêm và thậm chí đo lường tác động của những thay đổi theo mùa đối với sự phân bố nhiệt độ xung quanh máy công cụ.

2) Kiểm tra đặc tính nhiệt của bản thân máy công cụ. Trong điều kiện loại bỏ nhiễu môi trường càng nhiều càng tốt, hãy đặt máy công cụ ở nhiều trạng thái vận hành khác nhau để đo sự thay đổi nhiệt độ và sự thay đổi chuyển vị của các điểm quan trọng của chính máy công cụ, ghi lại sự thay đổi nhiệt độ và chuyển vị điểm chính trong một khoảng thời gian đủ dài của thời gian và sử dụng camera nhiệt hồng ngoại để ghi lại sự phân bố nhiệt của từng khoảng thời gian.

3) Kiểm tra độ tăng nhiệt và biến dạng nhiệt trong quá trình gia công để xác định ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của máy công cụ đến độ chính xác của quá trình gia công.

4) Các thử nghiệm trên có thể tích lũy một lượng lớn dữ liệu và đường cong, sẽ cung cấp các tiêu chí đáng tin cậy cho thiết kế máy công cụ và người sử dụng để kiểm soát biến dạng nhiệt, đồng thời chỉ ra hướng thực hiện các biện pháp hiệu quả.

(2) Nguyên lý kiểm tra biến dạng nhiệt máy công cụ Kiểm tra biến dạng nhiệt trước tiên cần đo nhiệt độ của một số điểm liên quan, bao gồm các khía cạnh sau:

1) Nguồn nhiệt: bao gồm động cơ cấp liệu của từng bộ phận, động cơ trục chính, cặp truyền vít bi, ray dẫn hướng và ổ trục chính. 2) Các thiết bị phụ trợ: bao gồm hệ thống thủy lực, tủ lạnh, hệ thống phát hiện dịch chuyển làm mát và bôi trơn.

3) Kết cấu cơ khí: bao gồm bệ, đế, cầu trượt, cột, hộp đầu phay và trục chính. Một thanh đo bằng thép indium được kẹp giữa trục chính và bàn quay, đồng thời 5 cảm biến tiếp xúc được cấu hình theo hướng X, Y và Z để đo biến dạng toàn diện ở các trạng thái khác nhau nhằm mô phỏng chuyển vị tương đối giữa dụng cụ và phôi.

(3) Xử lý và phân tích dữ liệu thử nghiệm Thử nghiệm biến dạng nhiệt của máy công cụ phải được thực hiện trong thời gian dài liên tục và thực hiện ghi dữ liệu liên tục. Sau khi phân tích và xử lý, các đặc tính biến dạng nhiệt được phản ánh có độ tin cậy cao. Nếu lỗi được loại bỏ thông qua nhiều lần kiểm tra thì mức độ đều đặn được thể hiện là đáng tin cậy. Tổng cộng có 5 điểm đo được thiết lập trong bài kiểm tra biến dạng nhiệt của hệ trục chính, trong đó điểm 1 và điểm 2 nằm ở cuối trục chính và gần với ổ trục, còn điểm 4 và điểm 5 lần lượt là điểm phay. vỏ đầu gần với ray dẫn hướng Z. Cuộc thử nghiệm kéo dài trong 14 giờ. Trong 10 giờ đầu, tốc độ trục chính được thay đổi luân phiên trong khoảng từ 0 đến 9000 vòng/phút. Từ giờ thứ 10, trục quay tiếp tục quay với tốc độ cao 9000 vòng/phút. Có thể rút ra những kết luận sau:

1) Thời gian cân bằng nhiệt của trục chính là khoảng 1 giờ và nhiệt độ tăng sau khi cân bằng thay đổi 1,5oC.

2) Sự tăng nhiệt độ chủ yếu đến từ vòng bi trục chính và động cơ trục chính. Trong phạm vi tốc độ bình thường, hiệu suất nhiệt của vòng bi là tốt.

3) Biến dạng nhiệt ít ảnh hưởng theo phương X.

4) Biến dạng giãn nở theo hướng Z lớn, khoảng 10m, nguyên nhân là do sự giãn nở nhiệt của trục chính và sự gia tăng khe hở ổ trục.

5) Khi tốc độ liên tục ở mức 9000 vòng/phút, nhiệt độ tăng mạnh, tăng khoảng 7oC trong 2,5 giờ và có xu hướng tăng liên tục. Biến dạng theo hướng Y và Z đạt 29m và 37m cho thấy trục chính không còn có thể chạy ổn định ở tốc độ 9000 vòng/phút mà có thể chạy trong thời gian ngắn (20 phút).

Việc kiểm soát biến dạng nhiệt của máy công cụ đã được thảo luận trong phần phân tích ở trên. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ tăng nhiệt độ và biến dạng nhiệt của máy công cụ đến độ chính xác gia công. Khi thực hiện các biện pháp kiểm soát, chúng ta nên nắm bắt những mâu thuẫn chính và thực hiện các biện pháp tương ứng 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. Giảm sinh nhiệt và kiểm soát nguồn nhiệt là biện pháp cơ bản. Trong thiết kế, cần thực hiện các biện pháp để giảm thiểu hiệu quả sự sinh nhiệt của các nguồn nhiệt. 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 có nghĩa là công suất đầu ra của động cơ tăng, tức là dòng điện tương ứng I cũng tăng, nhiệt lượng tiêu thụ của dòng điện trong trở kháng phần ứng tăng. Nếu động cơ chúng tôi thiết kế và lựa chọn hoạt động trong thời gian dài ở điều kiện gần bằng hoặc vượt quá công suất định mức thì độ tăng nhiệt độ của động cơ sẽ tăng lên đáng kể. Vì lý do 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: 12oC). Các khái niệm sau đây thu được từ các thử nghiệm trên: Xem xét hiệu suất của nguồn nhiệt, cho dù đó 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% so với công suất tính toán. Trong hoạt động thực tế, công suất ra của động cơ phù hợp với tải. Việc tăng công suất định mức của động cơ ít ảnh hưởng đến mức tiêu thụ năng lượng, nhưng có thể làm giảm hiệu quả sự tăng nhiệt độ của động cơ.