Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chính xác gia công của máy công cụ

Biến dạng nhiệt là một trong những nguyên nhân ảnh hưởng đến độ chính xác gia công. Máy công cụ bị ảnh hưởng bởi những thay đổi về nhiệt độ môi trường xưởng, làm nóng động cơ điện, làm nóng 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 độ chính xác gia công của máy công cụ. Ví dụ: gia công 70mm trên máy phay CNC có độ chính xác thông thường × Biến thiên sai số tích lũy của trục vít 1650mm có thể lên tới 85m so với phôi được phay từ 7:30-9:00 buổi sáng và được xử lý từ 2 giờ :00-3:30 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 phôi thép tấm mỏng có độ dày 0.6-3.5mm trên cả hai mặt, xử lý 200mm trong quá trình kiểm tra nghiệm thu × 25mm × Thép 1,08mm phôi tấm có thể đạt được độ chính xác về kích thước mm và độ cong nhỏ hơn 5m trên toàn bộ chiều dài. Nhưng 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 17 độ khi khởi động lên 45 độ. Do ảnh hưởng của nhiệt mài, cổ trục chính dài ra và khe hở giữa các ổ trục trước của trục chính tăng lên. Trên cơ sở đó, việc bổ sung thêm một bộ làm lạnh 5,5kW vào bình làm mát của máy công cụ đã đạt được kết quả rất lý tưởng. Thực tiễn đã chứng minh rằng biến dạng của máy công cụ sau khi gia nhiệt là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác gia công. Nhưng máy công cụ ở trong môi trường có nhiệt độ thay đổi liên tục và ở mọi nơi; Bản thân máy công cụ chắc chắn sẽ tiêu thụ năng lượng trong quá trình vận hành và một phần đáng kể năng lượng này sẽ được chuyển thành nhiệt theo nhiều cách khác nhau, gây ra những thay đổi vật lý trong các bộ phận khác nhau của máy công cụ. Những thay đổi này cũng khác nhau rất nhiều do sự khác biệt về hình thức cấu trúc, vật liệu và các lý do khác. Người thiết kế máy công cụ cần nắm vững cơ chế hình thành và phân bố nhiệt độ, thực hiện các biện pháp tương ứng để giảm thiểu tác động của biến dạng nhiệt đến độ chính xác gia công.
Sự gia tăng nhiệt độ và sự phân bố của máy công cụ cũng như ảnh hưởng của khí hậu tự nhiên có phạm vi lãnh thổ rộng lớn ở Trung Quốc. Hầu hết các khu vực đều nằm ở vùng cận nhiệt đới, với nhiệt độ thay đổi đáng kể trong năm và chênh lệch nhiệt độ khác nhau trong 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: biên độ dao động nhiệt độ theo mùa ở vùng Đồng bằng sông Dương Tử là khoảng 45 độ và biên độ nhiệt độ ban ngày là khoảng 5-12 độ . Xưởng gia công nhìn chung không có hệ thống sưởi vào mùa đông và không có điều hòa vào mùa hè, nhưng chỉ cần xưởng có hệ thống thông gió tốt thì độ dốc nhiệt độ trong xưởng gia công không thay đổi nhiều. Ở vùng Đông Bắc, chênh lệch nhiệt độ theo mùa có thể lên tới 60 độ , với biên độ nhiệt độ ban ngày khoảng 8-15 độ . Thời gian sưởi ấm từ cuối tháng 10 đến đầu tháng 4 năm sau, xưởng gia công được thiết kế có hệ thống sưởi nên không đủ lưu thông không khí. Chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài xưởng có thể lên tới 50 độ. Vì vậy, độ dốc nhiệt độ trong xưởng vào mùa đông rất phức tạp, nhiệt độ ngoài trời là 1,5 độ đo được từ 8h15 đến 8h35 sáng và nhiệt độ thay đổi trong xưởng khoảng 3,5 độ. 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.
Ảnh hưởng của môi trường xung quanh đề cập đến môi trường nhiệt được hình thành bởi các cách bố trí khác nhau trong phạm vi gần của máy công cụ.
Chúng bao gồm bốn khía cạnh sau:
1) Vi khí hậu nhà xưởng: chẳng hạn như sự phân bố nhiệt độ bên trong nhà xưởng (hướng dọc và hướng ngang). Khi ngày và đêm luân phiên hoặc khí hậu và thông gió thay đổi, nhiệt độ nhà xưởng sẽ thay đổi chậm.
2) Các nguồn nhiệt của xưởng: như ánh sáng mặt trời, bức xạ từ thiết bị sưởi và ánh sáng công suất cao, có thể ảnh hưởng trực tiếp đến sự tăng nhiệt độ của toàn bộ máy công cụ hoặc một số bộ phận trong thời gian dài khi chúng ở gần máy công cụ. Nhiệt do các thiết bị lân cận tạo ra trong quá trình vận hành có thể ảnh hưởng đến sự tăng nhiệt độ của máy công cụ thông qua bức xạ hoặc luồng không khí.
3) Tản nhiệt: Nền có tác dụng tản nhiệt tốt, đặc biệt là nền của máy công cụ chính xác. Điều quan trọng là tránh ở gần đường ống sưởi ấm dưới lòng đất. Một khi nó bị vỡ, rò rỉ có thể trở thành nguồn nhiệt khó tìm ra nguyên nhân; Xưởng mở sẽ là “tấm tản nhiệt” tốt, có lợi cho việc cân bằng nhiệt độ trong 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 nhiệt bên trong của máy công cụ
1) Nguồn nhiệt kết cấu cho máy công cụ. Động cơ điện 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, 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 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 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; Tuy nhiên, không thể tránh khỏi một phần đáng kể vẫn sẽ chuyển hóa thành nhiệt ma sát trong quá trình chuyển động, chẳng hạn như nhiệt sinh ra bởi các cơ cấu như vòng bi, ray dẫn hướng, vít bi, hộp truyền động.
2) Nhiệt cắt của quá trình. Trong quá trình cắt, một phần động năng của dụng cụ hoặc phôi được tiêu thụ bởi quá trình cắt, trong khi một phần đáng kể được chuyển thành năng lượng biến dạng của quá trình cắt và nhiệt ma sát giữa phoi và dụng cụ, dẫn đến gia nhiệt cho dụng cụ, trục chính và phôi. Sau đó, một lượng lớn nhiệt phoi được truyền đến các bộ phận cố định của bàn làm việc và các bộ phận khác của máy công cụ. Chúng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến vị trí tương đối giữa dao và phôi.
3) Làm mát. Làm mát là một biện pháp ngược nhằm mục đích 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 kết cấu cơ bản. Máy công cụ cao cấp thường trang bị cho hộp điều khiển điện một máy lạnh để làm mát cưỡng bức.
4. Ảnh hưởng của dạng cấu trúc của máy công cụ đến sự tăng nhiệt độ được thảo luận trong lĩnh vực biến dạng nhiệt của 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. Xét về cấu trúc tổng thể, máy công cụ bao gồm các loại dọc, ngang, giàn và đúc hẫng, có sự khác biệt đáng kể về phản ứng nhiệt và độ ổn định. Ví dụ, mức tăng nhiệt độ của hộp trục chính của máy tiện có tốc độ thay đổi bánh răng có thể lên tới 35 độ, khiến đầu trục chính nâng lên và thời gian cân bằng nhiệt mất khoảng 2 giờ. Trung tâm gia công tiện và phay chính xác kiểu giường nghiêng có đế ổn định cho máy công cụ. Độ cứng của toàn bộ máy đã được cải thiện đáng kể và trục chính được điều khiển bởi động cơ servo. Bộ phận truyền bánh răng đã được loại bỏ và mức tăng nhiệt độ của nó thường nhỏ hơn 15 độ.
2) Ảnh hưởng của sự phân bố nguồn nhiệt. Trên máy công cụ, người ta thường tin rằng nguồn nhiệt liên quan đến động cơ điện. Các bộ phận như động cơ trục chính, động cơ cấp liệu và hệ thống thủy lực thực tế vẫn chưa hoàn thiện. Sự đốt nóng của động cơ điện chỉ là năng lượng tiêu thụ bởi dòng điện trên trở kháng của phần ứng khi mang tải, và một lượng năng lượng đáng kể được tiêu thụ bởi công ma sát của vòng bi, ốc vít, đai ốc và ray dẫn hướng. Vì vậy, động cơ điện có thể được coi là nguồn nhiệt chính, còn vòng bi, đai ốc, ray dẫn hướng và chip có thể được coi 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 một trung tâm gia công thẳng đứng có cột di chuyển được trong quá trình chuyển động tiến dao theo trục Y. Khi cấp liệu theo hướng Y, bàn làm việc không chuyển động nên ít ảnh hưởng đến biến dạng nhiệt theo hướng X. Trên cột, vít dẫn hướng càng xa trục Y thì mức tăng nhiệt độ càng nhỏ. Tình huống máy chuyển động theo trục Z 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 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) Tác động của phân phối chất lượng. Ảnh hưởng của sự phân bố chất lượng đến biến dạng nhiệt của máy công cụ có ba khía cạnh. Thứ nhất, nó đề cập đến kích thước và nồng độ khối lượng, thường đề cập đến những thay đổi về công suất nhiệt và tốc độ truyền nhiệt, cũng như những thay đổi về thời gian đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt.
2, Bằng cách thay đổi cách sắp xếp chất lượng, chẳng hạn như bố trí các tấm gia cố khác nhau, độ cứng nhiệt của kết cấu có thể được cải thiện, giảm ảnh hưởng của biến dạng nhiệt hoặc duy trì biến dạng tương đối nhỏ trong cùng mức tăng nhiệt độ;
Thứ ba, nó đề cập đến việc giảm sự tăng nhiệt độ của các bộ phận máy công cụ bằng cách thay đổi hình thức sắp xếp chất lượng, chẳng hạn như bố trí các gân tản nhiệt bên ngoài kết cấu.
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), và dưới cùng một tác động nhiệt, độ tăng nhiệt độ và biến dạng của chúng là khác nhau. Kiểm tra hiệu suất nhiệt của máy công cụ
1. Mục đích của việc kiểm tra hiệu suất nhiệt của máy công cụ là để kiểm soát sự biến dạng nhiệt của máy công cụ. Điều quan trọng là phải hiểu đầy đủ những thay đổi về nhiệt độ môi trường, nguồn nhiệt và sự thay đổi nhiệt độ của chính máy công cụ và phản ứng của các điểm chính (sự dịch chuyển biến dạng) thông qua kiểm tra đặc tính nhiệt. Dữ liệu thử nghiệm hoặc đường cong mô tả các đặc tính nhiệt của máy công cụ nhằm thực hiện các biện pháp đối phó, kiểm soát biến dạng nhiệt và cải thiện độ chính xác và hiệu quả gia công của máy công cụ.
Cụ thể cần đạt được các mục tiêu sau:
1) Kiểm tra môi trường xung quanh của máy công cụ. Đo môi trường nhiệt độ trong xưởng, độ dốc nhiệt độ không gian, sự thay đổi phân bổ nhiệt độ trong thời gian xen kẽ ngày đêm và thậm chí cả 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 chính máy công cụ. Trong điều kiện loại bỏ nhiễu môi trường càng nhiều càng tốt, hãy giữ máy công cụ ở các trạng thái vận hành khác nhau để đo sự thay đổi nhiệt độ và 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. thời gian, đồng thời ghi lại sự phân bố nhiệt của từng khoảng thời gian bằng cách sử dụng thiết bị chụp ảnh nhiệt hồng ngoại.
3) Kiểm tra độ tăng nhiệt và biến dạng nhiệt trong quá trình gia công để xác định ảnh hưởng của biến dạng nhiệt máy công cụ đến độ chính xác của quá trình gia công.
4) Các thí nghiệm trên có thể tích lũy một lượng lớn dữ liệu và đường cong, cung cấp các tiêu chí đáng tin cậy cho việc thiết kế máy công cụ và kiểm soát biến dạng nhiệt của người dùng, đồng thời chỉ ra hướng thực hiện các biện pháp hiệu quả.
2. Nguyên lý thử biến dạng nhiệt của máy công cụ. Kiểm tra biến dạng nhiệt trước tiên yêu cầu đo nhiệt độ của một số điểm liên quan, bao gồm các khía cạnh sau:
1) Nguồn nhiệt: bao gồm các bộ phận khác nhau của động cơ cấp liệu, 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, máy làm lạnh, hệ thống phát hiện dịch chuyển làm mát và bôi trơn.
3) Kết cấu cơ khí: bao gồm bệ, đế, ván trượt, cột, hộp đầu phay và trục xoay. Một thanh đo bằng thép indium được kẹp giữa trục chính và bàn làm việc 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, mô phỏng độ dịch chuyển tương đối giữa dụng cụ và phôi. 3. Xử lý và phân tích dữ liệu thử nghiệm: Việc thử nghiệm biến dạng nhiệt của máy công cụ phải được tiến hành trong thời gian dài liên tục và ghi dữ liệu liên tục. Sau khi phân tích và xử lý, các đặc tính biến dạng nhiệt phản xạ có độ tin cậy cao. Nếu việc loại bỏ lỗi được thực hiện thông qua nhiều thử nghiệm thì tính đều đặn được hiển thị là đáng tin cậy. Tổng cộng có 5 điểm đo được thiết lập để kiểm tra biến dạng nhiệt của hệ trục chính, trong đó điểm 1 và 2 nằm ở cuối trục chính và gần ổ trục, còn điểm 4 và 5 nằm gần ray dẫn hướng trục Z của vỏ đầu phay tương ứng. Quá trình thử nghiệm kéo dài tổng cộng 14 giờ, trong đó 10 giờ đầu tiên quay trục xoay xen kẽ giữa 0-9000vòng/phút. Bắt đầu từ giờ thứ 10, trục quay tiếp tục quay với tốc độ cao 9000 vòng/phút. Có thể rút ra kết luận sau: 1) Thời gian cân bằng nhiệt của trục chính là khoảng 1 giờ và phạm vi tăng nhiệt độ sau khi cân bằng là 1,5 độ; 2) Sự tăng nhiệt độ chủ yếu đến từ ổ trục chính và động cơ trục chính. Trong phạm vi tốc độ bình thường, hiệu suất nhiệt của vòng bi tốt; 3) Biến dạng nhiệt ít ảnh hưởng theo phương X; 4) Biến dạng giãn nở theo hướng Z tương đối lớn, khoảng 10m, nguyên nhân là do trục chính bị giãn nở vì nhiệt và tăng khe hở ổ trục; 5) Khi tốc độ tiếp tục là 9000r/phút, nhiệt độ tăng mạnh, tăng khoảng 7 độ trong vòng 2,5 giờ và có xu hướng tăng thêm. Biến dạng theo phương Y và Z đạt tới 29m và 37m cho thấy trục chính không còn có thể hoạt động ổn định ở tốc độ 9000r/phút mà có thể hoạt động trong thời gian ngắn (20 phút). Việc kiểm soát biến dạng nhiệt của máy công cụ đã được phân tích và thảo luận ở trên. Sự tăng nhiệt độ và biến dạng nhiệt của máy công cụ có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác gia công. Khi thực hiện các biện pháp kiểm soát, cần nắm bắt được mâu thuẫn chính, đồng thời nhấn mạnh biện pháp thứ nhất và thứ hai 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, đạt được sự cân bằng về cấu trúc và làm mát hợp lý. 1. Giảm phát nhiệt và kiểm soát nguồn nhiệt là biện pháp cơ bản. Cần thực hiện các biện pháp trong thiết kế để giảm thiểu sự sinh nhiệt của nguồn nhiệt một cách hiệu quả. 1) Lựa chọn hợp lý công suất định mức của động cơ. Công suất ra P của động cơ điện bằng tích của điện áp V và dòng điện I. Nói chung, điện áp V không đổi. Do đó, tải tăng đồng nghĩa với việc công suất ra của động cơ tăng và dòng điện I tương ứng cũng tăng. Kết quả là nhiệt lượng mà dòng điện tiêu thụ trong trở kháng phần ứng tăng lên. Nếu động cơ chúng ta thiết kế và lựa chọn hoạt động trong thời gian dài ở điều kiện gần bằng hoặc vượt quá đáng kể công suất định mức thì độ tăng nhiệt của động cơ sẽ tăng lên đáng kể. Với 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 độ). Từ thí nghiệm trên, rút ​​ra các khái niệm sau: xét hiệu suất của nguồn nhiệt, dù là động cơ trục chính hay động cơ cấp liệu, tốt nhất nên chọn công suất định mức cao hơn công suất tính toán khoảng 25%. Trong hoạt động thực tế, công suất đầu ra của động cơ phù hợp với tải và việc 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.