Compreendendo o impacto da temperatura na precisão da usinagem CNC

A deformação térmica é um dos fatores que afetam a precisão da usinagem.

A deformação térmica afeta a precisão da usinagem de diversas maneiras. Mudanças na temperatura ambiente da oficina, aquecimento por fricção devido à operação do motor e movimento mecânico, calor de corte e meio de resfriamento podem causar aumentos desiguais de temperatura em várias partes da máquina-ferramenta, levando a mudanças na precisão da forma e na precisão da usinagem da máquina.

Por exemplo, ao usinar um parafuso de 70 mm x 1650 mm em uma fresadora CNC de precisão comum, a mudança de erro cumulativo entre as peças processadas das 7h30 às 9h00 e aquelas processadas das 14h00 às 15h30 pode alcance até 85m. No entanto, sob condições de temperatura constante, o erro pode ser reduzido para 40m.

Outro exemplo é uma retificadora de superfície dupla de precisão usada para retificação dupla-face de peças finas de chapa de aço com espessura de 0,6-3,5 mm. Após retificação automática contínua por 1 hora, a faixa de alteração dimensional aumenta para 12m e a temperatura do líquido refrigerante sobe de 17°C na inicialização para 45°C. Este aumento na temperatura faz com que o munhão do fuso se alongue e a folga do rolamento na frente do fuso aumente. Adicionar um refrigerador de 5,5 kW ao tanque de refrigeração da máquina provou ser eficaz nesta situação.

Concluindo, a deformação térmica é um fator significativo que afeta a precisão da usinagem, principalmente em um ambiente onde a temperatura muda constantemente. A máquina-ferramenta consome energia durante a operação, e uma parcela significativa dessa energia é convertida em calor, causando alterações físicas em diversos componentes da máquina-ferramenta. Os projetistas de máquinas-ferramenta devem compreender o mecanismo de formação de calor e as regras de distribuição de temperatura e tomar medidas para minimizar o impacto da deformação térmica na precisão da usinagem.

Aumento da temperatura e distribuição de máquinas-ferramentas e a influência do clima natural

1. Impacto climático natural

A China é um país grande, localizado principalmente nas regiões subtropicais. A temperatura varia muito ao longo do ano e apresenta diferentes oscilações de temperatura durante o dia. Como resultado, as intervenções das pessoas para regular a temperatura na sala, como na oficina, também variam e a temperatura ao redor da máquina-ferramenta é muito diferente.

Por exemplo, no Delta do Rio Yangtze, a variação sazonal da temperatura é de cerca de 45°C, e a mudança de temperatura entre o dia e a noite é de cerca de 5-12°C. A oficina de usinagem geralmente não possui aquecimento no inverno nem ar condicionado no verão, mas desde que a oficina seja bem ventilada, o gradiente de temperatura na oficina não muda muito.

No Nordeste da China, a diferença sazonal de temperatura pode chegar a 60°C, e a mudança diurna e noturna é de cerca de 8-15°C. O período de aquecimento vai do final de outubro ao início de abril do ano seguinte, e a oficina de usinagem é projetada para fornecer aquecimento em caso de circulação de ar insuficiente. A diferença de temperatura entre o interior e o exterior da oficina pode chegar a 50°C, provocando um complicado gradiente de temperatura no inverno. Por exemplo, quando medida entre 8h15 e 8h35, a temperatura externa é de 1,5°C e a mudança de temperatura na oficina é de cerca de 3,5°C.

A temperatura ambiente em tal oficina pode afetar muito a precisão da usinagem de máquinas-ferramentas de precisão.

2. Influência do ambiente circundante

O ambiente circundante de uma máquina-ferramenta refere-se ao ambiente térmico formado por vários fatores nas proximidades da máquina-ferramenta. Esses fatores incluem:

(1) Microclima da Oficina: como a distribuição da temperatura na oficina, que muda lentamente com as mudanças do dia e da noite, do clima ou da ventilação.

(2) Fontes de calor da oficina: como radiação solar, equipamentos de aquecimento e iluminação de alta potência. Estas fontes, quando próximas da máquina-ferramenta, podem ter um efeito direto e duradouro no aumento da temperatura de toda ou parte da máquina-ferramenta. O calor gerado por equipamentos adjacentes durante a operação também pode afetar o aumento da temperatura da máquina-ferramenta por meio de radiação ou fluxo de ar.

(3) Dissipação de Calor: A fundação deve ser capaz de dissipar o calor de forma eficaz, especialmente a fundação de máquinas-ferramentas de precisão, que não devem estar localizadas perto de tubulações de aquecimento subterrâneas. Se uma tubagem se romper e apresentar fugas, pode tornar-se numa fonte de calor difícil de localizar, mas uma oficina aberta pode servir como um bom “radiador” e ajudar a equalizar a temperatura da oficina.

(4) Temperatura Constante: Manter uma temperatura constante na oficina pode efetivamente preservar a precisão e a exatidão do processamento das máquinas-ferramentas de precisão, mas também pode levar ao alto consumo de energia.

3.Tele nãofatores de influência térmica dentro da máquina-ferramenta

(1) Fontes de calor estruturais de máquinas-ferramentas

O aquecimento de motores, como motor de fuso, motor de servoalimentação, motor de bomba de refrigeração e lubrificação, caixa de controle elétrico, etc., pode gerar calor. Embora estas condições sejam aceitáveis ​​para os próprios motores, elas têm um impacto significativo em componentes como o fuso e o fuso de esferas. Devem ser tomadas medidas para isolá-los.

Quando a energia elétrica faz o motor funcionar, a maior parte dela será convertida em energia cinética por mecanismos de movimento, como rotação do fuso e movimento da mesa, enquanto uma pequena parte (cerca de 20%) é convertida em energia térmica do motor. No entanto, uma parte considerável é inevitavelmente convertida em calor friccional durante o movimento. Componentes como rolamentos, trilhos-guia, fusos de esferas e caixas de engrenagens também geram calor.

(2) Corte de calor durante o processo

Durante o processo de corte, parte da energia cinética da ferramenta ou peça é consumida pelo trabalho de corte. Uma parcela significativa é convertida na energia de deformação do corte e no calor de fricção entre o cavaco e a ferramenta, o que gera calor na ferramenta, no fuso e na peça. Além disso, uma grande quantidade de calor do cavaco é transmitida ao suporte da mesa da máquina-ferramenta e a outros componentes, o que afetará diretamente a posição relativa entre a ferramenta e a peça de trabalho.

(3) Resfriamento

O resfriamento é uma contramedida contra o aumento de temperatura da máquina-ferramenta, como motores de resfriamento, componentes do fuso e infraestrutura. Máquinas-ferramentas de última geração costumam usar refrigeradores para resfriar suas caixas de controle eletrônico.

4. A influência da estrutura da máquina-ferramenta no aumento da temperatura

No campo da deformação térmica de máquinas-ferramenta, a estrutura da máquina-ferramenta é geralmente referida em termos de sua forma estrutural, distribuição de massa, propriedades do material e distribuição da fonte de calor. O formato da estrutura afeta a distribuição da temperatura, a direção da condução de calor, a direção da deformação térmica e a correspondência da máquina-ferramenta, entre outros fatores.

(1) Forma estrutural da máquina-ferramenta: Em termos de estrutura geral, as máquinas-ferramentas podem ser do tipo vertical, horizontal, pórtico ou cantilever, que apresentam grandes diferenças na resposta térmica e estabilidade. Por exemplo, o aumento de temperatura de um cabeçote de torno de mudança de marcha pode chegar a 35°C e leva cerca de 2 horas para que o equilíbrio térmico seja alcançado quando a extremidade do fuso é levantada. Em contraste, o aumento de temperatura para um centro de usinagem de torneamento e fresamento de precisão do tipo base inclinada é geralmente inferior a 15°C, pois possui uma base estável que melhora a rigidez de toda a máquina e um servo motor que aciona o eixo principal.

(2) Influência da distribuição da fonte de calor: As máquinas-ferramentas geralmente consideram o motor elétrico como fonte de calor, como o motor do fuso, o motor de alimentação, o sistema hidráulico, etc. Porém, esta é uma visão incompleta, pois uma parte considerável da energia é consumida pelo aquecimento causado pelo trabalho de atrito. de rolamentos, porcas de parafuso, trilhos-guia e cavacos. O motor pode ser considerado uma fonte primária de calor, enquanto os rolamentos, porcas, trilhos-guia e cavacos podem ser considerados fontes secundárias de calor, e a deformação térmica é o resultado de seus efeitos combinados.

(3) Efeito da distribuição de massa: A influência da distribuição de massa na deformação térmica tem três aspectos: (i) tamanho e concentração de massa, que afeta a capacidade de calor e a velocidade de transferência de calor, e o tempo para atingir o equilíbrio térmico, (ii) mudança na qualidade do layout, como adicionar várias nervuras para melhorar a rigidez térmica, reduzir a deformação térmica ou manter a deformação relativa pequena sob o mesmo aumento de temperatura e (iii) reduzir o aumento de temperatura dos componentes da máquina-ferramenta alterando a forma do arranjo de qualidade, como adicionar nervuras de dissipação de calor fora da estrutura .

(4) Influência das propriedades dos materiais: Diferentes materiais têm diferentes parâmetros de desempenho térmico, como calor específico, condutividade térmica e coeficiente de expansão linear. Sob o mesmo calor, o aumento de temperatura e a deformação serão diferentes.

Teste de desempenho térmico de máquinas-ferramentas

1. Objetivo do teste de desempenho térmico da máquina-ferramenta

A chave para controlar a deformação térmica em máquinas-ferramenta é uma compreensão completa das mudanças na temperatura ambiente, fontes de calor e mudanças de temperatura dentro da máquina-ferramenta, bem como a resposta de pontos-chave (deslocamento de deformação) por meio de testes térmicos. Ao medir as características térmicas da máquina-ferramenta, podem ser tomadas contramedidas para controlar a deformação térmica e melhorar a precisão e eficiência da máquina.

Os seguintes objetivos devem ser alcançados através de testes:

(1) Testando o ambiente da máquina: Meça a temperatura na oficina, o gradiente espacial de temperatura, as mudanças na distribuição da temperatura ao longo do dia e da noite e o impacto das mudanças sazonais na distribuição da temperatura ao redor da máquina-ferramenta.

(2) Teste de características térmicas da máquina-ferramenta: Elimine ao máximo a interferência ambiental e meça as mudanças de temperatura e de deslocamento de pontos importantes na máquina-ferramenta durante vários estados operacionais. Registre mudanças de temperatura e deslocamentos de pontos-chave por um período de tempo suficiente, usando instrumentos de imagem térmica infravermelha para capturar a distribuição térmica em cada período de tempo.

(3) Teste de aumento de temperatura e deformação térmica durante o processamento: Avalie o impacto da deformação térmica na precisão do processamento medindo o aumento da temperatura e a deformação térmica durante o processamento.

(4) Acumulação de dados e curvas: Os experimentos podem acumular uma grande quantidade de dados e curvas, fornecendo critérios confiáveis ​​para projeto de máquinas-ferramenta e controle de deformação térmica, e indicando a direção para medidas eficazes.

2. O princípio do teste de deformação térmica de máquinas-ferramenta

O ensaio de deformação térmica começa medindo a temperatura de vários pontos relevantes, incluindo:

(1) Fonte de calor: como motor de alimentação, motor do fuso, par de fusos de esferas, trilho-guia e rolamentos do fuso de cada peça.

(2) Dispositivos auxiliares: incluindo o sistema hidráulico, refrigerador, sistema de detecção de deslocamento de refrigeração e lubrificação.

(3) Estrutura mecânica: incluindo a base, base, corrediça, coluna e caixa do cabeçote de fresagem, bem como o fuso. Uma sonda de aço índio é fixada entre o fuso e a mesa rotativa.

Cinco sensores de contato são dispostos nas direções X, Y e Z para medir deformações abrangentes em vários estados, simulando o deslocamento relativo entre a ferramenta e a peça.

3. Processamento e análise de dados de teste

O teste de deformação térmica da máquina-ferramenta deve ser realizado durante um longo período contínuo e o registro contínuo de dados deve ser feito. Após análise e processamento, a confiabilidade das características de deformação térmica refletida pode ser muito alta e, se a rejeição do erro for realizada por meio de vários experimentos, a regularidade mostrada será confiável.

No teste de deformação térmica do sistema de fuso, foram definidos um total de cinco pontos de medição, sendo o ponto 1 na extremidade do fuso e o ponto 2 próximo ao mancal do fuso, e os pontos 4 e 5 localizados próximos ao trilho guia na direção Z em alojamento da cabeça de fresagem. O teste durou 14 horas, com a velocidade do fuso mudando alternadamente na faixa de 0 a 9.000 r/min durante as primeiras 10 horas, e depois continuando a girar a uma alta velocidade de 9.000 r/min durante o tempo restante.

As seguintes conclusões podem ser tiradas do teste:

• O tempo de equilíbrio térmico do fuso é de aproximadamente 1 hora e o aumento da temperatura após o equilíbrio é de 1,5 ℃.
• O aumento da temperatura vem principalmente do rolamento do fuso e do motor do fuso. O desempenho térmico do rolamento é bom na faixa de velocidade normal.
• A deformação térmica tem pouco efeito na direção X.
• A deformação telescópica na direção Z é grande, em torno de 10m, devido à extensão térmica do eixo principal e ao aumento da folga do rolamento.
• Quando a velocidade de rotação continua a 9.000 r/min, a temperatura aumenta acentuadamente, cerca de 7 ℃ em 2,5 horas, com uma tendência ascendente contínua. As deformações nas direções Y e Z atingiram 29m e 37m, indicando que o fuso não pode mais funcionar de forma estável a uma velocidade de 9.000 rpm, mas pode funcionar por um curto período de tempo (20 minutos).

Controle de deformação térmica de máquinas-ferramentas

A partir da análise e discussão, fica evidente que o aumento da temperatura e a deformação térmica das máquinas-ferramentas podem impactar significativamente a precisão do seu processamento. Ao tomar medidas de controlo, é crucial identificar os principais factores contribuintes e concentrar-se em algumas medidas eficazes para alcançar resultados óptimos.

No processo de projeto, deve-se prestar atenção à redução da geração de calor e ao aumento da temperatura, criando uma estrutura equilibrada e proporcionando resfriamento eficiente.

1. Reduza o calor

O controle das fontes de calor é uma medida fundamental para reduzir o aumento de temperatura e a deformação térmica das máquinas-ferramenta. Para conseguir isso, as seguintes etapas devem ser executadas no processo de design:

(1) Selecionar razoavelmente a potência nominal do motor: A potência de saída do motor é proporcional à tensão e à corrente. Em geral, a tensão é constante e um aumento na carga leva a um aumento na potência e na corrente de saída, resultando em aumento do calor consumido pela impedância da armadura. Para minimizar o aumento de temperatura do motor, é melhor selecionar uma potência nominal cerca de 25% maior que a potência calculada.

(2) Redução da geração de calor a partir de fontes secundárias de calor: Para minimizar o aumento de temperatura proveniente de fontes secundárias de calor, devem ser tomadas medidas no projeto da estrutura da máquina. Por exemplo, melhorar a coaxialidade dos rolamentos dianteiro e traseiro e usar rolamentos de alta precisão pode reduzir o atrito e a geração de calor. A substituição de guias deslizantes por guias de rolamento lineares ou o uso de um motor linear também pode reduzir a geração de calor.

(3) Usando corte de alta velocidade no processo de usinagem: O corte em alta velocidade reduz a geração de calor durante o processo de corte. Quando a velocidade linear de corte do metal está acima de uma determinada faixa, o metal não tem tempo para sofrer deformação plástica e nenhum calor de deformação é gerado nos cavacos. A maior parte da energia de corte é convertida em energia cinética do cavaco e retirada.

2. Equilíbrio estrutural para reduzir a deformação térmica

O controle da deformação térmica em máquinas-ferramenta requer atenção à direção e velocidade da transferência de calor para reduzir seus efeitos. Uma estrutura simétrica ajuda a distribuir o calor uniformemente, reduzindo a deriva e a deformação.

(1) Protensão e Deformação Térmica

Em sistemas de alimentação de alta velocidade, os fusos de esferas são frequentemente pré-tensionados em ambas as extremidades para reduzir erros de deformação térmica. A estrutura de pré-tensionamento axial reduz o erro cumulativo em comparação com uma estrutura fixa em uma extremidade e livre na outra. O principal efeito do aumento de temperatura nesta estrutura é alterar a tensão de tração para zero ou compressão, tendo pouco efeito na precisão do deslocamento.

(2) Alterar a estrutura e a direção da deformação

O deslizamento do fuso do eixo Z de uma fresadora de ranhura de agulha CNC com uma estrutura de fixação axial de parafuso esférico diferente requer um erro de ranhura de fresagem de 0,05 mm. A estrutura final flutuante garante a mudança na profundidade da ranhura durante o processamento, enquanto a estrutura flutuante axial resulta num aprofundamento gradual da ranhura.

(3) Geometria Simétrica

Uma estrutura simétrica da máquina-ferramenta minimiza a deformação térmica e o desvio da ponta da ferramenta. O centro de microusinagem YMC430 é um exemplo de máquina que considerou o desempenho térmico em seu projeto. Possui layout totalmente simétrico, com colunas e vigas integradas em forma de H, corrediça de fuso circular e motores lineares para os três eixos móveis. Os dois eixos rotativos utilizam acionamento direto, minimizando o atrito e a transmissão mecânica.

3. Medidas de resfriamento razoáveis

(1) O refrigerante durante o processamento afeta diretamente a precisão do processamento.

Um teste comparativo foi realizado em uma retificadora dupla face GRV450C e mostrou que o tratamento de troca de calor do líquido de resfriamento por meio de um refrigerador melhora muito a precisão do processamento.

Os métodos tradicionais de fornecimento de refrigerante faziam com que o tamanho da peça ficasse fora da tolerância após 30 minutos, enquanto o uso de um refrigerador permitia o processamento normal por mais de 70 minutos. O tamanho excessivo da peça após 80 minutos deveu-se à necessidade de aparar o rebolo, que retirou lascas de metal da superfície do rebolo. A precisão original da usinagem foi imediatamente restaurada após o corte e o efeito foi muito perceptível.

Da mesma forma, o resfriamento forçado do fuso também pode resultar em resultados muito bons.

(2) Aumentar a área de resfriamento natural.

Por exemplo, adicionar áreas de resfriamento de ar natural à estrutura da caixa do eixo principal também pode desempenhar um papel importante na dissipação de calor em uma oficina com boa circulação de ar.

(3) Remoção oportuna de chips.

A remoção oportuna ou em tempo real de cavacos de alta temperatura da peça de trabalho, mesa e ferramenta reduz bastante o aumento de temperatura e a deformação térmica de peças críticas.

Perspectiva e Visão

O controle da deformação térmica de máquinas-ferramentas é uma questão crucial na usinagem de precisão moderna e os fatores que a influenciam são altamente complexos. A combinação de alta velocidade, eficiência e precisão no processamento de corte moderno agrava o problema e tem atraído atenção significativa da indústria de fabricação de máquinas-ferramenta.

Pesquisadores da indústria de máquinas-ferramenta, tanto nacional quanto internacionalmente, fizeram progressos significativos na compreensão desta questão por meio de extensas pesquisas, tornando a deformação térmica de máquinas-ferramenta uma teoria fundamental na área.

Este artigo examina o impacto do projeto e dos métodos de aplicação, medição e análise no desempenho térmico de máquinas-ferramentas e propõe medidas para melhorar o projeto.

Para otimizar o desempenho térmico das máquinas-ferramentas, devem ser tomadas as seguintes medidas:

• Durante a fase de projeto de máquinas-ferramentas modernas de alta tecnologia, considere as condições ambientais onde a máquina-ferramenta será usada.
• Controle e configure a fonte de calor. Isto envolve a gestão do consumo e da fonte de energia, a adoção de novas estruturas, a redução das fontes de calor de fricção secundária e a melhoria da eficiência energética.
• Reavalie o pensamento tradicional e eleve a importância dos sistemas de refrigeração, dissipação de calor, lubrificação e remoção de cavacos, de componentes auxiliares a componentes essenciais.
• Considerar a simetria da estrutura e a direção da deformação térmica no projeto, para minimizar o impacto da deformação térmica na precisão, principalmente por meio de pesquisa e aplicação de modelos matemáticos para a deformação térmica de peças estruturais, que podem fornecer orientação quantitativa para a deformação térmica projeto de controle.