Comprender el impacto de la temperatura en la precisión del mecanizado CNC

La deformación térmica es uno de los factores que afectan la precisión del mecanizado.

La deformación térmica afecta la precisión del mecanizado de varias maneras. Los cambios en la temperatura ambiente del taller, el calentamiento por fricción debido al funcionamiento del motor y el movimiento mecánico, el calor de corte y el medio de enfriamiento pueden provocar aumentos desiguales de temperatura en varias partes de la máquina herramienta, lo que provoca cambios en la precisión de la forma y el mecanizado de precisión.

Por ejemplo, al mecanizar un tornillo de 70 mm x 1650 mm en una fresadora CNC de precisión común, el cambio de error acumulativo entre las piezas procesadas de 7:30 a. m. a 9:00 a. m. y las procesadas de 2:00 p. m. a 3:30 p. m. puede alcanzar hasta 85 m. Sin embargo, en condiciones de temperatura constante, el error se puede reducir a 40 m.

Otro ejemplo es una máquina rectificadora de precisión de doble superficie utilizada para el rectificado por ambos lados de piezas delgadas de chapa de acero con un espesor de 0,6 a 3,5 mm. Después de un rectificado automático continuo durante 1 hora, el rango de cambio dimensional aumenta a 12 m y la temperatura del refrigerante aumenta de 17 °C al inicio a 45 °C. Este aumento de temperatura hace que el muñón del husillo se alargue y aumente la holgura del rodamiento delante del husillo. Agregar un enfriador de 5,5 kW al tanque de refrigerante de la máquina ha demostrado ser efectivo en esta situación.

En conclusión, la deformación térmica es un factor importante que afecta la precisión del mecanizado, especialmente en un entorno donde la temperatura cambia constantemente. La máquina herramienta consume energía durante el funcionamiento y una parte importante de esta energía se convierte en calor, provocando cambios físicos en varios componentes de la máquina herramienta. Los diseñadores de máquinas herramienta deben comprender el mecanismo de formación de calor y las reglas de distribución de temperatura y tomar medidas para minimizar el impacto de la deformación térmica en la precisión del mecanizado.

Aumento de la temperatura y distribución de las máquinas herramienta y la influencia del clima natural.

1. Impacto climático natural

China es un país grande, ubicado principalmente en los subtrópicos. La temperatura varía mucho a lo largo del año y presenta diferentes fluctuaciones térmicas durante el día. Como resultado, las intervenciones de las personas para regular la temperatura en una habitación, como en el taller, también varían, y la temperatura alrededor de la máquina herramienta es muy diferente.

Por ejemplo, en el delta del río Yangtze, la variación estacional de temperatura es de aproximadamente 45°C, y el cambio de temperatura entre el día y la noche es de aproximadamente 5-12°C. El taller de mecanizado generalmente no tiene calefacción en invierno ni aire acondicionado en verano, pero mientras el taller esté bien ventilado, el gradiente de temperatura en el taller no cambia mucho.

En el noreste de China, la diferencia de temperatura estacional puede alcanzar los 60°C, y el cambio entre el día y la noche es de unos 8-15°C. El período de calefacción es desde finales de octubre hasta principios de abril del año siguiente, y el taller de mecanizado está diseñado para proporcionar calefacción en caso de circulación de aire insuficiente. La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior del taller puede alcanzar los 50°C, provocando un complicado gradiente de temperatura en invierno. Por ejemplo, cuando se mide entre las 8:15 am y las 8:35 am, la temperatura exterior es de 1,5 °C y el cambio de temperatura en el taller es de aproximadamente 3,5 °C.

La temperatura ambiente en un taller de este tipo puede afectar en gran medida la precisión del mecanizado de las máquinas herramienta de precisión.

2. Influencia del entorno circundante

El entorno circundante de una máquina herramienta se refiere al entorno térmico formado por diversos factores en las proximidades de la máquina herramienta. Estos factores incluyen:

(1) Microclima del taller: como la distribución de la temperatura en el taller, que cambia lentamente con los cambios de día y noche, clima o ventilación.

(2) Fuentes de calor del taller: como radiación solar, equipos de calefacción e iluminación de alta potencia. Estas fuentes, cuando están cercanas a la máquina herramienta, pueden tener un efecto directo y duradero en el aumento de la temperatura de toda o parte de la máquina herramienta. El calor generado por los equipos adyacentes durante la operación también puede afectar el aumento de temperatura de la máquina herramienta a través de la radiación o el flujo de aire.

(3) Disipación de calor: los cimientos deben poder disipar el calor de manera efectiva, especialmente los cimientos de máquinas herramienta de precisión, que no deben ubicarse cerca de tuberías de calefacción subterráneas. Si una tubería se rompe y tiene fugas, puede convertirse en una fuente de calor difícil de localizar, pero un taller abierto puede servir como un buen “radiador” y ayudar a igualar la temperatura en el taller.

(4) Temperatura constante: Mantener una temperatura constante en el taller puede preservar eficazmente la precisión del procesamiento y la exactitud de las máquinas herramienta de precisión, pero también puede generar un alto consumo de energía.

3. No hay factores de influencia térmica dentro de la máquina herramienta.

(1) Fuentes de calor estructurales de máquinas herramienta.

El calentamiento de motores como el motor del husillo, el motor de servoalimentación, el motor de la bomba de refrigeración y lubricación, la caja de control eléctrico, etc. puede generar calor. Si bien estas condiciones son aceptables para los propios motores, tienen un impacto significativo en componentes como el husillo y el husillo de bolas. Se deben tomar medidas para aislarlos.

Cuando la energía eléctrica hace funcionar el motor, la mayor parte se convierte en energía cinética mediante mecanismos de movimiento como la rotación del husillo y el movimiento de la mesa, mientras que una pequeña parte (alrededor del 20%) se convierte en energía térmica del motor. Sin embargo, una parte considerable se convierte inevitablemente en calor de fricción durante el movimiento. Componentes como rodamientos, carriles guía, husillos de bolas y engranajes también generan calor.

(2) Corte de calor durante el proceso

Durante el proceso de corte, parte de la energía cinética de la herramienta o pieza de trabajo es consumida por el trabajo de corte. Una parte importante se convierte en energía de deformación de corte y calor de fricción entre la viruta y la herramienta, lo que genera calor en la herramienta, el husillo y la pieza de trabajo. Además, una gran cantidad de calor del chip se transmite al soporte de la mesa de la máquina herramienta y a otros componentes, lo que afectará directamente la posición relativa entre la herramienta y la pieza de trabajo.

(3) Enfriamiento

La refrigeración es una contramedida contra el aumento de temperatura de las máquinas herramienta, como la refrigeración de motores, componentes de husillos e infraestructura. Las máquinas herramienta de alta gama suelen utilizar refrigeradores para enfriar sus cajas de control electrónico.

4. La influencia de la estructura de la máquina herramienta en el aumento de temperatura.

En el campo de la deformación térmica de máquinas herramienta, la estructura de la máquina herramienta generalmente se denomina en términos de su forma estructural, distribución de masa, propiedades del material y distribución de la fuente de calor. La forma de la estructura afecta la distribución de la temperatura, la dirección de conducción del calor, la dirección de la deformación térmica y la adaptación de la máquina herramienta, entre otros factores.

(1) Forma estructural de la máquina herramienta: en términos de estructura general, las máquinas herramienta pueden ser de tipo vertical, horizontal, de pórtico o voladizo, que tienen grandes diferencias en respuesta térmica y estabilidad. Por ejemplo, el aumento de temperatura de un cabezal de torno con cambio de marchas puede alcanzar los 35 °C y se necesitan aproximadamente 2 horas para alcanzar el equilibrio térmico cuando se levanta el extremo del husillo. Por el contrario, el aumento de temperatura para un centro de mecanizado de torneado y fresado de precisión de tipo base inclinada es generalmente inferior a 15°C ya que tiene una base estable que mejora la rigidez de toda la máquina y un servomotor que impulsa el eje principal.

(2) Influencia de la distribución de la fuente de calor: las máquinas herramienta generalmente consideran el motor eléctrico como la fuente de calor, como el motor del husillo, el motor de alimentación, el sistema hidráulico, etc. Sin embargo, esta es una visión incompleta, ya que una parte considerable de la energía se consume por el calentamiento provocado por el trabajo de fricción. de rodamientos, tuercas, carriles guía y virutas. El motor puede considerarse una fuente de calor primaria, mientras que los cojinetes, tuercas, rieles guía y virutas pueden considerarse fuentes de calor secundarias, y la deformación térmica es el resultado de sus efectos combinados.

(3) Efecto de la distribución de masa: La influencia de la distribución de masa en la deformación térmica tiene tres aspectos: (i) tamaño y concentración de masa, que afectan la capacidad calorífica y la velocidad de transferencia de calor, y el tiempo para alcanzar el equilibrio térmico, (ii) cambio en la calidad del diseño, como agregar múltiples nervaduras para mejorar la rigidez térmica, reducir la deformación térmica o mantener pequeña la deformación relativa bajo el mismo aumento de temperatura, y (iii) reducir el aumento de temperatura de los componentes de la máquina herramienta cambiando la forma de la calidad. disposición, como agregar nervaduras de disipación de calor fuera de la estructura.

(4) Influencia de las propiedades del material: diferentes materiales tienen diferentes parámetros de rendimiento térmico, como calor específico, conductividad térmica y coeficiente de expansión lineal. Bajo el mismo calor, el aumento de temperatura y la deformación serán diferentes.

Prueba de rendimiento térmico de máquina herramienta

1. Propósito de la prueba de rendimiento térmico de la máquina herramienta

La clave para controlar la deformación térmica en máquinas herramienta es una comprensión profunda de los cambios en la temperatura ambiente, las fuentes de calor y los cambios de temperatura dentro de la máquina herramienta, así como la respuesta de los puntos clave (desplazamiento de la deformación) a través de pruebas térmicas. Al medir las características térmicas de la máquina herramienta, se pueden tomar contramedidas para controlar la deformación térmica y mejorar la precisión y eficiencia de la máquina.

Los siguientes objetivos deben lograrse mediante pruebas:

(1) Prueba del entorno de la máquina: mida la temperatura en el taller, el gradiente de temperatura espacial, los cambios en la distribución de temperatura durante el día y la noche y el impacto de los cambios estacionales en la distribución de temperatura alrededor de la máquina herramienta.

(2) Prueba de características térmicas de la máquina herramienta: elimine la interferencia ambiental tanto como sea posible y mida los cambios de temperatura y desplazamiento de puntos importantes de la máquina herramienta durante varios estados operativos. Registre los cambios de temperatura y los desplazamientos de puntos clave durante un período de tiempo suficiente, utilizando instrumentos de imágenes térmicas infrarrojas para capturar la distribución térmica en cada período de tiempo.

(3) Prueba de aumento de temperatura y deformación térmica durante el procesamiento: evalúe el impacto de la deformación térmica en la precisión del procesamiento midiendo el aumento de temperatura y la deformación térmica durante el procesamiento.

(4) Acumulación de datos y curvas: los experimentos pueden acumular una gran cantidad de datos y curvas, proporcionando criterios confiables para el diseño de máquinas herramienta y el control de la deformación térmica, e indicando la dirección para mediciones efectivas.

2. El principio de la prueba de deformación térmica de la máquina herramienta.

La prueba de deformación térmica comienza midiendo la temperatura de varios puntos relevantes, entre ellos:

(1) Fuente de calor: como motor de alimentación, motor de husillo, par de husillos de bolas, riel guía y cojinetes de husillo de cada pieza.

(2) Dispositivos auxiliares: incluyendo sistema hidráulico, enfriador, sistema de detección de desplazamiento de refrigeración y lubricación.

(3) Estructura mecánica: incluye base, bancada, corredera, columna y caja del cabezal de fresado, así como el husillo. Entre el husillo y la mesa giratoria se fija una sonda de acero indio.

Cinco sensores de contacto están dispuestos en las direcciones X, Y y Z para medir deformaciones integrales en varios estados, simulando el desplazamiento relativo entre la herramienta y la pieza de trabajo.

3. Procesamiento y análisis de datos de prueba.

La prueba de deformación térmica de la máquina herramienta debe realizarse durante un período prolongado y continuo y debe realizarse un registro continuo de datos. Después del análisis y procesamiento, la confiabilidad de las características de deformación térmica reflejada puede ser muy alta, y si el rechazo de errores se lleva a cabo mediante múltiples experimentos, la regularidad mostrada será confiable.

En la prueba de deformación térmica del sistema de husillo se definieron un total de cinco puntos de medición, estando el punto 1 en el extremo del husillo y el punto 2 cerca del cojinete del husillo, y los puntos 4 y 5 ubicados cerca del carril guía en la dirección Z del husillo en la carcasa del cabezal de fresado. La prueba duró 14 horas, con la velocidad del husillo cambiando alternativamente en el rango de 0 a 9000 r/min durante las primeras 10 horas, y luego continuando girando a una alta velocidad de 9000 r/min durante el tiempo restante.

De la prueba se pueden extraer las siguientes conclusiones:

• El tiempo de equilibrio térmico del husillo es de aproximadamente 1 hora y el aumento de temperatura después del equilibrio es de 1,5 ℃.
• El aumento de temperatura proviene principalmente del cojinete del husillo y del motor del husillo. El rendimiento térmico del rodamiento es bueno en el rango de velocidad normal.
• La deformación térmica tiene poco efecto en la dirección X.
• La deformación telescópica en la dirección Z es grande, alrededor de 10 m, debido a la extensión térmica del eje principal y al aumento del juego del rodamiento.
• Cuando la velocidad de rotación continúa a 9000 r/min, la temperatura aumenta bruscamente, alrededor de 7 ℃ en 2,5 horas, con una tendencia ascendente continua. Las deformaciones en las direcciones Y y Z alcanzaron 29 my 37 m, lo que indica que el husillo ya no puede funcionar de manera estable a una velocidad de 9000 rpm, pero puede funcionar durante un corto período de tiempo (20 minutos).

Control de deformación térmica de máquinas herramienta.

Del análisis y discusión, es evidente que el aumento de la temperatura y la deformación térmica de las máquinas herramienta pueden afectar significativamente su precisión de procesamiento. Al tomar medidas de control, es fundamental identificar los principales factores contribuyentes y centrarse en algunas medidas efectivas para lograr resultados óptimos.

En el proceso de diseño, se debe prestar atención a reducir la generación de calor y aumentar la temperatura, crear una estructura equilibrada y proporcionar una refrigeración eficiente.

1. Reducir el fuego

El control de las fuentes de calor es una medida fundamental para reducir el aumento de temperatura y la deformación térmica de las máquinas herramienta. Para lograr esto, se deben seguir los siguientes pasos en el proceso de diseño:

(1) Seleccione razonablemente la potencia nominal del motor: la potencia de salida del motor es proporcional al voltaje y la corriente. En general, el voltaje es constante y un aumento en la carga conduce a un aumento en la potencia y la corriente de salida, lo que resulta en un aumento del calor consumido por la impedancia del inducido. Para minimizar el aumento de temperatura del motor, es mejor seleccionar una potencia nominal aproximadamente un 25% superior a la potencia calculada.

(2) Reducción de la generación de calor a partir de fuentes de calor secundarias: para minimizar el aumento de temperatura de las fuentes de calor secundarias, se deben tomar medidas en el diseño de la estructura de la máquina. Por ejemplo, mejorar la coaxialidad de los cojinetes delanteros y traseros y utilizar cojinetes de alta precisión puede reducir la fricción y la generación de calor. Reemplazar las guías deslizantes con guías rodantes lineales o usar un motor lineal también puede reducir la generación de calor.

(3) Uso de corte de alta velocidad en el proceso de mecanizado: el corte de alta velocidad reduce la generación de calor durante el proceso de corte. Cuando la velocidad lineal de corte de metal está por encima de un cierto rango, el metal no tiene tiempo de sufrir deformación plástica y no se genera calor de deformación en las virutas. La mayor parte de la energía de corte se convierte en energía cinética de la viruta y se elimina.

dos. Equilibrio estructural para reducir la deformación térmica.

El control de la deformación térmica en máquinas herramienta requiere atención a la dirección y velocidad de la transferencia de calor para reducir sus efectos. Una estructura simétrica ayuda a distribuir el calor de manera uniforme, reduciendo la deriva y la deformación.

(1) Pretensado y Deformación Térmica

En los sistemas de alimentación de alta velocidad, los husillos de bolas suelen estar pretensados ​​en ambos extremos para reducir los errores de deformación térmica. La estructura de pretensión axial reduce el error acumulativo respecto a una estructura fija por un extremo y libre por el otro. El efecto principal del aumento de temperatura en esta estructura es cambiar la tensión de tracción a cero o compresión, lo que tiene poco efecto sobre la precisión del desplazamiento.

(2) Cambiar la estructura y dirección de la deformación.

El deslizamiento del husillo del eje Z de una fresadora de ranura de aguja CNC con una estructura de sujeción axial de tornillo de bolas diferente requiere un error de ranura de fresado de 0,05 mm. La estructura flotante final asegura el cambio en la profundidad de la ranura durante el procesamiento, mientras que la estructura flotante axial da como resultado una profundización gradual de la ranura.

(3) Geometría simétrica

Una estructura simétrica de máquina herramienta minimiza la deformación térmica y el descentramiento de la punta de la herramienta. El centro de micromecanizado YMC430 es un ejemplo de máquina que consideró el rendimiento térmico en su diseño. Tiene una disposición completamente simétrica, con columnas y vigas integradas en forma de H, carro de husillo circular y motores lineales para los tres ejes móviles. Los dos ejes giratorios utilizan accionamiento directo, minimizando la fricción y la transmisión mecánica.

3. Medidas de enfriamiento razonables

(1) El refrigerante durante el procesamiento afecta directamente la precisión del procesamiento.

Se llevó a cabo una prueba comparativa en una rectificadora de doble cara GRV450C y demostró que el tratamiento de intercambio de calor del líquido refrigerante a través de un enfriador mejora enormemente la precisión del procesamiento.

Los métodos tradicionales de suministro de refrigerante provocaban que el tamaño de la pieza estuviera fuera de tolerancia después de 30 minutos, mientras que el uso de un enfriador permitía un procesamiento normal durante más de 70 minutos. El tamaño excesivo de la pieza después de 80 minutos se debió a la necesidad de recortar la muela, lo que eliminó virutas de metal de la superficie de la muela. La precisión del mecanizado original se restauró inmediatamente después del corte y el efecto fue muy notable.

Asimismo, la refrigeración forzada del husillo también puede dar muy buenos resultados.

(2) Aumentar el área de enfriamiento natural.

Por ejemplo, agregar áreas de enfriamiento de aire natural a la estructura principal de la caja de grasa también puede desempeñar un papel importante en la disipación del calor en un taller con buena circulación de aire.

(3) Eliminación oportuna de virutas.

La eliminación oportuna o en tiempo real de virutas de alta temperatura de la pieza de trabajo, la mesa y la herramienta reduce en gran medida el aumento de temperatura y la deformación térmica de piezas críticas.

Perspectiva y Visión

El control de la deformación térmica de las máquinas herramienta es una cuestión crucial en el mecanizado de precisión moderno y los factores que influyen en él son muy complejos. La combinación de alta velocidad, eficiencia y precisión en el procesamiento de corte moderno exacerba el problema y ha atraído una atención significativa por parte de la industria de fabricación de máquinas herramienta.

Los investigadores de la industria de las máquinas herramienta, tanto a nivel nacional como internacional, han logrado avances significativos en la comprensión de este tema a través de una extensa investigación, haciendo de la deformación térmica de las máquinas herramienta una teoría fundamental en este campo.

Este artículo examina el impacto del diseño y la aplicación, los métodos de medición y análisis en el rendimiento térmico de las máquinas herramienta y propone medidas para mejorar el diseño.

Para optimizar el rendimiento térmico de las máquinas herramienta se deben tomar las siguientes medidas:

• Durante la fase de diseño de máquinas herramienta modernas de alta tecnología, considere las condiciones ambientales donde se utilizará la máquina herramienta.
• Controlar y configurar la fuente de calor. Esto implica gestionar el consumo y la fuente de energía, adoptar nuevas estructuras, reducir las fuentes secundarias de calor de fricción y mejorar la eficiencia energética.
• Reevaluar el pensamiento tradicional y elevar la importancia de los sistemas de refrigeración, disipación de calor, lubricación y eliminación de virutas desde componentes auxiliares hasta componentes esenciales.
• Considerar la simetría de la estructura y la dirección de la deformación térmica en el diseño, para minimizar el impacto de la deformación térmica en la precisión, principalmente mediante la investigación y aplicación de modelos matemáticos para la deformación térmica de piezas estructurales, que pueden proporcionar orientación cuantitativa para la deformación térmica. diseño de controles.