Werkzeugmaschinen werden durch Änderungen der Umgebungstemperatur in der Werkstatt, Motorerwärmung und mechanische Bewegungsreibungswärme, Schneidwärme und Kühlmedien beeinflusst, was zu einem ungleichmäßigen Temperaturanstieg in verschiedenen Teilen der Werkzeugmaschine und damit zu Änderungen in der Formgenauigkeit und Bearbeitung führt Genauigkeit der Werkzeugmaschine.
Fall 1: Eine 70 mm × 1650 mm große Schraube wird auf einer gewöhnlichen Präzisions-CNC-Fräsmaschine bearbeitet. Verglichen mit dem Werkstück, das zwischen 7:30 und 9:00 Uhr gefräst wurde, und dem Werkstück, das zwischen 14:00 und 15:30 Uhr bearbeitet wurde, kann die Änderung des kumulativen Fehlers bis zu 85 m betragen. Unter konstanten Temperaturbedingungen kann der Fehler auf 40 m reduziert werden.
Fall 2: Ein Präzisions-Doppelseiten-Planschleifer zum beidseitigen Schleifen von dünnen Stahlwerkstücken mit einer Dicke von 0,6 bis 3,5 mm. Bei der Abnahme kann das 200 mm × 25 mm × 1,08 mm große Stahlwerkstück mit einer Maßgenauigkeit von mm bearbeitet werden, und die Krümmung liegt innerhalb der Gesamtlänge von weniger als 5 m. Nach einer Stunde ununterbrochenem automatischen Schleifen vergrößerte sich der Größenänderungsbereich jedoch auf 12 m und die Kühlmitteltemperatur stieg von 17 °C beim Start auf 45 °C. Durch den Einfluss der Schleifwärme verlängert sich der Spindelzapfen und das Spindelvorderlagerspiel vergrößert sich. Auf dieser Grundlage wurde dem Kühlmitteltank der Werkzeugmaschine ein 5,5-kW-Kühlschrank hinzugefügt, und der Effekt war sehr ideal.
Die Praxis hat gezeigt, dass die Verformung von Werkzeugmaschinen nach dem Erhitzen ein wichtiger Grund für die Bearbeitungsgenauigkeit ist. Allerdings befinden sich Werkzeugmaschinen in einer Umgebung, in der sich die Temperatur jederzeit und überall ändert; Die Werkzeugmaschine selbst verbraucht beim Arbeiten zwangsläufig Energie, und ein erheblicher Teil dieser Energie wird auf verschiedene Weise in Wärme umgewandelt, was zu physikalischen Veränderungen in den verschiedenen Komponenten der Werkzeugmaschine führt. Diese Änderung ist darauf zurückzuführen, dass sie aufgrund unterschiedlicher Bauformen, Materialunterschiede und anderer Gründe stark variieren. Konstrukteure von Werkzeugmaschinen sollten den Wärmebildungsmechanismus und die Temperaturverteilungsregeln verstehen und entsprechende Maßnahmen ergreifen, um die Auswirkungen der thermischen Verformung auf die Bearbeitungsgenauigkeit zu minimieren.
Unser Land hat ein riesiges Territorium und die meisten Gebiete liegen in subtropischen Gebieten. Die Temperatur schwankt im Laufe des Jahres stark und der Temperaturunterschied ändert sich innerhalb eines Tages. Infolgedessen können Menschen auf unterschiedliche Weise und in unterschiedlichem Ausmaß auf die Innentemperatur (z. B. in Werkstätten) einwirken, und die Temperaturatmosphäre in der Nähe von Werkzeugmaschinen variiert stark.
Beispielsweise beträgt die saisonale Temperaturschwankung in der Region des Jangtse-Deltas etwa 45 °C, und die Temperaturschwankungen bei Tag und Nacht betragen etwa 5 °C bis 12 °C. Maschinenwerkstätten verfügen im Winter in der Regel über keine Heizung und im Sommer über keine Klimaanlage. Solange die Werkstatt jedoch gut belüftet ist, ändert sich am Temperaturgefälle in der Maschinenhalle nicht viel. Im Nordosten kann der jahreszeitliche Temperaturunterschied bis zu 60 °C betragen, und die Schwankungen zwischen Tag und Nacht betragen etwa 8 bis 15 °C. Die Heizperiode dauert von Ende Oktober bis Anfang April des Folgejahres. Die Maschinenhalle ist auf Heizung und unzureichende Luftzirkulation ausgelegt. Der Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenbereich der Werkstatt kann bis zu 50℃ betragen. Daher ist der Temperaturverlauf in der Werkstatt im Winter sehr kompliziert. Die Außentemperatur betrug während der Messung 1,5°C und die Zeitspanne lag zwischen 8:15 und 8:35 Uhr. Die Temperaturänderung in der Werkstatt betrug etwa 3,5°C. Die Bearbeitungsgenauigkeit von Präzisionswerkzeugmaschinen wird stark von der Umgebungstemperatur in einer solchen Werkstatt beeinflusst.
Die Umgebung der Werkzeugmaschine bezieht sich auf die thermische Umgebung, die durch verschiedene Anordnungen im Nahbereich der Werkzeugmaschine gebildet wird. Sie umfassen die folgenden 3 Aspekte.
1) Werkstatt-Mikroklima: etwa die Temperaturverteilung in der Werkstatt (vertikale Richtung, horizontale Richtung). Die Raumtemperatur ändert sich langsam, wenn sich Tag und Nacht ändern oder wenn sich Klima und Belüftung ändern.
2) Wärmequellen in der Werkstatt: z. B. Sonneneinstrahlung, Heizgeräte und Strahlung von Hochleistungsbeleuchtungslampen. Wenn sie sich in der Nähe der Werkzeugmaschine befinden, können sie über einen längeren Zeitraum hinweg direkt den Temperaturanstieg der gesamten Werkzeugmaschine oder eines Teils davon beeinflussen. Die während des Betriebs von benachbarten Geräten erzeugte Wärme beeinflusst den Temperaturanstieg der Werkzeugmaschine in Form von Strahlung oder Luftströmung.
3) Wärmeableitung: Das Fundament hat eine gute Wärmeableitungswirkung. Insbesondere das Fundament von Präzisionswerkzeugmaschinen sollte nicht in der Nähe von unterirdischen Heizungsrohren liegen. Sobald es kaputt geht und undicht wird, kann es zu einer Wärmequelle werden, deren Ursache schwer zu finden ist; Eine offene Werkstatt ist ein gutes „Wärmeableitungsgerät“, das sich positiv auf den Temperaturausgleich in der Werkstatt auswirkt.
4) Konstante Temperatur: Der Einsatz von Konstanttemperaturanlagen in Werkstätten ist sehr effektiv für die Aufrechterhaltung der Präzision und Bearbeitungsgenauigkeit von Präzisionswerkzeugmaschinen, verbraucht jedoch viel Energie.
1) Strukturwärmequelle von Werkzeugmaschinen. Motoren, die Wärme erzeugen, wie Spindelmotoren, Vorschubservomotoren, Kühl- und Schmierpumpenmotoren, elektrische Steuerkästen usw., können alle Wärme erzeugen. Diese Situationen sind für den Motor selbst zulässig, wirken sich jedoch erheblich nachteilig auf Komponenten wie Spindel und Kugelumlaufspindel aus und es sollten Maßnahmen zu deren Isolierung ergriffen werden. Wenn die zugeführte elektrische Energie den Motor zum Laufen bringt, wird der größte Teil davon, mit Ausnahme eines kleinen Teils (ca. 20 %), der in Motorwärmeenergie umgewandelt wird, durch den Bewegungsmechanismus, z. B. Spindeldrehung oder Werkbankbewegung, in kinetische Energie umgewandelt , usw.; aber zwangsläufig gibt es immer noch einen beträchtlichen Teil. Es wird während der Bewegung in Reibungswärme umgewandelt, beispielsweise in Lagern, Führungsschienen, Kugelumlaufspindeln, Getriebegehäusen und anderen Mechanismen.
2) Reduzierung der Hitze im Prozess. Während des Schneidvorgangs wird ein Teil der kinetischen Energie des Werkzeugs oder Werkstücks in der Schneidarbeit verbraucht und ein erheblicher Teil in die Verformungsenergie des Schneidens und die Reibungswärme zwischen Span und Werkzeug umgewandelt, wodurch das Werkzeug, die Spindel, entsteht Dabei kommt es zu einer Erwärmung von Werkstück und Werkstück, wobei eine große Menge der Spanwärme auf die Werkbankhalterung der Werkzeugmaschine übertragen wird. und andere Teile. Sie wirken sich direkt auf die relative Position zwischen Werkzeug und Werkstück aus.
3) Abkühlen. Die Kühlung ist eine umgekehrte Maßnahme gegen den Anstieg der Werkzeugmaschinentemperatur, wie z. B. Motorkühlung, Spindelkomponentenkühlung und grundlegende Strukturkomponentenkühlung. High-End-Werkzeugmaschinen sind oft mit einem Kühlschrank für den Schaltkasten ausgestattet, um eine Zwangskühlung zu gewährleisten.
Die Diskussion der Strukturform von Werkzeugmaschinen im Bereich der thermischen Verformung von Werkzeugmaschinen bezieht sich normalerweise auf Themen wie Strukturform, Massenverteilung, Materialeigenschaften und Wärmequellenverteilung. Die Bauform beeinflusst die Temperaturverteilung, die Wärmeleitungsrichtung, die thermische Verformungsrichtung und die Abstimmung der Werkzeugmaschine.
1) Die Bauform der Werkzeugmaschine. Im Hinblick auf die Gesamtstruktur umfassen Werkzeugmaschinen vertikale, horizontale, Portal- und Auslegertypen usw., und ihre thermische Reaktion und Stabilität sind sehr unterschiedlich. Beispielsweise kann der Temperaturanstieg im Spindelgehäuse einer Getriebedrehmaschine bis zu 35 °C betragen, wodurch sich das Spindelende anhebt und die thermische Gleichgewichtszeit etwa 2 Stunden beträgt. Was das Schrägbett-Präzisionsdreh- und Fräsbearbeitungszentrum betrifft, so verfügt die Werkzeugmaschine über eine stabile Basis. Die Steifigkeit der gesamten Maschine wird deutlich verbessert. Die Hauptwelle wird von einem Servomotor angetrieben und der Getriebeteil ist entfernt. Der Temperaturanstieg beträgt im Allgemeinen weniger als 15 °C.
2) Der Einfluss der Wärmequellenverteilung. Bei Werkzeugmaschinen wird als Wärmequelle meist der Motor angesehen. Wie Spindelmotor, Vorschubmotor und Hydrauliksystem usw. sind tatsächlich unvollständig. Die vom Motor erzeugte Wärme ist nur die Energie, die der Strom in der Ankerimpedanz unter Last verbraucht, und ein erheblicher Teil der Energie wird durch die Wärme verbraucht, die durch die Reibungsarbeit von Lagern, Schraubenmuttern, Führungsschienen usw. entsteht andere Mechanismen. Daher kann der Motor als primäre Wärmequelle bezeichnet werden und die Lager, Muttern, Führungsschienen und Späne werden als sekundäre Wärmequellen bezeichnet. Die thermische Verformung ist das Ergebnis des kombinierten Einflusses all dieser Wärmequellen.
Temperaturanstieg und Verformung eines säulenmobilen vertikalen Bearbeitungszentrums während der Vorschubbewegung in Y-Richtung. Der Arbeitstisch bewegt sich beim Vorschub in Y-Richtung nicht und hat daher nur geringe Auswirkungen auf die thermische Verformung in X-Richtung. An der Säule gilt: Je weiter entfernt von der Y-Achsen-Führungsschraube, desto geringer ist der Temperaturanstieg.
Die Situation, in der sich die Maschine in der Z-Achse bewegt, verdeutlicht zusätzlich den Einfluss der Wärmequellenverteilung auf die thermische Verformung. Der Vorschub der Z-Achse ist weiter von der X-Richtung entfernt, sodass die Auswirkungen der thermischen Verformung geringer sind. Je näher die Säule an der Z-Achsen-Motormutter ist, desto größer ist der Temperaturanstieg und die Verformung.
3) Der Einfluss der Massenverteilung. Der Einfluss der Massenverteilung auf die thermische Verformung von Werkzeugmaschinen hat drei Aspekte. Erstens bezieht es sich auf die Größe und Konzentration der Masse, normalerweise auf die Änderung der Wärmekapazität und der Wärmeübertragungsgeschwindigkeit sowie auf die Änderung der Zeit bis zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts. Zweitens: Verbesserung der thermischen Steifigkeit der Struktur durch Änderung der Anordnung der Masse, beispielsweise der Anordnung verschiedener Rippen. Reduzieren Sie bei gleichem Temperaturanstieg den Einfluss der thermischen Verformung oder halten Sie die relative Verformung klein; Drittens bezieht es sich auf die Änderung der Form der Massenanordnung, beispielsweise durch die Anordnung von Wärmeableitungsrippen außerhalb der Struktur, um den Temperaturanstieg von Werkzeugmaschinenkomponenten zu reduzieren.
4) Einfluss der Materialeigenschaften: Verschiedene Materialien haben unterschiedliche thermische Leistungsparameter (spezifische Wärme, Wärmeleitfähigkeit und linearer Ausdehnungskoeffizient). Unter dem Einfluss der gleichen Wärme sind ihr Temperaturanstieg und ihre Verformung unterschiedlich.
Aus der obigen Analyse und Diskussion geht hervor, dass der Temperaturanstieg und die thermische Verformung der Werkzeugmaschine verschiedene Faktoren haben, die sich auf die Bearbeitungsgenauigkeit auswirken. Wenn wir Kontrollmaßnahmen ergreifen, sollten wir den Hauptwiderspruch begreifen und uns darauf konzentrieren, ein oder zwei Maßnahmen zu ergreifen, um mit halbem Aufwand das doppelte Ergebnis zu erzielen. Beim Design sollten wir von vier Richtungen ausgehen: Reduzierung der Wärmeerzeugung, Reduzierung des Temperaturanstiegs, strukturelles Gleichgewicht und angemessene Kühlung.
Die Kontrolle von Wärmequellen ist eine grundlegende Maßnahme. Bei der Auslegung sollten Maßnahmen getroffen werden, um den Heizwert der Wärmequelle wirksam zu reduzieren.
1) Wählen Sie die Nennleistung des Motors angemessen aus.
Die Ausgangsleistung P des Motors ist gleich dem Produkt aus Spannung V und Strom I. Unter normalen Umständen ist die Spannung V konstant. Daher bedeutet eine Erhöhung der Last, dass die Ausgangsleistung des Motors zunimmt, das heißt, dass auch der entsprechende Strom I zunimmt und dann der Strom zunimmt. Wenn der von uns entworfene und ausgewählte Motor längere Zeit nahe der Nennleistung arbeitet oder diese deutlich überschreitet, steigt die Temperatur des Motors deutlich an. Zu diesem Zweck wurde ein Vergleichstest mit dem Fräskopf der BK50 CNC-Nadelnutfräsmaschine (Motordrehzahl: 960 U/min; Umgebungstemperatur: 12 °C) durchgeführt.
Aus den obigen Experimenten ergeben sich die folgenden Konzepte: Unter dem Gesichtspunkt der Leistung der Wärmequelle ist es bei der Auswahl der Nennleistung, unabhängig davon, ob es sich um einen Spindelmotor oder einen Vorschubmotor handelt, am besten, eine Leistung zu wählen, die etwa 25 % größer ist als die berechnete Leistung. Im tatsächlichen Betrieb stimmt die Ausgangsleistung des Motors mit der Last überein. Eine entsprechende Erhöhung der Nennleistung des Motors hat kaum Auswirkungen auf den Energieverbrauch. Aber es kann den Temperaturanstieg des Motors effektiv reduzieren.
2) Ergreifen Sie geeignete bauliche Maßnahmen, um den Heizwert der sekundären Wärmequelle zu reduzieren und den Temperaturanstieg zu reduzieren.
Beispielsweise sollte bei der Konstruktion der Spindelstruktur die Koaxialität der vorderen und hinteren Lager verbessert und hochpräzise Lager verwendet werden. Wenn möglich, tauschen Sie die Gleitführungsschiene gegen eine lineare Rollführungsschiene aus oder verwenden Sie einen Linearmotor. Diese neuen Technologien können Reibung, Wärmeentwicklung und Temperaturanstieg wirksam reduzieren.
3) Aus technologischer Sicht wird das Hochgeschwindigkeitsschneiden übernommen. Basierend auf dem Mechanismus des Hochgeschwindigkeitsschneidens.
Wenn die lineare Geschwindigkeit des Metallschneidens einen bestimmten Bereich überschreitet, hat das zu schneidende Metall keine Zeit, sich plastisch zu verformen, es wird keine Verformungswärme an den Spänen erzeugt und der größte Teil der Schneidenergie wird in kinetische Energie der Späne umgewandelt wird weggenommen.
In Werkzeugmaschinen sind immer Wärmequellen vorhanden, und es muss weiter darauf geachtet werden, wie Richtung und Geschwindigkeit der Wärmeübertragung zur Reduzierung thermischer Verformungen beitragen können. Oder die Struktur weist eine gute Symmetrie auf, sodass die Wärmeübertragung entlang der symmetrischen Richtung erfolgt, die Temperaturverteilung gleichmäßig ist und sich die Verformungen gegenseitig aufheben und eine thermische Affinitätsstruktur bilden.
1) Vorspannung und thermische Verformung.
Bei schnelleren Vorschubsystemen werden die beiden Enden der Kugelumlaufspindel häufig axial fixiert, um eine Vorspannung zu erzeugen. Diese Struktur verbessert nicht nur die dynamische und statische Stabilität bei Hochgeschwindigkeitsvorschüben, sondern spielt auch eine wichtige Rolle bei der Reduzierung thermischer Verformungsfehler.
Der Temperaturanstieg der um 35 m vorgestreckten axial festen Struktur innerhalb der Gesamtlänge von 600 mm ist bei unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten relativ ähnlich. Der kumulative Fehler der vorgestreckten Struktur mit zwei fixierten Enden ist deutlich kleiner als der der Struktur, bei der ein Ende fixiert ist und das andere Ende frei gedehnt werden kann. In der axial fixierten vorgespannten Struktur an beiden Enden ändert der durch die Erwärmung verursachte Temperaturanstieg hauptsächlich den Spannungszustand innerhalb der Schraube von Zugspannung auf Nullspannung oder Druckspannung. Daher hat es nur geringe Auswirkungen auf die Verschiebungsgenauigkeit.
2) Ändern Sie die Struktur und ändern Sie die Richtung der thermischen Verformung.
Der Z-Achsen-Spindelschlitten einer CNC-Nadelnutfräsmaschine, die verschiedene axiale Fixierungsstrukturen für Kugelumlaufspindeln verwendet, erfordert während der Bearbeitung einen Fräsnuttiefenfehler von 5 m. Mithilfe einer axial schwebenden Struktur am unteren Ende der Schraube vertieft sich die Rillentiefe innerhalb von 2 Stunden nach der Verarbeitung schrittweise von 0 auf 0,045 mm. Im Gegenteil kann die Verwendung einer Struktur mit schwimmendem oberen Ende der Schraube dafür sorgen, dass sich die Nuttiefe ändert.
3) Die Symmetrie der geometrischen Form der Werkzeugmaschinenstruktur kann den Trend der thermischen Verformung konsistent machen und die Drift des Werkzeugspitzenpunkts minimieren.
Beispielsweise ist das von der japanischen Yasda Precision Tools Company eingeführte Mikrobearbeitungszentrum YMC430 eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsmaschine im Submikrometerbereich. Bei der Konstruktion der Werkzeugmaschine wird die thermische Leistung vollständig berücksichtigt.
Zunächst wird ein völlig symmetrischer Aufbau in den Maschinenaufbau übernommen. Bei den Stützen und Trägern handelt es sich um integrierte H-förmige Strukturen, die einer Doppelsäulenstruktur entsprechen und eine gute Symmetrie aufweisen. Auch der annähernd kreisförmige Spindelschlitten ist sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung symmetrisch.
Die Vorschubantriebe der drei beweglichen Achsen nutzen alle Linearmotoren, was die Erzielung einer Symmetrie im Aufbau erleichtert. Die beiden Drehachsen nutzen Direktantriebe zur Minimierung von Reibungsverlusten und mechanischer Übertragung.
1) Das Kühlmittel während der Bearbeitung hat einen direkten Einfluss auf die Bearbeitungsgenauigkeit.
Ein Vergleichstest wurde mit dem Doppelendschleifer GRV450C durchgeführt. Tests zeigen, dass der Wärmeaustausch des Kühlmittels mit Hilfe eines Kühlschranks sehr effektiv zur Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit beiträgt.
Bei Verwendung der herkömmlichen Methode der Kühlmittelzufuhr liegt die Werkstückgröße nach 30 Minuten außerhalb der Toleranz. Nach der Nutzung eines Kühlschranks kann die normale Verarbeitung länger als 70 Minuten dauern. Der Hauptgrund dafür, dass die Werkstückgröße nach 80 Minuten außerhalb der Toleranz liegt, besteht darin, dass die Schleifscheibe abgerichtet werden muss (um Metallspäne auf der Schleifscheibenoberfläche zu entfernen) und die ursprüngliche Bearbeitungsgenauigkeit sofort nach dem Abrichten wiederhergestellt werden kann. Der Effekt ist sehr offensichtlich. Ebenso sind von der Zwangskühlung der Spindel sehr gute Ergebnisse zu erwarten.
2) Erhöhen Sie die natürliche Kühlfläche.
Beispielsweise kann durch das Hinzufügen einer natürlichen Luftkühlungsfläche zur Spindelkastenstruktur auch in einer Werkstatt mit guter Luftzirkulation ein guter Wärmeableitungseffekt erzielt werden.
3) Zeitnahe automatische Spanabfuhr.
Das rechtzeitige oder Echtzeit-Auswerfen von Hochtemperaturspänen aus dem Werkstück, der Werkbank und den Werkzeugteilen ist sehr hilfreich, um den Temperaturanstieg und die thermische Verformung wichtiger Teile zu reduzieren.
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