Der Einfluss der Temperatur auf die Genauigkeit der CNC-Bearbeitung

Die thermische Verformung ist einer der Gründe, die die Bearbeitungsgenauigkeit beeinträchtigen. Änderungen der Umgebungstemperatur in der Werkstatt, Erwärmung des Motors und mechanische Bewegungsreibung, Schneidwärme und Kühlmedium wirken sich auf die Werkzeugmaschine aus, was zu einem ungleichmäßigen Temperaturanstieg in verschiedenen Teilen der Werkzeugmaschine und damit zu Änderungen der Formgenauigkeit führt und Bearbeitungsgenauigkeit der Werkzeugmaschine. Wenn beispielsweise eine 70 mm × 1650 mm große Schraube auf einer CNC-Fräsmaschine mit normaler Präzision bearbeitet wird, kann der kumulative Fehler des Werkstücks, das um 7:30–9:00 Uhr morgens gefräst wurde, 85 m erreichen, verglichen mit dem Werkstück, das um 2:00–9:00 Uhr bearbeitet wurde. 15:30 Uhr nachmittags. Unter konstanten Temperaturbedingungen kann der Fehler auf 40 m reduziert werden.

Zum Beispiel: Ein Präzisions-Doppelendschleifer, der zum Doppelendschleifen von dünnen Stahlblechwerkstücken mit einer Dicke von 0,6 bis 3,5 mm verwendet wird, kann bei der Bearbeitung von 200 mm × 25 mm × 1,08 mm großen Stahlblechwerkstücken während der Abnahme eine Maßgenauigkeit im Millimeterbereich erreichen Die Krümmung beträgt über die gesamte Länge weniger als 5 m. Nach 1-stündigem kontinuierlichem automatischen Schleifen erhöht sich der Größenänderungsbereich jedoch auf 12 m und die Kühlmitteltemperatur steigt von 17 °C beim Start auf 45 °C. Durch den Einfluss der Schleifwärme verlängert sich der Spindelzapfen und das vordere Lagerspiel der Spindel vergrößert sich. Auf dieser Grundlage wird dem Kühlmitteltank der Werkzeugmaschine ein 5,5-kW-Kühlschrank hinzugefügt, und der Effekt ist sehr ideal. Die Praxis hat gezeigt, dass die Verformung der Werkzeugmaschine nach dem Erhitzen ein wichtiger Faktor für die Bearbeitungsgenauigkeit ist. Allerdings befindet sich die Werkzeugmaschine 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 Komponenten der Werkzeugmaschine führt. Diese Veränderung ist aufgrund unterschiedlicher Bauformen und Materialunterschiede sehr unterschiedlich. Konstrukteure von Werkzeugmaschinen sollten den Entstehungsmechanismus von Wärme und das Gesetz der Temperaturverteilung beherrschen und entsprechende Maßnahmen ergreifen, um die Auswirkungen der thermischen Verformung auf die Bearbeitungsgenauigkeit zu minimieren.

1. Die Werkzeugmaschine wird durch Temperaturanstieg, Temperaturverteilung und natürliches Klima beeinflusst

Auch die Art und Weise und das Ausmaß der Eingriffe der Menschen in die Innentemperatur (z. B. in der Werkstatt) sind unterschiedlich, und die Temperaturatmosphäre rund um die Werkzeugmaschine variiert stark. Der Temperaturverlauf im Winter ist sehr komplex. Bei der Messung beträgt die Außentemperatur 1,5℃, die Zeit ist 8:15-8:35 Uhr morgens und die Temperatur in der Werkstatt ändert sich um etwa 3,5℃. Die Bearbeitungsgenauigkeit von Präzisionswerkzeugmaschinen wird stark von der Umgebungstemperatur in einer solchen Werkstatt beeinflusst.

2. Die Umgebung beeinflusst die Maschine

Die Umgebung bezieht sich auf die thermische Umgebung, die durch verschiedene Anordnungen im Nahbereich der Werkzeugmaschine gebildet wird. Sie umfassen die folgenden 4 Aspekte:

1) Mikroklima der Werkstatt: etwa die Temperaturverteilung in der Werkstatt (vertikale Richtung, horizontale Richtung). Wenn Tag und Nacht wechseln oder sich das Klima und die Belüftung ändern, ändert sich die Temperatur in der Werkstatt langsam.

2) Wärmequelle der Werkstatt: wie Sonnenlicht, Heizgeräte und Strahlung von Hochleistungsbeleuchtungslampen usw., wenn sie sich in der Nähe der Werkzeugmaschine befinden, können sie den Temperaturanstieg der gesamten Maschine oder einiger Teile davon direkt beeinflussen Werkzeugmaschine für eine lange Zeit. 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 sollte das Fundament von Präzisionswerkzeugmaschinen 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 wird ein guter „Heizkörper“ sein, der dem Temperaturausgleich der Werkstatt zuträglich ist.

4) Konstante Temperatur: Die in der Werkstatt eingesetzten Einrichtungen zur konstanten Temperatur sind sehr effektiv, um die Genauigkeit und Bearbeitungsgenauigkeit von Präzisionswerkzeugmaschinen aufrechtzuerhalten, aber der Energieverbrauch ist hoch.

3. Faktoren, die die interne Wärme der Maschine beeinflussen

1) Strukturwärmequellen von Werkzeugmaschinen. Wärme von Motoren wie Spindelmotoren, Vorschubservomotoren, Kühl- und Schmierpumpenmotoren und elektronischen Steuerkästen kann 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 eingegebene elektrische Energie den Motor zum Laufen bringt, wird der größte Teil davon, mit Ausnahme eines kleinen Teils (etwa 20 %), der in Motorwärmeenergie umgewandelt wird, durch den Bewegungsmechanismus, wie z. B. Spindeldrehung oder Arbeitstischbewegung, in kinetische Energie umgewandelt , usw.; zwangsläufig wird aber immer noch ein erheblicher Teil während des Bewegungsvorgangs in Reibungswärme umgewandelt, beispielsweise durch die Erwärmung von Lagern, Führungsschienen, Kugelumlaufspindeln und Getriebegehäusen.

2) Hitzeeinsparung während des Prozesses. Während des Schneidvorgangs wird ein Teil der kinetischen Energie des Werkzeugs oder Werkstücks für die Schneidarbeit verbraucht und ein erheblicher Teil in Schnittverformungsenergie und Reibungswärme zwischen Spänen und Werkzeugen umgewandelt, wodurch eine Erwärmung des Werkzeugs, der Spindel und des Werkstücks entsteht. und eine große Menge an Spanwärme wird zur Arbeitstischhalterung der Werkzeugmaschine und zu anderen Komponenten geleitet. Sie wirken sich direkt auf die relative Position zwischen Werkzeug und Werkstück aus.

3) Kühlung. Kühlung ist eine umgekehrte Maßnahme für den Temperaturanstieg von Werkzeugmaschinen, wie z. B. die Kühlung von Motoren, die Kühlung von Spindelkomponenten und die Kühlung grundlegender Strukturteile. High-End-Werkzeugmaschinen statten den Schaltkasten häufig mit einem Kühlschrank zur Zwangskühlung aus.

4. Der Einfluss der Bauform der Maschine auf den Temperaturanstieg

Im Bereich der thermischen Verformung von Werkzeugmaschinen bezieht sich die Diskussion über die Strukturform der Werkzeugmaschine normalerweise auf die Strukturform, die Massenverteilung, die Materialeigenschaften und die Wärmequellenverteilung. Die Strukturform beeinflusst die Temperaturverteilung, die Wärmeleitungsrichtung, die Richtung der thermischen Verformung und die Anpassung der Werkzeugmaschine.

1) Die Bauform der Werkzeugmaschine. Im Hinblick auf die Gesamtstruktur gibt es Maschinen mit vertikaler, horizontaler, Portal- und freitragender Form, und die Reaktion und Stabilität gegenüber Hitze sind sehr unterschiedlich. Beispielsweise kann der Temperaturanstieg im Spindelgehäuse einer Getriebedrehmaschine bis zu 35 °C betragen, wodurch sich das Spindelende anhebt und der Temperaturausgleich etwa 2 Stunden dauert. Das Schrägbett-Präzisionsdreh- und Fräsbearbeitungszentrum verfügt über eine stabile Basis. Die Steifigkeit der gesamten Maschine wird deutlich verbessert. Die Spindel wird von einem Servomotor angetrieben und das Getriebeteil ist entfernt. Der Temperaturanstieg beträgt im Allgemeinen weniger als 15 °C.

2) Der Einfluss der Wärmequellenverteilung. Als Wärmequelle bei Werkzeugmaschinen wird üblicherweise der Motor angesehen. Wie Spindelmotor, Vorschubmotor und Hydrauliksystem usw., die eigentlich unvollständig sind. Bei der vom Motor erzeugten Wärme handelt es sich lediglich um die Energie, die der Strom an der Ankerimpedanz unter Last verbraucht, und ein erheblicher Teil der Energie wird durch die Reibungsarbeit der Lager, Schraubenmuttern und Führungsschienen verbraucht. Daher kann der Motor als primäre Wärmequelle und die Lager, Muttern, Führungsschienen und Späne als sekundäre Wärmequellen bezeichnet werden. Die thermische Verformung ist das Ergebnis des kombinierten Einflusses all dieser Wärmequellen. Der Temperaturanstieg und die Verformung eines vertikalen Bearbeitungszentrums mit Säulenbewegung während der Y-Achsen-Vorschubbewegung. Der Arbeitstisch bewegt sich während des Y-Achsen-Vorschubs nicht, daher ist der Einfluss auf die thermische Verformung in der X-Achse sehr gering. Je weiter der Punkt an der Säule von der Y-Achsen-Führungsschraube entfernt ist, desto geringer ist der Temperaturanstieg. Die Situation der Maschine bei Bewegung der Z-Achse verdeutlicht zusätzlich den Einfluss der Wärmequellenverteilung auf die thermische Verformung. Der Z-Achsen-Vorschub ist weiter von der X-Achse entfernt, sodass der thermische Verformungseffekt geringer ist. Je näher die Mutter des Z-Achsen-Motors an der Säule an der Z-Achse liegt, desto größer ist der Temperaturanstieg und die Verformung.

3) Der Einfluss der Massenverteilung. Es gibt drei Aspekte des Einflusses der Massenverteilung auf die thermische Verformung von Werkzeugmaschinen. Erstens bezieht es sich auf die Größe und Konzentration der Masse, was sich normalerweise auf die Änderung der Wärmekapazität und der Geschwindigkeit der Wärmeübertragung sowie auf die Änderung der Zeit bis zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts bezieht. Zweitens wird durch Ändern der Massenanordnung, beispielsweise der Anordnung verschiedener Rippen, die thermische Steifigkeit der Struktur verbessert und bei gleichem Temperaturanstieg der Einfluss der thermischen Verformung verringert oder die relative Verformung klein gehalten. Drittens bezieht es sich auf die Änderung 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 Wärmemenge sind ihr Temperaturanstieg und ihre Verformung unterschiedlich.

5. Prüfung der thermischen Leistung der Maschine

(1) Zweck der thermischen Leistungsprüfung von Werkzeugmaschinen Der Schlüssel zur Kontrolle der thermischen Verformung von Werkzeugmaschinen besteht darin, die Änderungen der Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine, die Wärmequelle und Temperaturänderungen der Werkzeugmaschine selbst sowie die Reaktion vollständig zu verstehen (Verformungsverschiebung) von Schlüsselpunkten durch Prüfung der thermischen Eigenschaften. Testdaten oder Kurven beschreiben die thermischen Eigenschaften einer Werkzeugmaschine, sodass Gegenmaßnahmen ergriffen werden können, um die thermische Verformung zu kontrollieren und die Bearbeitungsgenauigkeit und Effizienz der Werkzeugmaschine zu verbessern.

Konkret sollen folgende Ziele erreicht werden:

1) Testen der Umgebung der Werkzeugmaschine. Messen Sie die Temperaturumgebung in der Werkstatt, ihren räumlichen Temperaturgradienten, die Veränderungen der Temperaturverteilung beim Wechsel von Tag und Nacht und messen Sie sogar die Auswirkungen saisonaler Veränderungen auf die Temperaturverteilung rund um die Werkzeugmaschine.

2) Prüfung der thermischen Eigenschaften der Werkzeugmaschine selbst. Versetzen Sie die Werkzeugmaschine unter der Bedingung, dass Umwelteinflüsse so weit wie möglich ausgeschlossen werden, in verschiedene Betriebszustände, um die Temperaturänderungen und Verschiebungsänderungen wichtiger Punkte der Werkzeugmaschine selbst zu messen und die Temperaturänderungen und Schlüsselpunktverschiebungen über einen ausreichend langen Zeitraum aufzuzeichnen der Zeitspanne und verwenden Sie eine Infrarot-Wärmekamera, um die thermische Verteilung jedes Zeitraums aufzuzeichnen.

3) Testen des Temperaturanstiegs und der thermischen Verformung während des Bearbeitungsprozesses, um den Einfluss der thermischen Verformung der Werkzeugmaschine auf die Genauigkeit des Bearbeitungsprozesses zu bestimmen.

4) Die oben genannten Tests können eine große Menge an Daten und Kurven ansammeln, die zuverlässige Kriterien für die Konstruktion von Werkzeugmaschinen und Benutzer zur Kontrolle der thermischen Verformung liefern und die Richtung für die Ergreifung wirksamer Maßnahmen aufzeigen.

(2) Prinzip des thermischen Verformungstests für Werkzeugmaschinen Beim thermischen Verformungstest muss zunächst die Temperatur mehrerer verwandter Punkte gemessen werden, einschließlich der folgenden Aspekte:

1) Wärmequelle: einschließlich Vorschubmotor jedes Teils, Spindelmotor, Kugelumlaufspindelgetriebepaar, Führungsschiene und Spindellager. 2) Hilfsgeräte: einschließlich Hydrauliksystem, Kühlschrank, Kühlungs- und Schmierungs-Verschiebungserkennungssystem.

3) Mechanische Struktur: einschließlich Bett, Basis, Schlitten, Säule, Fräskopfkasten und Spindel. Zwischen der Spindel und dem Drehtisch ist ein Messstab aus Indiumstahl eingespannt, und fünf Kontaktsensoren sind in X-, Y- und Z-Richtung angeordnet, um die umfassende Verformung in verschiedenen Zuständen zu messen und so die relative Verschiebung zwischen Werkzeug und Werkstück zu simulieren.

(3) Testdatenverarbeitung und -analyse Der thermische Verformungstest der Werkzeugmaschine sollte über einen langen Zeitraum hinweg durchgeführt werden und eine kontinuierliche Datenaufzeichnung erfolgen. Nach der Analyse und Verarbeitung sind die dargestellten thermischen Verformungseigenschaften äußerst zuverlässig. Wird der Fehler durch mehrere Tests behoben, ist die gezeigte Regelmäßigkeit glaubhaft. Bei der thermischen Verformungsprüfung des Spindelsystems werden insgesamt 5 Messpunkte gesetzt, davon liegen Punkt 1 und Punkt 2 am Ende der Spindel und nahe der Spindellagerung, Punkt 4 und Punkt 5 jeweils an der Fräsung Kopfgehäuse in der Nähe der Z-Führungsschiene. Der Test dauerte 14 Stunden. In den ersten 10 Stunden wurde die Spindeldrehzahl abwechselnd im Bereich von 0 bis 9000 U/min verändert. Ab der 10. Stunde drehte sich die Spindel mit einer hohen Drehzahl von 9000 U/min weiter. Folgende Schlussfolgerungen lassen sich ziehen:

1) Die thermische Gleichgewichtszeit der Spindel beträgt etwa 1 Stunde und der Temperaturanstieg nach dem Gleichgewicht variiert um 1,5℃.

2) Der Temperaturanstieg kommt hauptsächlich von den Spindellagern und dem Spindelmotor. Im normalen Drehzahlbereich ist die thermische Leistung der Lager gut.

3) Die thermische Verformung hat in X-Richtung nur geringe Auswirkungen.

4) Die Ausdehnungsverformung in Z-Richtung ist groß, etwa 10 m, was durch die thermische Dehnung der Spindel und die Vergrößerung des Lagerspiels verursacht wird.

5) Wenn die Drehzahl kontinuierlich bei 9000 U/min liegt, steigt der Temperaturanstieg stark an und steigt in 2,5 Stunden um etwa 7 °C, und es besteht die Tendenz, dass er weiter ansteigt. Die Verformung in Y- und Z-Richtung erreicht 29 m und 37 m, was darauf hindeutet, dass die Spindel bei einer Geschwindigkeit von 9000 U/min nicht mehr stabil laufen kann, aber in kurzer Zeit (20 Minuten) laufen kann.

Die Kontrolle der thermischen Verformung von Werkzeugmaschinen wird in der obigen Analyse diskutiert. Es gibt viele Faktoren, die den Temperaturanstieg und die thermische Verformung von Werkzeugmaschinen auf die Bearbeitungsgenauigkeit beeinflussen. Bei der Ergreifung von Kontrollmaßnahmen sollten wir die wesentlichen Widersprüche erfassen und entsprechende Maßnahmen 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 Reduzierung der Wärmeentwicklung und die Kontrolle von Wärmequellen sind grundlegende Maßnahmen. Bei der Konstruktion sollten Maßnahmen getroffen werden, um die Wärmeentwicklung von Wärmequellen wirksam zu reduzieren. Wählen Sie die Nennleistung des Motors sinnvoll 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 die Erhöhung der Last, dass die Ausgangsleistung des Motors zunimmt, das heißt, dass auch der entsprechende Strom I zunimmt und die vom Strom in der Ankerimpedanz verbrauchte Wärme zunimmt. Wenn der von uns entworfene und ausgewählte Motor über einen längeren Zeitraum unter Bedingungen arbeitet, die nahe an der Nennleistung liegen oder diese deutlich überschreiten, erhöht sich der Temperaturanstieg des Motors erheblich. Aus diesem Grund wurde ein Vergleichstest mit dem Fräskopf der BK50 CNC-Nadelschlitzfräsmaschine (Motordrehzahl: 960 U/min; Umgebungstemperatur: 12 °C) durchgeführt. Aus den oben genannten Tests ergeben sich folgende Konzepte: Unter Berücksichtigung der Leistung der Wärmequelle, sei es der Spindelmotor oder der Vorschubmotor, ist es bei der Auswahl der Nennleistung am besten, eine Leistung zu wählen, die etwa 25 % größer ist als die berechnete Leistung. Im tatsächlichen Betrieb entspricht die Ausgangsleistung des Motors der Last. Eine Erhöhung der Nennleistung des Motors hat kaum Auswirkungen auf den Energieverbrauch, kann jedoch den Temperaturanstieg des Motors wirksam reduzieren.