De invloed van temperatuur op de bewerkingsnauwkeurigheid van werktuigmachines

Thermische vervorming is een van de redenen die de nauwkeurigheid van de bewerking beïnvloeden. Werktuigmachines worden beïnvloed door veranderingen in de omgevingstemperatuur in de werkplaats, verwarming van de elektrische motor, mechanische wrijvingsverwarming, snijwarmte en koelmedia, wat resulteert in een ongelijkmatige temperatuurstijging in verschillende delen van de werktuigmachine, wat leidt tot veranderingen in de vormnauwkeurigheid en bewerkingsnauwkeurigheid van de werktuigmachine. Bijvoorbeeld het bewerken van 70 mm op een gewone precisie-CNC-freesmachine × De cumulatieve foutvariatie van de 1650 mm schroef kan 85 m bereiken vergeleken met het werkstuk dat is gefreesd vanaf 7:30-9:00 in de ochtend en verwerkt vanaf 2 :00-3:30 in de middag. Bij constante temperatuuromstandigheden kan de fout worden teruggebracht tot 40 m.
Bijvoorbeeld een precisieslijpmachine met dubbele kop die wordt gebruikt voor het slijpen van werkstukken van dunne staalplaten met een dikte van 0.6-3.5 mm aan beide zijden, die 200 mm verwerkt tijdens acceptatie-inspectie × 25 mm × Het staal van 1,08 mm plaatwerkstuk kan een maatnauwkeurigheid van mm bereiken, en de kromming is over de gehele lengte minder dan 5 meter. Maar na continu automatisch slijpen gedurende 1 uur nam het bereik van de grootteverandering toe tot 12 meter en steeg de koelvloeistoftemperatuur van 17 graden bij het opstarten tot 45 graden. Door de invloed van slijpwarmte wordt de nek van de hoofdas langer en wordt de speling tussen de voorste lagers van de hoofdas groter. Op basis hiervan heeft het toevoegen van een koelunit van 5,5 kW aan de koelvloeistoftank van de werktuigmachine zeer ideale resultaten opgeleverd. De praktijk heeft uitgewezen dat de vervorming van werktuigmachines na verhitting een belangrijke factor is die de nauwkeurigheid van de bewerking beïnvloedt. Maar de werktuigmachine bevindt zich in een omgeving waar de temperatuur voortdurend en overal verandert; De werktuigmachine zelf zal tijdens het gebruik onvermijdelijk energie verbruiken, en een aanzienlijk deel van deze energie zal op verschillende manieren in warmte worden omgezet, waardoor fysieke veranderingen in de verschillende componenten van de werktuigmachine worden veroorzaakt. Deze veranderingen variëren ook sterk als gevolg van verschillen in structurele vormen, materialen en andere redenen. Ontwerpers van werktuigmachines moeten het mechanisme van warmtevorming en temperatuurverdeling beheersen en overeenkomstige maatregelen nemen om de impact van thermische vervorming op de nauwkeurigheid van de bewerking te minimaliseren.
De temperatuurstijging en verspreiding van werktuigmachines, evenals de invloed van het natuurlijke klimaat, hebben een enorm territorium in China. De meeste gebieden bevinden zich in subtropische gebieden, met aanzienlijke temperatuurschommelingen gedurende het hele jaar en variërende temperatuurverschillen gedurende de dag. Als gevolg hiervan kunnen mensen op verschillende manieren en in verschillende mate ingrijpen in de binnentemperatuur (zoals in de werkplaats), en varieert de temperatuur rond de werktuigmachine enorm. De seizoensgebonden temperatuurvariatie in de Yangtze River Delta-regio bedraagt ​​bijvoorbeeld ongeveer 45 graden en de dagelijkse temperatuurvariatie bedraagt ​​ongeveer 5-12 graden. De verspanende werkplaats heeft in de winter over het algemeen geen verwarming en in de zomer geen airconditioning, maar zolang de werkplaats een goede ventilatie heeft, verandert de temperatuurgradiënt in de verspanende werkplaats niet veel. In de noordoostelijke regio kan het seizoenstemperatuurverschil oplopen tot 60 graden, met een dagelijkse variatie van ongeveer 8-15 graden. De verwarmingsperiode loopt van eind oktober tot begin april van het volgende jaar en de bewerkingswerkplaats is voorzien van verwarming, wat resulteert in onvoldoende luchtcirculatie. Het temperatuurverschil binnen en buiten de werkplaats kan oplopen tot 50 graden. Daarom is de temperatuurgradiënt in de werkplaats tijdens de winter zeer complex, met een buitentemperatuur van 1,5 graad gemeten van 8.15 tot 8.35 uur in de ochtend, en een temperatuurverandering van ongeveer 3,5 graad in de werkplaats. De bewerkingsnauwkeurigheid van precisiewerktuigmachines zal sterk worden beïnvloed door de omgevingstemperatuur in een dergelijke werkplaats.
De invloed van de omgeving heeft betrekking op de thermische omgeving die wordt gevormd door verschillende lay-outs binnen een korte afstand van de werktuigmachine.
Ze omvatten de volgende vier aspecten:
1) Microklimaat in de werkplaats: zoals de verdeling van de temperatuur in de werkplaats (verticale en horizontale richtingen). Wanneer dag en nacht elkaar afwisselen of het klimaat en de ventilatie veranderen, zal de temperatuur in de werkplaats langzame veranderingen ondergaan.
2) Warmtebronnen in de werkplaats: zoals zonlicht, straling van verwarmingsapparatuur en krachtige verlichting kunnen de temperatuurstijging van de gehele werktuigmachine of sommige componenten langdurig rechtstreeks beïnvloeden wanneer ze zich dicht bij de werktuigmachine bevinden. De warmte die tijdens het gebruik door aangrenzende apparaten wordt gegenereerd, kan door straling of luchtstroom de temperatuurstijging van de werktuigmachine beïnvloeden.
3) Warmteafvoer: de fundering heeft een goed warmteafvoereffect, vooral de basis van precisiewerktuigmachines. Het is belangrijk om te voorkomen dat u zich in de buurt van ondergrondse verwarmingsleidingen bevindt. Als het eenmaal scheurt en lekt, kan het een warmtebron worden waarvan de oorzaak moeilijk te achterhalen is; Een open werkplaats zal een goede "radiator" zijn, wat bevorderlijk is voor de temperatuurbalans in de werkplaats.
4) Constante temperatuur: het gebruik van faciliteiten met constante temperatuur in de werkplaats is zeer effectief bij het handhaven van de precisie en bewerkingsnauwkeurigheid van precisiewerktuigmachines, maar het verbruikt veel energie.
3. Interne thermische beïnvloedende factoren van werktuigmachines
1) Structurele warmtebron voor werktuigmachines. Elektromotoren die warmte genereren, zoals spilmotoren, voedingsservomotoren, koel- en smeerpompmotoren en elektrische schakelkasten, kunnen allemaal warmte genereren. Deze situaties zijn toegestaan ​​voor de motor zelf, maar hebben aanzienlijke nadelige gevolgen voor componenten zoals de spil en de kogelomloopspindel, en er moeten maatregelen worden genomen om deze te isoleren. Wanneer de ingevoerde elektrische energie de motor laat werken, met uitzondering van een klein deel (ongeveer 20%) dat wordt omgezet in thermische energie van de motor, zal het grootste deel ervan worden omgezet in kinetische energie door het bewegingsmechanisme, zoals de rotatie van de spil, de beweging van de werkbank. , enz; Het is echter onvermijdelijk dat tijdens het bewegingsproces alsnog een aanzienlijk deel wordt omgezet in wrijvingswarmte, zoals warmte die wordt gegenereerd door mechanismen als lagers, geleiderails, kogelomloopspindels en transmissiekasten.
2) De snijwarmte van het proces. Tijdens het snijproces wordt een deel van de kinetische energie van het gereedschap of werkstuk verbruikt door het snijwerk, terwijl een aanzienlijk deel wordt omgezet in de vervormingsenergie van het snijwerk en de wrijvingswarmte tussen de spanen en het gereedschap, waardoor de verwarming van het gereedschap, de spil en het werkstuk. Een grote hoeveelheid spaanwarmte wordt vervolgens overgebracht naar de werktafelbevestigingen en andere componenten van de werktuigmachine. Ze hebben een directe invloed op de relatieve positie tussen het gereedschap en het werkstuk.
3) Koeling. Koeling is een omgekeerde maatregel die gericht is op het verhogen van de temperatuur van werktuigmachines, zoals motorkoeling, koeling van spilcomponenten en fundamentele koeling van structurele componenten. Hoogwaardige werktuigmachines rusten de elektrische schakelkast vaak uit met een koude machine voor geforceerde koeling.
4. De invloed van de structurele vorm van werktuigmachines op de temperatuurstijging wordt besproken op het gebied van thermische vervorming van werktuigmachines, waarbij meestal wordt verwezen naar zaken als structurele vorm, massaverdeling, materiaaleigenschappen en warmtebronverdeling. De structurele vorm beïnvloedt de temperatuurverdeling, de richting van de warmtegeleiding, de richting van thermische vervorming en de afstemming van werktuigmachines.
1) De structurele vorm van de werktuigmachine. In termen van de algehele structuur omvatten werktuigmachines verticale, horizontale, portaal- en cantilever-typen, die aanzienlijke verschillen hebben in thermische respons en stabiliteit. De temperatuurstijging van de hoofdaskast van een draaibank met variabele snelheid kan bijvoorbeeld oplopen tot 35 graden, waardoor het spiluiteinde omhoog komt en de thermische balanstijd ongeveer 2 uur duurt. Het precisiedraai- en freesbewerkingscentrum van het schuine bedtype heeft een stabiele basis voor de werktuigmachine. De stijfheid van de gehele machine is aanzienlijk verbeterd en de spil wordt aangedreven door een servomotor. Het tandwieloverbrengingsgedeelte is verwijderd en de temperatuurstijging is over het algemeen minder dan 15 graden.
2) De invloed van de distributie van warmtebronnen. Bij werktuigmachines wordt algemeen aangenomen dat de warmtebron verwijst naar de elektromotor. Componenten zoals spindelmotoren, voedingsmotoren en hydraulische systemen zijn feitelijk incompleet. De verwarming van een elektromotor is alleen de energie die wordt verbruikt door de stroom op de impedantie van het anker bij het dragen van de belasting, en een aanzienlijke hoeveelheid energie wordt verbruikt door de wrijvingsarbeid van lagers, schroeven, moeren en geleiderails. De elektromotor kan dus de primaire warmtebron worden genoemd, en de lagers, moeren, geleiderails en spanen kunnen de secundaire warmtebron worden genoemd. Thermische vervorming is het resultaat van de gecombineerde invloed van al deze warmtebronnen. Temperatuurstijging en vervorming van een verticaal bewerkingscentrum met een beweegbare kolom tijdens Y-as voedingsbeweging. Bij aanvoer in de Y-richting beweegt de werkbank niet, waardoor deze weinig invloed heeft op de thermische vervorming in de X-richting. Op de pilaar geldt: hoe verder de geleideschroef van de Y-as verwijderd is, hoe kleiner de temperatuurstijging. De situatie waarin de machine in de Z-as beweegt, illustreert verder de invloed van de warmtebronverdeling op thermische vervorming. De voeding op de Z-as bevindt zich verder weg van de X-as, waardoor de impact van thermische vervorming kleiner is. Hoe dichter de kolom zich bij de motormoer van de Z-as bevindt, hoe groter de temperatuurstijging en vervorming.
3) De impact van kwaliteitsdistributie. De invloed van kwaliteitsdistributie op de thermische vervorming van werktuigmachines heeft drie aspecten. Ten eerste verwijst het naar de grootte en concentratie van de massa, meestal verwijzend naar veranderingen in warmtecapaciteit en warmteoverdrachtssnelheid, evenals veranderingen in de tijd om thermisch evenwicht te bereiken.
2, door de rangschikking van kwaliteit te veranderen, zoals de rangschikking van verschillende verstevigingsplaten, kan de thermische stijfheid van de constructie worden verbeterd, waardoor de invloed van thermische vervorming wordt verminderd of relatief kleine vervorming behouden blijft bij dezelfde temperatuurstijging;
Ten derde verwijst het naar het verminderen van de temperatuurstijging van machineonderdelen door de vorm van de kwaliteitsregeling te veranderen, zoals het plaatsen van warmtedissipatieribben buiten de structuur.
De invloed van materiaaleigenschappen: Verschillende materialen hebben verschillende thermische prestatieparameters (soortelijke warmte, thermische geleidbaarheid en lineaire uitzettingscoëfficiënt), en onder dezelfde warmte-invloed zijn hun temperatuurstijging en vervorming verschillend. Testen van de thermische prestaties van werktuigmachines
1. Het doel van thermische prestatietests voor werktuigmachines is het controleren van de thermische vervorming van de werktuigmachines. De sleutel is om de veranderingen in de omgevingstemperatuur, de warmtebron en temperatuurveranderingen van de werktuigmachine zelf, en de reactie van belangrijke punten (vervormingsverplaatsing) volledig te begrijpen door middel van testen van thermische kenmerken. Testgegevens of curven beschrijven de thermische kenmerken van een werktuigmachine om tegenmaatregelen te nemen, thermische vervorming te beheersen en de bewerkingsnauwkeurigheid en efficiëntie van de werktuigmachine te verbeteren.
Concreet moeten de volgende doelstellingen worden bereikt:
1) Test de omgeving van de werktuigmachine. Meet de temperatuuromgeving in de werkplaats, de ruimtelijke temperatuurgradiënt, veranderingen in de temperatuurverdeling tijdens de dag-nachtafwisseling en zelfs de impact van seizoensveranderingen op de temperatuurverdeling rond de werktuigmachine.
2) Test de thermische eigenschappen van de werktuigmachine zelf. Onder de voorwaarde dat omgevingsinvloeden zoveel mogelijk worden geëlimineerd, dient u de werktuigmachine in verschillende bedrijfstoestanden te houden om de temperatuur- en verplaatsingsveranderingen van belangrijke punten van de werktuigmachine zelf te meten, de temperatuurveranderingen en de verplaatsing van belangrijke punten over een voldoende lange periode vast te leggen. tijd, en registreer ook de thermische verdeling van elke tijdsperiode met behulp van een infraroodwarmtebeeldcamera.
3) Test de temperatuurstijging en thermische vervorming tijdens het bewerkingsproces om de impact van thermische vervorming van werktuigmachines op de nauwkeurigheid van het bewerkingsproces te bepalen.
4) De bovenstaande experimenten kunnen een grote hoeveelheid gegevens en curven verzamelen, waardoor betrouwbare criteria worden geboden voor het ontwerp van werktuigmachines en gebruikerscontrole over thermische vervorming, en de richting wordt aangegeven van het nemen van effectieve maatregelen.
2. Het principe van thermische vervormingstests voor werktuigmachines. Thermische vervormingstests vereisen eerst het meten van de temperatuur van verschillende relevante punten, waaronder de volgende aspecten:
1) Warmtebron: inclusief verschillende onderdelen van de voedingsmotor, spilmotor, kogelomloopspindelpaar, geleiderail en spillager.
2) Hulpapparaten: inclusief hydraulisch systeem, koelmachine, detectiesysteem voor koeling en smering.
3) Mechanische structuur: inclusief het bed, de basis, het skateboard, de kolom, de freeskopkast en de spil. Een meetstaaf van indiumstaal wordt tussen de spil en de roterende werktafel geklemd, en er zijn vijf contactsensoren geconfigureerd in de X-, Y- en Z-richting om de uitgebreide vervorming in verschillende toestanden te meten, waarbij de relatieve verplaatsing tussen het gereedschap en het werkstuk wordt gesimuleerd. 3. Verwerking en analyse van testgegevens: De thermische vervormingstest van de werktuigmachine moet gedurende een lange, ononderbroken periode worden uitgevoerd, met continue gegevensregistratie. Na analyse en verwerking zijn de gereflecteerde thermische vervormingseigenschappen zeer betrouwbaar. Als de fouteliminatie via meerdere experimenten wordt uitgevoerd, is de weergegeven regelmaat betrouwbaar. Er werden in totaal 5 meetpunten ingesteld voor de thermische vervormingstest van het spilsysteem, waarbij de punten 1 en 2 zich aan het uiteinde van de spil en vlakbij het spillager bevonden, en de punten 4 en 5 vlakbij de Z-richting geleiderail van respectievelijk de freeskopbehuizing. De tests duurden in totaal 14 uur, waarbij de eerste 10 uur spilrotatie afwisselend 0-9000r/min was. Vanaf het 10e uur bleef de spil draaien met een hoge snelheid van 9000 tpm. De volgende conclusies kunnen worden getrokken: 1) De thermische evenwichtstijd van de spil bedraagt ​​ongeveer 1 uur, en het bereik van de temperatuurstijging na evenwicht bedraagt ​​1,5 graad; 2) De temperatuurstijging komt voornamelijk van de spindellagers en spindelmotoren. Binnen het normale snelheidsbereik zijn de thermische prestaties van de lagers goed; 3) Thermische vervorming heeft weinig effect in de X-richting; 4) De uitzettingsvervorming in de Z-richting is relatief groot, ongeveer 10 m, wat wordt veroorzaakt door de thermische verlenging van de hoofdas en de toename van de lagerspeling; 5) Wanneer de snelheid 9000 tpm blijft bedragen, stijgt de temperatuur scherp, met ongeveer 7 graden binnen 2,5 uur, en er is een trend van verdere stijging. De vervorming in de Y- en Z-richting bereikt 29 m en 37 m, wat aangeeft dat de spil niet langer stabiel kan werken met een snelheid van 9000 omw/min, maar nog wel een korte tijd (20 minuten) kan werken. De beheersing van thermische vervorming van werktuigmachines wordt hierboven geanalyseerd en besproken. De temperatuurstijging en thermische vervorming van werktuigmachines hebben verschillende factoren die de nauwkeurigheid van de bewerking beïnvloeden. Bij het nemen van controlemaatregelen moet de belangrijkste tegenstrijdigheid onderkend worden en moet de nadruk gelegd worden op de eerste en tweede maatregel om met de helft van de moeite een tweemaal zo groot resultaat te bereiken. Bij het ontwerp moeten we uitgaan van vier richtingen: het verminderen van de warmteontwikkeling, het verminderen van de temperatuurstijging, het bereiken van structureel evenwicht en een redelijke koeling. 1. Het verminderen van de warmteopwekking en het beheersen van warmtebronnen is de fundamentele maatregel. In het ontwerp moeten maatregelen worden genomen om de warmteontwikkeling van de warmtebron effectief te verminderen. 1) Selecteer redelijkerwijs het nominale vermogen van de motor. Het uitgangsvermogen P van een elektromotor is gelijk aan het product van spanning V en stroom I. Over het algemeen is spanning V constant. Daarom betekent een toename van de belasting dat het uitgangsvermogen van de motor toeneemt en dat de overeenkomstige stroom I ook toeneemt. Als gevolg hiervan neemt de warmte die wordt verbruikt door de stroom in de ankerimpedantie toe. Als de motor die we ontwerpen en selecteren lange tijd werkt onder omstandigheden die het nominale vermogen benaderen of aanzienlijk overschrijden, zal de temperatuurstijging van de motor aanzienlijk toenemen. Hiervoor werd een vergelijkende test uitgevoerd op de freeskop van de BK50 CNC-naaldsleuffreesmachine (motortoerental: 960 omw/min; omgevingstemperatuur: 12 graden). Uit het bovenstaande experiment worden de volgende concepten verkregen: gezien de prestaties van de warmtebron, of het nu de spilmotor of de voedingsmotor is, is het het beste om een ​​nominaal vermogen te kiezen dat ongeveer 25% hoger is dan het berekende vermogen. Tijdens de daadwerkelijke werking komt het uitgangsvermogen van de motor overeen met de belasting, en het verhogen van het nominale vermogen van de motor heeft weinig invloed op het energieverbruik. Maar het kan de temperatuurstijging van de motor effectief verminderen.