Les machines-outils sont affectées par les changements de température ambiante de l'atelier, le chauffage du moteur et la chaleur de friction du mouvement mécanique, la chaleur de coupe et les fluides de refroidissement, entraînant une augmentation inégale de la température dans diverses parties de la machine-outil, entraînant des changements dans la précision de la forme et l'usinage. précision de la machine-outil.
Cas 1 : Une vis de 70 mm × 1 650 mm est traitée sur une fraiseuse CNC de précision ordinaire. Par rapport à la pièce fraisée entre 7h30 et 9h00 et à la pièce traitée entre 14h00 et 15h30, la variation de l'erreur cumulée peut aller jusqu'à 85 m. Dans des conditions de température constante, l'erreur peut être réduite à 40 m.
Cas 2 : Une meuleuse de précision à double extrémité utilisée pour le meulage double extrémité de pièces en acier minces d'une épaisseur de 0,6 à 3,5 mm. Lors de l'acceptation, la pièce en acier de 200 mm × 25 mm × 1,08 mm peut être traitée avec une précision dimensionnelle de mm et la courbure est inférieure à 5 m de longueur totale. Cependant, après 1 heure de broyage automatique continu, la plage de changement de taille est passée à 12 m et la température du liquide de refroidissement est passée de 17°C au démarrage à 45°C. En raison de l'influence de la chaleur de meulage, le tourillon de broche s'allonge et le jeu du roulement avant de la broche augmente. Sur cette base, un réfrigérateur de 5,5 kW a été ajouté au réservoir de liquide de refroidissement de la machine-outil, et l'effet était tout à fait idéal.
La pratique a prouvé que la déformation des machines-outils après chauffage est une raison importante qui affecte la précision de l'usinage. Cependant, les machines-outils évoluent dans un environnement où la température change à tout moment et en tout lieu ; la machine-outil elle-même consommera inévitablement de l'énergie lors de son travail, et une partie considérable de cette énergie sera convertie en chaleur de diverses manières, provoquant des modifications physiques dans les différents composants de la machine-outil. Ce changement est dû à Ils varient considérablement en raison de différentes formes structurelles, de différences matérielles et d'autres raisons. Les concepteurs de machines-outils doivent comprendre le mécanisme de formation de chaleur et les règles de répartition de la température, et prendre les mesures correspondantes pour minimiser l'impact de la déformation thermique sur la précision de l'usinage.
Notre pays possède un vaste territoire et la plupart des régions se trouvent dans des zones subtropicales. La température change considérablement tout au long de l'année et la différence de température change en une journée. En conséquence, les gens ont différents moyens et degrés d'intervention sur la température intérieure (comme les ateliers), et la température ambiante autour des machines-outils varie considérablement.
Par exemple, la plage saisonnière de température dans la région du delta du fleuve Yangtze est d'environ 45°C, et les changements de température diurnes et nocturnes sont d'environ 5°C à 12°C. Les ateliers d'usinage n'ont généralement pas de chauffage en hiver et pas de climatisation en été. Cependant, tant que l'atelier est bien ventilé, le gradient de température dans l'atelier d'usinage ne changera pas beaucoup. Dans le Nord-Est, la différence de température saisonnière peut atteindre 60°C, et la variation diurne et nocturne est d'environ 8 à 15°C. La période de chauffage s'étend de fin octobre à début avril de l'année suivante. L'atelier d'usinage est conçu avec un chauffage et une circulation d'air insuffisante. La différence de température entre l’intérieur et l’extérieur de l’atelier peut atteindre 50℃. Par conséquent, le gradient de température dans l’atelier en hiver est très compliqué. La température extérieure était de 1,5°C pendant la mesure et l'heure était de 8h15 à 8h35. La variation de température dans l'atelier était d'environ 3,5°C. La précision d'usinage des machines-outils de précision sera grandement affectée par la température ambiante dans un tel atelier.
L'environnement autour de la machine-outil fait référence à l'environnement thermique formé par diverses dispositions à proximité de la machine-outil. Ils comprennent les 3 aspects suivants.
1) Microclimat de l'atelier : comme la répartition de la température dans l'atelier (sens vertical, sens horizontal). La température ambiante change lentement lorsque le jour et la nuit changent ou lorsque le climat et la ventilation changent.
2) Sources de chaleur de l'atelier : telles que le rayonnement solaire, les équipements de chauffage et le rayonnement des lampes d'éclairage à haute puissance. Lorsqu'ils sont proches de la machine-outil, ils peuvent directement affecter pendant une longue période l'échauffement de tout ou partie de la machine-outil. La chaleur générée par les équipements adjacents pendant le fonctionnement affectera l'augmentation de la température de la machine-outil sous forme de rayonnement ou de flux d'air.
3) Dissipation thermique : La fondation a un bon effet de dissipation thermique. En particulier, les fondations des machines-outils de précision ne doivent pas être situées à proximité de conduites de chauffage souterraines. Une fois qu'il se brise et fuit, il peut devenir une source de chaleur dont il est difficile d'en trouver la cause ; un atelier ouvert sera un bon dispositif de "dissipation thermique", bénéfique à l'équilibre thermique dans l'atelier.
4) Température constante : L'utilisation d'installations à température constante dans les ateliers est très efficace pour maintenir la précision et l'exactitude du traitement des machines-outils de précision, mais elle consomme beaucoup d'énergie.
1) Source de chaleur structurelle des machines-outils. Les moteurs qui génèrent de la chaleur, tels que les moteurs de broche, les servomoteurs d'alimentation, les moteurs de pompes de refroidissement et de lubrification, les boîtiers de commande électriques, etc., peuvent tous générer de la chaleur. Ces situations sont autorisées pour le moteur lui-même, mais elles ont un impact négatif significatif sur les composants tels que la broche et la vis à billes, et des mesures doivent être prises pour les isoler. Lorsque l'énergie électrique d'entrée fait fonctionner le moteur, à l'exception d'une petite partie (environ 20 %) qui est convertie en énergie thermique du moteur, la majeure partie sera convertie en énergie cinétique par le mécanisme de mouvement, tel que la rotation de la broche, le mouvement de l'établi. , etc.; mais inévitablement, il en reste encore une partie considérable qui est convertie en chaleur de friction lors du mouvement, comme les roulements, les rails de guidage, les vis à billes, les boîtes de transmission et autres mécanismes.
2) Couper la chaleur dans le processus. Pendant le processus de coupe, une partie de l'énergie cinétique de l'outil ou de la pièce est consommée lors du travail de coupe, et une partie considérable est convertie en énergie de déformation de la coupe et en chaleur de friction entre le copeau et l'outil, provoquant l'outil, broche et la pièce à chauffer, et une grande quantité de chaleur des copeaux est transférée au support d'établi de la machine-outil. et d'autres pièces. Ils affecteront directement la position relative entre l'outil et la pièce.
3) Refroidissez. Le refroidissement est une mesure inverse à l'augmentation de la température de la machine-outil, comme le refroidissement du moteur, le refroidissement des composants de broche et le refroidissement des composants structurels de base. Les machines-outils haut de gamme sont souvent équipées d'un réfrigérateur pour le boîtier de commande électrique afin d'assurer un refroidissement forcé.
Discuter de la forme structurelle des machines-outils dans le domaine de la déformation thermique des machines-outils fait généralement référence à des questions telles que la forme structurelle, la distribution de masse, les propriétés des matériaux et la distribution des sources de chaleur. La forme structurelle affecte la répartition de la température, la direction de conduction thermique, la direction de déformation thermique et l'adaptation de la machine-outil.
1) La forme structurelle de la machine-outil. En termes de structure globale, les machines-outils comprennent des types verticaux, horizontaux, à portique et en porte-à-faux, etc., et leur réponse thermique et leur stabilité sont très différentes. Par exemple, l'augmentation de la température du boîtier de broche d'un tour à engrenages peut atteindre 35 °C, provoquant le soulèvement de l'extrémité de la broche, et le temps d'équilibre thermique prend environ 2 heures. Quant au centre d'usinage de tournage et de fraisage de précision à banc incliné, la machine-outil a une base stable. La rigidité de l’ensemble de la machine est nettement améliorée. L'arbre principal est entraîné par un servomoteur et la pièce de transmission à engrenages est retirée. L'élévation de température est généralement inférieure à 15°C.
2) L'influence de la répartition des sources de chaleur. Dans les machines-outils, la source de chaleur est généralement considérée comme le moteur. Tels que le moteur de broche, le moteur d'alimentation et le système hydraulique, etc., sont en réalité incomplets. La chaleur générée par le moteur n'est que l'énergie consommée par le courant dans l'impédance d'induit lorsqu'il est sous charge, et une partie considérable de l'énergie est consommée par la chaleur provoquée par le travail de friction des roulements, des écrous, des rails de guidage et d'autres mécanismes. Par conséquent, le moteur peut être appelé source de chaleur primaire et les roulements, écrous, rails de guidage et copeaux sont appelés sources de chaleur secondaires. La déformation thermique est le résultat de l’influence combinée de toutes ces sources de chaleur.
Élévation de température et déformation d'un centre d'usinage vertical à colonne mobile lors d'un mouvement d'avance dans le sens Y. La table de travail ne bouge pas lors de l'alimentation dans la direction Y, elle a donc peu d'effet sur la déformation thermique dans la direction X. Sur la colonne, plus on s'éloigne de la vis de guidage de l'axe Y, plus l'augmentation de température est faible.
La situation où la machine se déplace sur l'axe Z illustre davantage l'influence de la répartition de la source de chaleur sur la déformation thermique. L'alimentation sur l'axe Z est plus éloignée de la direction X, donc l'impact de la déformation thermique est plus faible. Plus la colonne est proche de l'écrou du moteur de l'axe Z, plus l'échauffement et la déformation sont importantes.
3) L'influence de la grande distribution. L'influence de la répartition des masses sur la déformation thermique des machines-outils présente trois aspects. Premièrement, il fait référence à la taille et à la concentration de la masse, faisant généralement référence à la modification de la capacité thermique et de la vitesse de transfert de chaleur, ainsi qu'à la modification du temps nécessaire pour atteindre l'équilibre thermique ; deuxièmement, améliorer la rigidité thermique de la structure en modifiant la disposition de la masse, telle que la disposition des différentes nervures. Sous la même élévation de température, réduisez l’influence de la déformation thermique ou maintenez la déformation relative faible ; troisièmement, il s'agit de modifier la forme de l'agencement des masses, par exemple en disposant des nervures de dissipation thermique à l'extérieur de la structure, afin de réduire l'échauffement des composants de la machine-outil.
4) Influence des propriétés des matériaux : Différents matériaux ont des paramètres de performance thermique différents (chaleur spécifique, conductivité thermique et coefficient de dilatation linéaire). Sous l’influence d’une même chaleur, leur échauffement et leur déformation sont différentes.
D'après l'analyse et la discussion ci-dessus, l'augmentation de la température et la déformation thermique de la machine-outil ont divers facteurs qui affectent la précision de l'usinage. Lors de la prise de mesures de contrôle, nous devons saisir la contradiction principale et nous concentrer sur la prise d'une ou deux mesures pour obtenir le double du résultat avec la moitié de l'effort. Lors de la conception, nous devons partir de quatre directions : réduire la génération de chaleur, réduire l’augmentation de la température, équilibre structurel et refroidissement raisonnable.
La maîtrise des sources de chaleur est une mesure fondamentale. Lors de la conception, des mesures doivent être prises pour réduire efficacement le pouvoir calorifique de la source de chaleur.
1) Sélectionnez raisonnablement la puissance nominale du moteur.
La puissance de sortie P du moteur est égale au produit de la tension V et du courant I. Dans des circonstances normales, la tension V est constante. Par conséquent, une augmentation de la charge signifie que la puissance de sortie du moteur augmente, c'est-à-dire que le courant correspondant I augmente également, puis le courant La chaleur dissipée dans l'impédance d'induit augmente. Si le moteur que nous concevons et sélectionnons fonctionne pendant une longue période proche ou largement supérieure à la puissance nominale, l'échauffement du moteur augmentera considérablement. À cette fin, un test comparatif a été réalisé sur la tête de fraisage de la fraiseuse à aiguilles CNC BK50 (vitesse du moteur : 960 tr/min ; température ambiante : 12°C).
À partir des expériences ci-dessus, les concepts suivants sont obtenus : Du point de vue des performances de la source de chaleur, qu'il s'agisse d'un moteur de broche ou d'un moteur d'alimentation, lors de la sélection de la puissance nominale, il est préférable de choisir une puissance qui est environ 25 % supérieure à la puissance calculée. En fonctionnement réel, la puissance de sortie du moteur est cohérente avec la charge. L'augmentation de la puissance nominale du moteur a peu d'impact sur la consommation d'énergie. Mais cela peut réduire efficacement l’échauffement du moteur.
2) Prendre des mesures structurelles appropriées pour réduire le pouvoir calorifique de la source de chaleur secondaire et réduire l'augmentation de la température.
Par exemple : lors de la conception de la structure de la broche, la coaxialité des roulements avant et arrière doit être améliorée et des roulements de haute précision doivent être utilisés. Dans la mesure du possible, remplacez le rail de guidage coulissant par un rail de guidage linéaire à roulement ou utilisez un moteur linéaire. Ces nouvelles technologies peuvent réduire efficacement la friction, la génération de chaleur et l’augmentation de la température.
3) En termes de technologie, la découpe à grande vitesse est adoptée. Basé sur le mécanisme de coupe à grande vitesse.
Lorsque la vitesse linéaire de coupe du métal est supérieure à une certaine plage, le métal coupé n'a pas le temps de subir une déformation plastique, aucune chaleur de déformation n'est générée sur les copeaux et la majeure partie de l'énergie de coupe est convertie en énergie cinétique des copeaux et est enlevé.
Dans les machines-outils, les sources de chaleur sont toujours présentes et une attention particulière doit être accordée à la manière de rendre la direction et la vitesse du transfert de chaleur propices à la réduction de la déformation thermique. Ou bien la structure a une bonne symétrie, de sorte que le transfert de chaleur se fait dans la direction symétrique, la répartition de la température est uniforme et les déformations s'annulent, formant une structure d'affinité thermique.
1) Précontrainte et déformation thermique.
Dans les systèmes d'alimentation à vitesse plus élevée, les deux extrémités de la vis à billes sont souvent fixées axialement pour former une contrainte de pré-tension. Cette structure améliore non seulement la stabilité dynamique et statique pour une alimentation à grande vitesse, mais joue également un rôle important dans la réduction des erreurs de déformation thermique.
L'échauffement de la structure axialement fixe et pré-étirée de 35 m sur une longueur totale de 600 mm est relativement similaire à différentes vitesses d'alimentation. L'erreur cumulée de la structure pré-étirée avec deux extrémités fixes est nettement inférieure à celle de la structure avec une extrémité fixe et l'autre extrémité libre de s'étendre. Dans la structure précontrainte fixée axialement aux deux extrémités, l'augmentation de température provoquée par le chauffage modifie principalement l'état de contrainte à l'intérieur de la vis de la contrainte de traction à la contrainte nulle ou à la contrainte de compression. Cela a donc peu d’impact sur la précision du déplacement.
2) Changer la structure et changer la direction de la déformation thermique.
Le coulisseau de broche sur l'axe Z d'une fraiseuse CNC à rainure aiguille utilisant différentes structures de fixation axiale à vis à billes nécessite une erreur de profondeur de rainure de fraisage de 5 m pendant le traitement. Grâce à une structure flottante axiale à l'extrémité inférieure de la vis, la profondeur de la rainure s'approfondit progressivement de 0 à 0,045 mm dans les 2 heures suivant le traitement. Au contraire, l'utilisation d'une structure avec une extrémité supérieure flottante de la vis peut garantir que la profondeur de la rainure change.
3) La symétrie de la forme géométrique de la structure de la machine-outil peut rendre la tendance de déformation thermique cohérente et minimiser la dérive de la pointe de l'outil.
Par exemple, le centre de micro-usinage YMC430 lancé par la société japonaise Yasda Precision Tools est une machine-outil d'usinage à grande vitesse submicronique. La conception de la machine-outil prend pleinement en compte les performances thermiques.
Tout d’abord, une disposition complètement symétrique est adoptée dans la structure de la machine-outil. Les colonnes et les poutres sont des structures intégrées en forme de H, ce qui équivaut à une structure à double colonne et présente une bonne symétrie. Le coulisseau de broche approximativement circulaire est également symétrique tant longitudinalement que transversalement.
Les entraînements d'avance des trois axes mobiles utilisent tous des moteurs linéaires, ce qui facilite l'obtention d'une symétrie de structure. Les deux axes rotatifs utilisent des entraînements directs pour minimiser les pertes par frottement et la transmission mécanique.
1) Le liquide de refroidissement pendant le traitement a un impact direct sur la précision du traitement.
Un test comparatif a été réalisé sur la meuleuse double face GRV450C. Les tests montrent que l'échange thermique du liquide de refroidissement à l'aide d'un réfrigérateur est très efficace pour améliorer la précision de l'usinage.
En utilisant la méthode traditionnelle d'alimentation en liquide de refroidissement, la taille de la pièce sera hors tolérance après 30 minutes. Après avoir utilisé un réfrigérateur, le traitement normal peut durer plus de 70 minutes. La principale raison pour laquelle la taille de la pièce est hors tolérance à 80 minutes est que la meule doit être dressée (pour éliminer les copeaux métalliques sur la surface de la meule), et la précision d'usinage d'origine peut être restaurée immédiatement après le dressage. L'effet est très évident. De même, de très bons résultats peuvent être attendus du refroidissement forcé de la broche.
2) Augmentez la zone de refroidissement naturel.
Par exemple, l'ajout d'une zone de refroidissement par air naturel à la structure du boîtier de broche peut également obtenir un bon effet de dissipation thermique dans un atelier avec une bonne circulation de l'air.
3) Retrait automatique des copeaux en temps opportun.
L'éjection des copeaux à haute température de la pièce à usiner, de l'établi et des pièces d'outils en temps opportun ou en temps réel sera très utile pour réduire l'augmentation de la température et la déformation thermique des pièces clés.
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