La déformation thermique est l'une des raisons qui affectent la précision de l'usinage. La machine-outil est affectée par les changements de température ambiante de l'atelier, l'échauffement du moteur et le frottement du mouvement mécanique, la chaleur de coupe et le fluide 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 la précision d'usinage de la machine-outil. Par exemple, lors du traitement d'une vis de 70 mm × 1 650 mm sur une fraiseuse CNC avec une précision ordinaire, l'erreur cumulée de la pièce fraisée entre 7h30 et 9h00 du matin peut atteindre 85 m par rapport à la pièce traitée entre 2h00 et 9h00. 15h30 de l'après-midi. Dans des conditions de température constante, l'erreur peut être réduite à 40 m.
Par exemple : une meuleuse de précision à double extrémité utilisée pour le meulage double extrémité de pièces en tôle d'acier mince d'une épaisseur de 0,6 à 3,5 mm peut atteindre une précision dimensionnelle au niveau millimétrique lors du traitement de pièces en tôle d'acier de 200 mm × 25 mm × 1,08 mm lors de l'acceptation, et la courbure est inférieure à 5 m sur toute la longueur. Cependant, après un broyage automatique continu pendant 1 h, la plage de changement de taille augmente jusqu'à 12 m et la température du liquide de refroidissement passe de 17 ℃ au démarrage à 45 ℃. En raison de l'influence de la chaleur de meulage, le tourillon de broche est allongé et le jeu du roulement avant de la broche est augmenté. Sur cette base, un réfrigérateur de 5,5 kW est ajouté au réservoir de liquide de refroidissement de la machine-outil, et l'effet est tout à fait idéal. La pratique a prouvé que la déformation de la machine-outil après chauffage est une raison importante affectant la précision du traitement. Cependant, la machine-outil se trouve 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 composants de la machine-outil. Ce changement varie considérablement en raison des différentes formes structurelles et des différences matérielles. Les concepteurs de machines-outils doivent maîtriser le mécanisme de formation de chaleur et la loi de répartition de la température, et prendre les mesures correspondantes pour minimiser l'impact de la déformation thermique sur la précision du traitement.
Les modes d'intervention et les degrés d'intervention des gens dans la température intérieure (comme dans l'atelier) sont également différents, et la température ambiante autour de la machine-outil varie considérablement. Le gradient de température en hiver est très complexe. Lorsqu'elle est mesurée, la température extérieure est de 1,5 ℃, l'heure est de 8 h 15 à 8 h 35 du matin et la température dans l'atelier change d'environ 3,5 ℃. La précision du traitement des machines-outils de précision sera grandement affectée par la température ambiante dans un tel atelier.
L'environnement environnant fait référence à l'environnement thermique formé par diverses configurations à proximité de la machine-outil. Ils comprennent les 4 aspects suivants :
1) Microclimat de l'atelier : comme par exemple la répartition de la température dans l'atelier (sens vertical, sens horizontal). Lorsque le jour et la nuit alternent ou que le climat et la ventilation changent, la température de l'atelier change lentement.
2) Source de chaleur de l'atelier : telle que la lumière du soleil, les équipements de chauffage et le rayonnement des lampes d'éclairage de haute puissance, etc., lorsqu'elles sont proches de la machine-outil, elles peuvent affecter directement l'augmentation de la température de l'ensemble ou de certaines parties de la machine-outil depuis longtemps. 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 la fondation des machines-outils de précision ne doit pas être proche des tuyaux de chauffage souterrains. 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 "radiateur", propice à l'équilibre thermique de l'atelier.
4) Température constante : Les installations à température constante adoptées dans l'atelier sont très efficaces pour maintenir la précision et la précision de traitement des machines-outils de précision, mais la consommation d'énergie est importante.
1) Sources de chaleur structurelles des machines-outils. La chaleur provenant de moteurs tels que les moteurs de broche, les servomoteurs d'alimentation, les moteurs de pompes de refroidissement et de lubrification et les boîtiers de commande électroniques peuvent tous générer de la chaleur. Ces situations sont admissibles pour le moteur lui-même, mais ont un effet négatif important 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 la table de travail. , etc.; mais inévitablement, une partie considérable est encore convertie en chaleur de friction pendant le processus de mouvement, comme l'échauffement des roulements, des rails de guidage, des vis à billes et des boîtes de transmission.
2) Couper la chaleur pendant le processus. Pendant le processus de coupe, une partie de l'énergie cinétique de l'outil ou de la pièce est consommée dans le travail de coupe, et une partie considérable est convertie en énergie de déformation de coupe et en chaleur de friction entre les copeaux et les outils, formant un échauffement de l'outil, de la broche et de la pièce. et une grande quantité de chaleur des copeaux est conduite vers le support de la table de travail de la machine-outil et d'autres composants. Ils affecteront directement la position relative entre l'outil et la pièce.
3) Refroidissement. Le refroidissement est une mesure inverse de l'augmentation de la température des machines-outils, comme le refroidissement des moteurs, le refroidissement des composants de broche et le refroidissement des pièces structurelles de base. Les machines-outils haut de gamme équipent souvent le boîtier de commande électrique d’un réfrigérateur pour un refroidissement forcé.
Dans le domaine de la déformation thermique des machines-outils, la discussion sur la forme structurelle de la machine-outil fait généralement référence à la forme structurelle, à la distribution de masse, aux propriétés des matériaux et à la distribution de la source 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 sont verticales, horizontales, à portique et en porte-à-faux, et la réponse et la stabilité à la chaleur sont très différentes. Par exemple, l'augmentation de la température du boîtier de broche d'un tour à changement de vitesse peut atteindre 35 °C, ce qui provoque le soulèvement de l'extrémité de la broche, et le temps d'équilibre thermique prend environ 2 heures. Le centre d'usinage de tournage et de fraisage de précision à banc incliné possède une base stable. La rigidité de l’ensemble de la machine est nettement améliorée. La broche est entraînée par un servomoteur et la pièce de transmission à engrenages est retirée. Son échauffement est généralement inférieur à 15°C.
2) L'influence de la répartition des sources de chaleur. La source de chaleur des machines-outils est généralement considérée comme le moteur. Tels que le moteur de broche, le moteur d'alimentation et le système hydraulique, etc., qui sont en réalité incomplets. La chaleur générée par le moteur n'est que l'énergie consommée par le courant sur l'impédance d'induit lorsqu'il est sous charge, et une partie considérable de l'énergie est consommée par le travail de friction des roulements, des écrous et des rails de guidage. Par conséquent, le moteur peut être appelé source de chaleur primaire et les roulements, écrous, rails de guidage et copeaux peuvent être appelés sources de chaleur secondaires. La déformation thermique est le résultat de l’influence combinée de toutes ces sources de chaleur. L'échauffement et la déformation d'un centre d'usinage vertical à colonne mobile pendant le mouvement d'avance sur l'axe Y. La table de travail ne bouge pas pendant l'avance sur l'axe Y, l'influence sur la déformation thermique sur l'axe X est donc très faible. Sur la colonne, plus la pointe est éloignée de la vis de guidage de l'axe Y, plus son échauffement est faible. La situation de la machine lorsque l'axe Z se déplace 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 l'axe X, donc l'effet de déformation thermique est plus faible. Plus l'écrou du moteur de l'axe Z sur la colonne est proche de l'axe Z, plus l'augmentation de température et la déformation sont importantes.
3) L'influence de la grande distribution. Il existe trois aspects de l’influence de la répartition des masses sur la déformation thermique des machines-outils. Premièrement, il fait référence à la taille et à la concentration de la masse, ce qui fait généralement référence à une modification de la capacité thermique et de la vitesse de transfert de chaleur, ainsi qu'à une modification du temps nécessaire pour atteindre l'équilibre thermique ; deuxièmement, en modifiant la disposition de la masse, telle que la disposition des diverses nervures, la rigidité thermique de la structure est améliorée, et sous la même élévation de température, l'influence de la déformation thermique est réduite ou la déformation relative reste faible ; troisièmement, il s'agit de modifier la disposition de la masse, par exemple en disposant des nervures de dissipation thermique à l'extérieur de la structure pour 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 quantité de chaleur, leur échauffement et leur déformation sont différentes.
(1) Objectif des tests de performance thermique des machines-outils La clé du contrôle de la déformation thermique des machines-outils est de bien comprendre les changements de température ambiante de la machine-outil, la source de chaleur et les changements de température de la machine-outil elle-même, ainsi que la réponse (déplacement de déformation) des points clés grâce à des tests de caractéristiques thermiques. Les données ou courbes de test décrivent les caractéristiques thermiques d'une machine-outil afin que des contre-mesures puissent être prises pour contrôler la déformation thermique et améliorer la précision et l'efficacité du traitement de la machine-outil.
Plus précisément, les objectifs suivants devraient être atteints :
1) Tester l’environnement de la machine-outil. Mesurez l'environnement thermique de l'atelier, son gradient spatial de température, les changements de répartition de la température lors de l'alternance jour et nuit, et mesurez même l'impact des changements saisonniers sur la répartition de la température autour de la machine-outil.
2) Test des caractéristiques thermiques de la machine-outil elle-même. À condition d'éliminer autant que possible les interférences environnementales, placez la machine-outil dans divers états de fonctionnement pour mesurer les changements de température et les changements de déplacement des points importants de la machine-outil elle-même, enregistrez les changements de température et les déplacements des points clés sur une période suffisamment longue. de temps et utilisez une caméra thermique infrarouge pour enregistrer la distribution thermique de chaque période de temps.
3) Tester l'élévation de température et la déformation thermique pendant le processus de traitement pour déterminer l'impact de la déformation thermique de la machine-outil sur la précision du processus de traitement.
4) Les tests ci-dessus peuvent accumuler une grande quantité de données et de courbes, qui fourniront des critères fiables pour la conception des machines-outils et les utilisateurs pour contrôler la déformation thermique, et indiqueront la direction à prendre pour prendre des mesures efficaces.
(2) Principe de l'essai de déformation thermique de la machine-outil L'essai de déformation thermique doit d'abord mesurer la température de plusieurs points liés, y compris les aspects suivants :
1) Source de chaleur : y compris le moteur d'alimentation de chaque pièce, le moteur de broche, la paire de transmission à vis à billes, le rail de guidage et le roulement de broche. 2) Dispositifs auxiliaires : y compris le système hydraulique, le réfrigérateur, le système de détection de déplacement de refroidissement et de lubrification.
3) Structure mécanique : comprenant le lit, la base, la glissière, la colonne, la boîte de tête de fraisage et la broche. Une tige de mesure en acier à l'indium est serrée entre la broche et la table rotative, et 5 capteurs de contact sont configurés dans les directions X, Y et Z pour mesurer la déformation globale dans divers états afin de simuler le déplacement relatif entre l'outil et la pièce.
(3) Traitement et analyse des données de test Le test de déformation thermique de la machine-outil doit être effectué sur une longue période continue et un enregistrement continu des données est effectué. Après analyse et traitement, les caractéristiques de déformation thermique reflétées sont très fiables. Si l'erreur est éliminée grâce à plusieurs tests, la régularité affichée est crédible. Au total, 5 points de mesure sont définis lors du test de déformation thermique du système de broche, dont le point 1 et le point 2 se trouvent à l'extrémité de la broche et à proximité du roulement de broche, et le point 4 et le point 5 sont respectivement au niveau du fraisage. boîtier de tête à proximité du rail de guidage Z. Le test a duré 14 heures. Au cours des 10 premières heures, la vitesse de broche a été modifiée alternativement dans la plage de 0 à 9 000 tr/min. A partir de la 10ème heure, la broche a continué à tourner à une vitesse élevée de 9000 tr/min. Les conclusions suivantes peuvent être tirées :
1) Le temps d'équilibre thermique de la broche est d'environ 1 heure et l'augmentation de la température après l'équilibre varie de 1,5 ℃.
2) L’échauffement provient principalement des roulements de broche et du moteur de broche. Dans la plage de vitesse normale, les performances thermiques des roulements sont bonnes.
3) La déformation thermique a peu d’effet dans la direction X.
4) La déformation par expansion dans la direction Z est importante, environ 10 m, causée par l'allongement thermique de la broche et l'augmentation du jeu du roulement.
5) Lorsque la vitesse est continuellement à 9 000 tr/min, l'augmentation de la température augmente fortement, augmentant d'environ 7 ℃ en 2,5 heures, et il y a une tendance à l'augmentation continue. La déformation dans les directions Y et Z atteint 29 m et 37 m, indiquant que la broche ne peut plus fonctionner de manière stable à une vitesse de 9 000 tr/min, mais peut fonctionner en peu de temps (20 min).
Le contrôle de la déformation thermique des machines-outils est abordé dans l’analyse ci-dessus. De nombreux facteurs affectent l'échauffement et la déformation thermique des machines-outils sur la précision du traitement. Lors de la prise de mesures de contrôle, il faut saisir les principales contradictions et prendre les mesures correspondantes 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, l'équilibre structurel et un refroidissement raisonnable. La réduction de la production de chaleur et le contrôle des sources de chaleur sont des mesures fondamentales. Lors de la conception, des mesures doivent être prises pour réduire efficacement la génération de chaleur des sources de chaleur. 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, l'augmentation de la charge signifie que la puissance de sortie du moteur augmente, c'est-à-dire que le courant correspondant I augmente également et que la chaleur consommée par le courant dans l'impédance d'induit augmente. Si le moteur que nous avons conçu et sélectionné fonctionne longtemps dans des conditions proches ou dépassant largement la puissance nominale, l'échauffement du moteur augmentera considérablement. Pour cette raison, 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℃). Les concepts suivants sont obtenus à partir des tests ci-dessus : Compte tenu des performances de la source de chaleur, qu'il s'agisse du moteur de broche ou du moteur d'alimentation, lors de la sélection de la puissance nominale, il est préférable d'en choisir une qui est environ 25 % supérieure à la puissance calculée. En fonctionnement réel, la puissance de sortie du moteur correspond à la charge. L'augmentation de la puissance nominale du moteur a peu d'effet sur la consommation d'énergie, mais peut réduire efficacement l'échauffement du moteur.
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