¿Con qué frecuencia pensamos en la sutil pero poderosa influencia de la temperatura en la precisión del mecanizado CNC? Este artículo explora cómo la deformación térmica afecta a la precisión de las máquinas herramienta, desde los cambios de temperatura ambiente en el taller hasta la generación de calor interno durante las operaciones. Los lectores aprenderán los mecanismos que subyacen a estos impactos térmicos y descubrirán estrategias para minimizar los errores, garantizando una mayor precisión y eficacia del mecanizado. Sumérjase para comprender el papel fundamental que desempeña el control de la temperatura en el mecanizado CNC moderno.
La deformación térmica es un factor crítico que influye en la precisión del mecanizado, con efectos polifacéticos en los procesos de fabricación de precisión. Las fluctuaciones en la temperatura ambiente del taller, el calor generado por el funcionamiento del motor y los movimientos mecánicos, los procesos de corte y los medios de refrigeración pueden inducir aumentos de temperatura no uniformes en varios componentes de la Máquina-Herramienta. Estas variaciones térmicas provocan cambios dimensionales que afectan tanto a la precisión de forma de la máquina como a la precisión general del mecanizado.
Un estudio de caso sobre la producción de un tornillo de 70 mm x 1650 mm en una fresadora CNC de precisión estándar ilustra la importancia de los efectos térmicos. La diferencia de error acumulado entre las piezas mecanizadas de 7:30 a 9:00 y las procesadas de 14:00 a 15:30 puede alcanzar hasta 85μm. Sin embargo, en condiciones de temperatura controlada, este error puede reducirse sustancialmente a 40μm, lo que demuestra el potencial de mejora de la precisión mediante la gestión térmica.
Otro ejemplo pone de manifiesto el impacto de la deformación térmica en las operaciones de rectificado de precisión. Una rectificadora de superficies de doble extremo de alta precisión, utilizada para procesar chapas finas de acero con espesores comprendidos entre 0,6 mm y 3,5 mm, experimenta cambios dimensionales significativos tras un funcionamiento continuo. Tras una hora de rectificado automático, la variación dimensional aumenta a 12μm, coincidiendo con un aumento de la temperatura del refrigerante de 17°C en el arranque a 45°C. Este aumento de temperatura provoca la expansión térmica del gorrón del husillo y un aumento del juego del cojinete en el extremo delantero del husillo. Para mitigar estos efectos térmicos, la integración de una unidad de refrigeración de 5,5 kW en el sistema de refrigeración de la máquina ha demostrado su eficacia para mantener la estabilidad dimensional.
El impacto de la deformación térmica en la precisión del mecanizado es especialmente pronunciado en entornos con temperaturas fluctuantes. Durante su funcionamiento, las máquinas herramienta convierten en calor una parte sustancial de la energía consumida, lo que provoca alteraciones físicas en diversos componentes. Para hacer frente a este reto, los diseñadores de máquinas herramienta deben poseer un conocimiento exhaustivo de los mecanismos de generación de calor y de los patrones de distribución de la temperatura dentro del sistema. Este conocimiento permite aplicar estrategias específicas para minimizar el impacto de la deformación térmica en la precisión del mecanizado.
Las técnicas eficaces de gestión térmica pueden incluir:
Al incorporar estas estrategias avanzadas de gestión térmica, los fabricantes pueden mejorar significativamente la precisión y la uniformidad del mecanizado, sobre todo en aplicaciones de alta precisión en las que la estabilidad térmica es primordial.
China es un país extenso, situado en su mayor parte en las zonas subtropicales. La temperatura varía mucho a lo largo del año y presenta diferentes fluctuaciones térmicas durante el día. Como consecuencia, las intervenciones de las personas para regular la temperatura en la habitación, como el taller, también varían y la temperatura alrededor de la máquina herramienta es muy diferente.
Por ejemplo, en el delta del río Yangtsé, el gradiente de temperatura estacional es de unos 45°C, y el cambio de temperatura entre el día y la noche es de unos 5-12°C. El taller de mecanizado no suele tener calefacción en invierno ni aire acondicionado en verano, pero mientras el taller esté bien ventilado, el gradiente de temperatura en el taller no cambia mucho.
En el noreste de China, la diferencia de temperatura estacional puede alcanzar los 60°C, y el cambio entre el día y la noche es de unos 8-15°C. El periodo de calefacción dura desde finales de octubre hasta principios de abril del año siguiente, y el taller de mecanizado está diseñado para proporcionar calefacción con una circulación de aire insuficiente. La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior del taller puede alcanzar los 50°C, lo que provoca un complicado gradiente de temperatura en invierno. Por ejemplo, cuando se mide entre las 8:15 y las 8:35 de la mañana, la temperatura exterior es de 1,5ºC, y el cambio de temperatura en el taller es de unos 3,5ºC.
La temperatura ambiente en un taller de este tipo puede afectar en gran medida a la precisión de mecanizado de las máquinas herramienta de precisión.
El entorno de una máquina herramienta se refiere al entorno térmico formado por diversos factores que se encuentran en las proximidades de la máquina herramienta. Estos factores incluyen:
(1) Microclima del taller: como la distribución de la temperatura en el taller, que cambia lentamente con los cambios de día y noche, el clima o la ventilación.
(2) Fuentes de calor del taller: como la radiación solar, los equipos de calefacción y la iluminación de alta potencia. Estas fuentes, cuando están cerca de la máquina herramienta, pueden tener un efecto directo y duradero en el aumento de temperatura de toda la máquina herramienta o de una parte de ella. El calor generado por los equipos adyacentes durante el funcionamiento también puede afectar al aumento de temperatura de la máquina herramienta a través de la radiación o el flujo de aire.
(3) Disipación del calor: Los cimientos deben ser capaces de disipar el calor de forma eficaz, especialmente los de las máquinas herramienta de precisión, que no deben situarse cerca de tuberías de calefacción subterráneas. Si una tubería se rompe y tiene fugas, puede convertirse en una fuente de calor difícil de localizar, pero un taller abierto puede servir como un buen "radiador" y ayudar a igualar la temperatura del taller.
(4) Temperatura constante: Mantener una temperatura constante en el taller puede preservar eficazmente la precisión y la exactitud de procesamiento de las máquinas herramienta de precisión, pero también puede conllevar un elevado consumo de energía.
(1) Fuentes de calor estructurales de las máquinas herramienta
El calentamiento de los motores, como el motor del husillo, el motor del servoalimentador, el motor de la bomba de refrigeración y lubricación, la caja de control eléctrico, etc., puede generar calor. Aunque estas condiciones son aceptables para los propios motores, tienen un impacto significativo en componentes como el husillo y el husillo de bolas. Deben tomarse medidas para aislarlos.
Cuando la energía eléctrica hace funcionar el motor, la mayor parte se convierte en energía cinética mediante mecanismos de movimiento, como la rotación del husillo y el movimiento de la mesa, mientras que una pequeña parte (unos 20%) se convierte en energía térmica del motor. Sin embargo, una parte considerable se convierte inevitablemente en calor por fricción durante el movimiento. Los componentes como rodamientos, raíles guía, husillos de bolas y cajas de engranajes también generan calor.
(2) Calor de corte durante el proceso
Durante el proceso de corte, parte de la energía cinética de la herramienta o de la pieza es consumida por el trabajo de corte. Una parte importante se convierte en energía de deformación del corte y en calor de fricción entre la viruta y la herramienta, lo que genera calor en la herramienta, el husillo y la pieza de trabajo. Además, una gran cantidad de calor de la viruta se transmite a la fijación de la mesa de la máquina herramienta y a otros componentes, lo que afectará directamente a la posición relativa entre la herramienta y la pieza de trabajo.
(3) Refrigeración
La refrigeración es una contramedida contra el aumento de temperatura de la máquina herramienta, como la refrigeración de motores, componentes del husillo e infraestructura. Las máquinas herramienta de gama alta suelen utilizar refrigeradores para enfriar sus cajas de control electrónico.
En el campo de la deformación térmica de máquinas herramienta, la estructura de la máquina herramienta se refiere generalmente en términos de su forma estructural, la distribución de la masa, propiedades del materialy la distribución de la fuente de calor. La forma de la estructura afecta a la distribución de la temperatura, la dirección de conducción del calor, la dirección de deformación térmica y la adaptación de la máquina herramienta, entre otros factores.
(1) Forma estructural de la máquina herramienta: En términos de estructura general, las máquinas herramienta pueden ser verticales, horizontales, de pórtico o en voladizo, que presentan grandes diferencias en cuanto a respuesta térmica y estabilidad. Por ejemplo, el aumento de temperatura del cabezal de un torno de engranajes puede alcanzar los 35°C, y se tarda unas 2 horas en alcanzar el equilibrio térmico cuando se levanta el extremo del husillo. Por el contrario, el aumento de temperatura de un centro de mecanizado de fresado y torneado de precisión de bancada inclinada suele ser inferior a 15°C, ya que dispone de una base estable que mejora la rigidez de toda la máquina y un servomotor que acciona el eje principal.
(2) Influencia de la distribución de la fuente de calor: Las máquinas herramienta suelen considerar el motor eléctrico como la fuente de calor, como el motor del husillo, el motor de avance, el sistema hidráulico, etc. Sin embargo, se trata de una visión incompleta, ya que una parte considerable de la energía se consume en el calentamiento causado por el trabajo de fricción de los rodamientos, las tuercas de los husillos, los carriles guía y las virutas. El motor puede considerarse una fuente de calor primaria, mientras que los rodamientos, las tuercas, los raíles guía y las virutas pueden considerarse fuentes de calor secundarias, y la deformación térmica es el resultado de sus efectos combinados.
(3) Efecto de la distribución de la masa: La influencia de la distribución de la masa en la deformación térmica tiene tres aspectos: (i) el tamaño y la concentración de la masa, que afecta a la capacidad térmica y la velocidad de transferencia de calor, y el tiempo para alcanzar el equilibrio térmico, (ii) el cambio de la calidad de la disposición, tales como la adición de varias costillas para mejorar la rigidez térmica, reducir la deformación térmica, o mantener la deformación relativa pequeña bajo el mismo aumento de temperatura, y (iii) la reducción del aumento de temperatura de los componentes de la máquina herramienta mediante el cambio de la forma de disposición de calidad, tales como la adición de costillas de disipación de calor fuera de la estructura.
(4) Influencia de las propiedades del material: Los distintos materiales tienen diferentes parámetros de rendimiento térmico, como el calor específico, la conductividad térmica y el coeficiente de dilatación lineal. Bajo el mismo calor, su aumento de temperatura y su deformación serán diferentes.
La clave para controlar la deformación térmica en las máquinas herramienta es conocer a fondo los cambios en la temperatura ambiente, las fuentes de calor y los cambios de temperatura dentro de la máquina herramienta, así como la respuesta de los puntos clave (desplazamiento de la deformación) mediante pruebas térmicas. Al medir las características térmicas de la máquina herramienta, se pueden tomar contramedidas para controlar la deformación térmica y mejorar la precisión y eficacia de la máquina.
Las pruebas deben permitir alcanzar los siguientes objetivos:
(1) Comprobación del entorno de la máquina: Medir la temperatura en el taller, el gradiente espacial de temperatura, los cambios de distribución de la temperatura a lo largo del día y la noche, y el impacto de los cambios estacionales en la distribución de la temperatura alrededor de la máquina herramienta.
(2) Pruebas de las características térmicas de la máquina herramienta: Elimine las interferencias ambientales en la medida de lo posible y mida los cambios de temperatura y los cambios de desplazamiento de los puntos importantes de la máquina herramienta durante varios estados de funcionamiento. Registre los cambios de temperatura y los desplazamientos de los puntos clave durante un periodo de tiempo suficiente, utilizando instrumentos de imagen térmica por infrarrojos para capturar la distribución térmica en cada periodo de tiempo.
(3) Pruebas de aumento de temperatura y deformación térmica durante el procesamiento: Evaluar el impacto de la deformación térmica en la precisión del procesado midiendo el aumento de temperatura y la deformación térmica durante el procesado.
(4) Acumulación de datos y curvas: Los experimentos pueden acumular una gran cantidad de datos y curvas, proporcionando criterios fiables para el diseño de máquinas herramienta y el control de la deformación térmica, e indicando la dirección de las medidas eficaces.
La prueba de deformación térmica comienza midiendo la temperatura de varios puntos relevantes, entre ellos:
(1) Fuente de calor: como el motor de alimentación, el motor del husillo, el par de accionamiento del husillo de bolas, el carril guía y los rodamientos del husillo de cada pieza.
(2) Dispositivos auxiliares: incluido el sistema hidráulico, el refrigerador, la refrigeración y el sistema de detección de desplazamiento de la lubricación.
(3) Estructura mecánica: incluyendo la bancada, la base, el carro, la columna y la caja del cabezal de fresado, así como el husillo. Se sujeta una sonda de acero al indio entre el husillo y la mesa giratoria.
Cinco sensores de contacto están dispuestos en las direcciones X, Y y Z para medir la deformación integral en varios estados, simulando el desplazamiento relativo entre la herramienta y la pieza de trabajo.
El ensayo de deformación térmica de la máquina-herramienta debe realizarse durante un largo período continuo y debe realizarse un registro continuo de datos. Tras el análisis y el procesamiento, la fiabilidad de las características de deformación térmica reflejadas puede ser muy alta, y si el rechazo de errores se realiza mediante múltiples experimentos, la regularidad mostrada es creíble.
En la prueba de deformación térmica del sistema de husillo, se establecieron un total de cinco puntos de medición, con el punto 1 en el extremo del husillo y el punto 2 cerca del cojinete del husillo, y los puntos 4 y 5 situados cerca del carril guía de dirección Z en la carcasa del cabezal de fresado. La prueba duró 14 horas, con la velocidad del husillo cambiando alternativamente en el rango de 0 a 9000 r/min durante las primeras 10 horas, y luego continuando girando a una velocidad alta de 9000 r/min durante el tiempo restante.
De la prueba pueden extraerse las siguientes conclusiones:
Del análisis y la discusión se desprende que el aumento de temperatura y la deformación térmica de las máquinas herramienta pueden afectar significativamente a su precisión de procesamiento. A la hora de tomar medidas de control, es crucial identificar los principales factores que contribuyen a ello y centrarse en unas pocas medidas eficaces para lograr resultados óptimos.
En el proceso de diseño, debe prestarse atención a reducir la generación de calor y el aumento de temperatura, crear una estructura equilibrada y proporcionar una refrigeración eficaz.
El control de las fuentes de calor es una medida fundamental para reducir el aumento de temperatura y la deformación térmica de las máquinas herramienta. Para lograrlo, en el proceso de diseño deben seguirse los siguientes pasos:
(1) Seleccionar razonablemente la potencia nominal del motor: La potencia de salida del motor es proporcional a la tensión y la corriente. En general, la tensión es constante, y un aumento de la carga provoca un aumento de la potencia de salida y de la corriente, lo que se traduce en un aumento del calor consumido por la impedancia del inducido. Para minimizar el aumento de temperatura del motor, es mejor seleccionar una potencia nominal que sea aproximadamente 25% mayor que la potencia calculada.
(2) Reducir la generación de calor a partir de fuentes de calor secundarias: Para minimizar el aumento de temperatura de las fuentes de calor secundarias, deben tomarse medidas en el diseño del estructura de la máquina. Por ejemplo, la mejora de la coaxialidad de los cojinetes delantero y trasero y el uso de cojinetes de alta precisión pueden reducir la fricción y la generación de calor. La sustitución de las guías deslizantes por guías lineales rodantes o el uso de un motor lineal también pueden reducir la generación de calor.
(3) Utilización de corte de alta velocidad en el proceso de mecanizado: El corte a alta velocidad reduce la generación de calor durante el proceso de corte. Cuando la velocidad lineal de corte de metales está por encima de un cierto rango, el metal no tiene tiempo de sufrir una deformación plástica, y no se genera calor de deformación en las virutas. La mayor parte de la energía de corte se convierte en energía cinética de la viruta y se la lleva.
El control de la deformación térmica en las máquinas herramienta exige prestar atención a la dirección y velocidad de la transferencia de calor para reducir sus efectos. Una estructura simétrica ayuda a distribuir el calor uniformemente, reduciendo la deriva y la deformación.
(1) Pretensado y deformación térmica
En los sistemas de alimentación de alta velocidad, los husillos a bolas suelen pretensarse en ambos extremos para reducir los errores de deformación térmica. La estructura de pretensado axial reduce el error acumulado en comparación con una estructura fija en un extremo y libre en el otro. El principal efecto del aumento de temperatura en esta estructura es cambiar la tensión de tracción a cero o a compresión, teniendo poco efecto en la precisión del desplazamiento.
(2) Cambiar la estructura y la dirección de deformación
La corredera de husillo del eje Z de a CNC La fresadora de ranura de aguja con una estructura de fijación axial de husillo de bolas diferente requiere un error de ranura de fresado de 0,05 mm. La estructura de extremo flotante garantiza el cambio de profundidad de la ranura durante el procesamiento, mientras que la estructura flotante axial da lugar a una profundización gradual de la ranura.
(3) Geometría simétrica
Una estructura simétrica de la máquina herramienta minimiza la deformación térmica y la deriva de la punta de la herramienta. El centro de micromecanizado YMC430 es un ejemplo de máquina que ha tenido en cuenta el rendimiento térmico en su diseño. Tiene una disposición completamente simétrica, con columnas y vigas integradas en forma de H, un carro de husillo circular y motores lineales para los tres ejes móviles. Los dos ejes giratorios utilizan transmisión directa, lo que minimiza la fricción y la transmisión mecánica.
(1) El refrigerante durante el procesado afecta directamente a la precisión del procesado.
Se realizó una prueba comparativa en una trituradora GRV450C de doble cara y se demostró que el tratamiento de intercambio térmico del líquido refrigerante mediante un refrigerador mejora considerablemente la precisión del procesado.
Los métodos tradicionales de suministro de refrigerante provocaron que el tamaño de la pieza de trabajo estuviera fuera de tolerancia después de 30 minutos, mientras que el uso de un refrigerador permitió un procesamiento normal durante más de 70 minutos. El tamaño excesivo de la pieza después de 80 minutos se debía a la necesidad de recortar la muela, lo que eliminaba virutas de metal de la superficie de la muela. La precisión de mecanizado original se restablecía inmediatamente después del recorte y el efecto era muy notable.
Del mismo modo, la refrigeración forzada del husillo también puede dar muy buenos resultados.
(2) Aumentar la superficie de refrigeración natural.
Por ejemplo, añadir zonas naturales de refrigeración por aire a la estructura de la caja del eje principal también puede desempeñar un papel importante en la disipación del calor en un taller con buena circulación de aire.
(3) Retirada oportuna de las virutas.
La eliminación oportuna o en tiempo real de las virutas a alta temperatura de la pieza, la mesa y la herramienta reduce en gran medida el aumento de temperatura y la deformación térmica de las piezas críticas.
El control de la deformación térmica en las máquinas herramienta es un reto crítico en el mecanizado de precisión moderno, con factores de influencia multifacéticos. La convergencia de procesos de corte de alta velocidad, alta eficiencia y alta precisión ha exacerbado este problema, atrayendo una atención significativa del sector de fabricación de máquinas herramienta.
Las exhaustivas investigaciones llevadas a cabo por expertos nacionales e internacionales de la industria de la máquina-herramienta han dado lugar a avances sustanciales en la comprensión de la deformación térmica, estableciéndola como una teoría fundamental en este campo.
Este artículo explora el impacto de las metodologías de diseño, aplicación, medición y análisis en el rendimiento térmico de las máquinas herramienta, proponiendo estrategias para mejorar el diseño.
Para optimizar el rendimiento térmico de las máquinas herramienta, debe aplicarse el siguiente enfoque global:
1. Consideraciones medioambientales: Durante la fase de diseño de máquinas-herramienta avanzadas, evalúe y tenga en cuenta las condiciones medioambientales específicas del entorno operativo previsto. Esto incluye las fluctuaciones de la temperatura ambiente, los niveles de humedad y los posibles gradientes térmicos dentro del espacio de trabajo.
2. Gestión de las fuentes de calor: Aplicar un control riguroso y una configuración estratégica de las fuentes de calor. Esto abarca:
3. Priorización del sistema de refrigeración: Reevaluar las jerarquías de diseño tradicionales elevando los sistemas de refrigeración, disipación de calor, lubricación y eliminación de virutas de componentes auxiliares a críticos. Integre tecnologías de refrigeración avanzadas como la refrigeración líquida selectiva, la refrigeración termoeléctrica o los materiales de cambio de fase para mantener la estabilidad térmica.
4. Simetría estructural y mitigación de la deformación térmica: Incorporar principios de diseño simétrico y considerar los aspectos direccionales de la deformación térmica. Este enfoque pretende minimizar las desviaciones de precisión causadas por los efectos térmicos. Entre las estrategias clave se incluyen:
Abordando meticulosamente estos aspectos, los fabricantes pueden mejorar significativamente la estabilidad térmica y la precisión de las máquinas herramienta modernas, mejorando así la precisión y la eficacia general del mecanizado.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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