Combien de fois pensons-nous à l'influence subtile mais puissante de la température sur la précision de l'usinage CNC ? Cet article explore la manière dont la déformation thermique affecte la précision des machines-outils, depuis les changements de température ambiante de l'atelier jusqu'à la production de chaleur interne pendant les opérations. Les lecteurs apprendront les mécanismes à l'origine de ces impacts thermiques et découvriront des stratégies visant à minimiser les erreurs, garantissant ainsi une précision et une efficacité accrues de l'usinage. Plongez dans cet article pour comprendre le rôle essentiel que joue le contrôle de la température dans l'usinage CNC moderne.
La déformation thermique est un facteur critique qui influe sur la précision de l'usinage, avec des effets multiples sur les processus de fabrication de précision. Les fluctuations de la température ambiante de l'atelier, la chaleur générée par le fonctionnement du moteur et les mouvements mécaniques, les processus de coupe et les moyens de refroidissement peuvent induire des augmentations de température non uniformes sur les différents composants de la machine-outil. Ces variations thermiques entraînent des modifications dimensionnelles qui affectent à la fois la précision de la forme de la machine et la précision globale de l'usinage.
Une étude de cas portant sur la production d'une vis de 70 mm x 1650 mm sur une fraiseuse CNC de précision standard illustre l'importance des effets thermiques. La différence d'erreur cumulée entre les pièces usinées de 7h30 à 9h00 et celles traitées de 14h00 à 15h30 peut atteindre 85μm. Cependant, dans des conditions de température contrôlée, cette erreur peut être considérablement réduite à 40μm, ce qui démontre le potentiel d'amélioration de la précision par la gestion thermique.
Un autre exemple met en évidence l'impact de la déformation thermique sur les opérations de rectification de précision. Une rectifieuse plane à double extrémité de haute précision, utilisée pour le traitement de fines tôles d'acier d'une épaisseur comprise entre 0,6 mm et 3,5 mm, subit des variations dimensionnelles importantes après un fonctionnement continu. Après une heure de meulage automatique, la variation dimensionnelle augmente jusqu'à 12μm, ce qui coïncide avec une augmentation de la température du liquide de refroidissement, qui passe de 17°C au démarrage à 45°C. Cette augmentation de température entraîne une dilatation thermique du tourillon de la broche et un élargissement du jeu de roulement à l'extrémité avant de la broche. Pour atténuer ces effets thermiques, l'intégration d'une unité de réfrigération de 5,5 kW dans le système de refroidissement de la machine s'est avérée efficace pour maintenir la stabilité dimensionnelle.
L'impact de la déformation thermique sur la précision de l'usinage est particulièrement prononcé dans les environnements où les températures fluctuent. Pendant leur fonctionnement, les machines-outils convertissent une part importante de l'énergie consommée en chaleur, ce qui entraîne des altérations physiques de divers composants. Pour relever ce défi, les concepteurs de machines-outils doivent avoir une connaissance approfondie des mécanismes de production de chaleur et des schémas de distribution de la température au sein du système. Ces connaissances permettent de mettre en œuvre des stratégies ciblées pour minimiser l'impact de la déformation thermique sur la précision de l'usinage.
Les techniques de gestion thermique efficaces peuvent comprendre
En intégrant ces stratégies de gestion thermique avancées, les fabricants peuvent améliorer de manière significative la précision et la cohérence de l'usinage, en particulier dans les applications de haute précision où la stabilité thermique est primordiale.
La Chine est un grand pays, principalement situé dans la zone subtropicale. La température varie fortement tout au long de l'année et connaît différentes fluctuations au cours de la journée. Par conséquent, les interventions des personnes pour réguler la température dans la pièce, comme l'atelier, varient également et la température autour de la machine-outil est très différente.
Par exemple, dans le delta du fleuve Yangtze, l'amplitude thermique saisonnière est d'environ 45°C, et la variation de température entre le jour et la nuit est de l'ordre de 5 à 12°C. L'atelier d'usinage ne dispose généralement pas de chauffage en hiver ou de climatisation en été, mais tant que l'atelier est bien ventilé, le gradient de température dans l'atelier ne change pas beaucoup.
Dans le nord-est de la Chine, la différence de température saisonnière peut atteindre 60°C, et l'écart entre le jour et la nuit est d'environ 8 à 15°C. La période de chauffage s'étend de fin octobre à début avril de l'année suivante, et l'atelier d'usinage est conçu pour fournir un chauffage avec une circulation d'air insuffisante. La différence de température entre l'intérieur et l'extérieur de l'atelier peut atteindre 50°C, ce qui entraîne un gradient de température compliqué en hiver. Par exemple, lorsque la température est mesurée entre 8h15 et 8h35, la température extérieure est de 1,5°C, et le changement de température dans l'atelier est d'environ 3,5°C.
La température ambiante dans un tel atelier peut grandement affecter la précision d'usinage des machines-outils de précision.
L'environnement d'une machine-outil désigne l'environnement thermique formé par divers facteurs à proximité immédiate de la machine-outil. Ces facteurs sont les suivants
(1) Microclimat de l'atelier : comme la répartition de la température dans l'atelier, qui varie lentement en fonction des changements de jour et de nuit, du climat ou de la ventilation.
(2) Sources de chaleur de l'atelier : telles que le rayonnement solaire, les équipements de chauffage et les éclairages de forte puissance. Ces sources, lorsqu'elles sont proches de la machine-outil, peuvent avoir un effet direct et durable sur l'élévation de la température de l'ensemble ou d'une partie de la machine-outil. La chaleur générée par les équipements adjacents pendant leur fonctionnement peut également affecter l'élévation de la température de la machine-outil par le biais du rayonnement ou du flux d'air.
(3) Dissipation de la chaleur : Les fondations doivent être en mesure de dissiper efficacement la chaleur, en particulier celles des machines-outils de précision, qui ne doivent pas être situées à proximité de canalisations de chauffage souterraines. Si une canalisation se rompt et fuit, elle peut devenir une source de chaleur difficile à localiser, mais un atelier ouvert peut servir de bon "radiateur" et contribuer à égaliser la température de l'atelier.
(4) Température constante : Le maintien d'une température constante dans l'atelier permet de préserver efficacement la précision et l'exactitude de l'usinage des machines-outils de précision, mais il peut également entraîner une forte consommation d'énergie.
(1) Sources de chaleur structurelles des machines-outils
Le chauffage des moteurs, tels que le moteur de la broche, le moteur de la servocommande, le moteur de la pompe de refroidissement et de lubrification, le boîtier de commande électrique, etc. Si ces conditions sont acceptables pour les moteurs eux-mêmes, elles ont un impact important sur les composants tels que la broche et la vis à billes. Des mesures doivent être prises pour les isoler.
Lorsque l'énergie électrique fait tourner le moteur, la majeure partie est convertie en énergie cinétique par les mécanismes de mouvement, tels que la rotation de la broche et le mouvement de la table, tandis qu'une petite partie (environ 20%) est convertie en énergie thermique du moteur. Cependant, une partie considérable est inévitablement convertie en chaleur de friction pendant le mouvement. Les composants tels que les roulements, les rails de guidage, les vis à billes et les boîtes de vitesses génèrent également de la chaleur.
(2) Réduction de la chaleur au cours du processus
Au cours du processus de coupe, une partie de l'énergie cinétique de l'outil ou de la pièce est consommée par le travail de coupe. Une partie importante est convertie en énergie de déformation de la coupe et en chaleur de frottement entre le copeau et l'outil, ce qui génère de la chaleur dans l'outil, la broche et la pièce. En outre, une grande partie de la chaleur du copeau est transmise au dispositif de fixation de la table de la machine-outil et à d'autres composants, ce qui affecte directement la position relative entre l'outil et la pièce à usiner.
(3) Refroidissement
Le refroidissement est une contre-mesure à l'augmentation de la température de la machine-outil, comme le refroidissement des moteurs, des composants de la broche et de l'infrastructure. Les machines-outils haut de gamme utilisent souvent des réfrigérateurs pour refroidir leurs boîtiers de commande électroniques.
Dans le domaine de la déformation thermique des machines-outils, la structure de la machine-outil est généralement considérée sous l'angle de sa forme structurelle et de la répartition de sa masse, propriétés des matériauxet la distribution de la source de chaleur. La forme de la structure affecte la distribution de la température, la direction de la conduction thermique, la direction de la déformation thermique et l'adaptation de la machine-outil, entre autres facteurs.
(1) Forme structurelle de la machine-outil : En termes de structure globale, les machines-outils peuvent être verticales, horizontales, à portique ou en porte-à-faux, ce qui entraîne de grandes différences en termes de réponse thermique et de stabilité. Par exemple, l'élévation de température de la poupée d'un tour à engrenages peut atteindre 35°C, et il faut environ deux heures pour atteindre l'équilibre thermique lorsque l'extrémité de la broche est soulevée. En revanche, l'élévation de température d'un centre de tournage et de fraisage de précision à banc incliné est généralement inférieure à 15°C, car il dispose d'une base stable qui améliore la rigidité de l'ensemble de la machine et d'un servomoteur qui entraîne l'arbre principal.
(2) Influence de la distribution de la source de chaleur : Les machines-outils considèrent généralement le moteur électrique comme la source de chaleur, comme le moteur de la broche, le moteur d'alimentation, le système hydraulique, etc. Toutefois, cette vision est incomplète, car une part considérable de l'énergie est consommée par le chauffage causé par le travail de friction des roulements, des écrous de vis, des rails de guidage et des copeaux. Le moteur peut être considéré comme une source de chaleur primaire, tandis que les roulements, les écrous, les rails de guidage et les copeaux peuvent être considérés comme des sources de chaleur secondaires, et la déformation thermique est le résultat de leurs effets combinés.
(3) Effet de la répartition de la masse : L'influence de la répartition de la masse sur la déformation thermique comporte trois aspects : (i) la taille et la concentration de la masse, qui affectent la capacité thermique et la vitesse de transfert de chaleur, ainsi que le temps nécessaire pour atteindre l'équilibre thermique, (ii) la modification de la qualité de l'agencement, telle que l'ajout de diverses nervures pour améliorer la rigidité thermique, réduire la déformation thermique ou maintenir la déformation relative à un faible niveau pour une même élévation de température, et (iii) la réduction de l'élévation de température des composants de la machine-outil par la modification de la forme de l'agencement, telle que l'ajout de nervures de dissipation de chaleur à l'extérieur de la structure.
(4) Influence des propriétés des matériaux : Les différents matériaux ont des paramètres de performance thermique différents, tels que la chaleur spécifique, la conductivité thermique et le coefficient de dilatation linéaire. Sous la même chaleur, leur augmentation de température et leur déformation seront différentes.
La clé du contrôle de la déformation thermique dans les machines-outils réside dans une compréhension approfondie des changements de température ambiante, des sources de chaleur et des changements de température à l'intérieur de la machine-outil, ainsi que dans la réponse des points clés (déplacement de la déformation) par le biais d'essais thermiques. En mesurant les caractéristiques thermiques de la machine-outil, des contre-mesures peuvent être prises pour contrôler la déformation thermique et améliorer la précision et l'efficacité de la machine.
Les essais devraient permettre d'atteindre les objectifs suivants :
(1) Test de l'environnement de la machine : Mesurer la température dans l'atelier, le gradient spatial de température, les changements de distribution de la température au cours de la journée et de la nuit, et l'impact des changements saisonniers sur la distribution de la température autour de la machine-outil.
(2) Essai des caractéristiques thermiques de la machine-outil : Éliminez autant que possible les interférences environnementales et mesurez les changements de température et les déplacements des points importants de la machine-outil au cours des différents états de fonctionnement. Enregistrez les changements de température et les déplacements des points clés pendant un laps de temps suffisant, en utilisant des instruments d'imagerie thermique à infrarouge pour capturer la distribution thermique à chaque période de temps.
(3) Contrôle de l'élévation de la température et de la déformation thermique au cours du traitement : Évaluer l'impact de la déformation thermique sur la précision du traitement en mesurant l'augmentation de la température et la déformation thermique pendant le traitement.
(4) Accumulation des données et des courbes : Les expériences peuvent accumuler une grande quantité de données et de courbes, fournissant des critères fiables pour la conception des machines-outils et le contrôle de la déformation thermique, et indiquant la direction à suivre pour prendre des mesures efficaces.
L'essai de déformation thermique commence par la mesure de la température de plusieurs points importants, notamment :
(1) Source de chaleur : le moteur d'alimentation, le moteur de la broche, la paire de vis à billes, le rail de guidage et les roulements de la broche de chaque pièce.
(2) Dispositifs auxiliaires : y compris le système hydraulique, le réfrigérateur, le système de refroidissement et de lubrification, le système de détection de déplacement.
(3) Structure mécanique : y compris le lit, la base, le chariot, la colonne et le boîtier de la tête de fraisage, ainsi que la broche. Une sonde en acier à l'indium est fixée entre la broche et la table rotative.
Cinq capteurs de contact sont disposés dans les directions X, Y et Z pour mesurer la déformation globale dans différents états, simulant le déplacement relatif entre l'outil et la pièce.
L'essai de déformation thermique de la machine-outil doit être réalisé sur une longue période continue et un enregistrement continu des données doit être effectué. Après analyse et traitement, la fiabilité des caractéristiques de la déformation thermique réfléchie peut être très élevée, et si le rejet des erreurs est effectué par le biais d'expériences multiples, la régularité affichée est crédible.
Lors de l'essai de déformation thermique du système de broche, cinq points de mesure au total ont été fixés, le point 1 à l'extrémité de la broche et le point 2 près du palier de la broche, les points 4 et 5 étant situés près du rail de guidage en Z dans le boîtier de la tête de fraisage. Le test a duré 14 heures, la vitesse de la broche variant alternativement entre 0 et 9000 r/min pendant les 10 premières heures, puis continuant à tourner à une vitesse élevée de 9000 r/min pendant le reste du temps.
Les conclusions suivantes peuvent être tirées du test :
L'analyse et la discussion montrent clairement que l'augmentation de la température et la déformation thermique des machines-outils peuvent avoir un impact significatif sur la précision de leur traitement. Lors de l'adoption de mesures de contrôle, il est essentiel d'identifier les principaux facteurs contributifs et de se concentrer sur quelques mesures efficaces pour obtenir des résultats optimaux.
Lors de la conception, il convient de veiller à réduire la production de chaleur et l'augmentation de la température, à créer une structure équilibrée et à assurer un refroidissement efficace.
Le contrôle des sources de chaleur est une mesure fondamentale pour réduire l'augmentation de la température et la déformation thermique des machines-outils. Pour y parvenir, il convient de prendre les mesures suivantes dans le processus de conception :
(1) Sélectionner raisonnablement la puissance nominale du moteur : La puissance de sortie du moteur est proportionnelle à la tension et au courant. En général, la tension est constante, et une augmentation de la charge entraîne une augmentation de la puissance de sortie et du courant, ce qui se traduit par une augmentation de la chaleur consommée par l'impédance de l'induit. Pour minimiser l'augmentation de température du moteur, il est préférable de choisir une puissance nominale supérieure d'environ 25% à la puissance calculée.
(2) Réduire la production de chaleur à partir de sources de chaleur secondaires : Pour minimiser l'élévation de température due aux sources de chaleur secondaires, des mesures doivent être prises lors de la conception de l'installation. structure de la machine. Par exemple, l'amélioration de la coaxialité des roulements avant et arrière et l'utilisation de roulements de haute précision peuvent réduire le frottement et la production de chaleur. Le remplacement des guides coulissants par des guides linéaires à rouleaux ou l'utilisation d'un moteur linéaire peuvent également réduire la production de chaleur.
(3) Utilisation de la coupe à grande vitesse dans le processus d'usinage : La coupe à grande vitesse réduit la production de chaleur pendant le processus de coupe. Lorsque la vitesse linéaire de découpe des métaux est supérieur à une certaine plage, le métal n'a pas le temps de subir une déformation plastique et aucune chaleur de déformation n'est générée sur les copeaux. La majeure partie de l'énergie de coupe est convertie en énergie cinétique des copeaux et évacuée.
Le contrôle de la déformation thermique dans les machines-outils exige de prêter attention à la direction et à la vitesse du transfert de chaleur pour en réduire les effets. Une structure symétrique permet de répartir uniformément la chaleur, réduisant ainsi la dérive et la déformation.
(1) Précontrainte et déformation thermique
Dans les systèmes d'alimentation à grande vitesse, les vis à billes sont souvent précontraintes aux deux extrémités pour réduire les erreurs de déformation thermique. La structure de précontrainte axiale réduit l'erreur cumulative par rapport à une structure fixe à une extrémité et libre à l'autre. Le principal effet de l'augmentation de la température dans cette structure est de faire passer la contrainte de la traction à zéro ou à la compression, ce qui a peu d'effet sur la précision du déplacement.
(2) Modifier la structure et la direction de la déformation
Le chariot de la broche de l'axe Z de a CNC La fraiseuse à rainure d'aiguille avec une structure de fixation axiale de vis à billes différente nécessite une erreur de rainure de fraisage de 0,05 mm. La structure flottante à l'extrémité assure le changement de la profondeur de la rainure pendant le traitement, tandis que la structure flottante axiale entraîne un approfondissement progressif de la rainure.
(3) Géométrie symétrique
Une structure de machine-outil symétrique minimise la déformation thermique et la dérive de la pointe de l'outil. Le centre de micro-usinage YMC430 est un exemple de machine dont la conception tient compte des performances thermiques. Il présente une disposition entièrement symétrique, avec des colonnes et des poutres intégrées en forme de H, un chariot de broche circulaire et des moteurs linéaires pour les trois arbres mobiles. Les deux arbres rotatifs sont à entraînement direct, ce qui minimise les frottements et la transmission mécanique.
(1) Le liquide de refroidissement utilisé pendant le traitement a une incidence directe sur la précision du traitement.
Un test comparatif a été effectué sur un broyeur double face GRV450C et a montré que le traitement par échange thermique du liquide de refroidissement au moyen d'un réfrigérateur améliore considérablement la précision du traitement.
Les méthodes traditionnelles d'alimentation en liquide de refroidissement ont entraîné un dépassement de la taille de la pièce après 30 minutes, alors que l'utilisation d'un réfrigérateur a permis un traitement normal pendant plus de 70 minutes. La taille excessive de la pièce après 80 minutes était due à la nécessité de rogner la meule, ce qui a permis d'éliminer les copeaux de métal de la surface de la meule. La précision d'usinage d'origine a été immédiatement rétablie après l'ébarbage et l'effet était très visible.
De même, le refroidissement forcé de la broche peut également donner de très bons résultats.
(2) Augmentation de la surface de refroidissement naturel.
Par exemple, l'ajout de zones de refroidissement naturel de l'air à la structure de la boîte d'arbre principale peut également jouer un rôle important dans la dissipation de la chaleur dans un atelier où la circulation de l'air est bonne.
(3) Enlèvement des copeaux en temps voulu.
L'élimination en temps voulu ou en temps réel des copeaux à haute température de la pièce, de la table et de l'outil réduit considérablement l'augmentation de la température et la déformation thermique des pièces critiques.
Le contrôle de la déformation thermique dans les machines-outils est un défi critique dans l'usinage de précision moderne, avec des facteurs d'influence à multiples facettes. La convergence des processus de coupe à grande vitesse, à haut rendement et de haute précision a exacerbé ce problème, attirant l'attention du secteur de la fabrication de machines-outils.
Des recherches approfondies menées par des experts nationaux et internationaux de l'industrie des machines-outils ont permis de réaliser des progrès considérables dans la compréhension de la déformation thermique, qui est devenue une théorie fondamentale dans ce domaine.
Cet article explore l'impact des méthodologies de conception, d'application, de mesure et d'analyse sur la performance thermique des machines-outils, en proposant des stratégies d'amélioration de la conception.
Pour optimiser les performances thermiques des machines-outils, il convient de mettre en œuvre l'approche globale suivante :
1. Prise en compte de l'environnement : Au cours de la phase de conception des machines-outils avancées, il convient d'évaluer et de prendre en compte les conditions environnementales spécifiques de l'environnement opérationnel prévu. Il s'agit notamment des fluctuations de la température ambiante, des niveaux d'humidité et des gradients thermiques potentiels dans l'espace de travail.
2. Gestion des sources de chaleur : Mettre en œuvre un contrôle rigoureux et une configuration stratégique des sources de chaleur. Cela comprend
3. Priorité au système de refroidissement : Réévaluer les hiérarchies de conception traditionnelles en faisant passer les systèmes de refroidissement, de dissipation thermique, de lubrification et d'élimination des copeaux du statut de composants auxiliaires à celui de composants critiques. Intégrer des technologies de refroidissement avancées telles que le refroidissement liquide ciblé, le refroidissement thermoélectrique ou les matériaux à changement de phase pour maintenir la stabilité thermique.
4. Symétrie structurelle et atténuation de la déformation thermique : Intégrer des principes de conception symétrique et prendre en compte les aspects directionnels de la déformation thermique. Cette approche vise à minimiser les écarts de précision causés par les effets thermiques. Les principales stratégies sont les suivantes :
En traitant méticuleusement ces aspects, les fabricants peuvent améliorer de manière significative la stabilité thermique et la précision des machines-outils modernes, améliorant ainsi la précision et l'efficacité globales de l'usinage.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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