Hoe vaak denken we na over de subtiele maar krachtige invloed van temperatuur op de CNC-bewerkingsnauwkeurigheid? Dit artikel onderzoekt hoe thermische vervorming de precisie van bewerkingsmachines beïnvloedt, van veranderingen in de omgevingstemperatuur in de werkplaats tot interne warmteontwikkeling tijdens bewerkingen. Lezers leren de mechanismen achter deze thermische invloeden en ontdekken strategieën om fouten te minimaliseren, zodat de machinenauwkeurigheid en -efficiëntie toenemen. Duik in de materie om de kritieke rol te begrijpen die temperatuurregeling speelt bij modern CNC verspanen.
Thermische vervorming is een kritieke factor die de bewerkingsnauwkeurigheid beïnvloedt, met veelzijdige effecten op precisieproductieprocessen. Schommelingen in de omgevingstemperatuur in de werkplaats, warmte die vrijkomt door motorbediening en mechanische bewegingen, snijprocessen en koelmedia kunnen leiden tot niet-uniforme temperatuurstijgingen in verschillende onderdelen van bewerkingsmachines. Deze thermische variaties leiden tot maatveranderingen, die zowel de vormnauwkeurigheid van de machine als de algehele bewerkingsnauwkeurigheid beïnvloeden.
Een casestudy over de productie van een schroef van 70 mm x 1650 mm op een CNC freesmachine met standaardprecisie illustreert het belang van thermische effecten. Het cumulatieve foutverschil tussen werkstukken die van 7.30 tot 9.00 uur zijn bewerkt en werkstukken die van 14.00 tot 15.30 uur zijn bewerkt, kan oplopen tot 85 μm. Onder gecontroleerde temperatuursomstandigheden kan deze fout echter aanzienlijk worden teruggebracht tot 40 μm, wat het potentieel voor verbeterde nauwkeurigheid door thermisch beheer aantoont.
Een ander voorbeeld benadrukt de impact van thermische vervorming op precisieslijpbewerkingen. Een zeer nauwkeurige dubbele vlakslijpmachine, die gebruikt wordt voor het bewerken van dunne staalplaten met diktes van 0,6 mm tot 3,5 mm, ondervindt aanzienlijke dimensionale veranderingen na continu gebruik. Na een uur automatisch slijpen neemt de dimensionale variatie toe tot 12 μm, wat samenvalt met een temperatuurstijging van de koelvloeistof van 17°C bij het opstarten tot 45°C. Deze temperatuurstijging veroorzaakt thermische uitzetting van de machine. Deze temperatuurstijging veroorzaakt thermische uitzetting van de spindeltap en een vergroting van de lagerspeling aan de voorkant van de spindel. Om deze thermische effecten te beperken, is de integratie van een 5,5kW koeleenheid in het koelsysteem van de machine effectief gebleken om de dimensionale stabiliteit te behouden.
De invloed van thermische vervorming op de bewerkingsnauwkeurigheid is bijzonder groot in omgevingen met fluctuerende temperaturen. Tijdens het gebruik zetten bewerkingsmachines een groot deel van de verbruikte energie om in warmte, wat resulteert in fysieke veranderingen aan diverse componenten. Om deze uitdaging aan te gaan, moeten ontwerpers van bewerkingsmachines een goed begrip hebben van de mechanismen voor warmteontwikkeling en de patronen voor temperatuurverdeling binnen het systeem. Met deze kennis kunnen gerichte strategieën worden geïmplementeerd om de invloed van thermische vervorming op de bewerkingsnauwkeurigheid te minimaliseren.
Effectieve technieken voor thermisch beheer kunnen zijn:
Door deze geavanceerde strategieën voor thermisch beheer toe te passen, kunnen fabrikanten de nauwkeurigheid en consistentie van hun bewerkingen aanzienlijk verbeteren, vooral bij toepassingen met hoge precisie waarbij thermische stabiliteit van het grootste belang is.
China is een groot land, voornamelijk gelegen in de subtropen. De temperatuur varieert sterk gedurende het jaar en heeft verschillende temperatuurschommelingen gedurende de dag. Als gevolg daarvan variëren ook de interventies van mensen om de temperatuur in de ruimte, zoals de werkplaats, te regelen en is de temperatuur rond de gereedschapsmachine zeer verschillend.
In de rivierdelta van de Yangtze bijvoorbeeld is het seizoensgebonden temperatuurbereik ongeveer 45°C en is het temperatuurverschil tussen dag en nacht ongeveer 5-12°C. De machinale werkplaats heeft meestal geen verwarming in de winter of airconditioning in de zomer, maar zolang de werkplaats goed geventileerd is, verandert de temperatuurgradiënt in de werkplaats niet veel.
In Noordoost-China kan het seizoensgebonden temperatuurverschil oplopen tot 60°C en is de dag- en nachtverandering ongeveer 8-15°C. De verwarmingsperiode duurt van eind oktober tot begin april van het volgende jaar en de bewerkingswerkplaats is ontworpen voor verwarming met onvoldoende luchtcirculatie. Het temperatuurverschil tussen binnen en buiten de werkplaats kan oplopen tot 50°C, wat in de winter een gecompliceerde temperatuurgradiënt veroorzaakt. Wanneer de temperatuur bijvoorbeeld wordt gemeten tussen 8:15 en 8:35 uur 's ochtends, is de buitentemperatuur 1,5°C en is de temperatuurverandering in de werkplaats ongeveer 3,5°C.
De omgevingstemperatuur in een dergelijke werkplaats kan van grote invloed zijn op de bewerkingsnauwkeurigheid van precisiebewerkingsmachines.
De omgeving van een werktuigmachine verwijst naar de thermische omgeving die gevormd wordt door verschillende factoren in de directe omgeving van de werktuigmachine. Deze factoren zijn onder andere:
(1) Microklimaat in de werkplaats: zoals de temperatuurverdeling in de werkplaats, die langzaam verandert met veranderingen in dag en nacht, het klimaat of ventilatie.
(2) Warmtebronnen in de werkplaats: zoals zonnestraling, verwarmingsapparatuur en krachtige verlichting. Deze bronnen kunnen, wanneer ze zich dicht bij de bewerkingsmachine bevinden, een direct en langdurig effect hebben op de temperatuurstijging van de gehele bewerkingsmachine of een deel daarvan. Warmte die wordt gegenereerd door aangrenzende apparatuur tijdens bedrijf kan ook de temperatuurstijging van de bewerkingsmachine beïnvloeden via straling of luchtstroming.
(3) Warmteafvoer: De fundering moet warmte effectief kunnen afvoeren, vooral de fundering van precisiemachinewerktuigen, die niet in de buurt van ondergrondse verwarmingsleidingen mogen liggen. Als een pijpleiding scheurt en gaat lekken, kan dit een moeilijk te lokaliseren warmtebron worden, maar een open werkplaats kan dienen als een goede "radiator" en helpen de temperatuur in de werkplaats te egaliseren.
(4) Constante temperatuur: Het handhaven van een constante temperatuur in de werkplaats kan de precisie en bewerkingsnauwkeurigheid van precisiemachines effectief behouden, maar het kan ook leiden tot een hoog energieverbruik.
(1) Structurele warmtebronnen van gereedschapsmachines
De verwarming van motoren, zoals de spindelmotor, servovoedingsmotor, koel- en smeerpompmotor, elektrische schakelkast enz. kan allemaal warmte genereren. Hoewel deze omstandigheden acceptabel zijn voor de motoren zelf, hebben ze een grote invloed op onderdelen zoals de spindel en kogelomloopspil. Er moeten maatregelen worden genomen om ze te isoleren.
Wanneer elektrische energie de motor laat draaien, wordt het grootste deel omgezet in kinetische energie door bewegingsmechanismen, zoals rotatie van de spindel en beweging van de tafel, terwijl een klein deel (ongeveer 20%) wordt omgezet in thermische energie van de motor. Een aanzienlijk deel wordt echter onvermijdelijk omgezet in wrijvingswarmte tijdens de beweging. Componenten zoals lagers, geleiderails, kogelomloopspillen en tandwielkasten genereren ook warmte.
(2) Snijwarmte tijdens het proces
Tijdens het snijden wordt een deel van de kinetische energie van het gereedschap of werkstuk verbruikt door het snijwerk. Een aanzienlijk deel wordt omgezet in de vervormingsenergie van het snijden en de wrijvingswarmte tussen de spaan en het gereedschap, die warmte genereert in het gereedschap, de spindel en het werkstuk. Bovendien wordt een grote hoeveelheid spaanwarmte doorgegeven aan de tafelopspanning en andere onderdelen van de machine, wat de relatieve positie tussen het gereedschap en het werkstuk direct beïnvloedt.
(3) Koeling
Koeling is een tegenmaatregel tegen de temperatuurstijging van de bewerkingsmachine, zoals het koelen van motoren, spindelonderdelen en infrastructuur. Hoogwaardige bewerkingsmachines gebruiken vaak koelkasten om hun elektronische besturingskasten te koelen.
Op het gebied van thermische vervorming van werktuigmachines wordt meestal verwezen naar de structuur van de werktuigmachine in termen van structurele vorm, massaverdeling, materiaaleigenschappenen de verdeling van de warmtebron. De vorm van de structuur beïnvloedt onder andere de temperatuurverdeling, de warmtegeleiding, de richting van de thermische vervorming en de afstemming van het machinegereedschap.
(1) Structurele vorm van de gereedschapsmachine: In termen van algemene structuur kunnen bewerkingsmachines verticaal, horizontaal, portaal of cantilever zijn, met grote verschillen in thermische respons en stabiliteit. De temperatuurstijging van de kop van een tandwielaangedreven draaibank kan bijvoorbeeld oplopen tot 35°C, en het duurt ongeveer 2 uur voordat het thermisch evenwicht is bereikt wanneer het spiluiteinde wordt opgetild. Daarentegen is de temperatuurstijging van een precisie bewerkingscentrum voor draaien en frezen met schuin bed meestal minder dan 15°C, omdat het een stabiele basis heeft die de stijfheid van de hele machine verbetert en een servomotor die de hoofdas aandrijft.
(2) Invloed van de warmtebronverdeling: Werktuigmachines beschouwen meestal de elektromotor als de warmtebron, zoals de spindelmotor, aanvoermotor, hydraulisch systeem, enz. Dit is echter een onvolledig beeld omdat een aanzienlijk deel van de energie verbruikt wordt door de verwarming die veroorzaakt wordt door de wrijvingsarbeid van lagers, schroefmoeren, geleiderails en spanen. De motor kan worden beschouwd als een primaire warmtebron, terwijl de lagers, moeren, geleiderails en spanen kunnen worden beschouwd als secundaire warmtebronnen en thermische vervorming het resultaat is van hun gecombineerde effecten.
(3) Effect van massadistributie: De invloed van de massaverdeling op thermische vervorming heeft drie aspecten: (i) grootte en concentratie van de massa, die de warmtecapaciteit en snelheid van warmteoverdracht beïnvloeden, en de tijd om een thermisch evenwicht te bereiken, (ii) de kwaliteit van de lay-out veranderen, zoals verschillende ribben toevoegen om de thermische stijfheid te verbeteren, de thermische vervorming te verminderen of de relatieve vervorming klein te houden bij dezelfde temperatuurstijging, en (iii) de temperatuurstijging van onderdelen van bewerkingsmachines verminderen door de vorm van de lay-out te veranderen, zoals het toevoegen van ribben voor warmteafvoer buiten de structuur.
(4) Invloed van materiaaleigenschappen: Verschillende materialen hebben verschillende thermische prestatieparameters, zoals specifieke warmte, thermische geleidbaarheid en lineaire uitzettingscoëfficiënt. Bij dezelfde warmte zullen hun temperatuurstijging en vervorming verschillend zijn.
De sleutel tot het beheersen van thermische vervorming in bewerkingsmachines is een grondig begrip van veranderingen in de omgevingstemperatuur, warmtebronnen en temperatuurveranderingen binnen de bewerkingsmachine, evenals de reactie van belangrijke punten (vervormingsverplaatsing) door middel van thermische tests. Door de thermische eigenschappen van de bewerkingsmachine te meten, kunnen tegenmaatregelen worden genomen om thermische vervorming onder controle te houden en de nauwkeurigheid en efficiëntie van de machine te verbeteren.
De volgende doelstellingen moeten door middel van testen worden bereikt:
(1) De machineomgeving testen: Meet de temperatuur in de werkplaats, de ruimtelijke temperatuurgradiënt, de veranderingen in de temperatuurverdeling overdag en 's nachts en de invloed van seizoensveranderingen op de temperatuurverdeling rond de bewerkingsmachine.
(2) Testen van de thermische eigenschappen van de gereedschapsmachine: Elimineer omgevingsinterferentie zoveel mogelijk en meet temperatuurveranderingen en verplaatsingen van belangrijke punten in de bewerkingsmachine tijdens verschillende bedrijfstoestanden. Registreer temperatuurveranderingen en verplaatsingen van belangrijke punten gedurende een voldoende lange periode en gebruik infrarood instrumenten voor warmtebeeldtechniek om de warmteverdeling in elke tijdsperiode vast te leggen.
(3) Temperatuurstijging en thermische vervorming tijdens verwerking testen: Evalueer de invloed van thermische vervorming op de verwerkingsnauwkeurigheid door de temperatuurstijging en thermische vervorming tijdens het verwerken te meten.
(4) Accumulatie van gegevens en curven: Experimenten kunnen een grote hoeveelheid gegevens en curven verzamelen, die betrouwbare criteria opleveren voor het ontwerp van bewerkingsmachines en de beheersing van thermische vervorming, en de richting aangeven voor effectieve maatregelen.
De thermische vervormingstest begint met het meten van de temperatuur van verschillende relevante punten, waaronder:
(1) Warmtebron: zoals de aanvoermotor, spindelmotor, kogelomloopspil aandrijfpaar, geleiderail en spindellagers van elk onderdeel.
(2) Hulpapparaten: inclusief het hydraulische systeem, de koelkast, de koeling en het smeringsverplaatsingsdetectiesysteem.
(3) Mechanische structuur: met inbegrip van het bed, de basis, de slede, de kolom, de freeskopkast en de spindel. Een indiumstalen taster wordt tussen de spindel en de draaitafel geklemd.
Er zijn vijf contactsensoren geplaatst in de X-, Y- en Z-richting om de uitgebreide vervorming in verschillende toestanden te meten en zo de relatieve verplaatsing tussen het gereedschap en het werkstuk te simuleren.
De thermische vervormingstest van de gereedschapsmachine moet over een lange aaneengesloten periode worden uitgevoerd en er moet continu gegevensregistratie plaatsvinden. Na analyse en verwerking kan de betrouwbaarheid van de gereflecteerde thermische vervormingskarakteristieken zeer hoog zijn, en als het verwerpen van fouten wordt uitgevoerd door meerdere experimenten, is de getoonde regelmaat geloofwaardig.
Bij de thermische vervormingstest van het spindelsysteem werden in totaal vijf meetpunten ingesteld, met punt 1 aan het uiteinde van de spindel en punt 2 vlakbij het spindellager, en de punten 4 en 5 vlakbij de geleiderail in Z-richting in de behuizing van de freeskop. De test duurde 14 uur, waarbij het spiltoerental gedurende de eerste 10 uur afwisselend veranderde tussen 0 en 9000 omw/min, en daarna gedurende de resterende tijd bleef draaien met een hoge snelheid van 9000 omw/min.
Uit de test kunnen de volgende conclusies worden getrokken:
Uit de analyse en discussie blijkt duidelijk dat de temperatuurstijging en thermische vervorming van bewerkingsmachines de bewerkingsnauwkeurigheid aanzienlijk kunnen beïnvloeden. Bij het nemen van controlemaatregelen is het cruciaal om de belangrijkste bijdragende factoren te identificeren en te focussen op een paar effectieve maatregelen om optimale resultaten te behalen.
In het ontwerpproces moet aandacht worden besteed aan het verminderen van warmteontwikkeling en temperatuurstijging, het creëren van een evenwichtige structuur en efficiënte koeling.
Het beheersen van warmtebronnen is een fundamentele maatregel om de temperatuurstijging en thermische vervorming van bewerkingsmachines te verminderen. Om dit te bereiken, moeten de volgende stappen worden genomen in het ontwerpproces:
(1) Het nominale vermogen van de motor redelijk selecteren: Het uitgangsvermogen van de motor is evenredig met de spanning en stroom. Over het algemeen is de spanning constant en leidt een toename van de belasting tot een toename van het uitgangsvermogen en de stroom, wat resulteert in meer warmte die wordt verbruikt door de ankerimpedantie. Om de temperatuurstijging van de motor te minimaliseren, is het beter om een nominaal vermogen te kiezen dat ongeveer 25% groter is dan het berekende vermogen.
(2) Warmteopwekking uit secundaire warmtebronnen verminderen: Om de temperatuurstijging door secundaire warmtebronnen te minimaliseren, moeten er maatregelen worden genomen in het ontwerp van de machineconstructie. Door bijvoorbeeld de coaxialiteit van de voor- en achterlagers te verbeteren en zeer nauwkeurige lagers te gebruiken, kan de wrijving en warmteontwikkeling worden verminderd. Ook het vervangen van glijgeleiders door lineaire rolgeleiders of het gebruik van een lineaire motor kan de warmteontwikkeling verminderen.
(3) Gebruik van hogesnelheidssnijden in het bewerkingsproces: Snijden met hoge snelheid vermindert de warmteontwikkeling tijdens het snijproces. Wanneer de lineaire snelheid van metaal snijden boven een bepaald bereik ligt, heeft het metaal geen tijd om plastische vervorming te ondergaan en wordt er geen vervormingswarmte gegenereerd op de spanen. Het grootste deel van de snij-energie wordt omgezet in kinetische energie van de spanen en afgevoerd.
De beheersing van thermische vervorming in bewerkingsmachines vereist aandacht voor de richting en snelheid van warmteoverdracht om de effecten te beperken. Een symmetrische structuur helpt de warmte gelijkmatig te verdelen, waardoor drift en vervorming worden verminderd.
(1) Voorspanning en thermische vervorming
In hogesnelheidsaanvoersystemen worden kogelomloopspillen vaak aan beide uiteinden voorgespannen om thermische vervormingsfouten te beperken. De axiale voorspanstructuur vermindert de cumulatieve fout in vergelijking met een structuur die aan één kant vast zit en aan de andere kant vrij is. Het belangrijkste effect van temperatuurstijging in deze structuur is dat de spanning verandert van trek naar nul of druk, wat weinig effect heeft op de verplaatsingsnauwkeurigheid.
(2) Verander de structuur en de vervormingsrichting
De Z-as spindelslede van een CNC Naaldsleuffreesmachine met een andere kogelomloopspil axiale bevestigingsstructuur vereist een freessleuffout van 0,05 mm. De zwevende eindstructuur zorgt voor verandering van de groefdiepte tijdens de bewerking, terwijl de axiale zwevende structuur resulteert in een geleidelijke verdieping van de groef.
(3) Symmetrische geometrie
Een symmetrische machinestructuur minimaliseert thermische vervorming en drift van het gereedschapspunt. Het YMC430 microbewerkingscentrum is een voorbeeld van een machine die bij het ontwerp rekening heeft gehouden met thermische prestaties. Het heeft een volledig symmetrische lay-out, met geïntegreerde H-vormige kolommen en liggers, een ronde spindelslede en lineaire motoren voor de drie bewegende assen. De twee roterende assen maken gebruik van directe aandrijving, waardoor wrijving en mechanische overdracht tot een minimum beperkt blijven.
(1) De koelvloeistof tijdens het verwerken heeft een directe invloed op de nauwkeurigheid van het verwerken.
Er werd een vergelijkende test uitgevoerd op een GRV450C dubbele vlakslijpmachine en daaruit bleek dat de warmte-uitwisselingsbehandeling van de koelvloeistof door middel van een koelkast de bewerkingsnauwkeurigheid aanzienlijk verbetert.
Traditionele koelmiddeltoevoermethoden zorgden ervoor dat de grootte van het werkstuk na 30 minuten buiten tolerantie was, terwijl het gebruik van een koelkast een normale bewerking van meer dan 70 minuten mogelijk maakte. De excessieve grootte van het werkstuk na 80 minuten was te wijten aan de noodzaak om de slijpschijf te trimmen, waardoor metaalschilfers van het oppervlak van de schijf verwijderd werden. De oorspronkelijke bewerkingsnauwkeurigheid werd onmiddellijk hersteld na het trimmen en het effect was zeer merkbaar.
Ook geforceerde koeling van de spindel kan zeer goede resultaten opleveren.
(2) De natuurlijke koelruimte vergroten.
Zo kan het toevoegen van natuurlijke luchtkoelingszones aan de structuur van de hoofdschachtkast ook een belangrijke rol spelen bij de warmteafvoer in een werkplaats met een goede luchtcirculatie.
(3) Tijdige verwijdering van spaanders.
Tijdige of realtime verwijdering van spanen van hoge temperatuur van het werkstuk, de tafel en het gereedschap vermindert de temperatuurstijging en thermische vervorming van kritieke onderdelen aanzienlijk.
Het beheersen van thermische vervorming in bewerkingsmachines is een kritieke uitdaging bij moderne precisiebewerking, met veelzijdige invloedsfactoren. De convergentie van snijprocessen met hoge snelheid, hoge efficiëntie en hoge precisie heeft dit probleem nog verergerd, waardoor de sector voor de productie van bewerkingsmachines er veel aandacht aan besteedt.
Uitgebreid onderzoek door zowel nationale als internationale experts in de werktuigmachine-industrie heeft aanzienlijke vooruitgang opgeleverd in het begrijpen van thermische vervorming, waardoor het een fundamentele theorie in het vakgebied is geworden.
Dit artikel onderzoekt de invloed van ontwerp-, toepassings-, meet- en analysemethoden op de thermische prestaties van bewerkingsmachines en stelt strategieën voor om het ontwerp te verbeteren.
Om de thermische prestaties van bewerkingsmachines te optimaliseren, moet de volgende uitgebreide aanpak worden toegepast:
1. Milieuoverwegingen: Beoordeel tijdens de ontwerpfase van geavanceerde bewerkingsmachines grondig de specifieke omgevingsomstandigheden van de beoogde werkomgeving en houd er rekening mee. Dit omvat schommelingen in de omgevingstemperatuur, vochtigheidsniveaus en potentiële thermische gradiënten binnen de werkruimte.
2. Beheer van warmtebronnen: Implementeer strenge controle en strategische configuratie van warmtebronnen. Dit omvat:
3. Prioriteit toekennen aan koelsystemen: Herzie traditionele ontwerphiërarchieën door koeling, warmteafvoer, smering en spaanafvoersystemen te verheffen van aanvullende naar kritieke componenten. Integreer geavanceerde koeltechnologieën zoals gerichte vloeistofkoeling, thermo-elektrische koeling of materialen met faseverandering om de thermische stabiliteit te behouden.
4. Structurele symmetrie en beperking van thermische vervorming: Integreer symmetrische ontwerpprincipes en houd rekening met de richtingsaspecten van thermische vervorming. Deze benadering is gericht op het minimaliseren van afwijkingen in nauwkeurigheid veroorzaakt door thermische effecten. De belangrijkste strategieën zijn:
Door deze aspecten zorgvuldig aan te pakken, kunnen fabrikanten de thermische stabiliteit en precisie van moderne bewerkingsmachines aanzienlijk verbeteren, waardoor de algehele machinenauwkeurigheid en efficiëntie toenemen.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
PT 
PT_BR 
RU 
KO