Com que frequência pensamos na influência subtil, mas poderosa, da temperatura na precisão da maquinagem CNC? Este artigo explora a forma como a deformação térmica afecta a precisão das máquinas-ferramentas, desde as alterações de temperatura ambiente da oficina até à geração de calor interno durante as operações. Os leitores ficarão a conhecer os mecanismos subjacentes a estes impactos térmicos e descobrirão estratégias para minimizar os erros, garantindo uma maior precisão e eficiência da maquinagem. Mergulhe para compreender o papel crítico que o controlo da temperatura desempenha na maquinagem CNC moderna.
A deformação térmica é um fator crítico que influencia a precisão da maquinagem, com efeitos multifacetados nos processos de fabrico de precisão. As flutuações na temperatura ambiente da oficina, o calor gerado pelo funcionamento do motor e pelos movimentos mecânicos, os processos de corte e os meios de arrefecimento podem induzir aumentos de temperatura não uniformes em vários componentes da máquina-ferramenta. Estas variações térmicas conduzem a alterações dimensionais, afectando tanto a precisão da forma da máquina como a precisão global da maquinação.
Um estudo de caso envolvendo a produção de um parafuso de 70mm x 1650mm numa fresadora CNC de precisão padrão ilustra a importância dos efeitos térmicos. A diferença de erro cumulativo entre peças maquinadas das 7h30 às 9h00 e as processadas das 14h00 às 15h30 pode atingir 85μm. No entanto, em condições de temperatura controlada, este erro pode ser substancialmente reduzido para 40μm, demonstrando o potencial para uma maior precisão através da gestão térmica.
Outro exemplo realça o impacto da deformação térmica nas operações de retificação de precisão. Uma máquina de retificação de superfície de dupla extremidade de alta precisão, utilizada para processar chapas de aço finas com espessuras que variam entre 0,6 mm e 3,5 mm, regista alterações dimensionais significativas após um funcionamento contínuo. Após uma hora de retificação automática, a variação dimensional aumenta para 12μm, coincidindo com um aumento da temperatura do líquido de refrigeração de 17°C no arranque para 45°C. Este aumento de temperatura provoca a expansão térmica do moente do fuso e um aumento da folga do rolamento na extremidade dianteira do fuso. Para atenuar estes efeitos térmicos, a integração de uma unidade de refrigeração de 5,5 kW no sistema de refrigeração da máquina revelou-se eficaz na manutenção da estabilidade dimensional.
O impacto da deformação térmica na precisão da maquinação é particularmente pronunciado em ambientes com temperaturas flutuantes. Durante o funcionamento, as máquinas-ferramentas convertem uma parte substancial da energia consumida em calor, resultando em alterações físicas em vários componentes. Para enfrentar este desafio, os projectistas de máquinas-ferramenta devem possuir uma compreensão abrangente dos mecanismos de geração de calor e dos padrões de distribuição de temperatura no sistema. Este conhecimento permite a implementação de estratégias específicas para minimizar o impacto da deformação térmica na precisão da maquinação.
As técnicas eficazes de gestão térmica podem incluir:
Ao incorporar estas estratégias avançadas de gestão térmica, os fabricantes podem melhorar significativamente a precisão e a consistência da maquinagem, particularmente em aplicações de alta precisão em que a estabilidade térmica é fundamental.
A China é um país grande, situado maioritariamente nas regiões subtropicais. A temperatura varia muito ao longo do ano e tem diferentes flutuações de temperatura durante o dia. Consequentemente, as intervenções das pessoas para regular a temperatura na sala, como a oficina, também variam e a temperatura à volta da máquina-ferramenta é muito diferente.
Por exemplo, no delta do rio Yangtze, a amplitude térmica sazonal é de cerca de 45°C, e a variação de temperatura entre o dia e a noite é de cerca de 5-12°C. A oficina de maquinagem normalmente não tem aquecimento no inverno ou ar condicionado no verão, mas desde que a oficina seja bem ventilada, o gradiente de temperatura na oficina não muda muito.
No nordeste da China, a diferença de temperatura sazonal pode chegar a 60°C, e a mudança de dia e noite é de cerca de 8-15°C. O período de aquecimento vai do final de outubro ao início de abril do ano seguinte, e a oficina de maquinagem foi concebida para fornecer aquecimento com circulação de ar insuficiente. A diferença de temperatura entre o interior e o exterior da oficina pode atingir 50°C, causando um gradiente de temperatura complicado no inverno. Por exemplo, quando medida entre as 8:15 e as 8:35 da manhã, a temperatura exterior é de 1,5°C, e a mudança de temperatura na oficina é de cerca de 3,5°C.
A temperatura ambiente numa oficina deste tipo pode afetar grandemente a precisão de maquinação das máquinas-ferramentas de precisão.
O ambiente circundante de uma máquina-ferramenta refere-se ao ambiente térmico formado por vários factores na proximidade imediata da máquina-ferramenta. Estes factores incluem:
(1) Microclima da oficina: como a distribuição da temperatura na oficina, que muda lentamente com as alterações do dia e da noite, o clima ou a ventilação.
(2) Fontes de calor da oficina: como a radiação solar, os equipamentos de aquecimento e a iluminação de alta potência. Estas fontes, quando próximas da máquina-ferramenta, podem ter um efeito direto e duradouro no aumento da temperatura de toda ou parte da máquina-ferramenta. O calor gerado pelo equipamento adjacente durante o funcionamento também pode afetar o aumento da temperatura da máquina-ferramenta através da radiação ou do fluxo de ar.
(3) Dissipação de calor: A fundação deve ser capaz de dissipar o calor de forma eficaz, especialmente a fundação de máquinas-ferramentas de precisão, que não devem estar localizadas perto de condutas de aquecimento subterrâneas. Se uma conduta se romper e tiver fugas, pode tornar-se uma fonte de calor difícil de localizar, mas uma oficina aberta pode servir como um bom "radiador" e ajudar a igualar a temperatura da oficina.
(4) Temperatura constante: A manutenção de uma temperatura constante na oficina pode efetivamente preservar a precisão e a exatidão de processamento das máquinas-ferramentas de precisão, mas também pode conduzir a um elevado consumo de energia.
(1) Fontes de calor estruturais de máquinas-ferramentas
O aquecimento dos motores, tais como o motor do fuso, o motor de alimentação do servo, o motor da bomba de refrigeração e lubrificação, a caixa de controlo elétrico, etc., podem gerar calor. Embora estas condições sejam aceitáveis para os próprios motores, têm um impacto significativo em componentes como o fuso e o fuso de esferas. Devem ser tomadas medidas para os isolar.
Quando a energia eléctrica faz funcionar o motor, a maior parte é convertida em energia cinética por mecanismos de movimento, como a rotação do fuso e o movimento da mesa, enquanto uma pequena parte (cerca de 20%) é convertida em energia térmica do motor. No entanto, uma parte considerável é inevitavelmente convertida em calor de fricção durante o movimento. Componentes como rolamentos, calhas de guia, fusos de esferas e caixas de velocidades também geram calor.
(2) Corte de calor durante o processo
Durante o processo de corte, parte da energia cinética da ferramenta ou da peça de trabalho é consumida pelo trabalho de corte. Uma parte significativa é convertida na energia de deformação do corte e no calor de fricção entre a limalha e a ferramenta, o que gera calor na ferramenta, no fuso e na peça de trabalho. Além disso, uma grande quantidade de calor da apara é transmitida ao dispositivo de mesa da máquina-ferramenta e a outros componentes, o que afectará diretamente a posição relativa entre a ferramenta e a peça de trabalho.
(3) Arrefecimento
O arrefecimento é uma contramedida contra o aumento da temperatura da máquina-ferramenta, tal como o arrefecimento de motores, componentes do fuso e infra-estruturas. As máquinas-ferramentas topo de gama utilizam frequentemente frigoríficos para arrefecer as suas caixas de controlo eletrónico.
No domínio da deformação térmica de máquinas-ferramenta, a estrutura da máquina-ferramenta é geralmente referida em termos da sua forma estrutural, distribuição de massa, propriedades dos materiaise distribuição da fonte de calor. A forma da estrutura afecta a distribuição da temperatura, a direção da condução do calor, a direção da deformação térmica e a correspondência da máquina-ferramenta, entre outros factores.
(1) Forma estrutural da máquina-ferramenta: Em termos de estrutura geral, as máquinas-ferramentas podem ser verticais, horizontais, de pórtico ou de cantilever, que apresentam grandes diferenças em termos de resposta e estabilidade térmicas. Por exemplo, o aumento da temperatura do cabeçote de um torno de engrenagens pode chegar a 35°C, e leva cerca de 2 horas para que o equilíbrio térmico seja alcançado quando a extremidade do eixo é levantada. Em contraste, o aumento de temperatura para um centro de maquinação de precisão de torneamento e fresagem do tipo leito inclinado é geralmente inferior a 15°C, uma vez que tem uma base estável que melhora a rigidez de toda a máquina e um servo motor que acciona o eixo principal.
(2) Influência da distribuição da fonte de calor: As máquinas-ferramentas consideram geralmente o motor elétrico como a fonte de calor, como o motor do fuso, o motor de alimentação, o sistema hidráulico, etc. No entanto, esta é uma visão incompleta, uma vez que uma parte considerável da energia é consumida pelo aquecimento causado pelo trabalho de fricção de rolamentos, porcas de parafusos, calhas de guia e aparas. O motor pode ser considerado uma fonte primária de calor, enquanto os rolamentos, porcas, calhas de guia e aparas podem ser considerados fontes secundárias de calor, e a deformação térmica é o resultado dos seus efeitos combinados.
(3) Efeito da distribuição da massa: A influência da distribuição da massa na deformação térmica tem três aspectos: (i) tamanho e concentração da massa, que afecta a capacidade de calor e a velocidade de transferência de calor, e o tempo para atingir o equilíbrio térmico, (ii) alteração da qualidade da disposição, como a adição de várias nervuras para melhorar a rigidez térmica, reduzir a deformação térmica ou manter a deformação relativa pequena sob o mesmo aumento de temperatura, e (iii) redução do aumento de temperatura dos componentes da máquina-ferramenta através da alteração da forma de disposição da qualidade, como a adição de nervuras de dissipação de calor fora da estrutura.
(4) Influência das propriedades dos materiais: Diferentes materiais têm diferentes parâmetros de desempenho térmico, como o calor específico, a condutividade térmica e o coeficiente de expansão linear. Sob o mesmo calor, o seu aumento de temperatura e deformação serão diferentes.
A chave para controlar a deformação térmica em máquinas-ferramenta é uma compreensão completa das alterações da temperatura ambiente, das fontes de calor e das alterações de temperatura dentro da máquina-ferramenta, bem como a resposta dos pontos-chave (deslocamento da deformação) através de testes térmicos. Ao medir as características térmicas da máquina-ferramenta, podem ser tomadas medidas para controlar a deformação térmica e melhorar a precisão e a eficiência da máquina.
Os seguintes objectivos devem ser alcançados através dos testes:
(1) Testar o ambiente da máquina: Medir a temperatura na oficina, o gradiente espacial da temperatura, as alterações na distribuição da temperatura ao longo do dia e da noite e o impacto das alterações sazonais na distribuição da temperatura em torno da máquina-ferramenta.
(2) Ensaio das características térmicas da máquina-ferramenta: Eliminar a interferência ambiental tanto quanto possível e medir as alterações de temperatura e as alterações de deslocação de pontos importantes na máquina-ferramenta durante vários estados de funcionamento. Registar as alterações de temperatura e as deslocações dos pontos-chave durante um período de tempo suficiente, utilizando instrumentos de imagem térmica por infravermelhos para captar a distribuição térmica em cada período de tempo.
(3) Ensaio do aumento da temperatura e da deformação térmica durante o processamento: Avaliar o impacto da deformação térmica na precisão do processamento, medindo o aumento da temperatura e a deformação térmica durante o processamento.
(4) Acumulação de dados e curvas: As experiências podem acumular uma grande quantidade de dados e curvas, fornecendo critérios fiáveis para a conceção de máquinas-ferramenta e o controlo da deformação térmica, e indicando a direção para medidas eficazes.
O ensaio de deformação térmica começa por medir a temperatura de vários pontos relevantes, incluindo:
(1) Fonte de calor: como o motor de alimentação, o motor do fuso, o par de acionamento do fuso de esferas, a calha de guia e os rolamentos do fuso de cada peça.
(2) Dispositivos auxiliares: incluindo o sistema hidráulico, o frigorífico, o sistema de deteção de deslocação de refrigeração e lubrificação.
(3) Estrutura mecânica: incluindo a cama, a base, o carro, a coluna e a caixa da cabeça de fresagem, bem como o fuso. Uma sonda de aço índio é fixada entre o fuso e a mesa rotativa.
Cinco sensores de contacto estão dispostos nas direcções X, Y e Z para medir a deformação abrangente em vários estados, simulando o deslocamento relativo entre a ferramenta e a peça de trabalho.
O ensaio de deformação térmica da máquina-ferramenta deve ser realizado durante um longo período contínuo e deve ser efectuado um registo contínuo dos dados. Após análise e processamento, a fiabilidade das características de deformação térmica reflectida pode ser muito elevada e, se a rejeição de erros for realizada através de experiências múltiplas, a regularidade apresentada é credível.
No teste de deformação térmica do sistema de fuso, foram definidos um total de cinco pontos de medição, com o ponto 1 na extremidade do fuso e o ponto 2 perto do rolamento do fuso, e os pontos 4 e 5 localizados perto da calha de guia da direção Z na caixa da cabeça de fresagem. O teste durou 14 horas, com a velocidade do fuso a variar alternadamente no intervalo de 0 a 9000 r/min durante as primeiras 10 horas, continuando depois a rodar a uma velocidade elevada de 9000 r/min durante o tempo restante.
O teste permite tirar as seguintes conclusões:
A partir da análise e discussão, é evidente que o aumento da temperatura e a deformação térmica das máquinas-ferramentas podem afetar significativamente a sua precisão de processamento. Ao tomar medidas de controlo, é crucial identificar os principais factores contribuintes e concentrar-se em algumas medidas eficazes para obter resultados óptimos.
No processo de conceção, deve prestar-se atenção à redução da produção de calor e do aumento da temperatura, à criação de uma estrutura equilibrada e ao fornecimento de um arrefecimento eficiente.
O controlo das fontes de calor é uma medida fundamental para reduzir o aumento da temperatura e a deformação térmica das máquinas-ferramentas. Para o conseguir, devem ser dados os seguintes passos no processo de conceção:
(1) Selecionar razoavelmente a potência nominal do motor: A potência de saída do motor é proporcional à tensão e à corrente. Em geral, a tensão é constante, e um aumento da carga leva a um aumento da potência de saída e da corrente, resultando num aumento do calor consumido pela impedância da armadura. Para minimizar o aumento de temperatura do motor, é melhor selecionar uma potência nominal que seja cerca de 25% superior à potência calculada.
(2) Redução da produção de calor a partir de fontes de calor secundárias: Para minimizar o aumento da temperatura das fontes de calor secundárias, devem ser tomadas medidas na conceção do estrutura da máquina. Por exemplo, a melhoria da coaxialidade dos rolamentos dianteiro e traseiro e a utilização de rolamentos de alta precisão podem reduzir o atrito e a produção de calor. A substituição de guias deslizantes por guias de rolamento lineares ou a utilização de um motor linear também pode reduzir a produção de calor.
(3) Utilização de corte de alta velocidade no processo de maquinagem: O corte a alta velocidade reduz a produção de calor durante o processo de corte. Quando a velocidade linear de corte de metais é superior a um determinado intervalo, o metal não tem tempo para sofrer deformação plástica e não é gerado calor de deformação nas aparas. A maior parte da energia de corte é convertida em energia cinética da limalha e retirada.
O controlo da deformação térmica em máquinas-ferramentas requer atenção à direção e velocidade da transferência de calor para reduzir os seus efeitos. Uma estrutura simétrica ajuda a distribuir o calor uniformemente, reduzindo o desvio e a deformação.
(1) Pré-esforço e deformação térmica
Nos sistemas de alimentação de alta velocidade, os fusos de esferas são frequentemente pré-tensionados em ambas as extremidades para reduzir os erros de deformação térmica. A estrutura de pré-tensão axial reduz o erro cumulativo em comparação com uma estrutura que é fixa numa extremidade e livre na outra. O principal efeito do aumento de temperatura nesta estrutura é alterar a tensão de tração para zero ou compressão, tendo pouco efeito na precisão do deslocamento.
(2) Alterar a estrutura e a direção da deformação
O carro do fuso do eixo Z de a CNC A fresadora de ranhuras de agulhas com uma estrutura de fixação axial de fuso de esferas diferente requer um erro de ranhura de fresagem de 0,05 mm. A estrutura de extremidade flutuante assegura a alteração da profundidade da ranhura durante o processamento, enquanto a estrutura flutuante axial resulta num aprofundamento gradual da ranhura.
(3) Geometria simétrica
Uma estrutura simétrica da máquina-ferramenta minimiza a deformação térmica e o desvio da ponta da ferramenta. O centro de micro-usinagem YMC430 é um exemplo de uma máquina que teve em conta o desempenho térmico na sua conceção. Tem um layout completamente simétrico, com colunas e vigas em forma de H integradas, um carro de fuso circular e motores lineares para os três eixos móveis. Os dois eixos rotativos utilizam transmissão direta, minimizando o atrito e a transmissão mecânica.
(1) O líquido de arrefecimento durante o processamento afecta diretamente a precisão do processamento.
Foi efectuado um teste comparativo num moinho de dupla face GRV450C, que demonstrou que o tratamento de permuta de calor do líquido de arrefecimento por meio de um frigorífico melhora consideravelmente a precisão do processamento.
Os métodos tradicionais de fornecimento de líquido de refrigeração fizeram com que o tamanho da peça ficasse fora de tolerância após 30 minutos, enquanto a utilização de um frigorífico permitiu um processamento normal durante mais de 70 minutos. O tamanho excessivo da peça de trabalho após 80 minutos deveu-se à necessidade de aparar a mó, que removeu aparas de metal da superfície da mó. A precisão de maquinação original foi imediatamente restaurada após o corte e o efeito foi muito percetível.
Da mesma forma, o arrefecimento forçado do fuso também pode resultar em resultados muito bons.
(2) Aumentar a área de arrefecimento natural.
Por exemplo, a adição de áreas de arrefecimento natural do ar à estrutura da caixa do veio principal também pode desempenhar um papel importante na dissipação do calor numa oficina com boa circulação de ar.
(3) Remoção atempada das aparas.
A remoção atempada ou em tempo real de limalhas a alta temperatura da peça de trabalho, da mesa e da ferramenta reduz consideravelmente o aumento da temperatura e a deformação térmica de peças críticas.
O controlo da deformação térmica em máquinas-ferramentas é um desafio crítico na maquinagem de precisão moderna, com factores de influência multifacetados. A convergência de processos de corte de alta velocidade, alta eficiência e alta precisão exacerbou esta questão, atraindo uma atenção significativa do sector de fabrico de máquinas-ferramentas.
A investigação exaustiva efectuada por especialistas nacionais e internacionais na indústria das máquinas-ferramentas produziu avanços substanciais na compreensão da deformação térmica, estabelecendo-a como uma teoria fundamental neste domínio.
Este artigo explora o impacto das metodologias de conceção, aplicação, medição e análise no desempenho térmico das máquinas-ferramentas, propondo estratégias para a melhoria da conceção.
Para otimizar o desempenho térmico das máquinas-ferramentas, deve ser implementada a seguinte abordagem abrangente:
1. Consideração ambiental: Durante a fase de projeto das máquinas-ferramentas avançadas, avaliar e ter em conta as condições ambientais específicas do ambiente operacional pretendido. Isto inclui as flutuações da temperatura ambiente, os níveis de humidade e os potenciais gradientes térmicos no espaço de trabalho.
2. Gestão de fontes de calor: Implementar um controlo rigoroso e uma configuração estratégica das fontes de calor. Isto engloba:
3. Priorização do sistema de arrefecimento: Reavaliar as hierarquias tradicionais do projeto, elevando os sistemas de arrefecimento, dissipação de calor, lubrificação e remoção de aparas de componentes auxiliares para componentes críticos. Integrar tecnologias de arrefecimento avançadas, tais como arrefecimento líquido direcionado, arrefecimento termoelétrico ou materiais de mudança de fase para manter a estabilidade térmica.
4. Simetria estrutural e atenuação da deformação térmica: Incorporar princípios de conceção simétricos e considerar os aspectos direcionais da deformação térmica. Esta abordagem tem como objetivo minimizar os desvios de precisão causados pelos efeitos térmicos. As principais estratégias incluem:
Ao abordar meticulosamente estes aspectos, os fabricantes podem melhorar significativamente a estabilidade térmica e a precisão das máquinas-ferramentas modernas, melhorando assim a exatidão e a eficiência globais da maquinagem.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
PT 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
NL 
RU