Odkształcenie termiczne odgrywa kluczową rolę w procesach obróbki, ponieważ może znacząco wpływać na dokładność wymiarową i jakość wykończenia produktów. Podczas obróbki, ciepło generowane przez tarcie między narzędziem a obrabianym materiałem, a także przez sam proces cięcia, może prowadzić do rozszerzania się materiałów. To zjawisko, znane jako rozszerzalność cieplna, może powodować zmiany w wymiarach i kształcie obrabianego przedmiotu.
Spis treści:
MPT Components – Jesteś zainteresowany usługą obróbki skrawaniem stali? Zapraszamy do kontaktu z naszą firmą. Oferujemy szeroki zakres usług w zakresie obróbki skrawaniem, wykorzystując najnowocześniejsze technologie i maszyny. Nasz zespół specjalistów gwarantuje najwyższą jakość wykonania, precyzję i efektywność w każdym projekcie.
Wpływ odkształceń na proces obróbki skrawaniem CNC
Odkształcenie termiczne ma znaczący wpływ na precyzję procesów obróbczych na różne sposoby. Zmiany temperatury w środowisku warsztatowym, ciepło wytwarzane przez tarcie w trakcie pracy silnika i ruchów mechanicznych, ciepło generowane podczas cięcia, a także wpływ chłodziwa mogą powodować nierównomierny wzrost temperatury w poszczególnych częściach maszyny obróbczej. To z kolei wpływa na dokładność kształtu maszyny oraz precyzję obróbki.
Jako przykład, rozważmy obróbkę śruby o wymiarach 70 mm x 1650 mm na precyzyjnej frezarce CNC. Różnica w błędach pomiarowych między elementami obrabianymi między godziną 7:30 a 9:00 rano, a tymi przetworzonymi między 14:00 a 15:30, może osiągnąć nawet 85 mikrometrów. Jednakże, w warunkach stabilnej temperatury, ten błąd może zostać zredukowany do 40 mikrometrów.
Inny przykład to użycie precyzyjnej szlifierki dwustronnej do szlifowania cienkich blach stalowych o grubości od 0,6 do 3,5 mm. Po godzinie ciągłego, automatycznego szlifowania, zakres zmian wymiarowych może wzrosnąć do 12 mikrometrów, a temperatura chłodziwa wzrasta z 17°C na początku do 45°C. Ten wzrost temperatury powoduje wydłużenie wrzeciona i zwiększenie luzu na jego przednim końcu. W tej sytuacji, dodanie chłodziarki o mocy 5,5 kW do zbiornika chłodziwa maszyny okazało się skuteczne.
Podsumowując, odkształcenie termiczne jest kluczowym czynnikiem wpływającym na dokładność obróbki, szczególnie w warunkach, gdzie temperatura jest zmienna. Maszyny obróbcze zużywają energię, która w dużej mierze przekształcana jest w ciepło, prowadząc do fizycznych zmian w różnych elementach maszyny. Projektanci maszyn obróbczych powinni zrozumieć mechanizmy powstawania ciepła i zasady rozkładu temperatury, aby minimalizować wpływ odkształcenia termicznego na precyzję obróbki.
Zmiany temperatury i rozkład ciepła w obrabiarkach
Naturalny wpływ klimatu
Chiny, jako rozległy kraj położony głównie w strefie podzwrotnikowej, charakteryzują się znacznymi różnicami temperatur w ciągu roku oraz zauważalnymi wahania termiczne w ciągu dnia. W związku z tym, ludzkie działania mające na celu regulację temperatury w pomieszczeniach, takich jak warsztaty, również się różnią, co prowadzi do odmiennych warunków temperaturowych wokół obrabiarek.
Na przykład, w delcie rzeki Jangcy sezonowe wahania temperatur mogą osiągać około 45°C, a różnica temperatury między dniem a nocą waha się od 5 do 12°C. Warsztaty obróbcze zazwyczaj nie są wyposażone w ogrzewanie zimą ani klimatyzację latem. Jednak przy odpowiedniej wentylacji, gradient temperatury wewnątrz warsztatu pozostaje stosunkowo stabilny.
W północno-wschodnich Chinach sezonowa amplituda temperatur może dochodzić do 60°C, a różnica między dniem a nocą wynosi około 8-15°C. Okres ogrzewania trwa tam od końca października do początku kwietnia następnego roku. Warsztaty obróbcze są zaprojektowane tak, aby zapewnić ogrzewanie, mimo ograniczonej cyrkulacji powietrza. Różnica temperatur między wnętrzem warsztatu a zewnętrznym środowiskiem może osiągnąć 50°C, co skutkuje skomplikowanym gradientem temperatury w zimie. Na przykład, mierzona między 8:15 a 8:35, temperatura zewnętrzna wynosi 1,5°C, a zmiana temperatury wewnątrz warsztatu wynosi około 3,5°C.
Takie warunki temperaturowe w warsztacie mogą istotnie wpływać na precyzję obróbki w przypadku zaawansowanych obrabiarek.
Wpływ otaczającego środowiska
Środowisko termiczne wokół obrabiarki jest kształtowane przez różnorodne czynniki występujące w jej bezpośrednim otoczeniu. Do tych czynników zaliczamy:
- Mikroklimat warsztatowy: obejmuje on zmiany temperatury w warsztacie, które ewoluują powoli w odpowiedzi na zmiany dobowe, sezonowe, klimatyczne lub wynikające z systemu wentylacji.
- Lokalne źródła ciepła w warsztacie: takie jak promieniowanie słoneczne, urządzenia grzewcze, czy mocne oświetlenie. Te źródła, znajdujące się w pobliżu obrabiarki, mogą bezpośrednio i długotrwale wpływać na wzrost temperatury maszyny, zarówno w całości, jak i w poszczególnych jej częściach. Ciepło generowane przez sąsiadujące urządzenia, zarówno przez promieniowanie, jak i przepływ powietrza, również może przyczyniać się do wzrostu temperatury obrabiarki.
- Rozpraszanie ciepła: Podstawa maszyny powinna efektywnie odprowadzać ciepło, co jest szczególnie ważne w przypadku precyzyjnych obrabiarek. Te maszyny nie powinny być umieszczane w pobliżu podziemnych rurociągów grzewczych, gdyż w przypadku ich awarii mogą stać się trudno wykrywalnym źródłem ciepła. Otwarty warsztat może jednak pełnić funkcję efektywnego grzejnika, wspomagając wyrównywanie temperatury w pomieszczeniu. Stała temperatura: Utrzymywanie stałej temperatury w warsztacie jest kluczowe dla zachowania precyzji i dokładności obróbki na precyzyjnych maszynach, ale może to również wiązać się z wysokim zużyciem energii.
Czynniki wpływu termicznego w obrabiarce
- Wewnętrzne źródła ciepła w obrabiarkach: Generowanie ciepła przez silniki obrabiarek, takie jak silnik wrzeciona, serwomotory, silniki pomp chłodzących i smarujących, a także elektryczne skrzynki sterujące, jest nieuniknione. Chociaż te silniki są zaprojektowane do pracy w podwyższonych temperaturach, ich ciepło może negatywnie wpływać na inne komponenty, takie jak wrzeciono czy śruby kulkowe. Konieczne jest zatem zastosowanie odpowiednich środków izolacyjnych.
- Podczas pracy silnika, większość energii elektrycznej jest przekształcana w energię kinetyczną przez mechanizmy ruchu, takie jak obrót wrzeciona czy przesuwanie stołu. Mimo to, około 20% tej energii zamienia się w ciepło silnika. Dodatkowo, znaczna część energii jest przekształcana w ciepło tarcia podczas ruchu mechanicznego. Komponenty takie jak łożyska, szyny prowadzące, śruby kulkowe i przekładnie również generują ciepło.
- Ciepło cięcia w procesie obróbki: W trakcie procesu cięcia, część energii kinetycznej narzędzia obróbczego lub obrabianego przedmiotu jest zużywana na cięcie. Znacząca część tej energii przekształca się w energię odkształcenia i ciepło tarcia między wiórem a narzędziem, co generuje ciepło w narzędziu, wrzecionie i obrabianym materiale. Ponadto, duża ilość ciepła generowanego przez wióry jest przekazywana do stołu roboczego obrabiarki i innych jej elementów, co bezpośrednio wpływa na względne położenie narzędzia względem obrabianego przedmiotu.
- Systemy chłodzenia: Chłodzenie jest kluczowym środkiem zapobiegającym nadmiernemu wzrostowi temperatury w obrabiarkach. Obejmuje to zastosowanie chłodzących silników, elementów wrzeciona oraz infrastruktury. Wysokiej klasy obrabiarki często wykorzystują lodówki do chłodzenia elektronicznych skrzynek sterujących, co pomaga w utrzymaniu optymalnych warunków pracy.
Wpływ konstrukcji obrabiarki na wzrost temperatury
W kontekście odkształcenia termicznego obrabiarek, kluczowe jest rozpatrywanie ich struktury z punktu widzenia formy konstrukcyjnej, rozkładu masy, właściwości materiałowych oraz dystrybucji źródeł ciepła. Kształt konstrukcji ma wpływ na takie aspekty jak rozkład temperatury, kierunek przewodzenia ciepła, kierunek odkształcenia termicznego oraz ogólną dopasowanie maszyny.
- Konstrukcja obrabiarki: Ogólna struktura obrabiarki, która może przyjmować formy pionowe, poziome, bramowe lub wspornikowe, znacząco różni się pod względem reakcji termicznej i stabilności. Na przykład, wzrost temperatury w zagłówku tokarki zmiany biegów może osiągnąć nawet 35°C, a osiągnięcie równowagi termicznej po podniesieniu końca wrzeciona zajmuje około 2 godzin. Z kolei w przypadku skośnego łóżka precyzyjnego centrum obróbczego do toczenia i frezowania, wzrost temperatury jest zazwyczaj mniejszy niż 15°C, dzięki stabilnej podstawie poprawiającej sztywność całej maszyny oraz serwomotorowi napędzającemu główny wał.
- Rozkład źródeł ciepła: W obrabiarkach często uważa się silnik elektryczny za główne źródło ciepła, w tym silnik wrzeciona, silnik podający, układ hydrauliczny itp. Jednakże to uproszczone podejście, ponieważ znaczna część energii jest zużywana na ogrzewanie spowodowane tarciem łożysk, nakrętek śrubowych, szyn prowadzących i wiórów. Silnik można uznać za pierwotne źródło ciepła, a łożyska, nakrętki, szyny prowadzące i wióry za wtórne źródła ciepła, przy czym odkształcenie termiczne jest efektem ich wspólnego działania.
- Wpływ rozkładu masy: Wpływ rozkładu masy na odkształcenie termiczne ma trzy aspekty: (i) wielkość i koncentracja masy wpływają na pojemność cieplną, szybkość wymiany ciepła i czas potrzebny do osiągnięcia równowagi termicznej, (ii) modyfikacje konstrukcyjne, takie jak dodanie żeber w celu poprawy sztywności termicznej, zmniejszenia odkształcenia termicznego lub utrzymania niewielkiego względnego odkształcenia przy tym samym wzroście temperatury, oraz (iii) zmniejszenie wzrostu temperatury poprzez zmianę konfiguracji masy, na przykład przez dodanie żeber rozpraszających ciepło poza strukturą.
- Właściwości materiałowe: Różne materiały charakteryzują się odmiennymi parametrami wydajności cieplnej, takimi jak ciepło właściwe, przewodność cieplna i współczynnik rozszerzalności liniowej. W związku z tym, pod wpływem tego samego ciepła, ich wzrost temperatury i odkształcenie będą się różnić.
Kontrola odkształcenia termicznego obrabiarek
Z analizy i dyskusji wynika, że wzrost temperatury i odkształcenie termiczne w obrabiarkach mogą istotnie wpływać na ich precyzję obróbki. Kluczowe jest zatem identyfikowanie głównych czynników wpływających na te zjawiska i koncentracja na efektywnych metodach kontroli, aby osiągnąć optymalne rezultaty.
W procesie projektowania maszyn obróbczych należy skupić się na ograniczeniu generowania ciepła, tworzeniu zrównoważonej konstrukcji oraz zapewnieniu efektywnego chłodzenia.
Redukcja generowania ciepła
Kontrola źródeł ciepła jest kluczowa w zmniejszaniu wzrostu temperatury i odkształcenia termicznego obrabiarek. W tym celu, podczas projektowania należy podjąć następujące kroki:
- Rozważne dobieranie mocy znamionowej silnika: Moc silnika jest proporcjonalna do napięcia i prądu. Przy stałym napięciu, wzrost obciążenia prowadzi do zwiększenia mocy wyjściowej i prądu, co z kolei generuje więcej ciepła. Aby zminimalizować wzrost temperatury silnika, zaleca się wybór mocy znamionowej o około 25% większej niż moc obliczeniowa.
- Ograniczenie generowania ciepła z wtórnych źródeł: Aby zminimalizować wzrost temperatury z wtórnych źródeł ciepła, należy podjąć odpowiednie środki w projektowaniu maszyny. Na przykład, poprawa współosiowości łożysk oraz stosowanie łożysk wysokiej precyzji może zmniejszyć tarcie i generowanie ciepła. Zastąpienie prowadnic ślizgowych liniowymi prowadnicami tocznymi lub zastosowanie silnika liniowego również może przyczynić się do redukcji ciepła.
- Zastosowanie szybkiego cięcia w procesie obróbki: Szybkie cięcie redukuje generowanie ciepła podczas procesu cięcia. Przy wysokiej prędkości liniowej cięcia, metal nie ulega odkształceniu plastycznemu, co ogranicza generowanie ciepła.
Równowaga strukturalna w celu zmniejszenia odkształcenia termicznego
Kontrola odkształcenia termicznego w obrabiarkach wymaga uwagi na kierunek i prędkość przewodzenia ciepła, aby zminimalizować jego skutki. Symetryczna konstrukcja pomaga równomiernie rozprowadzać ciepło, zmniejszając dryf i deformację.
- Prestresowanie i deformacja termiczna: W szybkich systemach podawania, śruby kulowe często są wstępnie naprężane na obu końcach, aby zmniejszyć błędy odkształcenia termicznego. Struktura z napięciem wstępnym zmniejsza skumulowany błąd w porównaniu do struktury z jednostronnym mocowaniem.
- Zmiana kierunku struktury i deformacji: Na przykład, w CNC frezarkach do rowków igłowych, różne struktury mocowania śruby kulowej mogą wpływać na dokładność frezowania. Struktura pływająca może powodować zmiany głębokości rowka podczas obróbki.
- Geometria symetryczna: Symetryczna konstrukcja maszyny minimalizuje odkształcenie termiczne i dryf narzędzia. Przykładem może być centrum mikroobróbki z symetrycznym układem, zintegrowanymi kolumnami i belkami w kształcie litery H, okrągłymi prowadnicami wrzeciona i silnikami liniowymi dla trzech osi ruchomych. Dwa wały obrotowe z napędem bezpośrednim minimalizują tarcie i przekładnię mechaniczną.
Rozsądne środki chłodzenia
Płyn chłodzący ma bezpośredni wpływ na precyzję obróbki. Przeprowadzone badanie porównawcze na szlifierce dwustronnej wykazało, że chłodzenie cieczy chłodzącej za pomocą lodówki znacząco poprawia dokładność obróbki. W tradycyjnych metodach dostarczania płynu chłodzącego, rozmiar obrabianego przedmiotu wychodził poza tolerancję już po 30 minutach, podczas gdy zastosowanie lodówki umożliwiało efektywną obróbkę przez ponad 70 minut. Po 80 minutach, konieczność przycięcia tarczy szlifierskiej, aby usunąć wióry metalowe z powierzchni koła, spowodowała przekroczenie dopuszczalnych wymiarów. Jednakże, oryginalna precyzja obróbki została szybko przywrócona po przycięciu, co miało wyraźny efekt.