niektóre przyczyny błędów termicznych podczas obróbki skrawaniem

Pionowe tokarki CNC często doświadczają dryftu wymiarowego i spadku dokładności podczas długotrwałej stabilnej pracy lub obróbki pod wysokim obciążeniem. Przyczyny tych problemów obejmują zarówno błędy geometryczne maszyny, jak i błędy termiczne.

W niniejszym artykule dokonano systematycznego przeglądu głównych źródeł, charakterystyki i skutków błędów termicznych oraz porównano zalety i wady kompensacji sprzętowej i programowej.

Klasyfikacja błędów:

1. Błędy geometryczne: błędy nieodłącznie związane z wadami produkcyjnymi maszyny, błędami montażu części, tolerancjami instalacyjnymi oraz przemieszczeniami statycznymi/dynamicznymi (np. prostoliniowość prowadnic, błędy kątowe, błędy skoku śruby pociągowej).
2. Błędy termiczne: błędy spowodowane rozszerzalnością cieplną lub odkształceniem termicznym maszyny lub obrabianego przedmiotu w wyniku zmian temperatury; różnią się one w zależności od czasu i warunków obróbki, dlatego stanowią źródła błędów zależne od czasu.

Główne przyczyny błędów termicznych:

1. Ciepło skrawania: duże ilości ciepła wytwarzanego w strefie skrawania narzędzia i obrabianego przedmiotu są częściowo przekazywane do obrabianego przedmiotu, uchwytu narzędzia i konstrukcji maszyny, powodując lokalny wzrost temperatury i odkształcenie.
2. Nagrzewanie wrzeciona i silnika: silnik wrzeciona, silniki serwo i jednostki napędowe generują ciepło podczas pracy, zmieniając geometrię wrzeciona i bicie promieniowe.
3. Tarcie łożysk i przekładni: tarcie w łożyskach, przekładniach, pasach/sprzęgłach itp. powoduje wydzielanie ciepła i lokalną ekspansję, które wpływają na dokładność przekładni i współosiowość.
4. Tarcie ślizgowe i prowadnice: prowadnice, suwaki i śruby pociągowe generują ciepło tarcia podczas ruchu, powodując przemieszczenie termiczne wózka i układu posuwu.
5. Ciepło układu hydraulicznego/pneumatycznego: pompy hydrauliczne, zawory, zbiorniki oleju itp. generują ciepło, które jest przekazywane przez konstrukcje nośne do kluczowych elementów maszyny.
6. Wahania temperatury chłodziwa i płynu obróbczego: niestabilna temperatura chłodziwa lub zmiany przepływu zmieniają warunki rozpraszania ciepła przez obrabiany przedmiot i narzędzie, wpływając na równowagę termiczną.
7. Zmiany temperatury otoczenia i warsztatu: dobowe lub sezonowe różnice temperatur oraz słaba kontrola klimatyzacji powodują ogólne odchylenia temperatury maszyny.
8. Asymetryczne źródła ciepła i gradienty temperatury: nierównomierny rozkład wewnętrznych/zewnętrznych źródeł ciepła lub długotrwałe lokalne ogrzewanie (np. jednostronne cięcie o długim czasie trwania) powoduje nierównomierne odkształcenia termiczne i błędy pozycjonowania.
9. Wpływ termiczny uchwytu i obrabianego przedmiotu: duże lub o wysokiej pojemności cieplnej przedmioty obrabiane pochłaniają ciepło podczas obróbki i zmieniają swoje wzajemne położenie; przewodzenie cieplne uchwytu może również przenosić błędy.

Charakterystyka i wpływ błędów termicznych:

1. Zależność od czasu: błędy termiczne kumulują się w trakcie obróbki i wykazują tendencję lub okresowe zmiany. Mogą być stabilne w krótkich odstępach czasu, ale stają się znaczące podczas długich serii.
2. Nierównomierność przestrzenna: różne elementy nagrzewają się nierównomiernie, powodując złożone wzorce odkształceń (przemieszczenie, przechylenie, wygięcie).
3. Duży wpływ na prace wymagające wysokiej precyzji: błędy termiczne są szczególnie istotne w przypadku obróbki na poziomie mikrometrów i powtarzalnego pozycjonowania, powodując odchylenia wymiarowe, błędy geometryczne i pogorszenie jakości powierzchni.
4. Trudne do wyeliminowania poprzez jednorazową regulację sprzętu: ponieważ błędy termiczne zmieniają się wraz z warunkami pracy, stałe korekty mechaniczne lub kalibracje często stają się z czasem nieskuteczne.

Ograniczenia tradycyjnej kompensacji sprzętowej:

Kompensacja sprzętowa (np. regeneracja części, regulacja przyrządów kalibracyjnych, modyfikacje konstrukcji mechanicznej) może skorygować statyczne błędy geometryczne, ale nie radzi sobie z błędami termicznymi zmieniającymi się w czasie lub półlosowymi. Takie środki są mało elastyczne, wymagają długich cykli regulacji i wysokich kosztów oraz muszą być często powtarzane dla różnych części lub warunków skrawania, co sprawia, że nie nadają się do dynamicznych środowisk produkcyjnych.

Pomiar błędów termicznych:

1. Umiejscowienie czujników: zainstaluj czujniki temperatury (termopary / RTD) i niezbędne czujniki przemieszczenia/różnicy w kluczowych miejscach, takich jak wrzeciono, śruba pociągowa, łoże, prowadnice, silniki główne, obudowy łożysk i wloty/wyloty chłodziwa.
2. Testowanie i gromadzenie danych: należy zebrać dane dotyczące temperatury i błędów geometrycznych (przemieszczenie, prostoliniowość, współosiowość) w reprezentatywnych warunkach (różna głębokość skrawania, prędkość skrawania, obróbka bez obciążenia/ciągła itp.).