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NC機械の精密さと様々な温度差の理由
Aug 07, 2017

2017年08月04日・CNC中国フォーラム0

マシンは、ワークショップの周囲温度の変化、モーターの加熱および機械的な動きの摩擦、切断の熱および冷却媒体の影響によって機械の温度が不均一になる機械形状の精度や加工精度が変化します。


例えば、70mm×1650mmスクリューを加工する一般的な精密CNCフライス加工機では、ワークピースを7:30-9:00 AMに粉砕し、午後を2:00-3:30に較べて、累積誤差は85mまで変化します。 また、一定の温度条件では、誤差を40mまで減らすことができます。


別の例では、200mm×25mm×1.08mmの鋼加工品を受理して、0.6mm〜3.5mmの厚さの鋼板ワーク精密両面研削盤を両面研削し、mm寸法精度、全長5m未満を達成することができます。 しかし、連続自動研削1h、範囲のサイズは12mに増加し、冷却剤の温度は17℃から45℃まで上昇する。 研削熱の影響により、スピンドルシャフトの伸びが生じるため、スピンドルの前部ベアリングクリアランスが増加します。 したがって、機械クーラータンクに5.5kWの冷却装置を追加するためには、その効果は非常に良好である。


実際に、加熱後の機械の変形が加工精度の重要な理由であることが証明されています。 しかし、マシンは温度がどこでも変化する環境にあります。 仕事のマシン自体が必然的にエネルギーを消費しますが、これらのエネルギーのかなりの部分は様々な方法で熱に変換され、機械部品の物理的な変化を引き起こします。広範囲に変化する。 機械設計者は、熱と温度分布の形成メカニズムを把握し、影響を最小限に抑えるために加工精度の熱変形を行うための適切な措置を講じる必要があります。


まず、機械温度および温度分布


同じ時間


1、自然気候の影響


中国は広大で、亜熱帯地域のほとんどの地域で、年間を通して気温が変化し、1日の気温差は同じではありません。 したがって、屋内(ワークショップなど)の人々は、方法の温度と介入の程度が異なり、機械雰囲気の周りの温度は大きく異なる。


例えば、揚子江デルタ地域の季節的な温度範囲は約45℃、昼と夜の温度変化は約5~12℃です。 機械加工工場は一般的に冬は暖房がなく、夏は空調がありませんが、工場の換気が良い間は機械工場の温度勾配は変更されません。 東北地方では、60℃までの季節的な温度差があり、昼夜変化は約8〜15℃です。 毎年暖房期間のために来年4月の初めに10月下旬に、機械工房の設計暖房、空気循環。 内部と外部のワークショップの温度差は50℃までです。 したがって、ワークショップの温度勾配は非常に複雑で、屋外の温度は1.5℃、時間は8:15-8:35、ワークショップの温度は約3.5℃変化します。 このような工房での精密工作機械の精度は、周囲温度の影響を受けます。


2、周辺環境の影響


機械環境は、熱環境の形成の広い範囲内の機械の周囲の環境である。 それらには、次の3つの側面が含まれます。


(1)ワークショップの微気候:ワークショップ内の温度分布(垂直方向、水平方向)。 ワークショップの温度がゆっくりと変化すると、昼と夜を交互に、または気候と換気が変化するとき。


(2)作業場の熱源:放射線などの暖房装置や高出力照明など、彼らはマシンに近いです長時間直接または全体の温度上昇の一部としてマシンに影響することができます。 動作中に隣接する機器によって発生する熱は、放射または空気の流れによる機械の温度上昇に影響を与えます。


(3)熱:ファンデーション漏れが熱源の理由を見つけることが困難になる可能性がある場合、ファンデーションはより良い放熱を持って、特に精密工作機械の基礎は地下の加熱パイプに近づかないでください。 オープンワークショップは良い "ラジエーター"になる、ワークショップの温度バランスに役立ちます。


(4)一定温度:精密工作機械で一定温度の設備を取るワークショップは、精度と加工精度を維持するために非常に効果的ですが、エネルギー消費です。


3、機械内部の熱因子


同じ時間


(1)機械構造の熱源。 スピンドルモータ、フィードサーボモータ、冷却潤滑ポンプモータ、電気制御ボックスなどのモータの熱が熱を発生する可能性があります。 これらの条件はモーターそのものに対して許容されますが、スピンドルやボールネジなどの部品に重大な悪影響があり、それらを分離するための対策が必要です。 入力電気駆動モーターが動いているとき、モーターの熱エネルギーに変換された小さな部分(約20%)を除いて、スピンドル回転やテーブル移動などの運動エネルギーに変換されます。 ベアリング、レール、ボールねじ、トランスミッションボックスなどの発熱のような摩擦加熱への動きの過程で、まだかなりの部分があります。


(2)熱を切断するプロセス。 切削プロセスの間、工具またはワークピースの運動エネルギーの一部は切削加工によって消費され、切削工具の変形およびチップと工具との間の摩擦のかなりの部分、工具の形成、スピンドルと工作物の熱、および機械テーブル固定具および他の部品への多数のチップ熱伝導。 それらは、工具とワークピースとの間の相対位置に直接影響します。


(3)冷却。 冷却は、モータの冷却、スピンドルアセンブリの冷却、ファンデーションの冷却など、機械の温度上昇の逆の尺度です。 ハイエンドの工作機械には、しばしば電気制御ボックスチラーが装備されており、冷やされる。


図4に示すように、機械の構造が温度上昇に及ぼす影響


マシンの構造の構造を議論する機械熱変形の分野では、通常、構造、品質分布、材料特性と熱分布などの問題を指します。 構造は、機械の温度分布、熱伝導の方向、熱変形の方向およびマッチングに影響する。


(1)機械の構造。 全体的な構造において、機械は垂直、水平、ガントリーおよびカンチレバーなどを有し、熱応答および安定性が全く異なる。 例えば、旋盤のギアボックス速度は最大35℃になることができるので、スピンドル端部のリフト、熱バランス時間は約2時間となる。 斜めベッドタイプの精密フライス盤加工センター、マシンは安定したベースを持っています。 大幅にマシンの剛性を向上させる、スピンドルは、サーボモータドライブを使用して、温度上昇の歯車伝送部分を削除一般的に15℃未満です。


(2)熱分布の影響。 マシンは通常、熱源がモーターを指すと考えられます。 スピンドルモーター、送りモーター、油圧システムなどは完全ではありません。 モーターの熱は、負荷、エネルギーのアーマチュア・インピーダンスの電流消費量、摩擦作業熱によって引き起こされたベアリング、スクリュー・ナット、レールおよび他の機関で消費されるエネルギーのかなりの部分のみにあります。 モーターは熱源と呼ばれ、ベアリング、ナット、レールとチップは二次熱源と呼ばれます。 熱変形はこれらすべての熱源の結果です。


Y方向送りにおける柱垂直型マシニングセンタの温度上昇と変形 Yは、テーブルのフィード時に移動していないので、Xの熱変形が小さいので影響がありません。 列上では、Y軸ガイド・リードから遠ざかるほど温度上昇が小さくなります。


状況はさらに衝撃の熱変形に熱分布を説明したときにZ軸のマシン。 Z軸からZ軸へのフィードは、Z軸モーターのナットに近い方の列の熱変形が大きいほど、温度上昇と変形が大きくなります。


(3)質量分布の影響。 機械の熱変形に対する質量分布の影響は3倍です。 最初に、サイズと濃度の品質を参照して、通常、熱容量と熱伝達速度を変更することを参照して、熱収支に達する時間を変更します。 第二に、構造の熱剛性を改善するために様々なリブのレイアウトなどのレイアウトの品質を変えることによって、同じ温度上昇の場合、衝撃の熱変形を減少させるか、または比較的小さな変形を維持する。 第3は、機械部品の温度上昇を低減するために放熱板の外部構造のレイアウトのような形状を変えることによってレイアウトの品質を指す。


(4)材料特性の影響:異なる材料は、その温度上昇の影響下で同じ熱で異なる熱性能パラメータ(比熱、熱伝導率および線膨張係数)を有し、変形が異なる。


第二に、機械の熱性能試験


同じ時間


1、機械の熱性能試験の目的


工作機械の熱変形を制御するための鍵は、機械の周囲温度、機械自体の熱源と温度、熱特性試験によるキーポイントの応答(変形変位)の変化を理解することです。 試験データまたは曲線は、対策を講じ、熱変形を制御し、機械の加工精度および効率を改善するために、機械の熱特性を記述する。 具体的には、以下の目標を達成する必要があります。


(1)環境試験の周辺の機械環境。 ワークショップの温度環境、その空間的温度勾配、昼夜の温度分布の変化、さらには季節変動がマシン周辺の温度分布に及ぼす影響までを測定します。


(2)機械自体の熱特性をテストする。 可能な限り、環境の干渉条件を除外するために、マシンがマシン自体の重要なポイントを測定するために様々な動作条件にあるように、温度変化、変位の変化、温度変化の長い時間とキーの記録変位のポイント、また、赤外線プロファイルは、各時間の熱分布を記録するために使用することができます。


(3)プロセスの精度に工作機械の熱変形を決定するために、温度と熱の歪みをテストするプロセス。


(4)上記のテストは、多数のデータ、曲線を蓄積することができ、効果的な対策を講じる方向を指摘し、機械設計と熱変形のユーザ制御に対する信頼できる基準を提供する。


2、熱変形試験機の原理


熱変形試験は、以下の側面を含む多くの関連ポイントの温度を測定する必要があります。


(1)熱源:フィードモータ、スピンドルモータ、ボールネジドライブ、レール、スピンドルベアリングの様々な部品を含む。


(2)補助装置:油圧システム、冷蔵庫、冷却および潤滑変位検出システムを含む。


(3)機械的構造:ベッド、ベース、スケートボード、カラムおよびフライスヘッドボックスおよびスピンドルを含む。


インジウムスチールバーをスピンドルと回転テーブルの間にクランプし、5つの接触センサをX、Y、Z方向に配置し、様々な状態における積分変形を測定し、工具とワークピースとの間の相対変位をシミュレートしたザ


3、テストデータ処理の分析


長時間連続して行われる機械熱変形試験、連続データ記録、解析・加工後、信頼性の高い熱変形特性。 複数のテストでエラーが取り除かれた場合、示された規則は信頼できるものです。


スピンドルシステムの熱変形試験には5つの測定ポイントがあり、ポイント1とポイント2はスピンドルの端部とスピンドルベアリングの近くにあります。 ポイント4とポイント5は、フライスヘッドハウジングのZ方向ガイドの近くに配置されています。 試験時間は14hに続き、最初の10hスピンドル速度は0〜9000r / minの範囲で交互に可変速度で、最初の10時間から始まり、スピンドルは9000r / minの高速回転まで続きました。 あなたは次の結論を得ることができます:


(1)平衡温度上昇範囲1.5℃後、スピンドルの熱平衡時間が約1時間程度。


(2)主にスピンドル軸受とスピンドルモータからの温度上昇、通常の速度範囲では、軸受の熱性能は良好です。


(3)X方向の熱変形が非常に小さい。


(4)Zはテレスコピック変形に約10mが大きく、熱伸びと軸受クリアランスのスピンドルが増加に起因する。


(5)速度が9000r / minで連続的に上昇すると、温度上昇が急激に上昇し、2.5hで約7℃上昇し、上昇を続ける傾向がある。 YとZの変形は29mと37mに達し、スピンドルがスピードが9000r / minであることが安定動作にはならないが、短時間(20分)実行できることを示しています。


第3に、機械熱変形制御


上記の分析と議論から、制御手段をとるために、様々な要因の加工精度の工作機械の温度上昇と熱変形が、乗数効果を達成するための1つまたは2つの尺度に焦点を当て、主な矛盾を捕らえなければならない。 デザインでは、4つの方向からする必要があります:熱を減らす、温度上昇、構造バランス、妥当な冷却を減らす。


1、発熱を減らす


熱源の制御は基本的な手段です。 効果的に熱の熱を減らすための対策をとる設計。


(1)モータの定格電力の合理的な選択。


モータの出力電力Pは、電圧Vと電流Iとの積に等しい。一般に、電圧Vは一定であるので、負荷の増加は、モータ出力が増加することを意味する。すなわち、対応する電流私は増加する、電機子インピーダンスで消費される熱が増加する。 定格電力条件の近くで、または非常に長い時間にわたって設計することを選択したモータは、モータの温度が大幅に上昇しました。 このため、比較試験(モータ速度:960r / min;周囲温度:12℃)のBK50 CNCニードルスロットフライス盤ヘッド。


上記のテストから、以下の概念を得るために:熱源の性能から、スピンドルモータまたはフィードモータに関係なく、定格電力を選択してください。実際の動作では、約25%モータの出力と負荷の位相の一致、モータの定格電力の増加はエネルギー消費にほとんど影響しません。 しかし、モータの温度上昇を効果的に低減することができます。


(2)二次熱源の熱を減らすための適切な措置を取るために、温度上昇を減らす。


たとえば:スピンドル構造の設計は、フロントとリアの軸受の同軸度を高精度のベアリングの使用を改善する必要があります。 可能な条件下では、スライドレールをまっすぐな転がりガイドに変更するか、リニアモータを使用してください。 これらの新技術は、効果的に摩擦を低減し、熱を低減し、温度上昇を低減することができる。


(3)プロセスでは、高速切断の使用。 高速切削の仕組みに基づいています。


金属切削ラインの速度がある範囲よりも高いと、切削金属が塑性変形を起こすには遅すぎ、チップは変形熱を発生せず、切削エネルギーがチップの運動エネルギーに集中する。


2、構造的なバランス、熱の歪みを軽減する


マシンでは、熱源は常に存在し、さらに熱の方向と速度をどのように加熱するかに焦点を当てる必要があり、熱の歪みを減らすのに役立ちます。 または構造は良い対称性を持っているので、均一な変形の温度分布がお互いに相殺するように、対称方向に沿った熱伝達が熱親和性構造となる。


(1)プレストレスと熱変形。


フィードシステムの高速度では、プレ引張応力を形成するために固定されたボールねじの両端を使用することが多い。 高速フィードのためのこの構造は、動的および静的安定性を改善することに加えて、熱変形誤差の低減が重要な役割を果たす。


延伸前の延伸35m内の600mmの全長において、異なる供給速度での軸方向固定構造体は比較的接近している。 両端の固定されたプリテンション構造の累積誤差は、明らかにシングルエンド固定端のそれよりも小さい。 軸方向に固定された両端部のプレテンション構造では、熱による温度上昇は主にスクリュースクリュー内の応力状態を引張応力からゼロ応力または圧縮応力に変化させることである。 したがって、変位精度に対する影響は小さい。


(2)構造を変え、熱変形の方向を変える。


CNCニードルスロットミリングマシンの異なるボールねじ軸方向固定構造の使用は、ミリング溝深さエラー5mの処理要件でZ軸スピンドルスライド。 ねじ軸方向フローティング構造の下端を使用して、加工の2時間以内に、溝深さは0から0.045mmまで徐々に深くなった。 逆に、浮き構造の上部にネジを使用することで、溝の深さを確実に変更できます。


(3)機械構造の形状の対称性は、ドリフトの先端が最小になるように、同じに熱変形を行うことができます。


例えば、Yasuda(ヤスダ)精密工具会社がYMC430マイクロ加工を開始した