eng
Выпуск #4/2016
С. ЧУРАБО
Оценка и экспериментальные исследования неравномерности нагрева деталей металлорежущего станка
Оценка и экспериментальные исследования неравномерности нагрева деталей металлорежущего станка
Просмотры: 2510
Рассмотрены неравномерность изменения температуры колонны и шпиндельной бабки станка. Определено влияние неравномерности распределения температуры на результирующие смещения оси шпинделя
Теги: displacements machine tool temperature thermal deformations смещения станок температура тепловые деформации
Любое изменение размеров конструкции станка, вызываемое тепловыми возмущениями, приводит к отклонению характеристик обрабатываемых заготовок от требуемого уровня. Сложный характер тепловых деформаций возникает вследствие изменения режимов работы станка; изменения температуры окружающей среды; конструктивных особенностей станка.
При использовании традиционных моделей станков погрешности обработки, вызываемые тепловыми деформациями, не являлись очень важной проблемой при их конструировании. Однако после того, как в производстве стали использовать станки с ЧПУ и само производство стало в основном автоматизированным, погрешности обработки, вызываемые тепловыми деформациями, стали серьезным фактором, влияющим на точность обработки. Повышение скоростей вращения шпинделя и подач увеличивает количество теплоты, вырабатываемой станком в процессе его эксплуатации. В настоящее время в современном производстве по отношению к точности обработки предъявляются высокие требования, что обусловливает необходимость создания способов снижения, контроля и управления тепловыми деформациями станка.
В общем балансе точности для различных видов и типов металлорежущих станков удельный вес погрешностей, определяющих и формирующих точность станка, будет различаться. Соотношение долей погрешностей в точности металлорежущего станка, таких как геометрические, кинематические, упругие, динамические, тепловые и др. для станков различных типов и классов точности имеет свои особенности. Это положение хорошо иллюстрируется соотношением этих долей (рис. 1) для ультрапрецизионных станков и высокоскоростных фрезерных обрабатывающих центров [1].
В обрабатывающих центрах (рис. 1) доля погрешностей траекторий перемещений рабочих органов и температурных деформаций значительно возрастает, и особенно этот эффект заметен для температурных деформаций, что обусловливается ростом суммарной энергонасыщенности станка.
Станки с ЧПУ являются более энергоемкими, а доля машинного времени у них достигает 70–90%. В этих станках до 50% энергии, подводимой к станку, рассеивается в нем вследствие электрических и механических потерь и превращается в тепловую, увеличивая теплонапряженность конструкции [2, 3]. Влияние тепловых деформаций особенно заметно при выполнении чистовых операций, при которых погрешности, вызываемые деформацией упругой системы станка, не оказывают существенного влияния на погрешности, возникающие при обработке детали. В работах [3, 4] показано, что тепловые деформации в общем балансе погрешностей обработки достигают 30–70%, причем характер и степень влияния тепловых деформаций неодинаковы для различных параметров точности обрабатываемых деталей.
Воздействие температурных колебаний является физическим явлением, которое невозможно устранить полностью. К нежелательным эффектам воздействия теплоты относятся изменения геометрии и объема деталей станка. Эти изменения приводят к возникновению смещений инструмента и заготовки относительно друг друга, что, в свою очередь, снижает точность обработки.
Тепловые деформации станков приводят и к линейным, и к угловым смещениям деталей станка.
В целом погрешности являются функциями трех координат: x, y, z. В конструкции станков с последовательной кинематикой координатные оси перпендикулярны друг другу и составляют единую систему координат. На рис. 2 проиллюстрирован принцип влияния тепловых деформаций деталей станка на его параметры точности.
К угловым тепловым погрешностям относятся погрешности наклона, вращения и отклонения.
В общем виде погрешности положения между двумя элементами станка обладают шестью степенями свободы и могут быть представлены схематически, как это показано на рис. 3а [5].
При взаимном прямолинейном перемещении двух рабочих органов в направлениях осей координат 1 и 2, изображенных на рис. 3б, значения величин погрешностей точности перемещения, приведенных к положению, например вершины режущего инструмента, будут определяться как разность фактического и идеального геометрических положений точки в выбранной системе координат [5]. Для вращающихся деталей станка схема и составляющие погрешностей показаны на рис. 3в.
Данное схематическое представление погрешностей широко применяется многими авторами и является основой для проведения самых разнообразных видов исследований по проблемам точности металлорежущих станков.
Проблемой, требующей особого изучения, является расчет и корректировка нелинейных изменений длин. В частности, на рис. 4а схематично изображено воздействие постоянного температурного градиента на характеристики точности станка. Температурный градиент вызывает изгиб станины (колонны) станка, что, в свою очередь, приводит к угловым погрешностям – прямолинейности, перпендикулярности направляющих.
На рис. 4б показаны геометрические отклонения станка, вызываемые воздействием местных источников нагрева.
Шпиндели многих новых моделей обрабатывающих центров имеют скорость вращения, достигающую 20 000 об/мин и более. Скорость подачи составляет 40 м/мин при использовании роликовых направляющих и до 36 м/мин при использовании направляющих скольжения.
Поэтому, учитывая погрешности в соответствии с рис. 4, особый интерес представляет проблема компенсации угловых тепловых деформаций в станке.
Модель формирования тепловых деформаций станков вертикальной компоновки состоит в монотонном линейном и угловом отклонении оси шпинделя станка относительно его первоначального положения. Изменение положения оси шпинделя будет происходить в связи с изменяющимся температурным полем колонны и шпиндельной бабки [2, 4, 7, 8, 9]. Процесс формирования тепловых смещений оси шпинделя происходит и обусловлен соотношением температур передней T10 и задней T20 стенок колонны и шпиндельной бабки. При этом возможны два варианта:
а) температура передней стенки T10 ниже задней T20 (T10 < T20);
б) температура передней стенки T10 выше задней T20 (T10 > T20).
Соотношение угловых и линейных деформаций колонны и шпиндельной бабки определяет как величину, так и характер изменения деформаций во времени. Следовательно, неравномерность температурного поля и его изменение являются важной составляющей оценки формирования и изменения как линейных, так и угловых погрешностей станка, обусловленных его нагревом.
Экспериментальные исследования неравномерности температур деталей и узлов проведены на вертикальном обрабатывающем центре модели TAJMAC-ZPS MCFV 1060 STANDARD. Температуры в характерных точках станка и производственного помещения измерялись бесконтактным способом. Общий вид исследуемого станка и схема расположения характерных точек приведены на рис. 5.
На рис. 6а показан диапазон изменения (в том числе случайных измерений при многократных испытаниях) средней температуры шпиндельной бабки (точки 1–9) во времени с параметрами его математического ожидания МТ0 и среднеквадратического отклонения DT. На рис. 6б представлены изменения средней температуры шпинделя (точки 10–12) во времени с параметрами его математического ожидания МТ0 и среднеквадратического отклонения DT.
На рис. 7 приведены изменения температуры колонны (точки 13–15) во времени (в том числе случайных измерений при многократных испытаниях) с параметрами его математического ожидания МТ0 и среднеквадратического отклонения DT.
В данном случае тепловой режим станка – это результат случайной реализации (для конкретной конструктивно-компоновочной структуры станка) физико-механических, теплофизических, эксплуатационных и других свойств теплонапряженных узлов, элементов и деталей станка. Величины температур и обусловленные ими температурные смещения взаимного относительного положения узлов станка в значительной степени определяются и зависят от качества изготовления и сборки тепловыделяющих элементов станка, условий его работы, теплообмена и физико-механических свойств материалов [10].
Особый интерес представляют средние разности температур в точках 1-4-7 (верхняя плоскость шпиндельной бабки) (см. рис. 8а) и в точках 3-6-9 (нижняя плоскость шпиндельной бабки) (см. рис. 8б). В точках 1-4-7 (верхняя плоскость) разброс температур составил 4,2 °С. В точках 3-6-9 (нижняя плоскость) разброс температур составил 3,1 °С. Разность средних температур по плоскостям составляет в среднем 1,2 °С. Именно это явление определяет возникновение угловых деформаций и обусловливает линейные смещения.
Из результатов экспериментов следует, что диапазон изменения средних температур колонны (точки 13–15) при частоте вращения шпинделя 800 об/мин (рис. 9а) отличается от диапазона изменения средних температур колонны (точки 13–15) при частоте вращения шпинделя 8 000 об/мин (рис. 9б). На частоте 800 об/мин разброс температур составил 3,6 °С. На частоте 8 000 об/мин разброс температур составил 3,5 °С. Разность температур при различных частотах вращения шпинделя составляет в среднем 0,6 °С.
Разность средних температур шпинделя (точки 10–12) при частоте вращения шпинделя 800 об/мин (рис. 10а) и средних температур шпинделя (точки 10–12) при частоте вращения шпинделя 8 000 об/мин (рис. 10б). На частоте 800 об/мин разброс температур составил 3,1 °С. На частоте 8 000 об/мин разброс температур составил 12,2 °С. Разность температур при различных частотах вращения шпинделя составляет в среднем 8,6 °С.
Таким образом, возникновение температурных градиентов в колонне и шпинделе станка приводит к возникновению теплового изгиба и погрешностей, обусловленных им.
По экспериментальным данным определяют (по известным в научной литературе соотношениям) тепловые смещения деталей и узлов станка. Так, нами получены:
Ф для колонны тепловое расширение по оси y – 7,8 мкм; тепловой изгиб по оси y – 8,5 мкм; тепловое расширение по оси z – 56 мкм;
Ф для шпиндельной бабки тепловое расширение по оси y – 29 мкм; тепловой изгиб по оси z – 8 мкм; тепловое расширение по оси z – 14,5 мкм;
Ф для шпинделя тепловое удлинение по оси z – 26,5 мкм.
ВЫВОД
Таким образом, экспериментально установлено, что тепловой изгиб (тепловые угловые деформации) составляют значительную долю (от 15 до 20%) от полных тепловых деформаций оси шпинделя станка. Это обусловливает необходимость и важность изучения проблемы оценки не только линейных, но и угловых тепловых деформаций для металлорежущих станков, а также их взаимосвязь с параметрами точности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кузнецов А.П. Методы оценки тепловых деформаций металлорежущих станков и пути их снижения. М.: НИИмаш, 1983. С. 2.
2. Стародубов В.С., Кузнецов А.П. Тепловые деформации базовых деталей металлорежущих станков. М.: Известия вузов. «Машиностроение». 1978. № 12. С. 143–148.
3. Кузнецов А.П. Тепловое поведение и точность металлорежущих станков. М.: ЯнусК., 2011. 256 с.
4. Кузнецов А.П., Иванов М.Г. Методы воздействия на теплостойкость металлорежущих станков. М.: ВНИИТЭМР, 1986. 60 с.
5. Slocum A.H. Precision machine design. – PrenticeHall: Englewood Cliffs,1992. NJ.
6. Teeuwsen JWMC, et al, (1989) A General Method for Error Description of CMMs Using Polynomial Fitting Procedures. Annals of the CIRP 38(1): 505–510.
7. Кузнецов А.П., Чурабо С.В. Анализ влияния тепловых деформаций базовых узлов и деталей станка и их относительных положений на тепловые смещения оси шпинделя / VIII Международная научнотехническая конференция «Проблемы исследования и проектирования машин
(МК123912)». Пензенский государственный университет. 2012. Ноябрь.
8. Кузнецов А.П., Косов М.Г. Структурный теплофизический анализ металлорежущих станков // СТИН. 2011. № 3. С. 13–21.
9. Tae Jo Ko, Taeweon Gim, Jaeyong Ha. Particular behavior of spindle thermal deformation by thermal bending // International Journal of Machine Tools & Manufacture 43 (2003). 17–23.
10. Кузнецов А.П. Тепловой режим металлорежущих станков. М.: ЯнусК, 2013. 61 с.
При использовании традиционных моделей станков погрешности обработки, вызываемые тепловыми деформациями, не являлись очень важной проблемой при их конструировании. Однако после того, как в производстве стали использовать станки с ЧПУ и само производство стало в основном автоматизированным, погрешности обработки, вызываемые тепловыми деформациями, стали серьезным фактором, влияющим на точность обработки. Повышение скоростей вращения шпинделя и подач увеличивает количество теплоты, вырабатываемой станком в процессе его эксплуатации. В настоящее время в современном производстве по отношению к точности обработки предъявляются высокие требования, что обусловливает необходимость создания способов снижения, контроля и управления тепловыми деформациями станка.
В общем балансе точности для различных видов и типов металлорежущих станков удельный вес погрешностей, определяющих и формирующих точность станка, будет различаться. Соотношение долей погрешностей в точности металлорежущего станка, таких как геометрические, кинематические, упругие, динамические, тепловые и др. для станков различных типов и классов точности имеет свои особенности. Это положение хорошо иллюстрируется соотношением этих долей (рис. 1) для ультрапрецизионных станков и высокоскоростных фрезерных обрабатывающих центров [1].
В обрабатывающих центрах (рис. 1) доля погрешностей траекторий перемещений рабочих органов и температурных деформаций значительно возрастает, и особенно этот эффект заметен для температурных деформаций, что обусловливается ростом суммарной энергонасыщенности станка.
Станки с ЧПУ являются более энергоемкими, а доля машинного времени у них достигает 70–90%. В этих станках до 50% энергии, подводимой к станку, рассеивается в нем вследствие электрических и механических потерь и превращается в тепловую, увеличивая теплонапряженность конструкции [2, 3]. Влияние тепловых деформаций особенно заметно при выполнении чистовых операций, при которых погрешности, вызываемые деформацией упругой системы станка, не оказывают существенного влияния на погрешности, возникающие при обработке детали. В работах [3, 4] показано, что тепловые деформации в общем балансе погрешностей обработки достигают 30–70%, причем характер и степень влияния тепловых деформаций неодинаковы для различных параметров точности обрабатываемых деталей.
Воздействие температурных колебаний является физическим явлением, которое невозможно устранить полностью. К нежелательным эффектам воздействия теплоты относятся изменения геометрии и объема деталей станка. Эти изменения приводят к возникновению смещений инструмента и заготовки относительно друг друга, что, в свою очередь, снижает точность обработки.
Тепловые деформации станков приводят и к линейным, и к угловым смещениям деталей станка.
В целом погрешности являются функциями трех координат: x, y, z. В конструкции станков с последовательной кинематикой координатные оси перпендикулярны друг другу и составляют единую систему координат. На рис. 2 проиллюстрирован принцип влияния тепловых деформаций деталей станка на его параметры точности.
К угловым тепловым погрешностям относятся погрешности наклона, вращения и отклонения.
В общем виде погрешности положения между двумя элементами станка обладают шестью степенями свободы и могут быть представлены схематически, как это показано на рис. 3а [5].
При взаимном прямолинейном перемещении двух рабочих органов в направлениях осей координат 1 и 2, изображенных на рис. 3б, значения величин погрешностей точности перемещения, приведенных к положению, например вершины режущего инструмента, будут определяться как разность фактического и идеального геометрических положений точки в выбранной системе координат [5]. Для вращающихся деталей станка схема и составляющие погрешностей показаны на рис. 3в.
Данное схематическое представление погрешностей широко применяется многими авторами и является основой для проведения самых разнообразных видов исследований по проблемам точности металлорежущих станков.
Проблемой, требующей особого изучения, является расчет и корректировка нелинейных изменений длин. В частности, на рис. 4а схематично изображено воздействие постоянного температурного градиента на характеристики точности станка. Температурный градиент вызывает изгиб станины (колонны) станка, что, в свою очередь, приводит к угловым погрешностям – прямолинейности, перпендикулярности направляющих.
На рис. 4б показаны геометрические отклонения станка, вызываемые воздействием местных источников нагрева.
Шпиндели многих новых моделей обрабатывающих центров имеют скорость вращения, достигающую 20 000 об/мин и более. Скорость подачи составляет 40 м/мин при использовании роликовых направляющих и до 36 м/мин при использовании направляющих скольжения.
Поэтому, учитывая погрешности в соответствии с рис. 4, особый интерес представляет проблема компенсации угловых тепловых деформаций в станке.
Модель формирования тепловых деформаций станков вертикальной компоновки состоит в монотонном линейном и угловом отклонении оси шпинделя станка относительно его первоначального положения. Изменение положения оси шпинделя будет происходить в связи с изменяющимся температурным полем колонны и шпиндельной бабки [2, 4, 7, 8, 9]. Процесс формирования тепловых смещений оси шпинделя происходит и обусловлен соотношением температур передней T10 и задней T20 стенок колонны и шпиндельной бабки. При этом возможны два варианта:
а) температура передней стенки T10 ниже задней T20 (T10 < T20);
б) температура передней стенки T10 выше задней T20 (T10 > T20).
Соотношение угловых и линейных деформаций колонны и шпиндельной бабки определяет как величину, так и характер изменения деформаций во времени. Следовательно, неравномерность температурного поля и его изменение являются важной составляющей оценки формирования и изменения как линейных, так и угловых погрешностей станка, обусловленных его нагревом.
Экспериментальные исследования неравномерности температур деталей и узлов проведены на вертикальном обрабатывающем центре модели TAJMAC-ZPS MCFV 1060 STANDARD. Температуры в характерных точках станка и производственного помещения измерялись бесконтактным способом. Общий вид исследуемого станка и схема расположения характерных точек приведены на рис. 5.
На рис. 6а показан диапазон изменения (в том числе случайных измерений при многократных испытаниях) средней температуры шпиндельной бабки (точки 1–9) во времени с параметрами его математического ожидания МТ0 и среднеквадратического отклонения DT. На рис. 6б представлены изменения средней температуры шпинделя (точки 10–12) во времени с параметрами его математического ожидания МТ0 и среднеквадратического отклонения DT.
На рис. 7 приведены изменения температуры колонны (точки 13–15) во времени (в том числе случайных измерений при многократных испытаниях) с параметрами его математического ожидания МТ0 и среднеквадратического отклонения DT.
В данном случае тепловой режим станка – это результат случайной реализации (для конкретной конструктивно-компоновочной структуры станка) физико-механических, теплофизических, эксплуатационных и других свойств теплонапряженных узлов, элементов и деталей станка. Величины температур и обусловленные ими температурные смещения взаимного относительного положения узлов станка в значительной степени определяются и зависят от качества изготовления и сборки тепловыделяющих элементов станка, условий его работы, теплообмена и физико-механических свойств материалов [10].
Особый интерес представляют средние разности температур в точках 1-4-7 (верхняя плоскость шпиндельной бабки) (см. рис. 8а) и в точках 3-6-9 (нижняя плоскость шпиндельной бабки) (см. рис. 8б). В точках 1-4-7 (верхняя плоскость) разброс температур составил 4,2 °С. В точках 3-6-9 (нижняя плоскость) разброс температур составил 3,1 °С. Разность средних температур по плоскостям составляет в среднем 1,2 °С. Именно это явление определяет возникновение угловых деформаций и обусловливает линейные смещения.
Из результатов экспериментов следует, что диапазон изменения средних температур колонны (точки 13–15) при частоте вращения шпинделя 800 об/мин (рис. 9а) отличается от диапазона изменения средних температур колонны (точки 13–15) при частоте вращения шпинделя 8 000 об/мин (рис. 9б). На частоте 800 об/мин разброс температур составил 3,6 °С. На частоте 8 000 об/мин разброс температур составил 3,5 °С. Разность температур при различных частотах вращения шпинделя составляет в среднем 0,6 °С.
Разность средних температур шпинделя (точки 10–12) при частоте вращения шпинделя 800 об/мин (рис. 10а) и средних температур шпинделя (точки 10–12) при частоте вращения шпинделя 8 000 об/мин (рис. 10б). На частоте 800 об/мин разброс температур составил 3,1 °С. На частоте 8 000 об/мин разброс температур составил 12,2 °С. Разность температур при различных частотах вращения шпинделя составляет в среднем 8,6 °С.
Таким образом, возникновение температурных градиентов в колонне и шпинделе станка приводит к возникновению теплового изгиба и погрешностей, обусловленных им.
По экспериментальным данным определяют (по известным в научной литературе соотношениям) тепловые смещения деталей и узлов станка. Так, нами получены:
Ф для колонны тепловое расширение по оси y – 7,8 мкм; тепловой изгиб по оси y – 8,5 мкм; тепловое расширение по оси z – 56 мкм;
Ф для шпиндельной бабки тепловое расширение по оси y – 29 мкм; тепловой изгиб по оси z – 8 мкм; тепловое расширение по оси z – 14,5 мкм;
Ф для шпинделя тепловое удлинение по оси z – 26,5 мкм.
ВЫВОД
Таким образом, экспериментально установлено, что тепловой изгиб (тепловые угловые деформации) составляют значительную долю (от 15 до 20%) от полных тепловых деформаций оси шпинделя станка. Это обусловливает необходимость и важность изучения проблемы оценки не только линейных, но и угловых тепловых деформаций для металлорежущих станков, а также их взаимосвязь с параметрами точности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кузнецов А.П. Методы оценки тепловых деформаций металлорежущих станков и пути их снижения. М.: НИИмаш, 1983. С. 2.
2. Стародубов В.С., Кузнецов А.П. Тепловые деформации базовых деталей металлорежущих станков. М.: Известия вузов. «Машиностроение». 1978. № 12. С. 143–148.
3. Кузнецов А.П. Тепловое поведение и точность металлорежущих станков. М.: ЯнусК., 2011. 256 с.
4. Кузнецов А.П., Иванов М.Г. Методы воздействия на теплостойкость металлорежущих станков. М.: ВНИИТЭМР, 1986. 60 с.
5. Slocum A.H. Precision machine design. – PrenticeHall: Englewood Cliffs,1992. NJ.
6. Teeuwsen JWMC, et al, (1989) A General Method for Error Description of CMMs Using Polynomial Fitting Procedures. Annals of the CIRP 38(1): 505–510.
7. Кузнецов А.П., Чурабо С.В. Анализ влияния тепловых деформаций базовых узлов и деталей станка и их относительных положений на тепловые смещения оси шпинделя / VIII Международная научнотехническая конференция «Проблемы исследования и проектирования машин
(МК123912)». Пензенский государственный университет. 2012. Ноябрь.
8. Кузнецов А.П., Косов М.Г. Структурный теплофизический анализ металлорежущих станков // СТИН. 2011. № 3. С. 13–21.
9. Tae Jo Ko, Taeweon Gim, Jaeyong Ha. Particular behavior of spindle thermal deformation by thermal bending // International Journal of Machine Tools & Manufacture 43 (2003). 17–23.
10. Кузнецов А.П. Тепловой режим металлорежущих станков. М.: ЯнусК, 2013. 61 с.
Отзывы читателей
