Några orsaker till termiska fel vid svarvning

Vertikala CNC-svarvar drabbas ofta av dimensionsavvikelser och försämrad noggrannhet vid långvarig stabil drift eller bearbetning med hög belastning. De grundläggande orsakerna till dessa problem är både geometriska fel i maskinen och termiska fel.

Denna artikel ger en systematisk översikt över de viktigaste orsakerna till, egenskaperna hos och effekterna av termiska fel, och jämför fördelarna och nackdelarna med kompensation via hårdvara och mjukvara.

Felklassificering:

1. Geometriska fel: inneboende fel orsakade av tillverkningsfel i maskinen, felaktig montering av delar, installationstoleranser och statiska/dynamiska förskjutningar (t.ex. styrbanans rakhet, vinkelfel, fel i ledskruvens stigning).
2. Termiska fel: fel som orsakas av termisk expansion eller termisk deformation av maskinen eller arbetsstycket på grund av temperaturförändringar; dessa varierar med tiden och bearbetningsförhållandena och representerar därför tidsberoende felkällor.

Huvudorsaker till termiska fel:

1. Skärvärme: stora mängder värme som alstras i skärzonen mellan verktyg och arbetsstycke leds delvis in i arbetsstycket, verktygshållaren och maskinstrukturen, vilket orsakar lokal temperaturökning och deformation.
2. Spindel- och motoruppvärmning: spindelmotorn, servomotorerna och drivenheterna genererar värme under drift, vilket förändrar spindelns geometri och radiella kast.
3. Lager- och transmissionsfriktion: friktion i lager, växellådor, remmar/kopplingar etc. alstrar värme och lokal expansion som påverkar transmissionsnoggrannheten och koncentriciteten.
4. Glidfriktion och styrskenor: styrskenor, glidbanor och ledskruvar genererar friktionsvärme under rörelse, vilket orsakar termisk förskjutning av vagnen och matningssystemet.
5. Värme från hydrauliska/pneumatiska system: Hydrauliska pumpar, ventiler, oljetankar etc. genererar värme som överförs via stödkonstruktioner till viktiga maskinkomponenter.
6. Temperaturvariationer i kylvätska och skärvätska: instabil kylvätsketemperatur eller flödesförändringar förändrar värmeavledningsförhållandena för arbetsstycket och verktyget, vilket påverkar den termiska jämvikten.
7. Förändringar i omgivningstemperatur och verkstadstemperatur: dygns- eller säsongsmässiga temperaturskillnader och dålig luftkonditionering orsakar en allmän temperaturförskjutning i maskinen.
8. Asymmetriska värmekällor och temperaturgradienter: ojämn fördelning av interna/externa värmekällor eller långvarig lokal uppvärmning (t.ex. ensidig långvarig skärning) skapar ojämn termisk deformation och positioneringsfel.
9. Termiska effekter från fixturer och arbetsstycken: stora arbetsstycken eller arbetsstycken med hög värmekapacitet absorberar värme under bearbetningen och ändrar sina relativa positioner; termisk ledning från fixturer kan också överföra fel.

Egenskaper och effekter av termiska fel:

1. Tidsberoende: termiska fel ackumuleras under bearbetningstiden och uppvisar trender eller periodiska förändringar. De kan vara stabila under korta intervall men bli betydande under långa körningar.
2. Rumslig ojämnhet: olika komponenter värms upp ojämnt, vilket ger komplexa deformationsmönster (förskjutning, lutning, böjning).
3. Stor inverkan på högprecisionsarbete: termiska fel är särskilt betydande vid bearbetning på mikrometernivå och upprepad positionering, vilket orsakar dimensionella avvikelser, geometriska fel och försämrad ytkvalitet.
4. Svår att eliminera med en engångsjustering av hårdvaran: eftersom termiska fel förändras med driftsförhållandena är fasta mekaniska korrigeringar eller kalibreringar ofta ineffektiva över tid.

Begränsningar för traditionell hårdvarukompensation:

Hårdvarukompensation (t.ex. omtillverkning av delar, justering av kalibreringsmätare, mekaniska strukturändringar) kan korrigera statiska geometriska fel men kan inte hantera tidsvarierande eller halvslumpmässiga termiska fel. Sådana åtgärder saknar flexibilitet, kräver långa justeringscykler och höga kostnader och måste upprepas ofta för olika delar eller skärförhållanden, vilket gör dem olämpliga för dynamiska produktionsmiljöer.

Mätning av termiska fel:

1. Placering av sensorer: installera temperatursensorer (termoelement/RTD) och nödvändiga förskjutnings-/differenssensorer på viktiga platser såsom spindeln, ledskruven, bädden, styrskenorna, huvudmotorerna, lagerhusen och kylmedelsinlopp/utlopp.
2. Testning och datainsamling: samla in temperatur- och geometriska feldata (förskjutning, rakhet, koncentricitet) under representativa förhållanden (varierande skärdjup, skärhastighet, tomgång/kontinuerlig bearbetning etc.).