Enkele oorzaken van thermische fouten bij draaibewerkingen

CNC-verticale draaibanken hebben vaak last van dimensionale afwijkingen en nauwkeurigheidsverlies tijdens langdurig stabiel gebruik of bij bewerkingen met hoge belasting. De hoofdoorzaken van deze problemen zijn zowel geometrische fouten van de machine als thermische fouten.

Dit artikel geeft een systematisch overzicht van de belangrijkste oorzaken, kenmerken en gevolgen van thermische fouten en vergelijkt de voor- en nadelen van compensatie door middel van hardware en software.

Foutclassificatie:

1. Geometrische fouten: inherente fouten veroorzaakt door fabricagefouten van de machine, fouten in de montage van onderdelen, installatietoleranties en statische/dynamische verplaatsingen (bijv. rechtheid van de geleiding, hoekfouten, fouten in de spoed van de spindel).
2. Thermische fouten: fouten veroorzaakt door thermische uitzetting of thermische vervorming van de machine of het werkstuk als gevolg van temperatuurveranderingen; deze variëren met de tijd en de bewerkingsomstandigheden en vertegenwoordigen daarom tijdsafhankelijke foutbronnen.

Belangrijkste oorzaken van thermische fouten:

1. Snijwarmte: grote hoeveelheden warmte die worden gegenereerd in de snijzone van het gereedschap en het werkstuk worden gedeeltelijk geleid naar het werkstuk, de gereedschapshouder en de machineconstructie, wat lokale temperatuurstijging en vervorming veroorzaakt.
2. Verwarming van spil en motor: de spilmotor, servomotoren en aandrijfeenheden genereren warmte tijdens het gebruik, waardoor de geometrie en radiale slingering van de spil veranderen.
3. Wrijving in lagers en transmissies: wrijving in lagers, tandwielkasten, riemen/koppelingen enz. produceert warmte en lokale uitzetting, wat de transmissienauwkeurigheid en concentriciteit beïnvloedt.
4. Glijwrijving en geleidingen: geleidingen, glijbanen en spindels genereren wrijvingswarmte tijdens de beweging, wat thermische verplaatsing van de slede en het toevoersysteem veroorzaakt.
5. Warmte van hydraulische/pneumatische systemen: hydraulische pompen, kleppen, olietanks enz. genereren warmte die via ondersteunende structuren wordt overgedragen op belangrijke machineonderdelen.
6. Temperatuurschommelingen van koelvloeistof en snijvloeistof: een onstabiele koelvloeistoftemperatuur of -stroom verandert de warmteafvoercondities van het werkstuk en het gereedschap, wat het thermisch evenwicht beïnvloedt.
7. Veranderingen in de omgevingstemperatuur en de temperatuur in de werkplaats: dagelijkse of seizoensgebonden temperatuurverschillen en slechte airconditioningregeling veroorzaken een algemene temperatuurafwijking van de machine.
8. Asymmetrische warmtebronnen en temperatuurgradiënten: een ongelijke verdeling van interne/externe warmtebronnen of langdurige lokale verwarming (bijv. eenzijdig langdurig snijden) veroorzaakt ongelijkmatige thermische vervorming en positioneringsfouten.
9. Thermische effecten van opspanningen en werkstukken: grote werkstukken of werkstukken met een hoge warmtecapaciteit absorberen warmte tijdens de bewerking en veranderen van positie; thermische geleiding van opspanningen kan ook fouten overbrengen.

Kenmerken en gevolgen van thermische fouten:

1. Tijdsafhankelijkheid: thermische fouten stapelen zich op tijdens de bewerkingstijd en vertonen trendmatige of periodieke veranderingen. Ze kunnen stabiel zijn gedurende korte intervallen, maar worden significant tijdens lange bewerkingen.
2. Ruimtelijke ongelijkmatigheid: verschillende componenten worden ongelijkmatig verwarmd, wat complexe vervormingspatronen (verplaatsing, kanteling, buiging) veroorzaakt.
3. Groot effect op zeer nauwkeurig werk: thermische fouten zijn vooral significant bij bewerkingen op microniveau en herhaalde positionering, wat leidt tot dimensionale afwijkingen, geometrische fouten en een verminderde oppervlaktekwaliteit.
4. Niet eenvoudig te verhelpen door een eenmalige hardware-aanpassing: omdat thermische fouten veranderen met de bedrijfsomstandigheden, zijn vaste mechanische correcties of kalibraties na verloop van tijd vaak niet meer effectief.

Beperkingen van traditionele hardwarecompensatie:

Hardwarecompensatie (bijv. het opnieuw vervaardigen van onderdelen, het aanpassen van kalibratiemeters, mechanische structuurwijzigingen) kan statische geometrische fouten corrigeren, maar kan geen tijdsafhankelijke of semi-willekeurige thermische fouten verhelpen. Dergelijke maatregelen zijn niet flexibel, vereisen lange aanpassingscycli en hoge kosten, en moeten vaak worden herhaald voor verschillende onderdelen of snijomstandigheden, waardoor ze ongeschikt zijn voor dynamische productieomgevingen.

Meting van thermische fouten:

1. Plaatsing van sensoren: installeer temperatuursensoren (thermokoppels/RTD's) en de nodige verplaatsings-/differentiaalsensoren op belangrijke locaties, zoals de spil, de spindel, het bed, de geleidingen, de hoofdmotoren, de lagerhuizen en de koelmiddelin- en -uitlaten.
2. Testen en gegevensverzameling: verzamel temperatuur- en geometrische foutgegevens (verplaatsing, rechtheid, concentriciteit) onder representatieve omstandigheden (variabele snijdiepte, snijsnelheid, stationair/continu bewerken, enz.