Efecto de la temperatura sobre la precisión del mecanizado durante el mecanizado de piezas metálicas de precisión
Todos sabemos que la temperatura afecta a los materiales, pero ¿cómo afecta la temperatura final a nuestro procesamiento de piezas metálicas de precisión? En la superficie, esta será una tarea simple para compensar. Todo lo que debemos hacer es usar el coeficiente de expansión térmica (CTE), mirar el termómetro y proporcionar una solución. Si es tan simple en la línea. Antes de que podamos hacer este cálculo, tenemos que considerar algunas variables más. Aquí están las variables que realmente necesitamos resolver: Parte del CTE incluye diferentes materiales en la misma parte, el CTE de la máquina y el medidor de retroalimentación, y la geometría de la máquina cambia con la temperatura. Proceso de trabajo en caliente, cortando refrigerantes y lubricantes agregan o eliminan calor.
Después de considerar todas estas variables, tenemos que determinar la temperatura que queremos normalizar en la parte.
¿Cuál es la mejor manera de controlar todas estas variables?
La mejor práctica suele ser eliminarlos. Ajuste la temperatura ambiente de la máquina y los componentes a la temperatura normalizada deseada; Deje que las piezas y la máquina se "remojen" a esta temperatura durante aproximadamente 24 horas. Use refrigerante de corte que se haya ajustado a la misma temperatura que el entorno estandarizado, luego monitoree estas condiciones y controle según sea necesario. Este es el mundo perfecto, pero no es una norma. Por lo general, vemos que está diseñado para una pieza de corrección de tamaño de 20C o 68F, y de 70 ° F a 75 ° F en el entorno de procesamiento. Parte del CTE es de 1 a 13 PPM.
Control de temperatura ambiente
El control de temperatura ambiente es el más común y cómo CMS se refiere típicamente a las especificaciones de nuestras máquinas.
El estándar es +/- 1 grado Celsius o aproximadamente 3 grados Fahrenheit. El acero tiene un CTE de aproximadamente 7.3 ppm / F. Para una máquina de 10 m con una dispersión de temperatura de 3 grados F, = .0073 mm / m / 1F = 0.022 mm / m / 3F = 0.22 mm. Como puede ver, para una máquina de 30 pies, esto es bastante ejercicio. Las armaduras de los aviones, las palas de los helicópteros, los controladores de vuelo y muchos otros componentes son tan grandes que deben ser máquinas con tolerancias más estrictas. Cuanto más apretado puedas controlar, mejor.
Como anotación, el Laboratorio Nacional de Encendido Lawrence Livermore, que tiene muchas mediciones de alta precisión, tiene un laboratorio de cubos de 10 metros y permanece a 0.1 grados F para las pruebas.
También hay algunos estándares, como ASME 5.54, con la deriva térmica como una de las mediciones estándar en el análisis de máquinas herramienta.
Además, el tipo de calor también es importante. El calor radiante, el calor convectivo y el calor conductivo hacen que el material reaccione de manera diferente. No entraré en detalles aquí, pero el calor del sol, el horno, el ventilador y las rejillas de aire acondicionado afectarán la máquina. La medida en que algunos fabricantes ejecutan refrigerante líquido incluso a través de bastidores y componentes de la unidad, que discutiremos a continuación.
Control de temperatura de componentes
Otro método es monitorear y controlar la temperatura del componente. Las cajas de engranajes, motores, codificadores y husillos de bolas también cambian con la temperatura. Durante muchos años, incluso ahora, se han perforado tornillos de bola a través de los cuales el refrigerante controla su expansión. El grafito esferoidal está moldeado y todavía está contenido en una camisa de refrigerante, que también tiene una caja de engranajes y un motor. Todos los husillos modernos están refrigerados por líquido o tienen un control de temperatura más correcto.
Para máquinas grandes, se pueden usar algunos de estos métodos; Pero para el eje largo, más de 3 metros, el husillo de bolas no es una buena opción. Las cremalleras y los piñones a menudo se usan en lugar de una construcción de una pieza. Esto permite que el bastidor se mueva con la estructura de la máquina sin tener que luchar contra dos aleaciones diferentes.
Monitor de temperatura estructural
Este es un método de usar dispositivos electrónicos modernos para monitorear la temperatura de la estructura y modificarla para viajar a través de los algoritmos configurados en el dispositivo.
La forma de hacerlo es configurar varios sensores de temperatura a lo largo del eje de la máquina. Los datos se devuelven a la caja de control, que modifica la longitud de la señal de pulso del codificador para corregir el movimiento térmico en la estructura de la máquina. Esta unidad está completamente separada del controlador de la máquina. Tanto el sensor de temperatura como el codificador de la máquina pasan por esta caja. La señal del codificador se modifica y se envía de vuelta al controlador. Este es un sistema muy bueno, pero se basa en dos cosas muy importantes para funcionar correctamente:
(1) Los cambios de temperatura deben ocurrir muy lentamente
(2) Debe provenir del calor de convección, es decir, aire al material.
La importancia adicional de esto es que el sistema debe ser probado. La razón del calor de convección y los requisitos de cambio lento es que el sensor de temperatura solo puede compensar la longitud total del eje, promediando todos los sensores. Podemos colocar 100 sensores en el eje, pero si un área está caliente, pero la otra área está fría, entonces la unidad solo producirá malos resultados en ciertas áreas en toda la longitud de la temperatura promedio. Actualmente, CMS está construyendo una máquina con este sistema, y esperamos proporcionar una transformación antes de fin de año.
Control de posicionamiento en tiempo real
Esta es actualmente la mejor manera de manejar los cambios de temperatura en máquinas largas. No es sorprendente que este sea, con mucho, el más caro. El sistema utiliza un interferómetro láser para medir la distancia recorrida por la máquina. Esto no es parte del controlador de la máquina. Es el mismo dispositivo utilizado para calibrar la máquina. La diferencia es que este láser está montado permanentemente en la máquina y está en línea, en tiempo real. En el caso de una máquina de pórtico con un eje maestro-esclavo, se requieren dos sistemas para corregir el movimiento del eje. También calibrará el gradiente de temperatura y realizará una autocalibración. El costo del sistema es de aproximadamente $ 100,000 por eje. El CMS también está revisando este sistema para determinar la posible disponibilidad en el futuro.
Se parte como una variable
Como dije antes, tenemos que pensarlo. El CTE de la máquina tendrá un valor, y algunos pueden variar mucho. ¿Cómo compensamos? La situación ideal es configurar la máquina y las piezas a la temperatura deseada y permanecer muy cerca. Sin embargo, ¿qué pasa si la temperatura nominal es 68F y la máquina y las piezas son 72F? Hay varias opciones en este momento. Si la máquina se debe mantener cuidadosamente a esta temperatura, podemos usar el CTE del material para calibrar la máquina a las dimensiones correctas de 72F. Esta es una buena solución. Ahora si el entorno cambia a 77F? El CTE de esta máquina se expandirá, es decir, estos 30 micrómetros, y esta parte se expandirá en 10 micrómetros. ¿Qué estamos haciendo ahora? Tenemos varias opciones. Podemos recalibrar la máquina a este nuevo entorno utilizando el CTE de la pieza; También podemos escalar el programa de la parte restando el movimiento de la parte del movimiento de la máquina y calculando la proporción del tamaño total. O podemos tomar uno de los dispositivos activos de compensación de máquina que hemos estado discutiendo.
Opción de control proporcional lineal
También hay un dispositivo simple, efectivo y económico que se está utilizando actualmente en el CMS para corregir todos estos movimientos locos. Antes de describir este maravilloso dispositivo, debo mencionar que solo funciona para el eje largo más pequeño de 3 metros de largo. El dispositivo es una escala lineal del mismo CTE que el material que se está cortando. Como se mencionó anteriormente, nuestra elección de opciones es medio ambiente, componente, máquina o dispositivo de retroalimentación. En este caso, la báscula estará hecha de un material que tenga la misma porción de CTE, y la máquina podrá expandirse y contraerse en cualquier caso, y el dispositivo de retroalimentación solo hará que la máquina se mueva la distancia que lee. Otra opción aquí es aislar la báscula del movimiento de la máquina y controlar el entorno dentro o alrededor de la báscula. Este es el enfoque adoptado por CMS. Utilizamos una báscula de correa de acero instalada en una carcasa que está aislada mecánicamente de la máquina, y controlamos la temperatura dentro de la carcasa. De esta forma, la máquina siempre está calibrada correctamente, independientemente de las condiciones externas. Ahora, el movimiento parcial todavía necesita ser considerado, pero esto nos da una variable menor a considerar.
Después de considerar todas estas variables, tenemos que determinar la temperatura que queremos normalizar en la parte.
¿Cuál es la mejor manera de controlar todas estas variables?
La mejor práctica suele ser eliminarlos. Ajuste la temperatura ambiente de la máquina y los componentes a la temperatura normalizada deseada; Deje que las piezas y la máquina se "remojen" a esta temperatura durante aproximadamente 24 horas. Use refrigerante de corte que se haya ajustado a la misma temperatura que el entorno estandarizado, luego monitoree estas condiciones y controle según sea necesario. Este es el mundo perfecto, pero no es una norma. Por lo general, vemos que está diseñado para una pieza de corrección de tamaño de 20C o 68F, y de 70 ° F a 75 ° F en el entorno de procesamiento. Parte del CTE es de 1 a 13 PPM.
Control de temperatura ambienteEl control de temperatura ambiente es el más común y cómo CMS se refiere típicamente a las especificaciones de nuestras máquinas.
El estándar es +/- 1 grado Celsius o aproximadamente 3 grados Fahrenheit. El acero tiene un CTE de aproximadamente 7.3 ppm / F. Para una máquina de 10 m con una dispersión de temperatura de 3 grados F, = .0073 mm / m / 1F = 0.022 mm / m / 3F = 0.22 mm. Como puede ver, para una máquina de 30 pies, esto es bastante ejercicio. Las armaduras de los aviones, las palas de los helicópteros, los controladores de vuelo y muchos otros componentes son tan grandes que deben ser máquinas con tolerancias más estrictas. Cuanto más apretado puedas controlar, mejor.
Como anotación, el Laboratorio Nacional de Encendido Lawrence Livermore, que tiene muchas mediciones de alta precisión, tiene un laboratorio de cubos de 10 metros y permanece a 0.1 grados F para las pruebas.
También hay algunos estándares, como ASME 5.54, con la deriva térmica como una de las mediciones estándar en el análisis de máquinas herramienta.
Además, el tipo de calor también es importante. El calor radiante, el calor convectivo y el calor conductivo hacen que el material reaccione de manera diferente. No entraré en detalles aquí, pero el calor del sol, el horno, el ventilador y las rejillas de aire acondicionado afectarán la máquina. La medida en que algunos fabricantes ejecutan refrigerante líquido incluso a través de bastidores y componentes de la unidad, que discutiremos a continuación.
Control de temperatura de componentes
Otro método es monitorear y controlar la temperatura del componente. Las cajas de engranajes, motores, codificadores y husillos de bolas también cambian con la temperatura. Durante muchos años, incluso ahora, se han perforado tornillos de bola a través de los cuales el refrigerante controla su expansión. El grafito esferoidal está moldeado y todavía está contenido en una camisa de refrigerante, que también tiene una caja de engranajes y un motor. Todos los husillos modernos están refrigerados por líquido o tienen un control de temperatura más correcto.
Para máquinas grandes, se pueden usar algunos de estos métodos; Pero para el eje largo, más de 3 metros, el husillo de bolas no es una buena opción. Las cremalleras y los piñones a menudo se usan en lugar de una construcción de una pieza. Esto permite que el bastidor se mueva con la estructura de la máquina sin tener que luchar contra dos aleaciones diferentes.
Monitor de temperatura estructural
Este es un método de usar dispositivos electrónicos modernos para monitorear la temperatura de la estructura y modificarla para viajar a través de los algoritmos configurados en el dispositivo.
La forma de hacerlo es configurar varios sensores de temperatura a lo largo del eje de la máquina. Los datos se devuelven a la caja de control, que modifica la longitud de la señal de pulso del codificador para corregir el movimiento térmico en la estructura de la máquina. Esta unidad está completamente separada del controlador de la máquina. Tanto el sensor de temperatura como el codificador de la máquina pasan por esta caja. La señal del codificador se modifica y se envía de vuelta al controlador. Este es un sistema muy bueno, pero se basa en dos cosas muy importantes para funcionar correctamente:
(1) Los cambios de temperatura deben ocurrir muy lentamente
(2) Debe provenir del calor de convección, es decir, aire al material.
La importancia adicional de esto es que el sistema debe ser probado. La razón del calor de convección y los requisitos de cambio lento es que el sensor de temperatura solo puede compensar la longitud total del eje, promediando todos los sensores. Podemos colocar 100 sensores en el eje, pero si un área está caliente, pero la otra área está fría, entonces la unidad solo producirá malos resultados en ciertas áreas en toda la longitud de la temperatura promedio. Actualmente, CMS está construyendo una máquina con este sistema, y esperamos proporcionar una transformación antes de fin de año.
Control de posicionamiento en tiempo real
Esta es actualmente la mejor manera de manejar los cambios de temperatura en máquinas largas. No es sorprendente que este sea, con mucho, el más caro. El sistema utiliza un interferómetro láser para medir la distancia recorrida por la máquina. Esto no es parte del controlador de la máquina. Es el mismo dispositivo utilizado para calibrar la máquina. La diferencia es que este láser está montado permanentemente en la máquina y está en línea, en tiempo real. En el caso de una máquina de pórtico con un eje maestro-esclavo, se requieren dos sistemas para corregir el movimiento del eje. También calibrará el gradiente de temperatura y realizará una autocalibración. El costo del sistema es de aproximadamente $ 100,000 por eje. El CMS también está revisando este sistema para determinar la posible disponibilidad en el futuro.
Se parte como una variable
Como dije antes, tenemos que pensarlo. El CTE de la máquina tendrá un valor, y algunos pueden variar mucho. ¿Cómo compensamos? La situación ideal es configurar la máquina y las piezas a la temperatura deseada y permanecer muy cerca. Sin embargo, ¿qué pasa si la temperatura nominal es 68F y la máquina y las piezas son 72F? Hay varias opciones en este momento. Si la máquina se debe mantener cuidadosamente a esta temperatura, podemos usar el CTE del material para calibrar la máquina a las dimensiones correctas de 72F. Esta es una buena solución. Ahora si el entorno cambia a 77F? El CTE de esta máquina se expandirá, es decir, estos 30 micrómetros, y esta parte se expandirá en 10 micrómetros. ¿Qué estamos haciendo ahora? Tenemos varias opciones. Podemos recalibrar la máquina a este nuevo entorno utilizando el CTE de la pieza; También podemos escalar el programa de la parte restando el movimiento de la parte del movimiento de la máquina y calculando la proporción del tamaño total. O podemos tomar uno de los dispositivos activos de compensación de máquina que hemos estado discutiendo.
Opción de control proporcional lineal
También hay un dispositivo simple, efectivo y económico que se está utilizando actualmente en el CMS para corregir todos estos movimientos locos. Antes de describir este maravilloso dispositivo, debo mencionar que solo funciona para el eje largo más pequeño de 3 metros de largo. El dispositivo es una escala lineal del mismo CTE que el material que se está cortando. Como se mencionó anteriormente, nuestra elección de opciones es medio ambiente, componente, máquina o dispositivo de retroalimentación. En este caso, la báscula estará hecha de un material que tenga la misma porción de CTE, y la máquina podrá expandirse y contraerse en cualquier caso, y el dispositivo de retroalimentación solo hará que la máquina se mueva la distancia que lee. Otra opción aquí es aislar la báscula del movimiento de la máquina y controlar el entorno dentro o alrededor de la báscula. Este es el enfoque adoptado por CMS. Utilizamos una báscula de correa de acero instalada en una carcasa que está aislada mecánicamente de la máquina, y controlamos la temperatura dentro de la carcasa. De esta forma, la máquina siempre está calibrada correctamente, independientemente de las condiciones externas. Ahora, el movimiento parcial todavía necesita ser considerado, pero esto nos da una variable menor a considerar.
