5. Погрешности, обусловленные тепловыми деформациями технологической системы

   1. Общая характеристика температурных деформаций

В процессе механической обработки происходит нагревание технологической системы, а при перерывах в работе - ее охлаждение. Источниками нагрева являются: тепло, образующееся в зоне резания и выделяющееся в узлах станков из-за потерь на трение в подвижных ме­ханизмах (подшипниках, зубчатых передачах) и при работе гидро- и электроприводов или других электроустройств; внешние источники (ба­тареи, калориферы, теплотрассы, солнечные лучи и т.д.).

Тепловое состояние систем может быть стационарным и нестационарным. В первом случае имеет место тепловое равновесие системы - подвод тепла количественно равен его потерям. Оно характерно для обработки небольших деталей на станках, прошедших период предвари­тельного разогрева теплом, возникающим от трения и отводимого из зоны резания током охлаждающей жидкости.

Нестационарное тепловое состояние наблюдается в период пуска станка после его длительной остановки. Тепловые периоды выражаются длительностью обработки отдельных заготовок и длительностью рабочей смены, годом в течение которого наблюдаются колебания температуры тела.

Точный учёт всех выделений и потерь тепла сложен. Для упрощения задачи по выявлению влияния температурных деформаций на точность механической обработки можно рассматривать два периода систем: 1) от начала работы до наступления теплового равновесия системы – период нестационарного теплового состояния; 2) до окончания работы – период стационарного теплового состояния.

2. Тепловые деформации станков

Нагрев станин, корпусных деталей (столов, суппортов, шпиндель­ных бабок) и других деталей, как отмечено выше, происходит в резу­льтате потерь на трение в механизмах, приводах, электроустройствах (магнитных плитах, выпрямителях и др.); теплом отводимым СОЖ из зоны резания, теплом внешней окружающей среды и пр.

Станины из-за своих конструктивных особенностей нагреваются в большинстве случаев неравномерно. Разность температур отдельных их элементов достигает 10°С. 3 этих условиях правильная форма станины и положение основных элементов станка нарушаются. При конструирова­нии стремятся выравнивать температурное поле станины и обеспечить ее охлаждение.

Важное влияние на точность обработки оказывает разогрев шпиндельных бабок, в результате которого температура в различных точках корпуса бабки может изменяться 10.. .50°С. Наиболее высокие температуры наблюдаются в местах расположения подшипников шпинделя и быстро­ходных валов. Температура валов и шпинделя на 30...40% выше сред­ней температуры корпусных деталей, в которых они смонтированы. Если фиксация от осевого перемещения осуществлена, например, у зад­него подшипника (непроработанная конструкция), то при длине шпин­деля £ = 300 мм и разности температур между корпусом и шпинделем =10°С, перемещение патрона с заготовкой в осевом направлении (погрешность при подрезке торцов на настроенном станке):

£=£=

где - коэффициент линейного расширения материала шпинделя, для сталей =0,000012.

Общий разогрев системы в период пуска и особенно неравномерный нагрев отдельных ее частей, вызывают тепловые деформации, приводя­щие к раскоординации узлов станка. Температурные деформации корпусов, опор и шпинделей передних бабок служат причиной смешения оси шпинделя до 0,05 мм в вертикальной и до 0,01 мм в горизонтальной плоскостях.

Нагрев ходового винта резьбошлифовального станка всего на 1...3°С вызывает погрешность шага до 0,008 мм на длине 450 мм, а в неудачных конструкциях, когда длина рабочего участка ходового винта велика, погрешности шага могут достигать 0,03...0,05 мм.

Температурные деформации вносят погрешности в настроечные размеры, а также вызывают погрешности формы и расположения поверхностей, соизмеримые по величине с величиной допуска на чистовую и отделоч­ную обработки. График изменения температуры при нагревании и охлаж­дении станка показан на рис.61. На графике различают три стадии: 1-я – нагрев, нестационарное тепловое со­стояние, которое длится 4...5 ч с начала работы; 2-я – стационарное те­пловое состояние системы при неизмен­ной температуре продолжается до окончания работы; 3-я – медленное охлаж­дение станка, продолжающееся 20ч и более.

Для частичного устранения погрешностей, связанных с тепловыми де­формациями станка рекомендуется:

• осуществлять настройку станка на размер (или производить поднастройку) во 2-й стадии теплового режима. С этой целью станок разог­ревают на холостых оборотах заранее;

• ограждать станок от неблагоприятного теплового воздействия окружающей тепловой среды. Например, высокоточные станки устанавливают в специальных изолированных помещениях со строгим соблюдением температурного режима (обычно 0,3°С;

• принимать меры для выравнивания температурного поля системы, уменьшать и устранять температурные деформации, например, применением компенсаторов, уменьшением активных размеров деталей, температурные деформации которых сильно влияют на точность обработки и другими способами.