Как известно, теплообразование и связанные с ним температурные деформации являются одним из факторов, обусловливающих погрешности механической обработки. Для целого ряда деталей и узлов, таких как подшипники, направляющие и тому подобные, нагрев является и одним из критериев работоспособности. Причинами нагрева станка могут быть как внешние источники тепла (солнечные лучи, отопительные устройства), так и источники, расположенные внутри станка. При постоянной температуре среды станок нагревается от тепла, образованного в зоне резания, и тепла, выделяющегося при работе механизмов и систем станка. Значение перечисленных источников образования тепла различно и зависит во многом от типа и конструкции станка. Процесс резания оказывает слабое влияние на температурные деформации в станках для отделочных операций ввиду малых припусков на обработку.
Температурные деформации станка слагаются из деформаций его отдельных деталей и часто, непрерывно меняясь, достигают существенной величины. По данным ЭНИМСа, например, передний конец шпинделя станка 1А62 при непрерывной работе вхолостую на n≈1200 об/мин в течение 5 ч перемещается в горизонтальной плоскости почти на 20, а в вертикальной плоскости на 80 мкм.
Температурные деформации, являясь систематическими переменными погрешностями, влияют на точность линейных размеров обрабатываемой заготовки (см. Точность фрезерной обработки детали), ее геометрической формы и взаимного расположения ее поверхностей. Если первое легко компенсируется рабочим в универсальных станках (процесс разогрева которых длится 4-8 ч) и при помощи подналадчика - в автоматах, то второе и третье часто компенсировать не удается. Результатом этого может быть выход детали за пределы поля допуска по точности и шероховатости обработанной поверхности. Поэтому при проектировании точных станков необходимо уметь определять величину и направление температурных деформаций частей станка, время стабилизации температуры при разогреве, определять температурное поле (совокупность мгновенных значений температуры в разных точках) станка для выявления источников тепла (наиболее нагретых мест).
Основными приборами для измерения температур в станках являются термометры сопротивления и термопары.
В основе действия термометров сопротивления лежит свойство металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Во многих случаях термосопротивлением (т. е. чувствительным элементом термометра) является тонкая проволока диаметром 0,02-0,06 и длиной 5-50 мм, намотанная на каркас из изоляционного материала и защищенная чехлом. Материал проволоки должен обладать возможно большим и постоянным температурным коэффициентом а при одновременно возможно большем удельном сопротивлении. Наиболее распространены термосопротивления из платины (t до 500°C), меди (t до 180°С) и никеля (t до 250-300°С). В качестве термосопротивления могут быть использованы полупроводниковые сопротивления типов MMT, TOC и другие, у которых α в 8-10 раз больше, чем у металлов. Обладая малыми габаритами (до десятых долей миллиметра) и высокой стабильностью, чувствительные элементы из полупроводников очень удобны для измерений в «точке» поверхности, что особенно важно при наличии резкого перепада температур. Для измерения температур термометры сопротивления включают в соответствующие измерительные цепи. Наиболее широко применяют цепь неуравновешенного одинарного моста с магнитоэлектрическим логометром в качестве измерителя (рис. 1). Три плеча моста образуют манганиновые сопротивления R1, R2, и R3. Четвертое плечо включает термосопротивление Rt и сопротивления R0 и R служащие для уравновешивания моста перед началом измерений. Логометр состоит из двух жестко связанных между собой рамок Rг1 и Rг2 укрепленных на общей оси в поле постоянного магнита. Если силы токов протекающих через сопротивления Rг1 и Rг2 одинаковы, то стрелка логометра показывает нуль. При нагревании меняется величина Rt, что вызывает разбалансировку моста, уменьшение тока в одной из рамок и поворот рамок вместе со стрелкой. Часть сопротивления R5 выполняется из меди, что позволяет компенсировать температурную погрешность логометра. Показания логометра в известных пределах не зависят от напряжения источника питания.
Рис. 1. Схема неуравновешенного одинарного моста с логометром для измерения температур термометром сопротивления
Более универсальным и удобным средством измерения температур при исследовании станков являются термоэлектрические преобразователи-термопары, состоящие из двух разнородных проводников, одни концы которых спаяны (горячий спай термопары), а другие соединяются с измерительным прибором. При нагревании горячего спая термопары в измерительной цепи пойдет ток, термоэлектродвижущая сила (т. э. д. с.) которого зависит только от материала термопары и разности температур горячего спая и свободных концов проводников. Наиболее распространенные термопары медь-константан, железо-константан и нихром-константан на 100°С дают т. э. д. с. порядка нескольких милливольт. Поэтому при измерении температуры при помощи термопар предполагают наличие в цепи очень чувствительного милливольтметра. Для компенсации нагрева свободных концов термопары применяют различные схемы одна из которых показана на рис. 2. Здесь термопара и милливольтметр включены в измерительную диагональ моста, плечи которого за исключением одного медного R, выполнены из манганиновой проволоки. Сопротивление R помещают около свободных концов термопары. При нормальной работе термопары мост не оказывает влияния на показания милливольтметра. При повышении же температуры свободных концов термопары значение R тоже увеличивается, мост выходит из равновесия, а напряжение, возникшее на измерительной диагонали, компенсирует уменьшение т. э. д. с. термопары. Точность компенсации при этом достигает 0,04 мв на 10°С.
Рис. 2. Схема измерения температуры термопарой с компенсацией нагрева свободных концов термопары
На точность измерений оказывает большое влияние способ установки и крепления термопар на деталях станка. Некоторые из способов крепления показаны на рис. 3.
Рис. 3. Способы крепления термопар для измерения температур деталей станков: 1 - свинцовая прокладка; 2 - текстолитовая пробка; 3 - легкоплавкий сплав; 4 - пластинка с хорошей теплопроводностью
Для измерения температурных деформаций станка применяют микронные индикаторы, микрокаторы и уровни с ценой деления не грубее 0,02 на 1000 мм. Стойки и мостики, на которых крепят измерительные приборы, должны быть тщательно теплоизолированы во избежание искажения результатов измерений. Часто температурные деформации измеряют по их результатам на детали - обработкой на станке (например, круглошлифовальном) через определенные промежутки времени специально приготовленной заготовки с последующим измерением ее размеров.
Узлы станка в течение всего эксперимента не получают механических перемещений, и врезание осуществляется только за счет температурных перемещений. Эксперимент продолжается до наступления установившейся температуры.
Если на результаты эксперимента влияют другие факторы, также вызывающие систематические переменные погрешности, например размерный износ инструмента, то эксперимент проводят следующим образом. Обрабатывают несколько партий заготовок с точно выдержанным припуском и тщательно подобранных по качеству. В каждой партии in заготовок, где i - номер партии в порядке обработки. По результатам обработки каждой очередной партии заготовок строят точностную диаграмму (рис. 4, а), а испытания прекращают до полного охлаждения станка до температуры окружающей среды. Только после этого начинают обработку следующей партии заготовок. На точностной диаграмме по оси ординат откладывается суммарная систематическая погрешность какого-либо геометрического параметра (например, диаметра) детали, основными причинами которой являются температурные деформации и размерный износ инструмента. Кривая О1А1 показывает постепенное увеличение суммарной систематической погрешности в процессе обработки первой партии заготовок. В точке А1 испытание было прекращено, и станку дали остыть до первоначальной температуры. Это позволило при обработке первых деталей второй партии выделить влияние на суммарную погрешность размерного износа инструмента (отрезок В1С1). Оставшаяся часть - отрезок A1B1 характеризует долю температурных деформаций в суммарной максимальной погрешности деталей первой партии. Поступая аналогично при обработке других партий заготовок, можно построить график изменений во времени погрешностей обработки, вызванных влиянием температурных деформаций и износа (рис. 4, б). Если влияние температурных деформаций велико, то их детально исследуют, для чего одновременно измеряют температурные поля, величины и направления температурных деформаций основных узлов и деталей станка. По результатам измерений строят графики, аналогичные показанному на рис. 4, б. Для установления влияния отдельных источников тепла на величину температурных деформаций проводят те же эксперименты, но с последовательной теплоизоляцией этих источников (например, асбестовыми прокладками).
Рис. 4. График изменений во времени систематических переменных погрешностей обработки
Исследования температур и температурных деформаций в станках позволили разработать мероприятия по уменьшению влияния нагрева на точность работы станка. К числу этих мероприятий следует отнести использование для изготовления деталей станков материалов с малым коэффициентом линейного расширения (например, инвара); компенсацию возникающих деформаций специальными механическими устройствами; стабилизацию температуры цеха; меры по уменьшению количества тепла, выделяемого самим станком (хорошее охлаждение электродвигателя; размещение гидростанции за пределами станка; повышение точности, минимальные натяга и смазка подшипников шпинделя масляным туманом; сокращение количества зубчатых передач в коробке скоростей станка и т. п.).
Для более полной оценки станка по точности температурные деформации должны учитываться при проверке станка по нормам точности. В ЭНИМС были разработаны нормы температурной стабильности для координатно-расточных и круглошлифовальных станков, дополняющие нормы точности для этих станков. Эти нормы основаны на обобщении результатов измерения температурных смещений в станках отечественного производства. На рис. 5 приведены результаты таких измерений полученные при испытании серийного координатно-расточного станка модели 2В440. Станок работал на холостом ходу при nшпинд = 1000 об/мин. Температура воздуха в помещении, где он находился, поддерживалась постоянной. В течение 6 ч через каждые 15-20 мин проводили измерения, которые дали возможность построить графики температурных линейных и угловых смещений оси шпинделя в зависимости от времени работы станка.
Рис. 5. Графики температурных линейных и угловых смещений оси шпинделя координатно-расточного станка мод. 2В440 (ширина рабочей поверхности стола 400 мм; H=350 мм; h=110 мм; nшп=1000 об/мин)
Для этого на столе станка перпендикулярно оси шпинделя закрепляли контрольный диск с точными цилиндрической и торцовой поверхностями. На оправку, укрепленную в шпинделе станка, надевали быстросъемную державку с двумя микронными индикаторами (рис. 6). При ручном повороте шпинделя первый индикатор измерял неперпендикулярность оси шпинделя к плоскости диска (стола) на диаметре D, второй - несоосность шпинделя и стола.
Определив отклонения в двух диаметрально противоположных точках до нагрева y1хол и y2хол и после нагрева y1нагр и y2нагр находили нормируемые линейное ∆mл и угловое ∆mу смещения осей шпинделя и стола в плоскости YOZ по формулам. Те же отклонения в плоскости XOZ оказывались значительно меньшими.
Рис. 6. Прибор для измерения линейных и угловых перемещений шпинделя координатно-расточного станка вследствие температурных деформаций
Температурные деформации корпусных деталей
Температурные деформации корпусных деталей (см. Неподвижные корпусные детали и Подвижные корпусные детали), особенно при неравномерном нагреве, могут существенно влиять на точность обработки. Неравномерность нагрева происходит от тепла, выделяемого при работе отдельных механизмов станка в процессе резания (см. Теплообразование при резании металла), при циркуляции охлаждающей жидкости и по другим причинам. В быстроходных станках важным источником тепловыделения является трение в направляющих. Температурные деформации станин и стоек могут быть рассчитаны в предположении, что эти деформации пропорциональны средним температурам. Тогда линейные температурные деформации станин (м)
∆L=εLtcp,
где L- длина станины, м; ε - коэффициент линейного расширения, 1/°С; tcp - средняя температура, °С.
Искривление нейтральной оси станины и стрела прогиба, вызванные неравномерным распределением температур, могут быть определены, если принять линейное распределение средних температур по высоте сечения станины и рассматривать станину как балку (рис. 7). При указанных допущениях стрела прогиба x и угол φ относительного поворота двух сечений на расстоянии L друг от друга определяются выражениями
x = (εL2∆t) / (8H); φ = (εL∆t) / H,
где ∆t - разность средних температур верхней и нижней поверхностей станины, °С; H - высота станины, м.
Рис. 7. Схема тепловых деформаций станины
Вышеуказанные формулы получены на основе тех же предпосылок, что и при рассмотрении температурных деформаций станины, скрепленной с фундаментом (см. формулу ниже). Средние температуры верхней и нижней поверхностей (сечений) станины, определяющие величину деформаций, можно определить, если известно температурное поле станины. Поэтому проектирование и изготовление станин необходимо выполнять с учетом расположения источников тепла, с тем чтобы свести к минимуму температурные деформации станин. Теплообразование в быстроходных и нагруженных коробках скоростей может привести к таким температурным деформациям корпуса коробки, которые отразятся на точности обработки на станке.
Анализ температурных деформаций корпусов шпиндельных бабок показывает, что они определяются в основном температурными полями отдельных стенок, обычно - стенок, несущих опоры шпинделей. При этом температурные перемещения шпинделей пропорциональны средней избыточной температуре стенок на участках, входящих в размерную цепь станок - деталь - инструмент. Исходя из этого, для практических расчетов можно принять, что температурные изменения данного размера корпусной детали пропорциональны средней температуре на этом участке.
Рис. 8. Тепловые деформации станины и фундамента
В случае скрепления станины с фундаментом наиболее опасны те температурные деформации станины, которые могут возникнуть при колебании температуры окружающей среды. Эти деформации вызываются различием коэффициентов линейного расширения которые имеют фундамент для станка (бетон) и станины (чугун), вследствие чего при изменении температуры их длина становится неодинаковой и станина изгибается. Необходимо подсчитать искривление станины, так как от ее величины зависит точность обработки на станке. На рис. 8 приведена расчетная схема для определения величины δ=01С. Станину и фундамент при расчете заменяем двумя скрепленными пластинами, выполненными из соответствующих материалов. Оси пластин проходят через центры тяжести станины 01 и фундамента 02. Искривление осей A101B1 и A202B2 из-за разности тепловых приращений станины и фундамента составляет на каждый метр их длины
∆ = αст (t1 - t2) - αф (t1 - t2) = (αст - αф) (t1 - t2),
где αст и αф коэффициенты линейного расширения материала станины и фундамента, 1/°C; t1, t2 - температуры в цехе при заливке фундамента и в данный момент, °С.
Следовательно, разница длин фундамента и станины будет равна ∆L или половине этой величины на каждую сторону (рис. 8):
δ = R - R cos γ = R (1 - cos γ) = 2R sin2 (γ/2).
Из треугольников A1A2K и 0A1С получим
sin γ ≈ γ = (∆L / h) и R = L / (2 sin γ)
Подставляя значения γ и R в формулу для δ, имеем (м)
δ = ∆L2 / (8h).
Из данной формулы видно, что чем длиннее станина, тем больше искривление δ ее направляющих. Поэтому длинные станины нельзя скреплять с фундаментом по всей длине, чтобы не лишить их возможности свободных тепловых расширений.
