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技術交流

溫度不達標,“高精度”從哪里來?


時間:2021-06-13 14:39:31來源:hydma 點擊:0


    做加工的,比起精度來是不會服輸的,好似實現μm級加工精度是件很容易的事情。事實上,高精度加工是一個嚴謹的技術話題,而有不少人連溫度對精度影響的常識都不明白就夸夸其談精度,實在令人無語!這篇文章將給大家做一個較全面的科普。


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01
基本常識:溫度變化對材料的影響

    眾所周知,材料都會存在熱脹冷縮,在精密加工中,對于溫度問題是違禁不能忽視的!溫差是精度的敵人,如果我們不在乎溫度這個重要的議題,如何討論精度? 因為大部分的機器組合成分都是鋼材、鑄鐵,會依室溫與機器本身產生的熱改變形狀與長度。

    材料熱脹冷縮的具體量,取決于材料及溫度的變化值。下面為大家提供了鋼和銅的膨脹系數表,比如,鋼材直線膨脹為長度每米在溫度變化1°C 時會產生12μm 的變化。

鋼的膨脹系數如下圖所示:

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舉例:
工件長度:200 mm
溫度變化:10℃
膨脹值:0. 02 mm

銅的膨脹系數如下圖所示:

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舉例:
電極長度:200 mm
溫度變化:10℃
膨脹值:0.05 mm

02
溫度引起檢測誤差

    如果工件和檢測使用的檢測儀表以及量規使用不同材料制成,并且檢測時沒有處于標準溫度條件下,與標準溫度20°C的偏差將始終是產生檢測誤差的一個重要因素。

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因溫度產生的檢測誤差

    比如,將一個100mm長的鋼制塊規加熱4C,例如用手心溫度加熱,它便會出現4.6μm的長度變化。

    另外,值得一提的是,在測量高精度零件的時候,前提是要有更高精度的測量手段。如果本身的測量儀器或者設備精度指標就不高,你的高精度從哪里來?

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03
重要的加工理念:維持熱穩定

鋼件:100 x 30 x 20 mm

    溫度從25℃下降到 20℃尺寸的變化:在25℃時,尺寸偏大6μm,當溫度降至20℃時,尺寸僅偏大0.12μm,這是一個熱穩定的過程,即使溫度迅速下降,仍然需要一個持續的時間才能維持精度。越大的物體,在溫度變化時需要更多的時間來恢復精度穩定。

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    沒有精密加工經驗的工廠,在去做精密加工時,往往將精度不穩定的原因歸咎于設備精度問題。而有精密加工經驗的工廠,他們都知道這是最基本的常識,對于環境溫度與機床的熱平衡會非常重視。他們非常清楚,即使是高精密的機床,也只有在穩定的溫度環境與熱平衡狀態下才能獲得穩定的加工精度。

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    維持熱穩定是精密加工必須悟透的重要理念。有些人可能糾結于溫度應該維持在20℃還是23℃,其實,最重要的是能維持一個目標值的穩定性。理論書上一般要求的是20℃,實際車間一般取22-23℃,嚴格控制溫度波動即可。

04
正確認識加工精度與分析

    一般來說,加工精度可以分為精密度和精確度。下圖是一個直觀的說明。

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精密度(Precision)

    指使用同種備用樣品進行重復測定所得到的結果之間的重現性、一致性。有可能精密度高,但精確度是不高。例如,使用1mm的長度進行測定得到的三個結果分別為1.051mm、1.053、1.052,雖然它們的精密度高,但卻是不精確的。

精確度(Accuracy)

    指得到的測定結果與真實值之間的接近程度。測量的精確度高,是指系統誤差較小,這時測量數據的平均值偏離真值較少,但數據分散的情況,即偶然誤差的大小不明確。

精密度、精確度與溫度的關系

    一般來說,如果加工的零件較精密但不精確,很有可能是車間的溫度波動較大,造成精度離散性大;如果加工的零件較精確但不精密,很有可能是車間的溫度波動不大,但是與標準溫度偏差較大;既不精密也不精確,那說明車間溫度與標準溫度及控制要求都偏離很大。

05
被遺忘的機床預熱

    工廠使用精密數控機床進行高精密加工,你是否有這樣的經驗:每天早上開機進行加工,首件的加工精度往往不夠好;長假后開機加工的首批零件往往精度很不穩定,在高精度加工時失敗概率極高,尤其是位置精度。

    機床只有在穩定的溫度環境與熱平衡狀態下才能獲得穩定的加工精度。在開機后就要投入高精密加工生產的情況,對機床進行預熱是最基本的精密加工常識。

    機床在長時間停止運行狀態下和熱平衡狀態下的加工精度差異較大,究其原因,是因為數控機床的主軸和各運動軸在運行一段時間后,其溫度相對維持在某一固定水平,且隨著加工時間的變化,數控機床的熱態精度趨于平穩,這就表明了加工前的主軸和運動部件預熱是非常有必要的。

    然而,機床的“熱身運動”這個準備環節被很多工廠忽視或者不知曉。如果機床擱置狀態達到多天以上時,建議在高精密加工前進行30分鐘以上的預熱;如果擱置狀態僅為數小時,建議在高精密加工前進行5-10分鐘的預熱。

    預熱的過程就是讓機床參與加工軸的反復移動,違禁進行多軸聯動,比如讓XYZ軸從坐標系的左下角位置移動到右上角位置,反復走對角線。執行的時候可以在機床上編寫一個宏程序,讓機床反復執行預熱的動作。

    在機床進行充分的預熱后,充滿活力的機床就可以投入高精密加工生產了,您將獲得穩定一致的加工的精度。
來源|前沿數控技術




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