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Einige Ursachen für thermische Fehler beim Drehen

Drehbearbeitung

CNC-Vertikaldrehmaschinen weisen bei längerem stabilen Betrieb oder bei der Bearbeitung unter hoher Belastung häufig Maßabweichungen und Genauigkeitsverluste auf. Die Ursachen für diese Probleme sind sowohl geometrische Fehler der Maschine als auch thermische Fehler.

Dieser Artikel gibt einen systematischen Überblick über die Hauptursachen, Merkmale und Auswirkungen thermischer Fehler und vergleicht die Vor- und Nachteile der Kompensation durch Hardware und Software.

Fehlerklassifizierung:

  1. Geometrische Fehler: inhärente Fehler, die durch Fertigungsfehler der Maschine, Passungsfehler der Teile, Einbautoleranzen und statische/dynamische Verschiebungen verursacht werden (z. B. Geradheit der Führungsbahn, Winkelabweichungen, Steigungsfehler der Leitspindel).
  2. Thermische Fehler: Fehler, die durch thermische Ausdehnung oder thermische Verformung der Maschine oder des Werkstücks aufgrund von Temperaturänderungen verursacht werden; diese variieren mit der Zeit und den Bearbeitungsbedingungen und stellen daher zeitabhängige Fehlerquellen dar.

Hauptursachen für thermische Fehler:

  1. Schnittwärme: Große Mengen an Wärme, die in der Schnittzone zwischen Werkzeug und Werkstück entstehen, werden teilweise in das Werkstück, den Werkzeughalter und die Maschinenstruktur geleitet, was zu einem lokalen Temperaturanstieg und Verformungen führt.
  2. Erwärmung von Spindel und Motor: Der Spindelmotor, die Servomotoren und die Antriebseinheiten erzeugen während des Betriebs Wärme, wodurch sich die Spindelgeometrie und der Rundlauf verändern.
  3. Lager- und Getriebereibung: Reibung in Lagern, Getrieben, Riemen/Kupplungen usw. erzeugt Wärme und lokale Ausdehnung, die die Übertragungsgenauigkeit und Konzentrizität beeinträchtigen.
  4. Gleitreibung und Führungsbahnen: Führungsbahnen, Schlitten und Leitspindeln erzeugen während der Bewegung Reibungswärme, was zu einer thermischen Verschiebung des Schlittens und des Vorschubsystems führt.
  5. Wärme aus hydraulischen/pneumatischen Systemen: Hydraulikpumpen, Ventile, Öltanks usw. erzeugen Wärme, die über die Tragkonstruktionen auf wichtige Maschinenkomponenten übertragen wird.
  6. Temperaturschwankungen von Kühlmittel und Schneidflüssigkeit: Eine instabile Kühlmitteltemperatur oder -durchflussmenge verändert die Wärmeableitungsbedingungen des Werkstücks und des Werkzeugs und beeinträchtigt das thermische Gleichgewicht.
  7. Änderungen der Umgebungs- und Werkstatt-Temperatur: Tägliche oder saisonale Temperaturunterschiede und eine schlechte Klimatisierung führen zu einer allgemeinen Temperaturabweichung der Maschine.
  8. Asymmetrische Wärmequellen und Temperaturgradienten: Eine ungleichmäßige Verteilung interner/externer Wärmequellen oder eine längere lokale Erwärmung (z. B. einseitiges Langzeitschneiden) führt zu ungleichmäßigen thermischen Verformungen und Positionierungsfehlern.
  9. Thermische Auswirkungen von Vorrichtungen und Werkstücken: Große oder wärmespeichernde Werkstücke absorbieren während der Bearbeitung Wärme und verändern ihre relative Position; auch die Wärmeleitung von Vorrichtungen kann Fehler übertragen.

Eigenschaften und Auswirkungen thermischer Fehler:

  1. Zeitabhängigkeit: Thermische Fehler summieren sich über die Bearbeitungszeit und zeigen trendartige oder periodische Veränderungen. Sie können über kurze Zeiträume stabil sein, werden aber bei langen Laufzeiten signifikant.
  2. Räumliche Ungleichmäßigkeit: Verschiedene Komponenten erwärmen sich ungleichmäßig und erzeugen komplexe Verformungsmuster (Verschiebung, Neigung, Biegung).
  3. Großer Einfluss auf hochpräzise Arbeiten: Thermische Fehler sind besonders bei der Bearbeitung im Mikrometerbereich und bei der Wiederholpositionierung von Bedeutung und verursachen Maßabweichungen, geometrische Fehler und eine verschlechterte Oberflächenqualität.
  4. Nicht einfach durch eine einmalige Hardwareanpassung zu beseitigen: Da sich thermische Fehler mit den Betriebsbedingungen ändern, sind feste mechanische Korrekturen oder Kalibrierungen im Laufe der Zeit oft unwirksam.

Einschränkungen der herkömmlichen Hardware-Kompensation:

Hardwarekompensation (z. B. Nachbearbeitung von Teilen, Anpassung von Kalibrierungsmessgeräten, mechanische Strukturänderungen) kann statische geometrische Fehler korrigieren, ist jedoch nicht in der Lage, zeitabhängige oder halbzufällige thermische Fehler zu bewältigen. Solche Maßnahmen sind unflexibel, erfordern lange Anpassungszyklen und sind mit hohen Kosten verbunden. Außerdem müssen sie für verschiedene Teile oder Schnittbedingungen häufig wiederholt werden, wodurch sie für dynamische Produktionsumgebungen ungeeignet sind.

Messung thermischer Fehler:

  1. Sensorplatzierung: Installieren Sie Temperatursensoren (Thermoelemente/RTDs) und erforderliche Weg-/Differenzsensoren an wichtigen Stellen wie Spindel, Leitspindel, Bett, Führungsbahnen, Hauptmotoren, Lagergehäusen und Kühlmittelein-/auslässen.
  2. Prüfung und Datenerfassung: Erfassen Sie Temperatur- und Geometriefehlerdaten (Verschiebung, Geradheit, Konzentrizität) unter repräsentativen Bedingungen (unterschiedliche Schnitttiefe, Schnittgeschwindigkeit, Leerlauf-/Dauerbearbeitung usw.).