溫度對精密金屬零件數控加工機床和材料會有什麼影響？

基本變數

諾鉑智造：我們都知道溫度影響材料，但最終如何影響我們的精密金屬零件加工？在表面上，這將是一個簡單的任務來補償。我們應該做的只是採用熱膨脹係數（CTE），看溫度計，並提供解決方案。那麼這不是那麼簡單就行了。在我們能夠做這個計算之前，我們必須考慮一些更多的變數。以下是我們真正需要解決的變數：

部分CTE包括不同材料在同一部分，

機器的CTE和反饋量表，

機器幾何變化隨溫度變化，

熱加工加工過程，

透過切削冷卻劑和潤滑劑加入或除去熱量。

在考慮了所有這些變數之後，我們必須確定我們想要對零件進行歸一化的溫度。

控制所有這些變數的最佳方式是什麼？最佳做法通常是消除它們。將機器和部件的環境溫度設定為所需的標準化溫度； 讓零件和機器“浸泡”在該溫度下24小時左右。使用已經調節到與標準化環境相同溫度的切割冷卻劑，然後監視這些條件並根據需要進行控制。這是完美的世界，但它不是規範。我們通常看到的是設計為在68F或20C尺寸校正的零件，以及70°F至75°F的加工環境。部分CTE從1到13PPM。現在我們要做一些真正的psyfer‘n。

環境溫度控制

環境溫度控制是最常見的，CMS如何通常引用我們機器的規格。

標準為+/- 1攝氏度或約3華氏度。鋼的CTE約為7。3 ppm / F。對於3度F溫度傳播的10米機器，= 。0073mm / m / 1F = 0。022mm / m / 3F = 0。22mm。正如你所看到的那樣，對於一臺30英尺長的機器來說，這是相當多的運動。飛機桁架，直升機葉片，飛行控制器和許多其他部件和件是這麼大的，必須是機器才能更嚴格的公差。更緊的可以控制得越好。

作為一個註釋，作為許多高精度測量的來源的勞倫斯利弗莫爾國家點火實驗室擁有一個10米立方體的實驗室，並保持在0。1度F進行測試。

還有一些標準，如ASME 5。54，具有熱漂移作為機床分析中的標準測量之一。

此外，熱量的型別也很重要。輻射熱，對流熱和導電熱使材料的反應也不同。我不會在這裡詳細介紹，但來自陽光，烤箱，風扇，空調通風口的熱量都會影響機器的不同。一些製造商甚至透過機架和驅動部件執行液體冷卻液的程度，我們將在下面討論。

元件溫度控制

另一次榮幸的方法是監測和控制部件溫度。變速箱，電機，編碼器和滾珠絲槓等事項也隨溫度而變化。多年以來，甚至現在，已經鑽了滾珠絲槓，冷卻液透過它們來控制它們的膨脹。球墨鑄成並且仍然被裝在冷卻劑護套外殼中，同樣具有齒輪箱和馬達。所有現代主軸都是液體冷卻的，或者更正確的溫度控制。

對於大型機器，可以使用這些方法中的一些； 但對於長軸，3米加上，滾珠絲槓不是很好的選擇。通常使用機架和小齒輪，而不是一體式結構。這樣可以使機架與機器結構一起移動，而不必使兩種不同的合金相互作戰。

結構溫度監測儀

這是一種使用現代電子裝置監測結構溫度並修改透過裝置中設定的演算法行進的距離的方法。這樣做的方式是沿著機器的軸設定幾個溫度感測器。該資料返回到控制箱，該控制箱可修改編碼器的脈衝訊號長度，以糾正機器結構中的熱運動。本機與機器控制器完全分開。溫度感測器和機器編碼器都透過這個盒子。然後修改編碼器訊號並將其傳送回控制器。這是一個非常好的系統，但依賴於兩個非常重要的事情來正確執行：

（1）溫度變化必須非常緩慢地發生

（2）必須來自對流熱，即空氣對材料。

增加了這一點的重要性是，該系統必須進行測試，測試和測試。不可能僅僅投入鋼鐵公司，取得好成績。對流熱和緩慢變化要求的原因是溫度感測器只能補償軸的整個長度，平均所有的感測器。我們可以在軸上放置100個感測器，但是如果一個區域是熱的並且一個區域是冷的，那麼該單元將只在整個長度上平均溫度在某些區域中產生差的結果。目前，CMS正在建設一個擁有這個系統的機器，我們希望在年底之前提供一個改造。

實時定位控制

這是目前處理長機器溫度變化的最佳方式。毫不奇怪，這也是迄今為止最貴的。該系統使用鐳射干涉儀來測量機器行進的距離。這也不是機器控制器的一部分。它是用於校準機床的相同裝置。不同之處在於，這種鐳射永久性地安裝在機器上，並且線上，實時的。在具有主從軸的龍門機的情況下，需要兩個系統來校正該軸的運動。它也將校正溫度梯度，並進行自校準。該系統的成本約為每軸10萬美元。CMS也在審查這個系統，以便將來可能提供。

另一個變數

還有另外一個變數在決定要採取哪個通道之前必須考慮：幾何變化。上述所有補償系統將校正機器的軸定位在伺服電機上，對於影響刀具最終位置的機器幾何變化不會100％校正。幸運的是，小的溫度變化不會影響幾何，但是大的波動會。讓我舉個例子。一臺機器長20米。焊接到4英尺厚的基礎上，與周圍的混凝土絕緣和隔離，並且內嵌有1英寸的鋼板。在20米處，我們將有10條“腿”，肩膀將被安置。在肩膀上，我們有軌道焊接在肩膀和軌道上，我們有軸承和伺服驅動電機。我們假設從早上到中午，氣溫從10度變化。我們可以進一步使事情複雜化，從10點到2點，只有一個肩膀上的陽光照射到一邊，向一邊增加更多的輻射熱。在這一點上，我們有一個鐵路在陽光下曬，另一條鐵路脫掉了他的早晨夾克，但我們的基礎仍然深埋在他的繭。現在我們有一個牆擴張1。5毫米，太陽透溼的牆可能是2或2。5毫米，一個完全沒有變化的基礎。怎麼了？在這個長時間的機器上，在這個溫度傳播的水平上，我無法測量出來； 但是我所測量的較小的，這就是發生了什麼。我們可以進一步使事情複雜化，從10點到2點，只有一個肩膀上的陽光照射到一邊，向一邊增加更多的輻射熱。在這一點上，我們有一個鐵路在陽光下曬，另一條鐵路脫掉了他的早晨夾克，但我們的基礎仍然深埋在他的繭。現在我們有一個牆擴張1。5毫米，太陽透溼的牆可能是2或2。5毫米，一個完全沒有變化的基礎。怎麼了？在這個長時間的機器上，在這個溫度傳播的水平上，我無法測量出來； 但是我所測量的較小的，這就是發生了什麼。我們可以進一步使事情複雜化，從10點到2點，只有一個肩膀上的陽光照射到一邊，向一邊增加更多的輻射熱。在這一點上，我們有一個鐵路在陽光下曬，另一條鐵路脫掉了他的早晨夾克，但我們的基礎仍然深埋在他的繭。現在我們有一個牆擴張1。5毫米，太陽透溼的牆可能是2或2。5毫米，一個完全沒有變化的基礎。怎麼了？在這個長時間的機器上，在這個溫度傳播的水平上，我無法測量出來； 但是我所測量的較小的，這就是發生了什麼。5毫米，完全不變的基礎。怎麼了？在這個長時間的機器上，在這個溫度傳播的水平上，，我無法測量出來； 但是我所測量的較小的，這就是發生了什麼。5毫米，完全不變的基礎。怎麼了？在這個長時間的機器上，在這個溫度傳播的水平上，我無法測量出來； 但是我所測量的較小的，這就是發生了什麼。

腿的底部不移動，但腿的頂部是。它引起雙腿之間的小隆起。這些凸起非常小，但是它在主軸上的影響根據Z軸的長度被放大。隨著X軸的上升和下降，Z軸將向前和向後“傾斜”，就像帆船的桅杆在波浪中上下襬動。這導致了透過任何當前已知方法無法補償的線性位移誤差。有一個，但它只在計算機處理器晶片尺寸的規模上使用。好的事情是在較小的溫度變化下，影響是無法估量的。

我會說，這個故事的道德是，“不只是一個可以糾正一切的東西。相反，它必須是結合技術應用勤奮的環境控制。“

部分本身作為變數

正如我剛才所說，我們也要考慮一下。機器的CTE將具有一個值，部分可能會有很大的不同。我們如何補償？理想的情況是將機器和零件設定在所需的溫度下並保持非常接近。但是，如果標稱溫度為68F，機器和部件為72F，該怎麼辦？此時有幾個選項。如果要在這個溫度下小心地維護機器，我們可以使用材料的CTE將機器校準到72F的正確維度。這是一個很好的解決方案。現在如果環境變化到77F呢？這臺機器的CTE將會擴大，就是說，這個30微毫米，而這部分將擴大10微毫米。我們現在幹什麼？我們有幾個選擇。我們可以透過使用零件的CTE將機器重新校準到這個新的環境中； 我們還可以透過從機器運動中減去零件的運動並計算整體尺寸的比例來縮放零件的程式。或者我們可以將我們一直在討論的主動機器補償裝置之一。

線性比例控制選項

另外還有一個簡單，有效和便宜的裝置，目前在CMS中正在使用，以糾正所有這些瘋狂的動作。在我描述這個奇妙的治療之前，我必須提到它只適用於此時3米長的較小的長軸。該裝置是與被切割材料相同的CTE的線性刻度。如前所述，我們的可選擇的選項是環境，部件，機器或反饋裝置。在這種情況下，刻度將由具有相同部分CTE的材料製成，而機器將被允許以任何速率進行擴充套件和收縮，並且反饋裝置將僅使機器移動它讀取的距離。我們這裡的另一個選擇是將秤與機器的移動隔離開來，並控制尺度內或周圍的環境。這是CMS採取的方法。我們使用安裝在與機器機械隔離的外殼內的鋼帶秤，並且我們控制外殼內的溫度。這樣，無論外部條件如何，機器都始終正確校準。現在，零件運動仍然需要考慮，但這給我們一個較少的變數要考慮。