Algumas causas de erros térmicos na usinagem de torneamento

Os tornos verticais CNC frequentemente sofrem desvios dimensionais e degradação da precisão durante operações estáveis prolongadas ou usinagem com alta carga. As causas principais desses problemas incluem erros geométricos da máquina e erros térmicos.

Este artigo analisa sistematicamente as principais fontes, características e impactos dos erros térmicos e compara as vantagens e desvantagens da compensação por hardware e software.

Classificação de erros:

1. Erros geométricos: erros inerentes causados por defeitos de fabricação da máquina, erros de montagem de peças, tolerâncias de instalação e deslocamentos estáticos/dinâmicos (por exemplo, retidão da guia, erros angulares, erros de passo do fuso).
2. Erros térmicos: erros causados pela expansão térmica ou deformação térmica da máquina ou peça de trabalho devido a mudanças de temperatura; estes variam com o tempo e as condições de usinagem e, portanto, representam fontes de erro dependentes do tempo.

Principais causas de erros térmicos:

1. Calor de corte: grandes quantidades de calor geradas na zona de corte da ferramenta-peça de trabalho são parcialmente conduzidas para a peça de trabalho, o porta-ferramentas e a estrutura da máquina, causando aumento de temperatura local e deformação.
2. Aquecimento do eixo e do motor: o motor do eixo, os servomotores e as unidades de acionamento geram calor durante a operação, alterando a geometria do eixo e o desvio radial.
3. Atrito dos rolamentos e da transmissão: o atrito nos rolamentos, caixas de engrenagens, correias/acoplamentos, etc., produz calor e expansão local que afetam a precisão da transmissão e a concentricidade.
4. Atrito de deslizamento e guias: guias, corrediças e parafusos de avanço geram calor por atrito durante o movimento, causando deslocamento térmico do carro e do sistema de alimentação.
5. Calor do sistema hidráulico/pneumático: bombas hidráulicas, válvulas, tanques de óleo, etc., geram calor que é transmitido através das estruturas de suporte para os principais componentes da máquina.
6. Flutuações de temperatura do líquido de arrefecimento e do fluido de corte: a temperatura instável do líquido de arrefecimento ou as alterações no fluxo alteram as condições de dissipação de calor da peça de trabalho e da ferramenta, afetando o equilíbrio térmico.
7. Alterações na temperatura ambiente e da oficina: diferenças de temperatura diurnas ou sazonais e controle inadequado do ar condicionado causam desvios na temperatura geral da máquina.
8. Fontes de calor assimétricas e gradientes de temperatura: a distribuição desigual de fontes de calor internas/externas ou o aquecimento local prolongado (por exemplo, corte unilateral de longa duração) criam deformação térmica não uniforme e erros de posicionamento.
9. Efeitos térmicos da fixação e da peça de trabalho: peças de trabalho grandes ou com alta capacidade térmica absorvem calor durante a usinagem e alteram as posições relativas; a condução térmica da fixação também pode transmitir erros.

Características e impactos dos erros térmicos:

1. Dependência do tempo: os erros térmicos se acumulam ao longo do tempo de usinagem e apresentam mudanças tendenciais ou periódicas. Eles podem ser estáveis em intervalos curtos, mas tornam-se significativos durante longos períodos.
2. Não uniformidade espacial: diferentes componentes aquecem de forma desigual, produzindo padrões de deformação complexos (deslocamento, inclinação, flexão).
3. Grande efeito em trabalhos de alta precisão: os erros térmicos são especialmente significativos na usinagem em nível de micrômetro e no posicionamento repetitivo, causando desvios dimensionais, erros geométricos e qualidade de superfície degradada.
4. Não são facilmente eliminados por um ajuste único de hardware: como os erros térmicos mudam com as condições de operação, correções mecânicas fixas ou calibrações são frequentemente ineficazes ao longo do tempo.

Limitações da compensação tradicional de hardware:

A compensação de hardware (por exemplo, refabricação de peças, ajuste de medidores de calibração, modificações na estrutura mecânica) pode corrigir erros geométricos estáticos, mas não consegue lidar com erros térmicos variáveis no tempo ou semi-aleatórios. Tais medidas carecem de flexibilidade, requerem longos ciclos de ajuste e custos elevados, e devem ser repetidas frequentemente para diferentes peças ou condições de corte, tornando-as inadequadas para ambientes de produção dinâmicos.

Medição de erros térmicos:

1. Colocação do sensor: instale sensores de temperatura (termopares/RTDs) e sensores de deslocamento/diferencial necessários em locais-chave, como o eixo, o parafuso de avanço, a base, as guias, os motores principais, as caixas de rolamentos e as entradas/saídas de refrigerante.
2. Teste e coleta de dados: colete dados de temperatura e erros geométricos (deslocamento, retidão, concentricidade) em condições representativas (profundidade de corte variada, velocidade de corte, usinagem ociosa/contínua, etc.).