Dilatazione termica mandrino

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Ale79
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Dilatazione termica mandrino

Messaggio da Ale79 » giovedì 26 marzo 2015, 19:18

Ciao, innanzitutto vi dico che non so se sono nella sezione più adatta, comunque vi espongo qui un problema che mi riguarda...
Da un paio di mesi ho una cnc, costruita da un amico, dotata di brushless e ricircolo su sfere che uso per fresare legno e recentemente qualche pezzo d'alluminio. Proprio durante la fresatura di quest'ultimo mi sono accorto che l'ultima operazione eseguita (ad esempio contornatura dopo spianatura) viene effettuata a una profondità maggiore di circa 5 centesimi (e su alluminio si vede!) - a parità di valore di g-code.
Inizialmente ho pensato a un errore software, poi a problemi meccanici, ma dopo varie prove (ve la faccio breve) ho capito che si tratta di dilatazione termica del mandrino. La prova risolutiva è stata quella di posizionare un azzeratore sotto l'utensile dopo una simulazione: constatato l'abbassamento dell'asse Z ho lasciato l'utensile lì puntato e, spenta la macchina, ho notato che con il raffreddarsi del mandrino (un'ora circa) l'utensile è salito tornando alla posizione corretta iniziale.
Ho poi constatato che ho una dilatazione di circa 5 centesimi in mezz'ora, per poi attestarsi al decimo in un'ora di lavoro.
Il mio mandrino è sicuramente di provenienza orientale. Ha un diametro di 80mm, 22000 giri max, e dotato di ventolina di raffreddamento sulla parte posteriore.
E' normale che avvenga una dilatazione di questa entità?
Grazie

Innaig
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Re: Dilatazione termica mandrino

Messaggio da Innaig » venerdì 27 marzo 2015, 9:36

Si, è normale.
Avviene anche su cnc professionali ma li le dilatazioni vengono compensate tramite rilevazione delle temperature e compensazione tramite cnc.

Saluti

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walgri
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Re: Dilatazione termica mandrino

Messaggio da walgri » venerdì 27 marzo 2015, 10:14

Innaig, non ci sono parole per esprimere quanto positivamente io ti invidii :)

@Ale79: sarebbe interessante se potessi verificare, magari con un termometro a IR, le temperature sia dell'asse del mandrino, sia della vite Z ed anche se potessi allegare una foto del gruppo Z con le distanze della chiocciola dai cuscinetti. Giusto per ragionare un po' sui vari contributi.

Giusto per buttar giù qualche numerello, e supponendo di poter considerare costanti le temperature lungo i vari elementi :

Il coefficiente di dilatazione termica lineare dell'acciaio è:
λ = 0.000012 / °C

Se supponiamo che la distanza tra chiocciola e cuscinetti sia:
l = 150 mm

e che la differenza di temperatura della vite dall'inizio del lavoro alla fine sia:
Δt = 30 °C

l'allungamento della vite sarà pari a:
Δl = λ * l * Δt
Δl = 0.054 mm


Dai cuscinetti del mandrino alla estremità dell'utensile il calcolo da fare è sostanzialmente identico
e se l = 50 mm, Δt = 50 °C, otteniamo una altro Δl = 0.03 mm, da sommare al precedente.

A questo dovremmo pure sommare gli allungamenti dovuti ai supporti che comunque un po' si riscaldano.

Ora i valori che ho assegnato io alle variabili sono abbastaza "a capocchia", ma insomma, si vede benissimo che i centesimi volano.

EDIT: Ovviamente la distanza chiocciola-cuscinetti è variabile, ho omesso di scrivere "alla quota della lavorazione che stai eseguendo".
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Re: Dilatazione termica mandrino

Messaggio da Innaig » venerdì 27 marzo 2015, 10:50

Walgri, non ti immagini lo stress per arrivare a calcolare correttamente tutte le dilatazioni per poi sentirsi dire..."ehhh ma su 24 ore si è spostata di un centesimo...." (e parlo di macchine con 6 metri di corsa) :-D

Aggiungo anche per Ale79, oltre la spiegazione perfetta di Walgri, una cosa che devi tenere conto è l' uscita dei cuscinetti precaricati del mandrino.
Infatti, per effetto della rotazione, i cuscinetti scendono apportando centesimi sull' allungamento.
Su mandrini con 22000 rpm di rotazione normalmente i cuscinetti rimangono "inerti" per i primi 10000 giri, poi, all' aumentare della velocità, iniziano ad uscire apportando circa 0,02....0,05mm (a seconda della costruzione e bontà dell' elettromandrino).
Il calcolo corretto deve essere fatto tramite strumentazione laser in quanto va effettuato con mandrino in rotazione.
Una volta calcolata l' uscita del cuscinetto alle varie velocità (uscita immediata), va aggiunto l' allungamento dato dalla velocità di rotazione*il tempo di rotazione*la massa del mandrino-il raffreedamento (aria acqua) - delta temperatura ambiente + (allungamento vite)*tempo di lavorazione*velocità).....
Ora, capisci anche tu che in una macchina hobbistica non ti conviene fare tutto ciò.
Per evitare fai ruotare il mandrino 20 minuti alla velocità di fresatura e poi, senza spegnerlo MAI, lo azzeri in Z e fresi.

Saluti

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Re: Dilatazione termica mandrino

Messaggio da Ale79 » venerdì 27 marzo 2015, 13:37

Grazie a entrambi per le spiegazioni! Molto chiare ed esaustive.
Ora mi sono messo il cuore in pace ;)
La prossima volta che smonto i carter dell'asse Z per lubrificare, vedo di scattare un paio di foto.
Grazie ancora.

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