局部温度的变化对机床影响几何(更新版)

洪哥

$ S- ?2 z. e/ |* H

对原文进行了修改和补充，希望对大家有帮助。
* b* |: }0 k- F4 Y9 `& p7 m' [+ ]感谢大家的支持和鼓励:handshake:handshake

局部温度的变化对机床影响几何2016.3.18.pdf (216.3 KB, 下载次数: 34)

2016-6-17 15:23 上传

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  b. }% o, t& x; l# U, O! N

局部温度的变化对机床影响几何
8 Q& m7 M$ L/ b3 r) E# n——记一个维修案例
4 |+ _  |1 A% e& B
2 x1 M4 F1 D- q: N( w7 a局部温度的变化对机床有着什么样的影响，其危害究竟有多大？在下结论之前，还是让我们先从一个机床的维修案例入手，来慢慢揭开它的神秘面纱吧。

1 设备问题
( L, m* ~% F' A. s这还得从2012年说起。当年，四川德阳某厂对一台普通五米立车进行了大修和数控改造，然而最终验收时却出现了其它检验项目都合格，唯独加工的平面度始终超差的状况。
虽然他们在机电方面进行了三番五次的检查和调整，也邀请过好几家专业人士进行了检修和排查，但始终没有找到问题的原因。
% k% G9 Z6 U+ Y5 `0 d后来该厂设备负责人找上门来，希望我们就这一问题给予支持和帮助。
用户反映的设备问题现象是：
6 A, x$ N( X- ~; a5 X3 Z1 r1.1 从外向中心车出来的平面总是中间凹0.08mm左右；
1.2 而从中心向外车出来的平面却又总是中间凸0.08mm左右。
* u* m6 o* m7 l  p& ~# }
2 基本检查
    我们来到现场后首先对该设备做了一个常规“体检”。
# r5 s8 e! {5 ^# |! W1 t2.1 机床几何精度检查；
2.2 工作台浮升量检查；
2.3 液压系统工作状况检查；
) v8 K& n4 N* X3 }8 W; c2.4 机床机械性能检查。
" E' W/ j, r8 ~. P$ H% b5 \9 i检查下来并未发现明显异常；从表面上看，该设备似乎没有问题。
6 M% m6 w" G' f: f/ h
4 Y$ W: g; r5 x5 g9 S* H1 T1 c3 加工检查
2 o+ X0 [+ ?* c. I+ i/ L% l    接下来，我们又对设备的平面度加工质量进行了考核。
3.1 从外向中心将上平面精车了一刀；
8 Y, P2 o! n9 e3.2 吊上标准平尺检查该平面，结果中间凹陷0.13/3000；
3.3 再从中心向外将上平面精车了一刀；
! A5 U6 T6 s; ]+ j) ]: _( ^0 S2 ?' s/ Z7 y5 l3.4 吊上标准平尺检查该平面，结果中间凸起0.11/3000；
3.5 检查加工表面粗糙度，每次均合格。
, I% z4 g' l2 k: x/ x从检验数据和表面形状来看，该设备不仅加工的平面度超差,而且凸凹形状也完全相反。这与用户反映的情况基本吻合。
5 v: d' R2 l$ a' R: K0 S& t+ M问题的重点是：为什么向外车出来的平面总是中间凸起，而向内干出来的却又是凹的呢？
4 Z* Q- Q4 J0 b; c9 \4 j2 U4 m
& ]3 a5 `. j  u9 Y/ J* C8 x4 分析一
- I0 v2 C5 A/ G* G* t! ]) a如此怪异的现象恰恰是亟待我们解决的问题和要完成的任务。
我们根据检查情况分析认为:这种状况似乎只有当刀具总是“越车越深”时才会发生。
# @0 l& P2 C! N8 x( ?8 C; M据此判断，机床则有可能存在以下问题：
4.1 在切削过程中，横梁可能随着刀架的重心改变而逐渐发生倾斜；
8 S' U9 f6 Q% R, h' U$ y% o6 L4.2 或在切削过程中，滑枕可能因某种不明原因而逐渐下滑。

% J# V1 J9 J- G$ {, b2 L5 验证一
4 s$ F. q: E' Z8 g# J    结果究竟如何呢？对此我们做了相应的试验。
5.1 在车削过程中，用两个百分表同时监测横梁两端是否发生了倾斜；
+ p/ }: E; [, R6 O& ?# T! R5.2 在车削过程中，再用另一个百分表监测滑枕是否向下滑落；
- i% ^1 m* P4 w% X5 l2 ?# H% J5.3 启动原程序进行加工，并观察这些百分表的变化情况；
1 `$ ^" D  L' I# ~* U$ L/ r" @  U5.4 结果三个百分表均无变化。
$ H' r, T( o* v    试验结果表明：横梁和滑枕都非常稳定，没有问题。

* Q2 x; g: |$ u. ?6 分析二
横梁和滑枕的嫌疑已经排除了，那么问题还可能出现在哪里呢？对此，我们紧紧抓住“越车越深”这条主线不放，继续用假设法思考起来。
& O0 J( L$ A4 ^/ K& s) Q5 [于是我们想：在整个车削过程中，假如不是刀具在“逐渐往下掉”，而是工件在“逐渐抬升”的话，不同样也可能会“越车越深”吗？
; ]" l! D+ b& U2 p1 f. u事实是不是这样的呢？

0 l" s- k, m( Y7 验证二
    于是，我们根据上述猜想做了如下实验：
7.1 在刀夹上固定一个百分表；
7.2 将百分表触于试件表面上的任意一点，半圈内置零；
3 S. Y5 F, o3 k1 a$ r$ V5 I7.3 然后水平移动刀架将百分表移开；
7.4 启动原程序，但刀架不动；
7.5 程序结束后工作台停下；
7.6 水平移动刀架至百分表置零处；
7.7 检查百分表读数，结果＋0.12mm。
实验结果表明：在加工过程中，工件确实存在着“逐渐上升”的问题。
3 v8 o' ^( J! I
! f5 m. B# F! i8 分析三
上一实验结果还表明，问题应该出现在试件、工作台或底座部分。由于试件仅仅是一种简单的零件，它出现问题的可能性很小，因此我们把怀疑的目光锁定在工作台和底座部分。
加工过程中，假如工作台或底座是“逐渐上升”的，那么根据专业常识判断，它们在静止期间就有可能是“逐渐下降”的。实际是不是这样的呢？

9 验证三
为此我们做了专门试验。
9.1 刀夹上固定一套百分表；
" S4 l% d1 e( O+ m' [# x9.2 将百分表触于工件表面的任意点，半圈内置零；
2 B1 A# X( o! z9.3 水平移动刀架将百分表移开；
9 ^- Q2 s9 ^8 ?( ]3 U8 B9.4 启动原加工程序，但刀架不动；
9.5 加工程序结束后工作台停下；
% d8 A/ x. L0 ?" R. @1 ?6 J9.6 水平移动刀架将百分表走到原置零处；
8 |9 K+ K& }" w1 q# N6 h1 [: w9.7 查看百分表读为＋0.11mm；
9.8 百分表原地不动，油泵继续开着，机床各轴保持静止状态；
9.9 然后每隔一刻钟查看一次百分表的读数；
9.10 结果1小时后百分表基本回到了零位。
试验结果显示：工作台运转过后的静止期间，确实是“逐渐下降”的。
10 分析四
工作台为什么会出现“运转上升静止下降”的现象，而这种现象又是由什么原因造成的呢？
我们根据这种现象分析判断：这很可能是因为环形导轨副的较大温度变化，使工作台和底座产生了热变形而引起的。因此，我们接下来应该搞清楚两个问题：
10.1 环形导轨副到底有没有温度变化；
10.2 如果有变化，其程度究竟有多大。

) k: k) }! l( V, J8 `$ O7 ?11 验证四
为了得到以上两个答案，我们用红外线测温仪对环形导轨副的温度进行了检测，过程如下：
11.1 打开底座和工作台的相关盖板；
11.2 对两环形导轨板背面附近的温度进行检测；
11.3 工作台运转前的平均温度约为19℃，接近当时的环境温度；
11.4 工作台以原加工程序进行空运转，但不切削；
11.5 程序结束后工作台停下；
11.6 运行之后的平均温度约为36℃；
' r+ }! z+ b0 |11.7 油泵继续开着，工作台静置1小时；
11.8 静止之后的平均温度约为21℃，较接近环境温度。
/ u4 }3 ~0 z% M, W. E( q检测结果表明：环形导轨副的温度的确有变化，变化值约17℃，而这一程度极有可能促使工作台与底座产生热变形。

- Q8 i$ J5 e: e) B& D9 H; B% q12 分析五
- m3 N. B, G8 S; Q4 P尽管如此，关于工作台与底座的热变形一说，仅仅只是根据检查和实验所作的一种看似合理的逻辑推测而已，事实是不是这样，到目前为止似乎还缺少直接证据。因此，我们还必须用一种能被大家接受的办法来加以证明。
之所以说必须这么做的另一种考虑是，大量维修教训告诉我们：在故障原因不明朗的情况下不要急于动手，稳中求快才是解决问题的最佳途径。
2 v4 l9 e2 N2 ?言归正传。我们到底能不能找到这种办法呢？
我们不妨再来假设一下：设备的故障的确是因工作台和底座的热变形引起的。基于这样一种假设，于是我们有理由相信:
' O; d! M- b5 i" D2 g/ M12.1 当工作台连续运转到某一时间之后，它和底座的温升就应该趋于稳定；
. p2 u' c" @) G+ W12.2 热变形也应该随之稳定下来，不再变形；
' h# ^0 y3 l; t5 {2 \# `12.3 此后加工的平面度就应该没问题。
/ s6 y3 G7 g! ]4 f+ p: _若检验结果真是这样，那就充分说明热变形是问题的真正原因。

$ N2 A" S3 u) E, m# e  S9 t! |. t13 验证五
* h4 _+ |! U+ K( D我们根据上述设想进行了如下证明试验：
# U  B/ R+ u' s6 ?' o' U6 b4 |13.1 刀夹上固定一个百分表；
' z4 Q4 W1 ^; i* q, Y13.2 将百分表触于工件表面任意处，半圈内置零；
( Y7 ]1 d  n/ B; }7 @+ d! j13.3 水平移动刀架将百分表移开；
13.4 工作台运转期间，每隔一刻钟将工作台停下测量一次“上升”量；
8 i! D4 O( J. e7 x$ M13.5 检测结果发现，约2.5小时之后工作台的确不再“上升”了；
& n% H: R4 J& b; l# J13.6 紧接着向内精车工件平面，结果平面度检查合格；
13.7 再紧接着向外精车工件平面，结果平面度检查也合格。
    这一试验充分证明：平面度加工不好的原因的确是由于热变形引起的。这一试验结果也意味着，我们终于找到了问题的根本原因。
! u- G8 L- r# V! n: l! p
+ _6 E; t- T, ^; R# d0 _14 故障排查
    问题原因找到之后，我们制定了故障排查方案。
  g# Y. U' C  n, P2 U/ v14.1 重点检查环形导轨副的润滑冷却系统；
14.2 摸清设备改造过程中的相关情况。
& `7 ]/ G" X/ u, t# u5 ]2 u1 w排查下来发现：润滑冷却油路上的老式过滤器堵塞较严重；另外得知，设备改造时更换了工作台的环形导轨板，而现在所用的锌铝合金导轨板，其隔热性远不如原来夹布胶的好。

0 v" D% d9 d3 R# g15 解决措施
我们根据上述情况采取了如下解决办法和补救措施：
1 G  d4 S6 k. w15.1 去掉老式过滤器，安装一个带油路堵塞报警装置的新型过滤器；
15.2 适当增大开式油槽润滑冷却油的流量；
$ Z+ S& `0 \8 H2 p" r15.3 精调底座安装水平及相关几何精度；
3 c, [6 ]& o& v$ G3 \; V15.4 加装油冷机，用以维持环形导轨副温度的基本稳定。
& n- P, z, }  _6 }7 U5 U
16 维修结果
经上述方法处理后，环形导轨副的温度变化得到了有效遏制；无论从哪个方向加工出来的平面度都满足了技术要求。问题终于得到了圆满解决。
. J; I  w1 H1 L5 \3 B7 f
3 E; P6 ^! H" h3 \: b5 C8 \17 主题讨论
说到这里，也许有人不禁产生疑问：
* ]0 u- |% h4 g& }17.1 环形导轨与油液的摩擦系数很小，为什么温升会这么大呢？
. R  e& b, e- Y2 {' U5 h/ |# R3 O17.2 为什么热变形会影响到加工精度呢？
对此，我们从物理学和机械设计原理中就可以找到答案。
首先我们知道，凡相互摩擦运动的物体都会产生热量，这是物质世界不可避免的一种现象。相对运动速度越快，产生的热量也越大。
0 y: t0 m8 p+ X) }0 s尽管导轨与油液的摩擦系数很小，但工作台在持续高速旋转情况下，必然会导致工作台和底座温度的逐步升高，继而产生热变形。太空船与空气的摩擦系数不是更小吗？可当它返回地球时不是出现了令人揪心的火球吗？
9 c8 c% m3 v( `6 G2 c4 X我们还知道，钢铁的线膨胀系数是1.2×10－5/℃。通过一般计算得知，一米厚的工作台和底座，当温度变化的平均值为10℃时，它们的尺寸就有0.12毫米的变化。这就是说，距离地面1米高的工作台面，就会有0.12毫米的高度变化。
再从设计上来看。为了克服热变形问题，维持机床各运动副温度的基本稳定，设计大师们总是会拿出奇思妙想的办法来进行应对。环形导轨副的恒温设计就充分体现了他们的聪明才智。下面来见识一下他们的绝招吧。
第一，工作台环形导轨板采用的是夹布胶木板的，它具有良好的隔热性；第二，底座环形导轨上设有足够多的开式油槽，用来对环形导轨副进行强制性的冷却。
1 R" f, u+ p5 n! S最后从装配角度来看。我们知道，机床所有零部件的配合精度都是在同一环境温度下装配完成的，任何较大的温度变化，都会改变它们原有的配合精度。
值得一提的是，机床整体的温度变化，如季节性的温度变化对机床的影响，远远没有局部热变形的影响大。热变形不仅使零部件的尺寸发生了改变，更重要的是形状也发生了改变。该设备正是由于存在这样的问题，所以才导致了平面度加工不好的问题。
  P7 F! k; S# E' {) o, @( Y) O下面的示意图大致描绘了工作台和底座热变形的情况。
17.3 图一是工作台的正常模样
7 ?% j& L: J2 X" o# b6 n
9 o; y* O) q/ I8 B3 r$ j& V17.4 图二是工作台热变形后的不正常模样

    机床因局部温度变化而引发故障的例子还有很多。例如龙门镗铣或落地铣镗床工作一段时间之后，出现滑枕移动憋劲的现象；卧车工作一段时间之后，静压主轴会抱住的情况；附件铣头工作一段时间之后，零位出现了较大偏差等等，所有这些都与局部的温升有关。

18 结束语
- }. B# L, A: N  K6 I( j" y这一维修案例充分说明，局部温度的较大变化对机床有着重大影响，它会破坏机床原有的机械性能和加工精度，引发各种故障。不仅立车如此，所有机床都不例外。因此，我们在今后的机床维修或改造过程中，一定要特别注意和防止这一问题的发生。
6 M* {' ]1 c1 R/ A: v" p7 m. v
& }$ U2 T( U/ m
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                                                           洪哥 2016.03.20

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tangcarlos3d

8 D4 Q) @' [- V- l! c  g
% Q2 D: e& \8 f9 v; M好文章！分析条理清楚、全面，问题解决完美（找出其它立车也有同样的问题）。洪哥的又一杰作！！书本上找不到实际经验！！！
谢谢洪哥分享工作中的经验。拜读了并且保存了。

洪哥

tangcarlos3d 发表于 2012-8-26 10:55 static/image/common/back.gif
好文章！洪哥的又一杰作！！书本上找不到实际经验！！！
谢谢洪哥分享工作中 ...

' X1 h8 ~  ^4 r& R感谢唐兄的支持和鼓励！

tangcarlos3d

洪哥 发表于 2012-8-26 11:11 static/image/common/back.gif
, c" v$ u7 j; s) F# F4 c感谢唐兄的支持和鼓励！

请洪哥、洪版主领导大家前进！欢迎洪哥继续分享实际经验（实际经验是书上找不到，心眼小的人不会外传的。我1997年刚出来打工时就遇到过这样的情况！）

洪哥

tangcarlos3d 发表于 2012-8-26 11:18 static/image/common/back.gif
* n1 w- J, J) h" }7 w/ i; r" a请洪哥、洪版主领导大家前进！欢迎洪哥继续分享实际经验（实际经验是书上找不到，心眼小的人不会外传的。 ...

7 V# R' P0 u: `& R技不如人，怕人超越才会小家子气。
: y3 q. P4 @" |: s非常感谢！

ftgww123

洪哥的论文先在三维论坛发布，以论坛为家，值得大家学习、肯定。

caochunbiao

支持洪哥，果然是搞技术的。很可贵的经验

oceandee

时间有限，先保存了，找时间看。
* T5 L$ Q$ r; l9 H
洪版出品，必是精品！！

同时希望洪版能多把经验之谈发上来，这对我等是莫大的帮助，谢谢！！！

未济

精品，很多公司在温度方面都不重视

洪哥

oceandee 发表于 2012-8-26 14:55 static/image/common/back.gif
时间有限，先保存了，找时间看。

( i8 a% T0 m/ B7 N: m$ W# }8 M4 L( Q, t洪版出品，必是精品！！

5 P- r+ ^) w; j* G1 S% I/ |* x感谢支持和勉励！
拙文，希望对大家有用。

hongwei_1987jp

楼主所言，可供搞技术所借鉴，可为论坛精华，论坛需楼主，谢谢分享

daji

洪版主经验积累的相当详细，实际上下沉量或上凸量可能与尺寸还有一定关系吧，当然温差也是决定性因素。经验一般是0.2/1000，50℃

userkypdy

膜拜洪哥！洪哥，这个热涨您那里是如何克服这个因素的，或者一般和特殊采取的措施，是否在写一篇文章详细的阐述一下吧，对于大型机床这个热涨是及其致命的重要因素之一。期待！

洪哥

userkypdy 发表于 2012-8-27 07:40 http://www.3dportal.cn/discuz/static/image/common/back.gif
* S; Z% t2 |& ^$ A! j- p膜拜洪哥！洪哥，这个热涨您那里是如何克服这个因素的，或者一般和特殊采取的措施，是否在写一篇文章详细的 ...

9 c- Y* v, [& r0 k2 F' b鹏兄前辈好！
       很久不见了，一切都好吧~现根据前辈的建议，一在文章后面增加了以下内容。
0 x1 x. ]/ |+ A$ W( K7 ?# X8 t   
  }% x' `9 Y# N2 r% E0 Y: C6 s   关于温升的解决办法，我们是根据发热部位单位时间内所产生热能的多少，从以下三种方法中进行选择：

1）提供足够的润滑油——低热能；

2）加装风冷机，对循环油进行降温——中热能；

3）加装油冷机，对循环油进行强制降温——高热能。

感谢鹏兄提出的宝贵建议，祝一切顺利！

9619

洪哥 发表于 2012-8-27 09:46 static/image/common/back.gif
" L- B9 }. N$ p* X# d: d) z鹏兄前辈好！
       很久不见了，一切都好吧~现根据前辈的建议，一在文章后面增加了以下内容。
  ...

增加这部分后成了一篇完整的论文。

. K! G& X. f: T; J不搞机床，洪哥的大作还是从开始读到了最后，受益匪浅。
6 I$ Y6 U( L* o% f/ R- r" S$ T
4 d8 v' h' F" z建议申请精华帖。

洪哥

9619 发表于 2012-8-27 11:03 static/image/common/back.gif
6 f6 J* q/ n& d; @, k+ X4 s增加这部分后成了一篇完整的论文。
- J% S: j/ J5 l$ I
$ F5 K+ M$ o, e0 r6 K3 Q& W/ x不搞机床，洪哥的大作还是从开始读到了最后，受益匪浅。:hand ...

感谢前辈的关注和加分！
      加精申请似乎很麻烦的，看哪天捣鼓捣鼓。3Q~谢谢啦~

TKG-09

洪哥出手，果然精辟！仔细拜读，受益匪浅，向你致敬！

开亮

洪大，如果把设备放在北冰洋，就不会变形了吧。

洪哥

: ^1 R/ E) f0 D4 p5 t! L

开亮 发表于 2012-8-27 16:22 http://www.3dportal.cn/discuz/static/image/common/back.gif
9 C3 ^7 N& ^+ R+ w8 Y) T/ v洪大，如果把设备放在北冰洋，就不会变形了吧。

: r: ]4 y% Y# i; _
+ g( I# z6 p# ~5 X- d" a; q      会，因为设备要工作，设备工作就会有温升（克服摩擦阻力所做的无用功），有温升，设备就会变形。
      温度=环境温度+温升（摩擦等产生的热能）。
      因为：设备各物件工作前的温度=北冰洋环境温度，当工作一段时间后，高速运动副的温度一定高于北冰洋这一环境温度。任何物体，只要其“体温”发生变化就会变形，包括尺寸、形状、体积、密度等。
/ r( M3 i$ s( m+ r& l. x      文章的核心是温度变化

4520XZJ

总结全面，用词准确。受教了！！！

洪哥

4520XZJ 发表于 2012-8-28 10:20 static/image/common/back.gif
2 N( z7 O7 s3 A# b* s总结全面，用词准确。受教了！！！

  ?  e# \: ^$ T! H5 H5 L1 e欢迎光临，感谢支持！

tangcarlos3d

核心问题：温度不均匀的变化会使设备原有的的精度丧失！

洪哥

tangcarlos3d 发表于 2012-8-28 22:10 static/image/common/back.gif
  e% R+ D0 j- s核心问题：温度不均匀的变化会使设备原有的的精度丧失！

/ b7 I/ N3 W5 U" {嗯，唐工所言极是！

zftchqs

好文章，深受启发！
0 W8 K7 X$ U* U& @以后的设计一定要铭记洪哥的教诲！

cnxiaomao

洪师傅原创，必属精品！
好文章，老师都没教过我这么详细的，我只知道温度是会影响的！受教了！