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发表于 2016-6-17 02:19:59
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来自： 中国北京
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局部温度的变化对机床影响几何
& w; n- w' S) O! R, f9 E——记一个维修案例/ b$ A8 c+ M O- z& U* S
( c+ X' i- j3 m6 R
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。
6 f/ T1 y) B Z/ r/ Q: P
( k" Y% d! i, }+ V3 p" h8 {1 设备问题+ q% ~4 G" ^/ ?' K7 J2 d* v
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。0 Q- G. G# l& {
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。0 a+ W5 }0 H" _1 n% i
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。 O( H* J; H3 x8 e$ J, {
用户反映的设备问题现象是： 1 a# o2 ^! {- k. `1 w) E N( M
1.1 从外向中心车出来的平面总是中间凹0.08mm左右；1 d* ^/ V1 C% `5 Q
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。, X$ q0 h8 o" \
& |0 m6 ^, h, x1 s! }/ T2 基本检查& r6 k! S: K& @
我们来到现场后首先对该设备做了一个常规“体检”。
5 `/ E3 C: B" x, b: }. ]2.1 机床几何精度检查；4 T+ f; `' s# \' s( H
2.2 工作台浮升量检查；1 G" Z% F c; t3 k% ?5 a! j/ ]1 l5 g
2.3 液压系统工作状况检查；
+ U3 t ~, }7 j6 i8 F: Y# H2.4 机床机械性能检查。% b7 @. S* M7 u/ P7 A6 b: Q- x
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。
) _ A, ?! I4 M! o- z0 ]
% B9 v# K, J% i$ k' o9 ?3 加工检查
: h! X0 S& b* \0 j# e 接下来，我们又对设备的平面度加工质量进行了考核。
6 @, \) p4 j$ C# [6 W2 M/ q3.1 从外向中心将上平面精车了一刀；
9 J A2 }% @5 A% L' D, X3.2 吊上标准平尺检查该平面，结果中间凹陷0.13/3000；) \1 V6 W8 h( C/ X& J' `
3.3 再从中心向外将上平面精车了一刀；
( L. v; E' ?9 U0 s4 f3.4 吊上标准平尺检查该平面，结果中间凸起0.11/3000； N8 y$ w9 [0 i0 {% b0 P# a' r
3.5 检查加工表面粗糙度，每次均合格。
. g t: g, [4 r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。
0 ?+ Y7 ^' w4 Z/ f5 @3 i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？8 e5 S$ `3 R! |* j5 X0 I
# i) I4 P3 ?/ J/ O1 u4 分析一
5 o" q: X) B( L, \; X- o* {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。: C6 z/ k0 C( m$ p q; N; W/ j# q
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。
8 h$ c2 K! N" q6 Y$ d6 @据此判断，机床则有可能存在以下问题：# A6 V; v2 ?3 Y, u$ i
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；
9 ]( h2 ]& n) @ j/ N7 ~. U% j4.2 或在切削过程中，滑枕可能因某种不明原因而逐渐下滑。" f8 a; H- o. T' h# M# Y
q% R5 I' }% R7 L; U3 P7 a+ Z5 验证一' ]6 c* m0 ]1 s, w
结果究竟如何呢？对此我们做了相应的试验。; {" y' H9 F2 A9 d' `' l6 i! o
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；* k' {9 U1 ?4 v7 m; k s
5.2 在车削过程中，再用另一个百分表监测滑枕是否向下滑落；, w# l4 R5 L; Z# @3 a# v4 u; E7 b! k
5.3 启动原程序进行加工，并观察这些百分表的变化情况；
" h; `2 i% Y. P- y+ N5.4 结果三个百分表均无变化。
/ B) ? J, t: V( g# |' q. E 试验结果表明：横梁和滑枕都非常稳定，没有问题。
4 {5 o) c% c3 J2 N
. @% V% A* h3 U* A' d* v6 分析二
0 N; P+ }4 m; I) `/ s4 l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。9 ]+ L: e0 ?1 I" C
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？
! @6 v2 K8 I& X4 X事实是不是这样的呢？
, r6 Z. X6 B7 U$ {
& |$ e7 Q) e/ {: u$ j7 验证二
) K+ [3 F) B, Z) w9 p% y 于是，我们根据上述猜想做了如下实验：
$ C6 v% A9 m. C7.1 在刀夹上固定一个百分表；
4 G2 H$ h. d, \9 k0 R0 t7.2 将百分表触于试件表面上的任意一点，半圈内置零；
$ T, C+ D6 i0 D: ?0 H, S. p7.3 然后水平移动刀架将百分表移开；1 ]8 Z% i/ E L' j! m
7.4 启动原程序，但刀架不动；9 }" ~+ [" ?8 N" l2 Y
7.5 程序结束后工作台停下；) }+ G& T# \0 p8 K, m' X
7.6 水平移动刀架至百分表置零处；# @1 N. _% G4 v) e+ q
7.7 检查百分表读数，结果＋0.12mm。
# q6 d% x5 V) l5 [% }: J4 Q+ ~5 ]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。% D2 L/ H ?( a: M: i
7 R1 K- s% r6 I2 P& `% G
8 分析三& @) K7 {+ V2 \3 G
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。) x2 j6 X7 T! `
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？% P/ V+ @6 b5 y! @
1 g0 o1 O2 N. r
9 验证三
# @7 o" _* g/ K$ c0 w为此我们做了专门试验。' f9 k- E# D: k1 s) r3 S, M7 X: W. y
9.1 刀夹上固定一套百分表；$ C. y. w+ v% P$ \5 u6 E# Z( G
9.2 将百分表触于工件表面的任意点，半圈内置零；
# K; _% M8 n9 r. W9.3 水平移动刀架将百分表移开；5 F" J$ w' a1 J! v: Z/ w
9.4 启动原加工程序，但刀架不动；% c, K2 x+ A+ H, y$ f* {
9.5 加工程序结束后工作台停下；
) z) | T; T* s3 f q8 r9.6 水平移动刀架将百分表走到原置零处；3 L! B0 J+ z1 f+ y1 t6 {
9.7 查看百分表读为＋0.11mm；, f4 E K# }$ S0 I8 D$ }! G
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；
) X6 F% m1 v- v" |0 }9.9 然后每隔一刻钟查看一次百分表的读数；
9 h, g. J; n" `, c9.10 结果1小时后百分表基本回到了零位。
& V# E2 `1 h# [* z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。
@0 L- p' b9 O7 k$ x% @2 ?10 分析四
2 {3 H. P1 u, P, ?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？
/ H# t# R9 W1 e& g& K& w2 i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：
6 \" \7 [) l- e, S10.1 环形导轨副到底有没有温度变化；0 q$ h* z$ S4 K' o# {
10.2 如果有变化，其程度究竟有多大。" \) T* S: G+ |$ N8 Y
4 f* C8 X$ R# ~4 t11 验证四
/ g, i4 d8 D0 m, \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：
% o r' D! A0 N, C4 t) I- B( Y5 y11.1 打开底座和工作台的相关盖板；
& ^; P8 }7 F! a# |+ b11.2 对两环形导轨板背面附近的温度进行检测；
$ b9 ?! s1 y2 D3 ], [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；* A& L- B! h" n- P4 A
11.4 工作台以原加工程序进行空运转，但不切削；
2 C2 E3 d# R0 E! z" [' g11.5 程序结束后工作台停下；
- i W. z+ }" O3 t/ m! H* h2 P11.6 运行之后的平均温度约为36℃；
0 [$ P$ L( M8 e" ?2 r11.7 油泵继续开着，工作台静置1小时；
1 j7 r1 h3 {# H2 c11.8 静止之后的平均温度约为21℃，较接近环境温度。
. f0 z1 q9 {* `8 A2 k$ p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。
5 g# @/ `1 ~* ^- c% m; {: z
5 m) f8 ~) X$ n8 ]: g12 分析五8 r4 d( a2 [" d5 @
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。* ?" r( y/ T! J) O7 @' k
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。
* k: o4 H' R$ i言归正传。我们到底能不能找到这种办法呢？
. {* O% P( V. u$ p0 P i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:8 b) V* B( }- x. H5 C6 q! s
12.1 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；
; v. ?. A& Y% N0 N8 [2 [12.2 热变形也应该随之稳定下来，不再变形；# o. R3 `0 i/ R% w0 s$ Y- y
12.3 此后加工的平面度就应该没问题。
/ I5 @4 {3 I: G. u9 s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。
" _( s8 m" W% Y
4 G9 `) v$ Y# N13 验证五2 M+ p1 s5 i* E3 z# P! r
我们根据上述设想进行了如下证明试验：# A3 U7 A" y7 Y& m
13.1 刀夹上固定一个百分表；
P# l7 f2 g# z( b! B13.2 将百分表触于工件表面任意处，半圈内置零；5 b) f# e8 `& z( w( `+ W' L' L: D
13.3 水平移动刀架将百分表移开；
% ? {" g5 `7 o5 H) m13.4 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；
* \1 v3 y8 M* u. f: K* }13.5 检测结果发现，约2.5小时之后工作台的确不再“上升”了；
# v7 C$ M( }6 D1 v9 o" \7 X5 t13.6 紧接着向内精车工件平面，结果平面度检查合格；/ a7 W1 v7 i! A6 p8 ^8 o; P
13.7 再紧接着向外精车工件平面，结果平面度检查也合格。/ h9 S$ U0 y7 R8 _! J# g
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。
! `' b H' z! X3 G; ~6 V
I e- k; ]8 p( l2 h/ V( E14 故障排查+ R& K5 D% _$ t) s' ~+ M
问题原因找到之后，我们制定了故障排查方案。 6 I* |% c2 n, i7 C- q+ k
14.1 重点检查环形导轨副的润滑冷却系统；
0 a( I/ J; z M" }" ~14.2 摸清设备改造过程中的相关情况。 o9 n0 ~3 [' j7 {6 D, O5 ~
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 O( `% n6 s6 z, b; [$ A' C
6 g4 x( J5 {9 n4 i% [7 {' r15 解决措施5 ^% q# h& U) w8 @0 C: t: k. J
我们根据上述情况采取了如下解决办法和补救措施：$ d! Y( k" c" ^2 R6 K4 K
15.1 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；, M3 _8 ~( d r) a/ q( v. v+ S
15.2 适当增大开式油槽润滑冷却油的流量；! {- M+ n# ]# ^
15.3 精调底座安装水平及相关几何精度；: @2 j! E( Z0 c( C" U* w
15.4 加装油冷机，用以维持环形导轨副温度的基本稳定。
5 f X* M/ o) r$ Z2 m0 \& Z7 q {6 e. f- x& L9 N6 T8 I: M
16 维修结果
; X0 l: p) X1 q! T0 c5 N1 Y9 G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。, p, ?' m+ h; t5 l1 S0 n6 M
" _- p' | q6 f: T" Q
17 主题讨论
( \0 @' { `- n+ S" r说到这里，也许有人不禁产生疑问：
4 S0 u, q$ X1 S* p4 B G: a17.1 环形导轨与油液的摩擦系数很小，为什么温升会这么大呢？
, L4 z; s& C" ?. j" S17.2 为什么热变形会影响到加工精度呢？
# D r: B' g h! c( a- g对此，我们从物理学和机械设计原理中就可以找到答案。
4 h d: H8 k, R' J1 i# k3 g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。6 _1 r& A/ V7 D
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？
7 J8 m$ V: w: x0 ]$ B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。
$ \) g* D: X: ?: f% @: `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。
) [$ i1 f0 @, U+ F' a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。& A3 V/ M" {" r/ j# c* W
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。
1 ~8 J/ H. E$ \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。6 D8 Q4 ~# J8 V+ F( ?: n
下面的示意图大致描绘了工作台和底座热变形的情况。: V; |& f- [5 @) S
17.3 图一是工作台的正常模样
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17.4 图二是工作台热变形后的不正常模样
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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。/ g- B3 r' J/ |* s
7 Z5 B% L! v: O% U( G V# Z
18 结束语
) j2 @& w4 a7 b: _" Q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。
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5 ]/ d' I, E% e' o2 H( r3 w2 M& @" e% Y( r! n" H( F( d
洪哥 2016.03.20- \3 L5 T7 C! C, z' H' q' \
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发表于 2013-5-27 09:52:29
$ W: H! q( A$ g* M( g
6 N8 u' c( y. T% q' T3 r
发表于 2013-5-27 10:22:16
:good:good
:handshake:handshake7 j; s$ B& b1 p4 u
发表于 2016-6-17 08:00:23