局部温度的变化对机床影响几何(更新版)

洪哥

' B# R, e8 u/ F
9 |; u( r: H  D

对原文进行了修改和补充，希望对大家有帮助。
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: 31)

2016-6-17 15:23 上传

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/ {2 |/ j3 \0 j, @+ J局部温度的变化对机床影响几何
——记一个维修案例

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
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。
) l; _, F0 n+ N6 ^" r9 n  z" Q) c2 p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。
2 l& G' ]9 ?4 j5 F4 t8 q4 a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：
1.1 从外向中心车出来的平面总是中间凹0.08mm左右；
- |/ ?( `' N$ }" D% ]" X& G1.2 而从中心向外车出来的平面却又总是中间凸0.08mm左右。
* {$ X. L, L( c; h; b2 f# f
6 D" _$ J  v+ M$ c! l: @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”。
1 D3 x0 J! v7 y" @, d1 Y2.1 机床几何精度检查；
2.2 工作台浮升量检查；
8 R# @7 G! v/ Q4 w8 A% L* L2.3 液压系统工作状况检查；
2.4 机床机械性能检查。
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。
, n$ P# ^( K' E0 B, |: F! G
3 加工检查
7 z- N& ~8 e5 p9 c2 [    接下来，我们又对设备的平面度加工质量进行了考核。
& i! Y; X4 s$ d) ~3.1 从外向中心将上平面精车了一刀；
# b1 l  w; g# ?3.2 吊上标准平尺检查该平面，结果中间凹陷0.13/3000；
' u& ]# L6 v+ h8 U$ S3.3 再从中心向外将上平面精车了一刀；
3.4 吊上标准平尺检查该平面，结果中间凸起0.11/3000；
* i, _6 m$ f8 @4 w5 X9 k3.5 检查加工表面粗糙度，每次均合格。
% t9 p5 |% v% k' t' 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。
+ t2 ^8 Y6 o. h; y& H* x' r* g" 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 分析一
6 }- d/ u5 L6 x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。
/ m) `, t3 z  m$ ^据此判断，机床则有可能存在以下问题：
9 Y  a% d4 m# F% z5 D' ^/ |! T4.1 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；
' {+ c5 `/ P7 ^" B4.2 或在切削过程中，滑枕可能因某种不明原因而逐渐下滑。

5 验证一
    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；
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；
5 L* s& f% z6 }8 ~% V# R+ U5.3 启动原程序进行加工，并观察这些百分表的变化情况；
5.4 结果三个百分表均无变化。
( d0 D% \; \2 ]5 S# L    试验结果表明：横梁和滑枕都非常稳定，没有问题。
' e# v' ?5 S) K1 ~/ a
6 分析二
) b+ [4 N5 B0 V% t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。
" j' C: {3 Q$ G" e5 }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？
事实是不是这样的呢？
) ^0 D/ f1 N* }# Y+ f" n
7 验证二
! {+ Z- _1 |1 M1 f- @    于是，我们根据上述猜想做了如下实验：
% D/ q0 y/ \( {5 D, C; ~' w% z7.1 在刀夹上固定一个百分表；
+ A' H+ Y4 a0 G8 S7.2 将百分表触于试件表面上的任意一点，半圈内置零；
7.3 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；
% ~( i# z6 ]$ S( k% d7 Q4 t7.5 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；
& \% \; l; Z1 H/ ]; ^! t, b# Z6 x. G7.7 检查百分表读数，结果＋0.12mm。
. _0 X3 @! |  v2 f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。
- S* Q2 t6 L, @( d3 m
8 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。
" |+ C" n% O5 V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？
4 F' R1 h+ i" K3 F+ K0 F' w; x8 K  P
9 验证三
1 W6 m4 h# r" S, s, G  `6 t为此我们做了专门试验。
+ N0 M1 @: i- T9.1 刀夹上固定一套百分表；
) H. M5 Z4 I& N& |) t* U4 U9.2 将百分表触于工件表面的任意点，半圈内置零；
9.3 水平移动刀架将百分表移开；
1 [+ a; S( U' F& o& |1 I- _3 S9.4 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；
  ~* l* |% G$ @; {8 u9.6 水平移动刀架将百分表走到原置零处；
5 N+ G( t& n8 C3 a9.7 查看百分表读为＋0.11mm；
4 e0 ?7 O4 H; A* w  o; I9.8 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。
& _, D4 c9 p- J) O; M10 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。
, `- X& {5 g( S4 e/ \; s' v
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；
9 z$ k- e0 f' P; f7 T) q11.3 工作台运转前的平均温度约为19℃，接近当时的环境温度；
( |. n& m2 h  U1 z, E6 f5 T11.4 工作台以原加工程序进行空运转，但不切削；
/ S: g9 f3 ^5 _0 u. w11.5 程序结束后工作台停下；
- }0 T! N+ u/ S  L" u11.6 运行之后的平均温度约为36℃；
9 w3 f9 j; z+ l4 c" S1 {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。
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。

12 分析五
' Q- E$ v; O) c5 R/ Y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。
/ y1 k+ i4 h6 {' R  ^9 f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。
言归正传。我们到底能不能找到这种办法呢？
( t1 }4 ?( i0 O& J$ j. e  k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:
4 O6 x4 w# p' A. _! d6 M9 ]7 e12.1 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；
12.2 热变形也应该随之稳定下来，不再变形；
12.3 此后加工的平面度就应该没问题。
  T" l7 F$ {7 j# P1 d8 w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。
! w# W8 w# d$ j* `; e, ]
! A: @9 e# k. M( G0 V3 G) q13 验证五
: d3 L- S/ W4 A3 F5 T: J+ c我们根据上述设想进行了如下证明试验：
* n( t$ o8 U. y( n: v1 o13.1 刀夹上固定一个百分表；
13.2 将百分表触于工件表面任意处，半圈内置零；
, X5 w2 \' h( o( _' g13.3 水平移动刀架将百分表移开；
9 d( @8 L; M5 ]; E# P13.4 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；
6 x. o0 q0 |% M5 E13.5 检测结果发现，约2.5小时之后工作台的确不再“上升”了；
13.6 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。
! R2 ^7 q* K2 ~1 K5 U    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。

6 }1 |4 L; I8 X* e' ]+ h+ `14 故障排查
    问题原因找到之后，我们制定了故障排查方案。
14.1 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。
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。

15 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：
# k" s) x* ?& B+ g15.1 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；
$ C5 s! C# p  {: y# e+ ~! \9 Q: c& o15.3 精调底座安装水平及相关几何精度；
15.4 加装油冷机，用以维持环形导轨副温度的基本稳定。
: S0 B3 f0 v6 S  [
. y- d# I9 W2 m2 u- u16 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。
. [& o6 ^* L+ K& D' H5 S3 h
17 主题讨论
说到这里，也许有人不禁产生疑问：
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？
% A% v- e7 I. o5 W! B: a17.2 为什么热变形会影响到加工精度呢？
' N: @5 h/ c4 Z$ Z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。
" C3 W+ Z' m9 V; }* S9 g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？
6 H; D( Y* H$ `- F8 Q1 Z/ v3 G1 D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。
8 S6 K% I0 L$ q" W7 K: {) |* ~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。
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。
* e6 G! t  y- |8 g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。
! H* U8 ^3 o9 E+ ^7 _下面的示意图大致描绘了工作台和底座热变形的情况。
- [$ X1 P8 F+ c. H3 I7 G! \( g17.3 图一是工作台的正常模样
& v  e" S) E$ q
3 _$ |0 O4 T$ |17.4 图二是工作台热变形后的不正常模样
4 [9 r0 J" J) X) V: z- R
    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。

6 S, e: a+ f) _( A5 H9 I. P18 结束语
1 G+ p* Q& |+ E% L/ m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。

0 K! I" R/ G. c

                                                           洪哥 2016.03.20

4 Q$ i# e3 `$ v. T- B7 @7 K

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tangcarlos3d

: b4 [1 b( k* S; |! w9 G5 n+ i
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！！！
9 B) x8 P$ u5 ^$ t5 E2 |) K5 P$ F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 ...

" _" w9 }. k) x* H  i8 k4 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
) Q2 K' C0 s( p感谢唐兄的支持和鼓励！

1 U: W1 p  W# `- c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
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。 ...

技不如人，怕人超越才会小家子气。
! P6 b+ l& ~& g9 V* B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。

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
' `; i; P$ H. c. K时间有限，先保存了，找时间看。
+ T7 m* b5 \6 J" X+ y
洪版出品，必是精品！！

8 z# R! \; S7 ]8 i7 Z8 i# ?; A& T3 B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

5 U& {5 Y3 a7 H& L/ e

userkypdy 发表于 2012-8-27 07:40 http://www.3dportal.cn/discuz/static/image/common/back.gif
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 ...

鹏兄前辈好！
6 \; `2 F4 z% p( v  N       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。
   
! y% d- |; X, u  a   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
4 v% }2 Q& C1 M/ r( _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。
1 _, C" w* A, u0 C  ...

增加这部分后成了一篇完整的论文。

9 X" G0 p" L9 g% k: H5 q8 i# \不搞机床，洪哥的大作还是从开始读到了最后，受益匪浅。
- m- x2 _; |' E" f
建议申请精华帖。

洪哥

9619 发表于 2012-8-27 11:03 static/image/common/back.gif
3 {4 G- @4 e9 X7 R, t增加这部分后成了一篇完整的论文。
* S8 ]* ?4 `. u
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！
. c* [1 i! Y- R      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

7 t* X! b% p1 G$ G% m

开亮 发表于 2012-8-27 16:22 http://www.3dportal.cn/discuz/static/image/common/back.gif
洪大，如果把设备放在北冰洋，就不会变形了吧。

' \& i0 B4 V7 u0 @2 x& _
      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。
1 @7 {0 T  w8 V4 i8 h      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
. s' ^; N- y$ U4 z: B' g6 D' J总结全面，用词准确。受教了！！！

8 ~/ y" ^: \+ p) [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
核心问题：温度不均匀的变化会使设备原有的的精度丧失！

3 K( D# C$ I  `* y0 @* }# n嗯，唐工所言极是！

zftchqs

好文章，深受启发！
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！
5 g& _4 }( }7 z  m8 Z8 I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！
* j1 v# f5 ?6 T0 t+ p3 ^. ~