局部温度的变化对机床影响几何(更新版)

洪哥 · 发表于 2013-5-27 09:47:20

阿帕奇发表于 2013-5-27 09:39 static/image/common/back.gif: A8 Q0 {) d: D6 _! T+ q+ V. G* v" o
重要的是，老洪给出了一个非常合理清晰的解决问题的途径
, G! E' j0 p- i- n `4 T- t# H如果新人能悟透的话，进步将会很大。+ D. G; v3 U$ k# }' E
对老人 ...

能得到奇超版的认同我感到很开心，谢谢！

我今天准备交给老板（他要投稿）心里就少一些忐忑了，也总算是完成任务了。

再次感谢大家的指正与帮助！

阿帕奇 · 发表于 2013-5-27 09:52:29

洪哥发表于 2013-5-27 09:47 static/image/common/back.gif
: P# q; O: N8 T! i# |能得到奇超版的认同我感到很开心，谢谢！
O0 G" P, `: Z' g
* ?! k, E5 x1 j) w" |我今天准备交给老板（他要投稿）心里就少一些忐忑 ...

老洪，你太过谦了

我可真的看过两遍才说的

洪哥 · 发表于 2013-5-27 09:56:47

阿帕奇发表于 2013-5-27 09:52 static/image/common/back.gif5 }* x, h. y, L$ ^( `1 L t! o
老洪，你太过谦了
" P3 C0 \; U1 O2 d我可真的看过两遍才说的

哇塞，看过两遍了啊？！

真是花费了奇超版不少时间，谢谢谢谢

那俺又增添了一些底气

userkypdy · 发表于 2013-5-27 10:22:16

你们两个又在互相的谦虚啊，拉出去各责5000罚款！

洪哥 · 发表于 2013-5-27 10:36:07

userkypdy 发表于 2013-5-27 10:22 static/image/common/back.gif4 h# z& {2 u, V6 S
你们两个又在互相的谦虚啊，拉出去各责5000罚款！

老师好！

5000？那可是俺10个月的俸禄啊~

dahe86 · 发表于 2013-6-1 13:35:43

温度不均匀的变化会使设备原有的的精度丧失！
总结的很精辟啊，好好细读，以后遇到同样的问题不会不知所措了

zmztx · 发表于 2013-6-20 07:29:20

开亮发表于 2012-8-27 16:22 static/image/common/back.gif1 }$ c# H# [2 J6 f
洪大，如果把设备放在北冰洋，就不会变形了吧。

如果是局部受热不均匀造成变型，放到北冰洋还是有温差啊

紫衣飘飘 · 发表于 2013-7-5 22:40:42

文章论点精辟，温升是关键，所有的设备只要工作都会发生温升，只是在其规定的范围内，超过设计标准，就会出现故障了。前辈说的真好。

我在旌城 · 发表于 2014-10-19 10:36:17

好好好！

:good:good

洪哥 · 发表于 2016-6-17 02:18:01

本帖最后由江南有雪于 2016-6-17 15:32 编辑

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

附件已转移至主题内。

洪哥 · 发表于 2016-6-17 02:19:59

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。
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。
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；
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。

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”。
2.1 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；
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。

3 加工检查
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；
3.2 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；
3.4 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。
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。
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
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。
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；
4.2 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；
5.3 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。
试验结果表明：横梁和滑枕都非常稳定，没有问题。

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。
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？

7 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；
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；
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。

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。
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；
9.2 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；
9.4 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；
9.6 水平移动刀架将百分表走到原置零处；
9.7 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。

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℃；
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
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。
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:
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；
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。
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。

13 验证五
我们根据上述设想进行了如下证明试验：
13.1 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；
13.3 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；
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；
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。
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。

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：
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；
15.2 适当增大开式油槽润滑冷却油的流量；
15.3 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。

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。

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？
17.2 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。
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？
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。
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。
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

17.4 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
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。

洪哥 2016.03.20

TKG-09 · 发表于 2016-6-17 08:00:23

  再次拜读洪哥的改进版大作，仍感收获颇丰！
  洪哥分析问题，层层假设，检查，排去，再假设，检查，排去。抽丝剥茧，层层推进，直到找到原因，再动手解决。
  再次向严谨，调理清晰，举重若轻的洪哥学习致敬！！！http://www.3dportal.cn/discuz//mobcent//app/data/phiz/default/23.png http://www.3dportal.cn/discuz//mobcent//app/data/phiz/default/23.png http://www.3dportal.cn/discuz//mobcent//app/data/phiz/default/23.png