局部温度的变化对机床影响几何(更新版)

洪哥

' O6 h6 ]8 r' T

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: 34)

2016-6-17 15:23 上传

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6 i2 s' z3 i+ M+ m# m* h

局部温度的变化对机床影响几何
3 ?$ K' ^: z; y: E* U% Q2 n——记一个维修案例

. ]) M; r9 Q3 ?( l. f, v9 \: X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
$ V2 H' s8 ?1 Q5 Y# x* g0 e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：
8 `/ Z8 I" T& E$ A  B' p1.1 从外向中心车出来的平面总是中间凹0.08mm左右；
! ~2 s- {0 ]! L' b. E6 [+ E1.2 而从中心向外车出来的平面却又总是中间凸0.08mm左右。
1 p& Y# {; O+ a" O
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；
3 ?& `* W" N3 L8 g2 u% B$ G2.2 工作台浮升量检查；
7 G. s9 N' O3 [& {( e$ D2.3 液压系统工作状况检查；
" b8 d7 _& @* n9 P2.4 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. ]6 B  ]3 _; L
5 k* I8 P/ S9 z) ~/ |: l3 加工检查
, \- S7 n/ O, {( Y# h    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；
/ r  B& _( A5 R1 I  a3.2 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？

1 W' x  l% I+ ]9 W% k4 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；
# V/ _! t" l4 f4 w. A4.2 或在切削过程中，滑枕可能因某种不明原因而逐渐下滑。
- R, @+ o. @( s4 p. F% L5 k( i3 m" W" _% D; F
& l% Q, B) l) B' x$ l5 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；
7 C0 m- \/ y7 r: l5.3 启动原程序进行加工，并观察这些百分表的变化情况；
8 B3 H) s/ F8 ^: K$ _8 t9 |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。
8 N2 r! t4 F* ?8 l1 b
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？
: Y" D- L+ Y$ k4 E) K" m事实是不是这样的呢？
  m, M+ Z0 k! D
7 验证二
    于是，我们根据上述猜想做了如下实验：
/ W/ J- n  J# \0 ]7 i0 N7.1 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；
( _! `( E; F  Q8 G6 n; D7.4 启动原程序，但刀架不动；
  C, M/ h% J0 X8 I7.5 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；
8 `0 B3 @6 ^/ s- n% S7.7 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。
) y8 z- o) y$ l' y' r+ R6 d$ w
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。
) s) K" l. n+ x  P9 h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？

8 ~# P' x8 }0 I) s9 验证三
1 P% H( \" \9 Q+ t为此我们做了专门试验。
9.1 刀夹上固定一套百分表；
2 w3 W, |( g* s" C9 A9.2 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；
+ x; ^% O- H* s$ I, m/ R9.6 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；
4 F# W1 y' v% X) m% D9.9 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。
% o* T; G9 F: X$ r+ Q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
! \! U7 H- {, V+ C' Q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；
6 n, X3 E$ |* l$ G, g9 d10.2 如果有变化，其程度究竟有多大。

11 验证四
- I  [6 B! E; m$ t+ e, U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：
; }5 b9 L! u( R* b- b4 O8 c11.1 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；
8 ~: w- e, L; H' h8 k, b6 p) D11.3 工作台运转前的平均温度约为19℃，接近当时的环境温度；
! d2 G4 X  P  z5 q! ~! Q8 h11.4 工作台以原加工程序进行空运转，但不切削；
+ a# B- H& S+ i" z# L11.5 程序结束后工作台停下；
* J. M/ _  h# K11.6 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；
: x6 W" ^$ G/ R9 z11.8 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。

3 g8 @& L- I7 |& i12 分析五
3 B5 q' j8 j+ L; Z7 x" V2 b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？
: F+ o/ L; ?. ^$ n$ U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；
  Y: t9 I6 k, T5 C/ e2 S" Z5 {+ n12.2 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。

0 _" J- k, k/ W6 d% o/ L13 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；
* d9 ^3 B" w+ C: O3 A$ k13.4 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。
' S$ p$ B5 ~0 q, `
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。
: C: z8 J% Z( g4 p+ b7 s1 b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
6 F5 X& c9 k; H; x' I/ c0 Q我们根据上述情况采取了如下解决办法和补救措施：
' d) |( q9 F: B$ U) ?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；
& H  Z  @9 U. R  M15.3 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。
$ R% V: A" h, @) g5 {; ^( L
  h) W5 n+ P- {$ L6 f+ G: A16 维修结果
! R5 E+ C$ R" }2 }( D6 s% e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。
! W( u) K9 Y8 A) w
17 主题讨论
( {* t1 \  w6 J3 Y% s# ^说到这里，也许有人不禁产生疑问：
4 ^, Y0 h( H# U9 J% L17.1 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。
  `+ {7 ~7 J8 f* q* |! y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。
& I# T1 T# t0 h" s$ o+ F# a+ K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
9 ~+ u/ U$ I! i2 Y
% y2 J5 t' {, Q' V8 a17.4 图二是工作台热变形后的不正常模样

2 l5 D* j+ K+ l    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! ]( b6 l" X* V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 H, P& M& x1 T' L) U+ s5 v# Q                                                           洪哥 2016.03.20

& w8 u3 T9 x; Q0 c$ u( P; q. i2 f4 @1 w% ]

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tangcarlos3d

" h9 z8 P9 `+ a9 B; M
3 X: y. \$ e% w5 D7 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
, E$ i9 ~1 `4 W# F# R' i- A0 q" Q好文章！洪哥的又一杰作！！书本上找不到实际经验！！！
$ V$ G& d$ i% ]6 C) u谢谢洪哥分享工作中 ...

, D; D/ {+ [' B8 p! {- P. e& F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
0 Z" n  M2 V1 D5 ?, [! M$ W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
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。 ...

& W6 b: R* l) n! N8 a技不如人，怕人超越才会小家子气。
8 r2 ^& d  X* m' |9 K. i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。
. l( q7 r; k% i0 w1 y1 T/ V! K
洪版出品，必是精品！！

" m' L/ ~3 F1 C) S$ l+ i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。

洪版出品，必是精品！！

感谢支持和勉励！
# l3 B1 g6 }, F& L. I- G  T* x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

+ _3 |0 y: w% {

userkypdy 发表于 2012-8-27 07:40 http://www.3dportal.cn/discuz/static/image/common/back.gif
) T6 ?! }" R8 ?. g) Y1 m3 J1 g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！
8 {$ m% ?: Y/ z       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。
9 e+ h1 P6 F& K. \$ G) C! m   
9 J4 w$ n( i6 l, u7 z   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
% F  ~$ S+ s- E8 F9 o# F( J# O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。
  ...

4 f2 ]& O1 K8 ^$ B# |1 G增加这部分后成了一篇完整的论文。
3 W$ N  V0 K3 S# |' Y: s; d3 D: J
8 F# Y( J7 ~# X不搞机床，洪哥的大作还是从开始读到了最后，受益匪浅。

建议申请精华帖。

洪哥

9619 发表于 2012-8-27 11:03 static/image/common/back.gif
2 `4 \2 Z% z3 G增加这部分后成了一篇完整的论文。

不搞机床，洪哥的大作还是从开始读到了最后，受益匪浅。:hand ...

. Y' @8 T- U& C/ ^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

开亮 发表于 2012-8-27 16:22 http://www.3dportal.cn/discuz/static/image/common/back.gif
* E/ s. E0 \6 l: T6 v洪大，如果把设备放在北冰洋，就不会变形了吧。

" A' a% V$ O/ |      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。
' F0 m4 W' X9 @; x/ D      温度=环境温度+温升（摩擦等产生的热能）。
* q/ Y7 L: ~7 |+ K      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。
      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
! E# b- k# T+ R- f  j1 `3 W总结全面，用词准确。受教了！！！

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
8 H* ^: I/ q) X  q核心问题：温度不均匀的变化会使设备原有的的精度丧失！

嗯，唐工所言极是！

zftchqs

好文章，深受启发！
! e. j: N% S) a6 n5 Y& [- |2 L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！
2 W. B2 _- e  Z* G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！
) h0 s+ S, a4 z* ?4 |' H4 a