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局部温度的变化对机床影响几何 5 ]+ R6 @9 }3 d5 W6 ]( m——记一个维修案例) @5 H# ]4 F0 q
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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。 * q2 z8 a6 y& }1 w5 Z" R, |+ d/ S$ c6 A* E1 F' ?" w7 ?5 n
1 设备问题 # o) Y$ E# f& C# \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。2 j. n6 U* r2 H U* O: S8 x
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。 # W8 C: c }0 n6 r" q2 f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。 2 Y J$ u- H# o$ {* W* F用户反映的设备问题现象是： ; C1 H/ j/ c; }8 h, i8 Z1.1 从外向中心车出来的平面总是中间凹0.08mm左右； & A5 f2 m8 |7 ]2 U$ R2 U. t1.2 而从中心向外车出来的平面却又总是中间凸0.08mm左右。 " T: Y: Q9 F& ]7 x y. \ 4 Q, F4 _$ d ~: D' u2 基本检查 . z* N9 K8 w8 X* R! y" z 我们来到现场后首先对该设备做了一个常规“体检”。 / w2 ~ R6 U$ P! Q# q2.1 机床几何精度检查；; P$ [0 `# t# {8 W P# @) V2 H% b
2.2 工作台浮升量检查； : j7 h- z3 k- x. q2.3 液压系统工作状况检查； 9 {6 h1 i& b% w0 w2.4 机床机械性能检查。) I% {% q( c5 H
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。: E j( k# E a( t: o/ B% R
, z3 R {0 @, z6 Q. e3 e T
3 加工检查 # ]' d9 t$ ^; Q1 S; \# B 接下来，我们又对设备的平面度加工质量进行了考核。 " z0 v7 [. c3 A5 c: y6 L3.1 从外向中心将上平面精车了一刀；( Q- J) `# U8 U3 O, x% A: s
3.2 吊上标准平尺检查该平面，结果中间凹陷0.13/3000；5 q0 V: @( q M" _' C/ y Z p! v; @; _
3.3 再从中心向外将上平面精车了一刀；% @ `9 ~$ F& ]8 Q3 g0 K# p- [. i
3.4 吊上标准平尺检查该平面，结果中间凸起0.11/3000；2 O% j2 `- H, ?5 M* _! D( U" A
3.5 检查加工表面粗糙度，每次均合格。" Y5 m& Y; r1 S G1 R5 l7 {
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。 # S3 E* O1 _+ n+ ^1 K8 V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？) T2 I2 a, g; X+ h' R: U
, G9 b+ O$ x; E# o: H
4 分析一6 t2 t/ q1 E9 Q- ~" j
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。 8 \/ R1 x0 g: I# U3 h) K& t) J% ^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。7 T0 s4 v* i6 u$ r$ q$ U. c
据此判断，机床则有可能存在以下问题： 8 _! q4 H. |; e/ @% g5 u; K0 c4.1 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； 2 u: G# z3 q/ I S7 Y" j3 V4.2 或在切削过程中，滑枕可能因某种不明原因而逐渐下滑。 $ y5 y& x9 y5 s# s. _; z % L) T5 o$ g& t5 验证一 . |$ u# P0 B' c9 l5 _( ?, h, n+ s 结果究竟如何呢？对此我们做了相应的试验。 , W1 m4 Z& h" J* P0 C1 F t) A5.1 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； " q1 h" {: X% X4 B S5.2 在车削过程中，再用另一个百分表监测滑枕是否向下滑落；3 `9 G2 G$ \7 a7 [' b/ c z" m
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% K1 k) ?/ | @7 L1 J6 c9 M6 N' Q5.4 结果三个百分表均无变化。) q. `# V' c) R* ?5 V
试验结果表明：横梁和滑枕都非常稳定，没有问题。. r# q+ Q1 ^1 u% u/ g) @. |/ }
, H9 ~: f8 `8 [! G. T6 分析二 . x7 v& [; |6 {( e' u% B6 i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。, V, c @. i% f* a1 e
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？5 L$ @2 \1 L& J3 Q/ v
事实是不是这样的呢？+ }% F5 x' q+ c( C6 }: L
$ Z8 b' t) }8 H& C$ ^6 r7 验证二 4 d2 w3 Y! \! T" U1 ? 于是，我们根据上述猜想做了如下实验：& ?1 H% ]2 p5 a7 n
7.1 在刀夹上固定一个百分表；- {9 r8 j: ?, c" ]4 [4 N! o0 D
7.2 将百分表触于试件表面上的任意一点，半圈内置零； 8 r% z* V( f( C% q7.3 然后水平移动刀架将百分表移开；: n3 C* x1 V2 S( E! W6 j
7.4 启动原程序，但刀架不动； 1 K$ }2 Z! H6 Z7.5 程序结束后工作台停下；4 L: H6 H9 M7 s: |2 X }( B
7.6 水平移动刀架至百分表置零处；1 T0 V, {) o# |4 [; K
7.7 检查百分表读数，结果＋0.12mm。 ! k2 h) o% q, Z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。5 G1 o" z8 g2 W" s
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8 分析三 : f* Y& y3 S% B% I" W3 m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。 3 k7 r0 T8 A' m. y+ e" D6 S' z% u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？ 3 j } @0 q0 ?: m: N8 e) C% O$ x& u: `) p" o
9 验证三 # W; j$ @9 \' R, ]为此我们做了专门试验。 + S w) C- w, b1 L& p9.1 刀夹上固定一套百分表；, l0 Q6 v8 J5 l* u7 i
9.2 将百分表触于工件表面的任意点，半圈内置零； 8 M- R9 f* q3 ?9.3 水平移动刀架将百分表移开； 9 ], V, M0 }# H) n ~3 J. V9.4 启动原加工程序，但刀架不动；! q" _' m6 D( \/ A
9.5 加工程序结束后工作台停下；, M1 V5 g1 w- v+ n3 [
9.6 水平移动刀架将百分表走到原置零处； # G5 ~, C: N% }' O2 `9.7 查看百分表读为＋0.11mm；+ [% ?8 d" \! ^
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 t, s9 N' Q" j# v/ T: s$ H6 y9.9 然后每隔一刻钟查看一次百分表的读数； ' ?0 u' F1 X/ d! O/ C9.10 结果1小时后百分表基本回到了零位。 ' e# t6 v' @4 g' j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。 & u& G+ }3 d2 X5 H, z4 l' @10 分析四 : g9 ?+ v9 Y" u0 x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？" [0 H; U4 J5 M9 H$ g: N
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：8 i& M7 }5 b1 @- o0 y, L
10.1 环形导轨副到底有没有温度变化；+ H3 [5 _) [: x& n4 t
10.2 如果有变化，其程度究竟有多大。 8 c5 P) I' i. h5 O0 O, m* L7 V( R
11 验证四" v1 Y0 k. \9 r
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：8 q0 ?9 w/ T6 E
11.1 打开底座和工作台的相关盖板；9 M% p [) j4 n( x& p) W+ G
11.2 对两环形导轨板背面附近的温度进行检测；3 G& s# `$ ~4 r2 I* N- ~
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；4 J. G* \8 p; f9 n' w1 N$ y
11.4 工作台以原加工程序进行空运转，但不切削； x! ^+ y# |; l7 g
11.5 程序结束后工作台停下； 5 ]+ R6 T. p9 N$ q7 D) s; c$ k7 S11.6 运行之后的平均温度约为36℃；3 N$ G! B0 ] L
11.7 油泵继续开着，工作台静置1小时；' H) s% a$ D/ t, P
11.8 静止之后的平均温度约为21℃，较接近环境温度。+ }! f& n6 v0 l+ _. {
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。! G- h$ K2 Y+ r
8 Y4 c9 O, F0 l! n+ S12 分析五 7 k2 F' g: H* M( V# U) f, R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。 5 r; [% m# w3 ^0 V$ @, d6 v5 h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。& x( j; [1 l/ ^
言归正传。我们到底能不能找到这种办法呢？( G+ }' l8 v6 t' J
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: ( j. B2 G, w) H# K12.1 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；+ N- Z( a. A( ^( C
12.2 热变形也应该随之稳定下来，不再变形； ' m) \ a# | p$ p0 U4 _2 B/ q12.3 此后加工的平面度就应该没问题。. |6 y3 R/ [! h" `) {8 k6 C/ A
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。 4 [, }. k0 k9 B 3 l- N, w9 c# x; e$ y" h- s. p: T6 f13 验证五% d* d4 V) |6 E8 ]7 c
我们根据上述设想进行了如下证明试验： 1 ^. M" T+ E) p/ K' B2 u& W+ o5 C13.1 刀夹上固定一个百分表； : I) B% Y* A) ?0 O* W13.2 将百分表触于工件表面任意处，半圈内置零； ! Z! W, r: h* M7 _, L# ~13.3 水平移动刀架将百分表移开； b- P% p0 B) u& ~9 t13.4 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； $ m! R* {8 ^: D& m6 ^/ H$ L; 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；/ r+ O Q* n) @# l6 ]+ G
13.6 紧接着向内精车工件平面，结果平面度检查合格；6 {. i5 m: L9 H) {' q# d
13.7 再紧接着向外精车工件平面，结果平面度检查也合格。 " i, S- l1 Q" b5 S3 M! C) I 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。 9 b0 [1 V Y! p6 Q4 v3 G% v! w5 l& l4 S0 A6 t O8 v1 ?
14 故障排查# G a1 Y; L% D" r
问题原因找到之后，我们制定了故障排查方案。 $ K4 \( H {! l/ m4 I4 ?' n4 Z7 q
14.1 重点检查环形导轨副的润滑冷却系统； - H4 I" d+ z) C+ _! N# G; y( g4 e! Q14.2 摸清设备改造过程中的相关情况。% k. B: a) F0 L* z
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。 , q) d' G2 V9 a8 S! n 4 v' V" t: _3 ]" |, h8 B15 解决措施9 B. ] A; h/ k: D `) _6 {2 t
我们根据上述情况采取了如下解决办法和补救措施： * c& H' b8 H: B1 e- Y" d4 J15.1 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； $ F7 _1 x* _8 V; A15.2 适当增大开式油槽润滑冷却油的流量；4 r. w8 @! {" b1 ]. m
15.3 精调底座安装水平及相关几何精度；! }# F9 ?+ `& @$ J8 P; u/ |
15.4 加装油冷机，用以维持环形导轨副温度的基本稳定。 / {0 U& A: B; m ! z$ k3 G, e( `16 维修结果% \/ i0 V. i) M7 A4 i7 T8 N" S2 w& u
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。 & q' `7 d, O. s" O e2 O* ?" h7 T, {: ~8 y
17 主题讨论 0 `( E; y) r, L6 M' `说到这里，也许有人不禁产生疑问： * ?. m& ?$ c0 Y* V17.1 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/ G8 d8 T4 f1 G4 N17.2 为什么热变形会影响到加工精度呢？: ?& p3 ~& C3 p7 n8 z& g. ?" o; `
对此，我们从物理学和机械设计原理中就可以找到答案。' y2 O. r) Y5 Z1 l0 p
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。 . ]' V; t/ Q/ n% _% M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？: G! A" M) A) ^5 e7 q
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。 : e8 g3 s4 k% y* q" G3 G9 ~/ x- q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。1 | T( Z0 g2 i/ l! O
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。 : S( d7 T( ~! W/ q7 K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。7 G! d! L4 t1 Q. p7 X8 A# V3 |% ?1 k
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。 $ m+ V8 i" g3 K4 P: d/ }# v下面的示意图大致描绘了工作台和底座热变形的情况。1 y7 b) E$ z7 K8 P- e
17.3 图一是工作台的正常模样" Y6 } F* [. r" S0 ?0 w" F& W
1 v4 y; ^2 ^: \4 B" O
17.4 图二是工作台热变形后的不正常模样' l* C) E. \7 y z
) T D$ i4 j* J! i 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。: E* ~6 i2 @7 D V
2 K" t; B q/ Z18 结束语; g8 D$ w$ T3 Q$ f
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。' M- }4 I3 i) M4 a! a, n
) _( D, }& ^5 T; x9 C& g : f* G0 \1 h) @% J# w 1 M1 [1 ^1 L+ J/ i) Q) o$ A5 b 洪哥 2016.03.20
本帖最后由 tangcarlos3d 于 2012-8-26 11:58 编辑 0 d* p& H1 [6 F9 f$ I { B. a, E. D6 C- e
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！！！- X& N. k; r; V& e# {
谢谢洪哥分享工作中的经验。拜读了并且保存了。
发表于 2012-8-26 10:13:15
:handshake:handshake
发表于 2012-8-26 10:55:19
洪哥的又一杰作！！
书本上找不到实际经验！！！
- X& N. k; r; V& e# {
楼主
）
发表于 2012-8-26 11:55:17
发表于 2012-8-27 04:45:23
发表于 2012-8-27 11:03:50
