局部温度的变化对机床影响几何(更新版)

洪哥

对原文进行了修改和补充，希望对大家有帮助。
/ B7 ?. o+ J1 b, X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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! z! c7 ]  }. J; i6 v局部温度的变化对机床影响几何
——记一个维修案例
1 u# k, `6 d* l2 x' A  B& K2 Z
; Z6 d. Z9 U1 g4 F( n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
/ j) W7 p- @6 V1 V& Y5 j$ A2 b6 u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。
8 n* z5 }8 [. q4 V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：
. v) f# M: U; ~/ d+ H& X1.1 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。
1 M7 w6 A- R9 J
0 E8 H6 Y4 L& A' S& ^& t6 \( }& i- W' j2 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”。
# Q# L9 R; m) ^, |2.1 机床几何精度检查；
2.2 工作台浮升量检查；
0 p! V3 h4 \" m- `2.3 液压系统工作状况检查；
! g& l/ j! y/ {" X6 D  h7 b2 K2.4 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
$ @5 v' D% ~9 G( t    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；
$ @. _! Y; J9 z' U3 j3.2 吊上标准平尺检查该平面，结果中间凹陷0.13/3000；
0 k( p( A9 _" N) C& \3 Y3.3 再从中心向外将上平面精车了一刀；
6 P* d% j7 u  F# ], p. J3.4 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。
6 {+ [7 l9 L$ Y" w) k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。
- J) B1 i" z. F; W' j" k3 {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？
& ]2 _) f) V$ u% Q( |, U3 A5 `
4 分析一
4 Z8 t: X# N. N9 c3 _, J; G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。
0 T* P" R7 x, b* a
5 验证一
    结果究竟如何呢？对此我们做了相应的试验。
- o0 N/ i4 ]- d6 ?; z$ l1 g' ?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；
' R" E  E* v( D  J1 L5.4 结果三个百分表均无变化。
' v/ v$ l: b. h3 o    试验结果表明：横梁和滑枕都非常稳定，没有问题。

2 t; W5 ~$ N0 j3 j1 g6 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。
7 ~: R" u2 k2 |, Y5 B) }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？
# N8 r$ I( G3 Z- O$ I- k
9 x2 E4 `& N8 j# [+ t7 验证二
    于是，我们根据上述猜想做了如下实验：
: l3 ^( S! B' ]# \/ l7.1 在刀夹上固定一个百分表；
: Z5 L/ E4 F+ p# Q0 S: W7.2 将百分表触于试件表面上的任意一点，半圈内置零；
7 J8 n% D# T. |' P7.3 然后水平移动刀架将百分表移开；
. ?. E$ ^6 b3 Z7.4 启动原程序，但刀架不动；
7.5 程序结束后工作台停下；
8 j0 H) X& N( r7 j7.6 水平移动刀架至百分表置零处；
9 L2 }( J# G& w( W7.7 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。
2 w4 W) a/ X- R+ I& z9 [8 I, z) A- R! W% u
8 分析三
" V& [- h# g" O8 z) I* H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。
9 S! E8 v' w3 Z( I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？
" ?! h& g) ?) t  k" N
5 X; M* Z: s. S9 f1 i% e9 验证三
8 y6 O+ w0 v  k9 ]5 o4 d7 ?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；
2 V: F3 \0 e" H6 e9.6 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；
, K( U" i. O* R9.8 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；
0 B  a. L& H. m& E1 u. _9.10 结果1小时后百分表基本回到了零位。
) M' b) ]2 ^) p. G  |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。

0 }: P* y" h' s2 v, x! h11 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；
7 J$ K! b) c$ ~6 J11.4 工作台以原加工程序进行空运转，但不切削；
7 l2 s6 u% C& B/ L2 V& O8 S11.5 程序结束后工作台停下；
11.6 运行之后的平均温度约为36℃；
: R) m  P- [. E3 q4 P11.7 油泵继续开着，工作台静置1小时；
) ?% F8 S6 o6 ?* z/ [  `3 g11.8 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。
0 b7 m5 t- O8 {* h, j# x# _) ?5 s- j
! b7 r( _! G8 P# ?% a# @  x, V12 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。
5 t6 d/ k8 S8 V! ]+ v* s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:
7 f; [) k" U: L# F1 {( V12.1 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；
9 ~- B/ N7 L* ^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。
& Q5 F. o' U1 v" ?5 m/ p. ~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。

2 E6 \2 [5 g6 V4 I5 Z2 V13 验证五
5 ?7 B- V+ ~) \$ S# B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；
: L; O9 F. L' @8 F13.2 将百分表触于工件表面任意处，半圈内置零；
0 z: h6 R7 ~) [5 L0 a; w13.3 水平移动刀架将百分表移开；
+ i2 }- ]5 R& ]" o+ q. S6 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；
- \7 i) _! P5 y  ?( K4 a13.5 检测结果发现，约2.5小时之后工作台的确不再“上升”了；
0 o: f. s+ _3 U" q" I13.6 紧接着向内精车工件平面，结果平面度检查合格；
; D+ j/ R3 z, T* i+ _- |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
- }4 K. ^/ x9 p( s! `! H    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；
  R  l; P* Z0 R14.2 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。

+ N7 M( q9 b, W15 解决措施
+ O6 |9 e3 h7 ?/ Y8 k7 J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；
4 r3 r# E* G. O& Q15.2 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
& D  f' R( {; }% W$ }说到这里，也许有人不禁产生疑问：
: b0 a  E. p7 W17.1 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？
/ u0 \' G: N2 G* 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。
! x% x+ f- O# Y) b/ ~* n$ T8 O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。
7 l& q  L' b1 l5 }: ^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

6 O" V' |* I+ x* S& `$ O) 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
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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& n; L$ l; t, o  Z, V% s2 q3 B5 Z                                                           洪哥 2016.03.20

" D* I- f8 m: g* Z3 F

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tangcarlos3d

# Z9 s- _, I; y" [6 V0 Z0 R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！！！
& o* i% M/ I" C7 S- J3 I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 ...

) c" T' ~7 p/ L. A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
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
6 x: Q1 \/ K- `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。 ...

# Y7 W. C# I& g7 c# `技不如人，怕人超越才会小家子气。
) t! J( K( L+ q( [2 P( H  W0 A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。
" k/ u' G+ u# J  p2 I4 g
洪版出品，必是精品！！
3 m2 N+ u  v. |: c9 J- |  g
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。
& G; g5 k: H4 {
洪版出品，必是精品！！

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

userkypdy 发表于 2012-8-27 07:40 http://www.3dportal.cn/discuz/static/image/common/back.gif
1 \6 A0 i+ G% t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！
9 `2 M* I$ P$ ?9 e5 E       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 O" O$ b8 \. a. ^$ a. F7 y1 x! K   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
$ h8 E* A/ ]1 f* P鹏兄前辈好！
# Y. o1 n' p6 C8 \& C% s! ~6 O2 o       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。
; x0 i! Z4 S+ y4 T; @3 v. `5 c6 e  ...

增加这部分后成了一篇完整的论文。
& D* S# O/ l! y% n2 t
7 {2 b( d. a+ e+ e6 f7 _( a7 m) L不搞机床，洪哥的大作还是从开始读到了最后，受益匪浅。

2 B& `0 i* k- @% V. _& q建议申请精华帖。

洪哥

9619 发表于 2012-8-27 11:03 static/image/common/back.gif
增加这部分后成了一篇完整的论文。
- ~# w2 N/ H4 K
不搞机床，洪哥的大作还是从开始读到了最后，受益匪浅。:hand ...

; E2 Q; l1 O$ z2 ^/ G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

' M# C) j/ W; O; ]7 p  y! `2 J

开亮 发表于 2012-8-27 16:22 http://www.3dportal.cn/discuz/static/image/common/back.gif
- \* C0 w# C8 @. o/ K; }洪大，如果把设备放在北冰洋，就不会变形了吧。

3 z9 l4 G$ o+ V- n  @3 G
      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。
( l. ]% H4 f% A2 r      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。
      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
总结全面，用词准确。受教了！！！

  F  H1 v! t8 j( Q* a2 Z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
3 Y1 {: z9 A" q- Z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！
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！
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！