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。
, Y9 c& z$ [/ m2 x5 R2 X+ h% E" T  f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

点击文件名下载附件

* [6 ^# I5 T% q& x$ z9 z% x

局部温度的变化对机床影响几何
——记一个维修案例
. t% Y! g4 c* J) 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
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：
% `& r! P- n- _1 I0 q9 h1.1 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。
: w, ^6 s% u7 v# i2 M% r8 \& G
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”。
+ P8 g( X: f6 j6 r2.1 机床几何精度检查；
2.2 工作台浮升量检查；
% l  _- A2 x& ^8 T7 |. S+ ]2.3 液压系统工作状况检查；
) W! u2 F/ ~" S- D% m7 D$ a+ y2.4 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。
0 K7 _, J! @2 c7 o. v8 }  A
- u6 q. t9 o7 a3 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。
' B! g: N6 r& v( U2 d3.1 从外向中心将上平面精车了一刀；
2 Q& |: t$ [, D; y" j3.2 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；
! t- n/ n! X( X+ d' e, U7 F8 `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。
5 j! w, N" M  G) ~) s* {! ^8 E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？
5 ^  k, B7 }9 l3 M
7 m+ n9 B: F0 N& q4 分析一
- J, r: L( w  I4 q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。
( c9 y4 Y. q4 e7 C' o" n! D据此判断，机床则有可能存在以下问题：
* a* _! ~; S* ~% {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；
! f7 d- Q) D$ K. E8 y1 U4.2 或在切削过程中，滑枕可能因某种不明原因而逐渐下滑。
9 G0 l- t! ?" P1 [' I+ x
5 验证一
    结果究竟如何呢？对此我们做了相应的试验。
3 Q6 Y# r& P: X* h0 h/ o5.1 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；
1 V' C* w( M/ Q: [- H, Z% O5.3 启动原程序进行加工，并观察这些百分表的变化情况；
9 {; G% ^# _# x& |- E: J5 A5.4 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。
! R1 h: I% c4 U5 U& X4 t. g
! e6 I* v9 i" T+ }& i( a8 a0 x9 R6 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。
, V  z* s# r+ r; b* n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 n7 a6 B+ N4 ?. ~0 g
7 验证二
# o9 r: N* A2 B' N# \" l    于是，我们根据上述猜想做了如下实验：
# N. o- E3 g2 O( O7.1 在刀夹上固定一个百分表；
0 Z6 n  ^7 E$ m' L  A% _& v0 r# @7.2 将百分表触于试件表面上的任意一点，半圈内置零；
! B3 J3 D& h) y0 r! B7.3 然后水平移动刀架将百分表移开；
% \8 B% m0 a/ n6 {! B% n7.4 启动原程序，但刀架不动；
" a* f) Q8 o1 t* z2 |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。
9 u# _0 S1 V8 a0 }2 Q0 _/ X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。
0 H2 J" J1 {. I
8 分析三
6 L% Y9 _) t) `6 i1 P$ N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。
7 ?7 |; q5 K* H% X% X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？
+ G0 F: g2 U2 s7 J
  Q6 @9 t# a, \8 Z1 a) K9 验证三
为此我们做了专门试验。
. E( }/ N. T. m) L% R, Y  W2 Q- {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；
  N% s3 W5 l8 j% s7 p! g# B9.4 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 Y  S9 O3 x2 Q7 ~* ~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；
" M0 y9 n2 k2 o) y3 V4 ^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
+ H3 A  K" [  s( F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？
! u! `/ l: L4 n" V( J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：
# n- G! u: m1 ^; y3 t9 g10.1 环形导轨副到底有没有温度变化；
: ^0 q3 [! g  j- w+ q10.2 如果有变化，其程度究竟有多大。

3 H" `* p7 L& b- G% d11 验证四
/ A. F* i. }" \+ f# n. y/ v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；
# o2 t: t, t+ ^& D9 B) C, l# i11.3 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；
& C) f) ^" h; K4 S! {9 I11.5 程序结束后工作台停下；
11.6 运行之后的平均温度约为36℃；
# p% v4 O3 M* b  x4 ~. g11.7 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。
* T8 u. ?" }; g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。
7 }; E: A+ x8 Z) a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？
; `) b% F9 F% Q9 u- q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:
' W+ G& y( K2 ?' P3 Z: Z12.1 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；
4 Z8 \) T+ I) t' x13.3 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；
: d8 k! B# H) j  K7 E/ y/ j13.5 检测结果发现，约2.5小时之后工作台的确不再“上升”了；
+ U( R# u# Q$ I1 d13.6 紧接着向内精车工件平面，结果平面度检查合格；
4 o% p5 ~* k" a7 Z3 S, [% K% Y13.7 再紧接着向外精车工件平面，结果平面度检查也合格。
0 X" L$ H3 \. J, X- L    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。

* o- e/ l7 d: F" H  l* ~14 故障排查
+ H- f7 M$ g) |6 T* J    问题原因找到之后，我们制定了故障排查方案。
2 D! I; _3 g! T2 b3 g6 J# c14.1 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。
9 v8 Z$ m- ^, b3 U% e( a* u3 e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。

8 j# ~  Q% w( \: U" @5 n3 e15 解决措施
& V- p5 Z) ~( ^我们根据上述情况采取了如下解决办法和补救措施：
! G2 D. S& h5 z/ h7 [% m4 U15.1 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；
( ~( s$ ~: C. k/ x7 K15.3 精调底座安装水平及相关几何精度；
% k& [1 [# r4 O9 X% Y15.4 加装油冷机，用以维持环形导轨副温度的基本稳定。
7 Z& X. |/ ?0 D
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。
, J6 f$ O6 c% P/ H' e; s- k- o
17 主题讨论
说到这里，也许有人不禁产生疑问：
, M& F- i! W; d5 R8 g; T0 c17.1 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？
  f/ k' ~1 D" [4 O3 m$ R: `- j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。
* j! K) l5 ~) i/ D/ Z" x1 U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
# F: F4 N) T7 [
: t1 Q- u/ }: n  |, c) O* z; k17.4 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。

2 B2 L! X+ B6 i+ p+ l18 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

游客，本帖隐藏的内容需要积分高于 10000000000 才可浏览，您当前积分为 0

tangcarlos3d

2 e- v5 G) m" d& o7 o3 D# g) `
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！！！
# A3 G  ?9 a" B" W; l5 \* `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
9 p2 L3 Q6 W( g& H( v9 J9 E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 ...

8 Z& i5 J4 \7 m2 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
0 I6 O# X/ y0 \& A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。
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。

( ]% ]: y% c2 C' b洪版出品，必是精品！！

" P6 M* q# C* n# p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
" m: e. p- F% X. `, [" r" W  o- y时间有限，先保存了，找时间看。

1 s" G8 T; ^, _) N- C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

/ ]- ]- L& l1 ^0 _8 ]3 i. b

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！
5 W% v- \5 T1 c* ^. p       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。
   
% W$ s3 U  v; g8 l8 ~   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
鹏兄前辈好！
$ c. s' `( p7 P+ \0 l+ q) j2 w- g' t       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。
/ I& g/ x0 ]* e  ...

增加这部分后成了一篇完整的论文。
4 M, E* P' {- k( I: \
' P  J" |$ `) l1 `7 ?' x  g4 z- b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 C" K! ?4 J* K9 p- U增加这部分后成了一篇完整的论文。
* {: O9 }, J* L* b# c* S
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！
) }" }* I  K9 q% T      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

6 ]* C2 p1 Y0 Y) j0 s: R0 y4 S# l

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。

      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）。
- T, W! N3 z7 v  _      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！！！

$ e7 g) S* U/ i. j* [" x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
5 [. Q: B8 S6 D4 k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！
( d7 M" A5 t& a4 k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！
. m, {" A; O& i6 W; ?" ?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！