8 b ^* _2 e4 n% B L" e局部温度的变化对机床影响几何* M. n* z$ d, i1 m
——记一个维修案例 . x3 p. Y+ \9 R0 K + }, L% `+ |4 L: z* T3 ]1 E: N" `. f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。 ! y% O6 F3 |9 Q2 K' |8 F1 V2 d 2 L( T. c8 p, r1 设备问题 . V: Y; z; `/ K/ b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。 6 {" o$ o: B0 r, e3 \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。 0 y: m6 g$ n0 W+ h. Q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。6 A/ B! G$ g; G$ e2 a
用户反映的设备问题现象是： . Q5 N1 B% C O* X3 a: U
1.1 从外向中心车出来的平面总是中间凹0.08mm左右； ; h+ C+ ?2 @, e' \6 s8 n1.2 而从中心向外车出来的平面却又总是中间凸0.08mm左右。* @9 r+ l o/ w. H+ Y9 z* q
, o5 C, \4 d5 m. r3 x
2 基本检查) r/ @) x9 r! c
我们来到现场后首先对该设备做了一个常规“体检”。/ u# I' x4 L8 L1 W
2.1 机床几何精度检查； M8 i# Z) ]$ g3 y0 Z. P% y, B
2.2 工作台浮升量检查；# f! e- ?% K7 s! h* D; \
2.3 液压系统工作状况检查；% r) h( n! \, }. \/ |! ~2 F& p( U
2.4 机床机械性能检查。 - G G% U, |8 V/ |( R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。 1 e3 A4 Z$ R. K, S* f7 A) d5 {; `* f0 F
3 加工检查 , W4 ~0 m7 R0 V 接下来，我们又对设备的平面度加工质量进行了考核。, f- b0 i$ e. Z
3.1 从外向中心将上平面精车了一刀； : @# K/ ?8 N3 s+ \6 ]3.2 吊上标准平尺检查该平面，结果中间凹陷0.13/3000；/ s/ W/ H' B3 I' ~* V( _
3.3 再从中心向外将上平面精车了一刀；& J! B2 ~+ M6 h0 k
3.4 吊上标准平尺检查该平面，结果中间凸起0.11/3000；; i* c5 X+ V& F1 S
3.5 检查加工表面粗糙度，每次均合格。5 r. v/ E+ {# i+ a5 u9 c
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 H7 L) p4 v4 m* F8 x
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？( M3 R; W9 m. @1 n4 M, y) A; K, P! ]
+ P. K4 g2 `4 w3 c* E3 F) o1 y E
4 分析一 ! u h o" \: g2 j1 G, 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。- o/ C3 E# Y8 c5 }; X: R# p- X; e
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。5 D# E% F% P" m Y" l9 [5 f1 ^
据此判断，机床则有可能存在以下问题： $ P" Y2 M" \8 Q' q1 G9 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； # H3 h" o" Z; `; i4 N4.2 或在切削过程中，滑枕可能因某种不明原因而逐渐下滑。: |8 Z. t# S+ C; O
" T0 J2 ]' ?9 u9 W5 i- X' X2 d3 t5 验证一 . J8 A, c2 ^, d9 F 结果究竟如何呢？对此我们做了相应的试验。' s) \2 g6 m/ {9 \9 \
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；* v- M; p. V5 d( G* n
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；4 ^3 s+ n, F9 k! Z6 U8 Y
5.3 启动原程序进行加工，并观察这些百分表的变化情况；# X2 X1 A- |7 Z6 X/ p" V4 @) r* G
5.4 结果三个百分表均无变化。 # c$ `5 o( Q) \' H( ~- Q1 a6 ]* e 试验结果表明：横梁和滑枕都非常稳定，没有问题。 e+ E( e) C' c# v& x& Y9 e, _$ N
$ H q/ W5 v6 C0 _' D, [! \6 分析二 % r0 s: Y) |( _8 y$ X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。- ^/ B2 @ z5 a- [
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？ : V& b9 z1 ]* I) G L. _7 X事实是不是这样的呢？% r* W4 i& O4 M0 H
& \8 ]6 p: E {
7 验证二 3 {+ r! C: w# k. b3 N6 a+ B' y' j Y5 t1 J 于是，我们根据上述猜想做了如下实验：. h% e5 ]8 j' Y% N
7.1 在刀夹上固定一个百分表； % Y C: X- p' P3 f6 H7.2 将百分表触于试件表面上的任意一点，半圈内置零； ) `* ?5 _3 a! _5 `5 F' t1 ^; f4 x7.3 然后水平移动刀架将百分表移开； # C. {7 S4 n- L! O, J+ O, E7.4 启动原程序，但刀架不动； 5 g9 m+ G6 f( @7.5 程序结束后工作台停下；/ Z+ a2 E" s1 I2 r t, Q9 |
7.6 水平移动刀架至百分表置零处；. d# G+ H, F. l* x3 S! w
7.7 检查百分表读数，结果＋0.12mm。5 O1 A D: V6 e8 }
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。& ^/ k) l+ v3 I o" _
' }/ @0 _2 G# K; ]4 M$ T8 分析三 $ y+ s W" k4 r; _% P# S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 |( [" L' h% m! I3 [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？6 m& c/ q+ T& J, b5 P& ^
3 U3 t1 T6 B3 d: z. {; `
9 验证三' ], W- r1 d6 y6 t: U5 c
为此我们做了专门试验。 1 R6 N3 U( W S7 c5 ~7 x9.1 刀夹上固定一套百分表；& f* w) ?, ^2 b `, T; i. m
9.2 将百分表触于工件表面的任意点，半圈内置零； * {# J/ \# v* B9.3 水平移动刀架将百分表移开；0 L' A# c) A& Q& i/ T7 ?
9.4 启动原加工程序，但刀架不动；0 F M, P% V/ N% b2 u& [
9.5 加工程序结束后工作台停下； 8 I, S T4 C# X9.6 水平移动刀架将百分表走到原置零处； # j) S; A0 W: [, q9.7 查看百分表读为＋0.11mm；* ~ r6 i' w' 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；6 ~; K" _: y r, v9 H/ g
9.9 然后每隔一刻钟查看一次百分表的读数；; ` u7 \" a# S6 X! \4 j5 |# d
9.10 结果1小时后百分表基本回到了零位。7 }# U2 \+ d% 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。 % y0 V1 U/ i5 p. B; v/ X10 分析四 3 k! t( y2 h5 } T/ [* 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？ ) Q, ?6 B+ g% A6 X5 q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：! @7 j% {1 ^" Y2 d8 h% f+ L
10.1 环形导轨副到底有没有温度变化； + `& V! _; s9 P3 }8 J0 o% A10.2 如果有变化，其程度究竟有多大。. j1 o6 D- k9 H$ s' M3 ?
. L2 a# S- t4 z# k5 U
11 验证四 1 D( n6 e2 R6 [/ p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：* P0 w3 c4 @; |- ~+ d
11.1 打开底座和工作台的相关盖板； 4 `1 g7 {; j7 ^$ g- C0 L11.2 对两环形导轨板背面附近的温度进行检测；9 F* ?; ~8 f5 g. O2 x0 C+ {
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；: l* A3 X9 Y' M9 J. y! C* r
11.4 工作台以原加工程序进行空运转，但不切削； , }! [9 ]1 e; v, ^11.5 程序结束后工作台停下； 4 ]5 y# B# F- {8 Q. z11.6 运行之后的平均温度约为36℃；9 y% ^ s. X" T* m _+ x; U. m
11.7 油泵继续开着，工作台静置1小时； 3 c! g+ z2 t+ ` M+ U8 X$ D11.8 静止之后的平均温度约为21℃，较接近环境温度。* |* R+ i7 |+ f$ j; v! y2 Y: R2 r9 e
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。 Y# |7 E% M: n6 x0 J3 g6 e, q3 g
+ u3 r7 p, R9 ]* [: Z0 d* Z* @
12 分析五8 G! X0 c! o9 j: ~1 t
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。' }. ~# k, g9 J W$ 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。 & d/ I& K/ [. S* b+ Q% i: ?言归正传。我们到底能不能找到这种办法呢？ 4 v; o" ^2 A+ m/ S* \" V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: % G. r9 s1 x" {$ _, B c12.1 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；& B8 f; o5 d% s# b. s" }$ `1 z
12.2 热变形也应该随之稳定下来，不再变形；3 A$ K, x$ ]5 P6 K) I. H
12.3 此后加工的平面度就应该没问题。 ' e- C' A: i+ l: M+ B F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 T( R2 }3 ], _! p2 k% E
& r! r7 D D4 c
13 验证五 % N; K- T8 Z+ e/ T4 p6 Q+ i我们根据上述设想进行了如下证明试验： 1 t) |" ]" p, b. G4 S$ \& ?- O13.1 刀夹上固定一个百分表； - {9 b% r$ ?) i" r13.2 将百分表触于工件表面任意处，半圈内置零；7 p) m5 I) Y& J/ O
13.3 水平移动刀架将百分表移开； ! U. R c- Y) b, s( ?& N13.4 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；, I) n$ _1 |3 L2 W( T3 D- J
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；2 f6 K# E* e1 S; _5 J
13.6 紧接着向内精车工件平面，结果平面度检查合格；" n3 M$ D9 ^! `& b
13.7 再紧接着向外精车工件平面，结果平面度检查也合格。 Y. h% \! k i/ X6 A 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: l+ Y* S1 W- q1 j* p. j: a ) ^& |9 D- V$ u14 故障排查 + u% F/ e* w8 A, q u2 G 问题原因找到之后，我们制定了故障排查方案。 2 M( s4 o% G" ^! C
14.1 重点检查环形导轨副的润滑冷却系统； ' ]1 |$ ^ w( c14.2 摸清设备改造过程中的相关情况。: h1 D2 N! l; b5 I- N# Y: h
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。 2 j3 W e- E1 k1 P l5 y" p5 h - \* ?3 R4 _3 e- W15 解决措施 # \8 u' S1 x ^5 b我们根据上述情况采取了如下解决办法和补救措施： + p5 s7 X7 R4 }/ W+ J! D2 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；2 m u) E" \5 ?3 O0 [
15.2 适当增大开式油槽润滑冷却油的流量； 9 K( o. d5 \* }$ c- y, H" _15.3 精调底座安装水平及相关几何精度；4 _( U. G9 O9 Z8 C# Y0 u
15.4 加装油冷机，用以维持环形导轨副温度的基本稳定。% H5 B9 C3 m* \0 a( O
& {: O" h7 a0 u16 维修结果 + r1 I9 y; f1 ]/ L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。 ! L/ ~( |" _0 d. U+ N* W 2 R. h0 j3 V5 ^( T17 主题讨论 4 X4 k2 ?0 S7 G. Z2 [6 r' `- P6 v说到这里，也许有人不禁产生疑问： , | S" h. I; n) e17.1 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/ g) B& g6 {' X/ P8 h17.2 为什么热变形会影响到加工精度呢？ $ U8 B* k Z4 g6 s2 K6 Z对此，我们从物理学和机械设计原理中就可以找到答案。5 a2 ^$ l& k5 h% F% ^' K
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。 4 ~" n( y& n% h: U. n* P7 S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？ ( y' @4 I) S& |+ i$ h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。 ! g+ I k6 O9 u' l7 e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。 : |$ S& _7 q: X" e, O% g, L. J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。 8 P3 A0 H' b1 Z7 l5 j# o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。 % c( p2 n2 j/ a$ G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。. U2 B- ^6 ~ G$ S: A/ E& ]
下面的示意图大致描绘了工作台和底座热变形的情况。2 T8 {7 Y+ o0 g. C# n
17.3 图一是工作台的正常模样5 U; z6 b" J7 r! z3 C% v6 ^2 s
5 ` }0 D, G4 k+ e8 U- y
17.4 图二是工作台热变形后的不正常模样8 |, V# p+ [* h w: b1 Y$ A2 w
( D* ?( c8 T5 Z. ` 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。 9 Y' Y; H" Y4 ~% F v' D* j5 t; s2 x) j. l& g/ _1 _7 x3 R
18 结束语, u" ~' _/ w: H D" Z
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。+ W0 _! ~" A' W. D
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！！！
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
