設(shè)備局部溫度變化對(duì)加工精度影響

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摘要：分析局部溫度變化給機(jī)床幾何精度帶來的危害，制定改進(jìn)措施，解決因局部溫度變化影響機(jī)床工作性能和加工質(zhì)量的問題。

關(guān)鍵詞：線膨脹系數(shù)；環(huán)形導(dǎo)軌副；熱變形

0引言

在設(shè)備的日常維修中，時(shí)常遇到看起來運(yùn)行正常，常規(guī)檢查機(jī)床的幾何精度、定位精度等均符合標(biāo)準(zhǔn)，但是加工出來的產(chǎn)品卻是不合格的狀況，給設(shè)備維修人員帶來不小的困擾。如何分析判斷這類故障，找出解決的措施，盡快恢復(fù)機(jī)床的正常生產(chǎn)，是設(shè)備維修管理人員的應(yīng)盡職責(zé)。

1某機(jī)加廠案例

某單位一臺(tái)長(zhǎng)期使用的C5225立車，在加工一批精度要求較高的產(chǎn)品時(shí)，首件檢驗(yàn)的平面度超差。維修人員對(duì)機(jī)床電氣控制系統(tǒng)、各項(xiàng)基本機(jī)械精度、定位精度進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果均合格，但是產(chǎn)品的平面度卻始終超差。具體狀況是：從外向中心車出的平面總是中間凹0.08mm左右，而從中心向外車出的平面總是中間凸0.08mm左右。再次對(duì)該設(shè)備做細(xì)致檢查，包括機(jī)床的基本機(jī)械精度、定位精度、重復(fù)定位精度，開油泵后工作臺(tái)浮升量，液壓系統(tǒng)的工作狀況，機(jī)床的機(jī)械性能等方面，都進(jìn)行仔細(xì)檢查并記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)，結(jié)果確實(shí)未發(fā)現(xiàn)明顯異常，設(shè)備似乎沒有問題。在機(jī)床上裝卡一件盤類工件，從外向中心將圓盤形工件的上平面精車一刀，送到檢查站檢測(cè)，結(jié)果是中間凹0.09/2000；重新上機(jī)床，由中心向外再將上平面精車一刀，送到檢查站檢測(cè)，結(jié)果是中間凸0.08/2000。從加工檢驗(yàn)數(shù)據(jù)上來看，不僅平面度超差，而且凸凹形狀也不一致。

2分析驗(yàn)證

2.1橫梁、滑枕未下滑

通過對(duì)產(chǎn)品加工過程分析后，觀察到這種狀況只有當(dāng)?shù)毒呖偸恰霸杰囋蕉唷睍r(shí)才會(huì)發(fā)生。據(jù)此假設(shè)有以下可能狀況：①在切削過程中，機(jī)床的橫梁隨著刀架的移動(dòng)而逐漸傾斜或有下滑狀況；②在切削過程中，機(jī)床刀架的滑枕因某種原因而逐漸下滑。對(duì)以上兩種可能性進(jìn)行驗(yàn)證：①用2個(gè)百分表同時(shí)監(jiān)測(cè)橫梁兩端是否在車削過程中發(fā)生傾斜或下滑，將百分表的磁性底座吸附在立柱上，表頭抵在橫梁上端，將表的讀數(shù)調(diào)零（圖1）；②再用1個(gè)百分表監(jiān)測(cè)滑枕是否在車削過程中發(fā)生下滑，將百分表的磁性底座吸附在刀架的滑枕上，表頭抵在刀架的滑座上端，將表的讀數(shù)調(diào)零（圖2）。試驗(yàn)結(jié)果顯示：在產(chǎn)品加工過程中，3個(gè)百分表變化值均為零，表明橫梁和滑枕都比較穩(wěn)定，未出現(xiàn)傾斜、下滑等問題。

2.2工作臺(tái)抬升

通過進(jìn)一步分析，認(rèn)為在整個(gè)車削過程中，假如是工件在逐步抬升，同樣也會(huì)出現(xiàn)“越車越多”的現(xiàn)象，于是再次做了如下試驗(yàn)：①將百分表的磁性底座吸附在刀夾上，表頭抵在工作臺(tái)表面上任意一點(diǎn)，將表的讀數(shù)置零（圖3）；②記錄百分表在工作臺(tái)上的位置后，將刀架水平移動(dòng)離開工作臺(tái)，保持刀架的高度不變；③開動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)，在1h后停下；④將刀架水平移動(dòng)回原百分表置零處，查看百分表讀數(shù)，結(jié)果為+0.09mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，工作臺(tái)在持續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中確實(shí)存在逐步抬升的問題，而這一現(xiàn)象應(yīng)該是工作臺(tái)或底座部分的高度發(fā)生了變化。根據(jù)專業(yè)常識(shí)分析推斷，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中工作臺(tái)或底座如果是逐步抬升，那么它們?cè)陟o止期間應(yīng)該會(huì)逐漸沉降。即運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)工作臺(tái)是逐步抬升，靜止時(shí)工作臺(tái)逐漸沉降。進(jìn)一步驗(yàn)證，保持百分表位置不動(dòng)，油泵開著，工作臺(tái)停止?fàn)顟B(tài)。每隔20min查看一次百分表讀數(shù)，結(jié)果在1h后，百分表讀數(shù)基本回零。試驗(yàn)結(jié)果顯示，工作臺(tái)在運(yùn)轉(zhuǎn)過后的停止期間，確實(shí)存在逐步下降復(fù)原的現(xiàn)象。

2.3導(dǎo)軌副超溫

針對(duì)上述現(xiàn)象分析，很可能是因?yàn)闄C(jī)床工作臺(tái)在連續(xù)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)后，因摩擦發(fā)熱使環(huán)形導(dǎo)軌副的溫度產(chǎn)生較大變化，造成工作臺(tái)和底座發(fā)生了熱變形引起的。但這需要搞清楚環(huán)形導(dǎo)軌副的溫度是否有變化，和變化的程度究竟有多大。為了驗(yàn)證這一問題，用紅外線測(cè)溫儀進(jìn)行了檢測(cè)和記錄。打開底座和工作臺(tái)的相關(guān)蓋板，對(duì)兩環(huán)形導(dǎo)軌背面附近的溫度進(jìn)行檢測(cè)：①工作臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)前的平均溫度約為20℃，接近環(huán)境溫度；②工作臺(tái)按照加工要求的速度運(yùn)轉(zhuǎn)1h后停下測(cè)溫，平均溫度約為37℃；③油泵開著，工作臺(tái)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，1h后測(cè)溫，約為21℃，比較接近環(huán)境溫度。試驗(yàn)結(jié)果表明，工作臺(tái)的環(huán)形導(dǎo)軌副的溫度確實(shí)產(chǎn)生了變化，變化值約17℃，明顯超出了機(jī)床允許值。

2.4溫度穩(wěn)定后試加工合格

當(dāng)工作臺(tái)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間，溫度和熱變形趨于穩(wěn)定后，再開始加工。按照這一推理進(jìn)行驗(yàn)證：①在工作臺(tái)上裝卡好待加工的工件；②將百分表的磁性底座吸附在刀夾上，表頭抵在工件表面上任意一點(diǎn)，將表的讀數(shù)置零；③記錄百分表在工件上的位置后，將刀架水平移動(dòng)離開工件，保持刀架的高度不變；④開動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)，每隔20min停下，測(cè)量一次上升量；⑤檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，約2h后工件不再上升；⑥緊接著從外向內(nèi)精車工件平面，送檢后確認(rèn)平面度合格；⑦按同樣的方法從內(nèi)向外精車，工件平面度檢驗(yàn)也是合格。這一試驗(yàn)充分證明，該設(shè)備故障是由局部溫度變化引起的。

3故障排查及解決措施

設(shè)備故障原因確定后，制定排查方案，重點(diǎn)檢查環(huán)形導(dǎo)軌副的潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)。通過檢查發(fā)現(xiàn)，該機(jī)床的液壓站有粗過濾器和精過濾器兩套濾油裝置，其中精過濾器堵塞嚴(yán)重，流出的潤(rùn)滑冷卻油量太小，而且這種老式機(jī)床沒有安裝油冷機(jī)，造成長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后潤(rùn)滑油溫度明顯升高。解決措施：明確了具體的故障點(diǎn)后，采購更換了一個(gè)帶油路堵塞報(bào)警裝置的新型過濾器，適當(dāng)增加潤(rùn)滑冷卻油的供給量；加裝了一臺(tái)油冷機(jī)，型號(hào)MC0-20D/G-01B，制冷功率2kW，輸入功率1.8kW，用以維持潤(rùn)滑油溫度基本穩(wěn)定。經(jīng)過上述方法處理后，機(jī)床工作臺(tái)的環(huán)形導(dǎo)軌副在長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)后，溫度變化得到有效控制，再加工出的產(chǎn)品平面度都滿足工藝要求，問題得到圓滿解決。

4問題探討

本案例展現(xiàn)了局部溫度變化給機(jī)床加工精度帶來的危害，凡是相互摩擦運(yùn)動(dòng)的物體都會(huì)產(chǎn)生熱量，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越大，所產(chǎn)生的熱量也越大。盡管導(dǎo)軌有油液潤(rùn)滑，摩擦因數(shù)很小，但在持續(xù)高速旋轉(zhuǎn)情況下，若機(jī)床設(shè)計(jì)上沒有相應(yīng)的處理措施，則必然會(huì)導(dǎo)致工作臺(tái)和底座熱量的逐步積累、蔓延，溫度升高，繼而產(chǎn)生熱變形。

4.1機(jī)床發(fā)熱原因

（1）主電機(jī)、油泵等各類電機(jī)在執(zhí)行能量轉(zhuǎn)換過程中，由于內(nèi)部摩擦、負(fù)載阻力等，能量損耗并轉(zhuǎn)換成熱能，這些熱量通過傳動(dòng)件、壓力油、空氣等傳遞到機(jī)床上。控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、各種閥件動(dòng)作的電氣箱也會(huì)有熱源傳遞到機(jī)床上。（2）運(yùn)動(dòng)部件長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)摩擦發(fā)熱，通過潤(rùn)滑油將熱量向外傳遞，造成床身曲翹、導(dǎo)軌彎曲等熱變形現(xiàn)象。如導(dǎo)軌副、軸承副、絲桿螺母副、齒輪副、電磁離合器等，特別是機(jī)床內(nèi)部的潤(rùn)滑油池，若沒有油冷機(jī)配合，散熱條件不好，就會(huì)形成很大的熱源。（3）切削加工產(chǎn)生的熱量，刀具對(duì)工件材料的擠壓剝離產(chǎn)生切削熱。這部分熱量由切屑和冷卻液傳遞到機(jī)床上，在相關(guān)資料中能查到，車削加工中有60%～90%的切削熱被切屑和冷卻液帶走，其中有60%以上的熱量被傳遞給了機(jī)床。實(shí)踐證明，造成機(jī)床熱變形最主要的原因是前2種，只有在精密加工時(shí)才需要注意第3種因素和環(huán)境溫度的變化。

4.2熱變形

通過查詢相關(guān)資料得知，鋼鐵的線膨脹系數(shù)是1.2×10-5℃-1，按照公式計(jì)算可知，總共1000mm厚的工作臺(tái)和底座，若溫度升高10℃，尺寸就有0.12mm的變化量。即距離地面1000mm的工作臺(tái)面，會(huì)有0.12mm的高度變化。機(jī)床所有零部件的配合精度是在同一環(huán)境溫度下完成的，任何局部較大的溫度變化都會(huì)導(dǎo)致零部件膨脹變形，改變配合精度，影響機(jī)床的工作性能和加工質(zhì)量。為了維持機(jī)床各運(yùn)動(dòng)副溫度的基本穩(wěn)定，環(huán)形導(dǎo)軌副的潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

4.3改進(jìn)措施

新式導(dǎo)軌粘貼耐磨復(fù)合材料進(jìn)一步減少了導(dǎo)軌磨損，對(duì)設(shè)備床身、立柱、工作臺(tái)等也經(jīng)過不同的鑄造工藝來達(dá)到防止熱變形的效果，對(duì)電氣控制柜采取安裝空調(diào)等方式減少熱量積累。需要注意的是，環(huán)境溫度的變化遠(yuǎn)沒有局部熱變形的影響大，如季節(jié)性的溫度變化對(duì)機(jī)床的影響明顯小于局部熱量積累。這是因?yàn)榫植康臒嶙冃?，不僅使零部件的尺寸發(fā)生了改變，更使形狀也發(fā)生了變化。例如，機(jī)床的導(dǎo)軌在受熱嚴(yán)重時(shí)，不但存在上拱的變形，同時(shí)也存在前凸或后凸的變形等，使導(dǎo)軌出現(xiàn)直線度、平行度、垂直度和工作臺(tái)平面度誤差，導(dǎo)致加工后的產(chǎn)品形狀發(fā)生變化，出現(xiàn)形狀誤差，體現(xiàn)在工件的直線度、平面度誤差等方面。機(jī)床由局部溫度變化引發(fā)的故障案例還有很多，如銑床主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后滑枕移動(dòng)阻力大的現(xiàn)象，磨床的砂輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)后出現(xiàn)靜壓主軸抱磨狀況等，所有這些無不與機(jī)床潤(rùn)滑冷卻循環(huán)性能下降，造成局部溫度變化過大有關(guān)。

5結(jié)束語

這一維修案例充分說明，機(jī)床局部溫度的變化對(duì)加工精度有很大影響，它會(huì)破壞機(jī)床原有的機(jī)械性能和加工精度，引發(fā)多種故障。不僅立車如此，所有機(jī)床都不例外。在今后的機(jī)床維修過程中，一定要注意和防止這一問題的發(fā)生。對(duì)加工精度要求特別高的產(chǎn)品，要提醒操作者在加工前預(yù)熱機(jī)床，待熱穩(wěn)定后再開始加工生產(chǎn)，并盡量避免中途較長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)。

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作者:王文敏 單位:中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司