設(shè)備局部溫度變化對加工精度影響

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摘要：分析局部溫度變化給機床幾何精度帶來的危害，制定改進措施，解決因局部溫度變化影響機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，時常遇到看起來運行正常，常規(guī)檢查機床的幾何精度、定位精度等均符合標準，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)機床的正常生產(chǎn)，是設(shè)備維修管理人員的應(yīng)盡職責。

1某機加廠案例

某單位一臺長期使用的C5225立車，在加工一批精度要求較高的產(chǎn)品時，首件檢驗的平面度超差。維修人員對機床電氣控制系統(tǒng)、各項基本機械精度、定位精度進行了檢測，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。再次對該設(shè)備做細致檢查，包括機床的基本機械精度、定位精度、重復(fù)定位精度，開油泵后工作臺浮升量，液壓系統(tǒng)的工作狀況，機床的機械性能等方面，都進行仔細檢查并記錄各項數(shù)據(jù)，結(jié)果確實未發(fā)現(xiàn)明顯異常，設(shè)備似乎沒有問題。在機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，結(jié)果是中間凹0.09/2000；重新上機床，由中心向外再將上平面精車一刀，送到檢查站檢測，結(jié)果是中間凸0.08/2000。從加工檢驗數(shù)據(jù)上來看，不僅平面度超差，而且凸凹形狀也不一致。

2分析驗證

2.1橫梁、滑枕未下滑

通過對產(chǎn)品加工過程分析后，觀察到這種狀況只有當?shù)毒呖偸恰霸杰囋蕉唷睍r才會發(fā)生。據(jù)此假設(shè)有以下可能狀況：①在切削過程中，機床的橫梁隨著刀架的移動而逐漸傾斜或有下滑狀況；②在切削過程中，機床刀架的滑枕因某種原因而逐漸下滑。對以上兩種可能性進行驗證：①用2個百分表同時監(jiān)測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個百分表監(jiān)測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）。試驗結(jié)果顯示：在產(chǎn)品加工過程中，3個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工作臺抬升

通過進一步分析，認為在整個車削過程中，假如是工件在逐步抬升，同樣也會出現(xiàn)“越車越多”的現(xiàn)象，于是再次做了如下試驗：①將百分表的磁性底座吸附在刀夾上，表頭抵在工作臺表面上任意一點，將表的讀數(shù)置零（圖3）；②記錄百分表在工作臺上的位置后，將刀架水平移動離開工作臺，保持刀架的高度不變；③開動工作臺運轉(zhuǎn)，在1h后停下；④將刀架水平移動回原百分表置零處，查看百分表讀數(shù)，結(jié)果為+0.09mm。試驗結(jié)果表明，工作臺在持續(xù)的運轉(zhuǎn)過程中確實存在逐步抬升的問題，而這一現(xiàn)象應(yīng)該是工作臺或底座部分的高度發(fā)生了變化。根據(jù)專業(yè)常識分析推斷，在運轉(zhuǎn)過程中工作臺或底座如果是逐步抬升，那么它們在靜止期間應(yīng)該會逐漸沉降。即運轉(zhuǎn)時工作臺是逐步抬升，靜止時工作臺逐漸沉降。進一步驗證，保持百分表位置不動，油泵開著，工作臺停止狀態(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。試驗結(jié)果顯示，工作臺在運轉(zhuǎn)過后的停止期間，確實存在逐步下降復(fù)原的現(xiàn)象。

2.3導(dǎo)軌副超溫

針對上述現(xiàn)象分析，很可能是因為機床工作臺在連續(xù)的高速運轉(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。為了驗證這一問題，用紅外線測溫儀進行了檢測和記錄。打開底座和工作臺的相關(guān)蓋板，對兩環(huán)形導(dǎo)軌背面附近的溫度進行檢測：①工作臺運轉(zhuǎn)前的平均溫度約為20℃，接近環(huán)境溫度；②工作臺按照加工要求的速度運轉(zhuǎn)1h后停下測溫，平均溫度約為37℃；③油泵開著，工作臺停止運轉(zhuǎn)，1h后測溫，約為21℃，比較接近環(huán)境溫度。試驗結(jié)果表明，工作臺的環(huán)形導(dǎo)軌副的溫度確實產(chǎn)生了變化，變化值約17℃，明顯超出了機床允許值。

2.4溫度穩(wěn)定后試加工合格

當工作臺連續(xù)運轉(zhuǎn)一定時間，溫度和熱變形趨于穩(wěn)定后，再開始加工。按照這一推理進行驗證：①在工作臺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，將表的讀數(shù)置零；③記錄百分表在工件上的位置后，將刀架水平移動離開工件，保持刀架的高度不變；④開動工作臺運轉(zhuǎn)，每隔20min停下，測量一次上升量；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，工件平面度檢驗也是合格。這一試驗充分證明，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，重點檢查環(huán)形導(dǎo)軌副的潤滑冷卻系統(tǒng)。通過檢查發(fā)現(xiàn)，該機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重，流出的潤滑冷卻油量太小，而且這種老式機床沒有安裝油冷機，造成長時間運轉(zhuǎn)后潤滑油溫度明顯升高。解決措施：明確了具體的故障點后，采購更換了一個帶油路堵塞報警裝置的新型過濾器，適當增加潤滑冷卻油的供給量；加裝了一臺油冷機，型號MC0-20D/G-01B，制冷功率2kW，輸入功率1.8kW，用以維持潤滑油溫度基本穩(wěn)定。經(jīng)過上述方法處理后，機床工作臺的環(huán)形導(dǎo)軌副在長時間高速運轉(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床加工精度帶來的危害，凡是相互摩擦運動的物體都會產(chǎn)生熱量，相對運動速度越大，所產(chǎn)生的熱量也越大。盡管導(dǎo)軌有油液潤滑，摩擦因數(shù)很小，但在持續(xù)高速旋轉(zhuǎn)情況下，若機床設(shè)計上沒有相應(yīng)的處理措施，則必然會導(dǎo)致工作臺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機床發(fā)熱原因

（1）主電機、油泵等各類電機在執(zhí)行能量轉(zhuǎn)換過程中，由于內(nèi)部摩擦、負載阻力等，能量損耗并轉(zhuǎn)換成熱能，這些熱量通過傳動件、壓力油、空氣等傳遞到機床上?？刂齐姍C運轉(zhuǎn)、各種閥件動作的電氣箱也會有熱源傳遞到機床上。（2）運動部件長時間工作時摩擦發(fā)熱，通過潤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，特別是機床內(nèi)部的潤滑油池，若沒有油冷機配合，散熱條件不好，就會形成很大的熱源。（3）切削加工產(chǎn)生的熱量，刀具對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床。實踐證明，造成機床熱變形最主要的原因是前2種，只有在精密加工時才需要注意第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，按照公式計算可知，總共1000mm厚的工作臺和底座，若溫度升高10℃，尺寸就有0.12mm的變化量。即距離地面1000mm的工作臺面，會有0.12mm的高度變化。機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導(dǎo)致零部件膨脹變形，改變配合精度，影響機床的工作性能和加工質(zhì)量。為了維持機床各運動副溫度的基本穩(wěn)定，環(huán)形導(dǎo)軌副的潤滑冷卻系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要。

4.3改進措施

新式導(dǎo)軌粘貼耐磨復(fù)合材料進一步減少了導(dǎo)軌磨損，對設(shè)備床身、立柱、工作臺等也經(jīng)過不同的鑄造工藝來達到防止熱變形的效果，對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)境溫度的變化遠沒有局部熱變形的影響大，如季節(jié)性的溫度變化對機床的影響明顯小于局部熱量積累。這是因為局部的熱變形，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，機床的導(dǎo)軌在受熱嚴重時，不但存在上拱的變形，同時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，如銑床主軸高速運轉(zhuǎn)一段時間后滑枕移動阻力大的現(xiàn)象，磨床的砂輪高速運轉(zhuǎn)后出現(xiàn)靜壓主軸抱磨狀況等，所有這些無不與機床潤滑冷卻循環(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，機床局部溫度的變化對加工精度有很大影響，它會破壞機床原有的機械性能和加工精度，引發(fā)多種故障。不僅立車如此，所有機床都不例外。在今后的機床維修過程中，一定要注意和防止這一問題的發(fā)生。對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)熱機床，待熱穩(wěn)定后再開始加工生產(chǎn)，并盡量避免中途較長時間的停機。

參考文獻

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作者:王文敏 單位:中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司