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设备局部温度变化对加工精度影响

摘要:分析局部温度变化给机床几何精度带来的危害,制定改进措施,解决因局部温度变化影响机床工作性能和加工质量的问题。

关键词:线膨胀系数;环形导轨副;热变形

0引言

在设备的日常维修中,时常遇到看起来运行正常,常规检查机床的几何精度、定位精度等均符合标准,但是加工出来的产品却是不合格的状况,给设备维修人员带来不小的困扰。如何分析判断这类故障,找出解决的措施,尽快恢复机床的正常生产,是设备维修管理人员的应尽职责。

1某机加厂案例

某单位一台长期使用的C5225立车,在加工一批精度要求较高的产品时,首件检验的平面度超差。维修人员对机床电气控制系统、各项基本机械精度、定位精度进行了检测,结果均合格,但是产品的平面度却始终超差。具体状况是:从外向中心车出的平面总是中间凹0.08mm左右,而从中心向外车出的平面总是中间凸0.08mm左右。再次对该设备做细致检查,包括机床的基本机械精度、定位精度、重复定位精度,开油泵后工作台浮升量,液压系统的工作状况,机床的机械性能等方面,都进行仔细检查并记录各项数据,结果确实未发现明显异常,设备似乎没有问题。在机床上装卡一件盘类工件,从外向中心将圆盘形工件的上平面精车一刀,送到检查站检测,结果是中间凹0.09/2000;重新上机床,由中心向外再将上平面精车一刀,送到检查站检测,结果是中间凸0.08/2000。从加工检验数据上来看,不仅平面度超差,而且凸凹形状也不一致。

2分析验证

2.1横梁、滑枕未下滑

通过对产品加工过程分析后,观察到这种状况只有当刀具总是“越车越多”时才会发生。据此假设有以下可能状况:①在切削过程中,机床的横梁随着刀架的移动而逐渐倾斜或有下滑状况;②在切削过程中,机床刀架的滑枕因某种原因而逐渐下滑。对以上两种可能性进行验证:①用2个百分表同时监测横梁两端是否在车削过程中发生倾斜或下滑,将百分表的磁性底座吸附在立柱上,表头抵在横梁上端,将表的读数调零(图1);②再用1个百分表监测滑枕是否在车削过程中发生下滑,将百分表的磁性底座吸附在刀架的滑枕上,表头抵在刀架的滑座上端,将表的读数调零(图2)。试验结果显示:在产品加工过程中,3个百分表变化值均为零,表明横梁和滑枕都比较稳定,未出现倾斜、下滑等问题。

2.2工作台抬升

通过进一步分析,认为在整个车削过程中,假如是工件在逐步抬升,同样也会出现“越车越多”的现象,于是再次做了如下试验:①将百分表的磁性底座吸附在刀夹上,表头抵在工作台表面上任意一点,将表的读数置零(图3);②记录百分表在工作台上的位置后,将刀架水平移动离开工作台,保持刀架的高度不变;③开动工作台运转,在1h后停下;④将刀架水平移动回原百分表置零处,查看百分表读数,结果为+0.09mm。试验结果表明,工作台在持续的运转过程中确实存在逐步抬升的问题,而这一现象应该是工作台或底座部分的高度发生了变化。根据专业常识分析推断,在运转过程中工作台或底座如果是逐步抬升,那么它们在静止期间应该会逐渐沉降。即运转时工作台是逐步抬升,静止时工作台逐渐沉降。进一步验证,保持百分表位置不动,油泵开着,工作台停止状态。每隔20min查看一次百分表读数,结果在1h后,百分表读数基本回零。试验结果显示,工作台在运转过后的停止期间,确实存在逐步下降复原的现象。

2.3导轨副超温

针对上述现象分析,很可能是因为机床工作台在连续的高速运转后,因摩擦发热使环形导轨副的温度产生较大变化,造成工作台和底座发生了热变形引起的。但这需要搞清楚环形导轨副的温度是否有变化,和变化的程度究竟有多大。为了验证这一问题,用红外线测温仪进行了检测和记录。打开底座和工作台的相关盖板,对两环形导轨背面附近的温度进行检测:①工作台运转前的平均温度约为20℃,接近环境温度;②工作台按照加工要求的速度运转1h后停下测温,平均温度约为37℃;③油泵开着,工作台停止运转,1h后测温,约为21℃,比较接近环境温度。试验结果表明,工作台的环形导轨副的温度确实产生了变化,变化值约17℃,明显超出了机床允许值。

2.4温度稳定后试加工合格

当工作台连续运转一定时间,温度和热变形趋于稳定后,再开始加工。按照这一推理进行验证:①在工作台上装卡好待加工的工件;②将百分表的磁性底座吸附在刀夹上,表头抵在工件表面上任意一点,将表的读数置零;③记录百分表在工件上的位置后,将刀架水平移动离开工件,保持刀架的高度不变;④开动工作台运转,每隔20min停下,测量一次上升量;⑤检查结果发现,约2h后工件不再上升;⑥紧接着从外向内精车工件平面,送检后确认平面度合格;⑦按同样的方法从内向外精车,工件平面度检验也是合格。这一试验充分证明,该设备故障是由局部温度变化引起的。

3故障排查及解决措施

设备故障原因确定后,制定排查方案,重点检查环形导轨副的润滑冷却系统。通过检查发现,该机床的液压站有粗过滤器和精过滤器两套滤油装置,其中精过滤器堵塞严重,流出的润滑冷却油量太小,而且这种老式机床没有安装油冷机,造成长时间运转后润滑油温度明显升高。解决措施:明确了具体的故障点后,采购更换了一个带油路堵塞报警装置的新型过滤器,适当增加润滑冷却油的供给量;加装了一台油冷机,型号MC0-20D/G-01B,制冷功率2kW,输入功率1.8kW,用以维持润滑油温度基本稳定。经过上述方法处理后,机床工作台的环形导轨副在长时间高速运转后,温度变化得到有效控制,再加工出的产品平面度都满足工艺要求,问题得到圆满解决。

4问题探讨

本案例展现了局部温度变化给机床加工精度带来的危害,凡是相互摩擦运动的物体都会产生热量,相对运动速度越大,所产生的热量也越大。尽管导轨有油液润滑,摩擦因数很小,但在持续高速旋转情况下,若机床设计上没有相应的处理措施,则必然会导致工作台和底座热量的逐步积累、蔓延,温度升高,继而产生热变形。

4.1机床发热原因

(1)主电机、油泵等各类电机在执行能量转换过程中,由于内部摩擦、负载阻力等,能量损耗并转换成热能,这些热量通过传动件、压力油、空气等传递到机床上。控制电机运转、各种阀件动作的电气箱也会有热源传递到机床上。(2)运动部件长时间工作时摩擦发热,通过润滑油将热量向外传递,造成床身曲翘、导轨弯曲等热变形现象。如导轨副、轴承副、丝杆螺母副、齿轮副、电磁离合器等,特别是机床内部的润滑油池,若没有油冷机配合,散热条件不好,就会形成很大的热源。(3)切削加工产生的热量,刀具对工件材料的挤压剥离产生切削热。这部分热量由切屑和冷却液传递到机床上,在相关资料中能查到,车削加工中有60%~90%的切削热被切屑和冷却液带走,其中有60%以上的热量被传递给了机床。实践证明,造成机床热变形最主要的原因是前2种,只有在精密加工时才需要注意第3种因素和环境温度的变化。

4.2热变形

通过查询相关资料得知,钢铁的线膨胀系数是1.2×10-5℃-1,按照公式计算可知,总共1000mm厚的工作台和底座,若温度升高10℃,尺寸就有0.12mm的变化量。即距离地面1000mm的工作台面,会有0.12mm的高度变化。机床所有零部件的配合精度是在同一环境温度下完成的,任何局部较大的温度变化都会导致零部件膨胀变形,改变配合精度,影响机床的工作性能和加工质量。为了维持机床各运动副温度的基本稳定,环形导轨副的润滑冷却系统设计至关重要。

4.3改进措施

新式导轨粘贴耐磨复合材料进一步减少了导轨磨损,对设备床身、立柱、工作台等也经过不同的铸造工艺来达到防止热变形的效果,对电气控制柜采取安装空调等方式减少热量积累。需要注意的是,环境温度的变化远没有局部热变形的影响大,如季节性的温度变化对机床的影响明显小于局部热量积累。这是因为局部的热变形,不仅使零部件的尺寸发生了改变,更使形状也发生了变化。例如,机床的导轨在受热严重时,不但存在上拱的变形,同时也存在前凸或后凸的变形等,使导轨出现直线度、平行度、垂直度和工作台平面度误差,导致加工后的产品形状发生变化,出现形状误差,体现在工件的直线度、平面度误差等方面。机床由局部温度变化引发的故障案例还有很多,如铣床主轴高速运转一段时间后滑枕移动阻力大的现象,磨床的砂轮高速运转后出现静压主轴抱磨状况等,所有这些无不与机床润滑冷却循环性能下降,造成局部温度变化过大有关。

5结束语

这一维修案例充分说明,机床局部温度的变化对加工精度有很大影响,它会破坏机床原有的机械性能和加工精度,引发多种故障。不仅立车如此,所有机床都不例外。在今后的机床维修过程中,一定要注意和防止这一问题的发生。对加工精度要求特别高的产品,要提醒操作者在加工前预热机床,待热稳定后再开始加工生产,并尽量避免中途较长时间的停机。

参考文献

[1]闻邦椿.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2010.

[2]史密斯·莫布利.机械维修实用指南[M].北京:化学工业出版社,2007.

[3]李传乾.机床摩擦、磨损与润滑[M].北京:机械工业出版社,1990.

[4]史保萱.互换性与测量技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2018.

作者:王文敏 单位:中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司

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