設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量的問題。

關鍵詞：線膨脹系數；環形導軌副；熱變形

0引言

在設備的日常維修中，時常遇到看起來運行正常，常規檢查機床的幾何精度、定位精度等均符合標準，但是加工出來的產品卻是不合格的狀況，給設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，盡快恢復機床的正常生產，是設備維修管理人員的應盡職責。

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、各項基本機械精度、定位精度進行了檢測，結果均合格，但是產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。再次對該設備做細致檢查，包括機床的基本機械精度、定位精度、重復定位精度，開油泵后工作臺浮升量，液壓系統的工作狀況，機床的機械性能等方面，都進行仔細檢查并記錄各項數據，結果確實未發現明顯異常，設備似乎沒有問題。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，結果是中間凸0.08/2000。從加工檢驗數據上來看，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

通過對產品加工過程分析后，觀察到這種狀況只有當刀具總是“越車越多”時才會發生。據此假設有以下可能狀況：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個百分表同時監測橫梁兩端是否在車削過程中發生傾斜或下滑，將百分表的磁性底座吸附在立柱上，表頭抵在橫梁上端，將表的讀數調零（圖1）；②再用1個百分表監測滑枕是否在車削過程中發生下滑，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，將表的讀數調零（圖2）。試驗結果顯示：在產品加工過程中，3個百分表變化值均為零，表明橫梁和滑枕都比較穩定，未出現傾斜、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“越車越多”的現象，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，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，結果為+0.09mm。試驗結果表明，工作臺在持續的運轉過程中確實存在逐步抬升的問題，而這一現象應該是工作臺或底座部分的高度發生了變化。根據專業常識分析推斷，在運轉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該會逐漸沉降。即運轉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。每隔20min查看一次百分表讀數，結果在1h后，百分表讀數基本回零。試驗結果顯示，工作臺在運轉過后的停止期間，確實存在逐步下降復原的現象。

2.3導軌副超溫

針對上述現象分析，很可能是因為機床工作臺在連續的高速運轉后，因摩擦發熱使環形導軌副的溫度產生較大變化，造成工作臺和底座發生了熱變形引起的。但這需要搞清楚環形導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蓋板，對兩環形導軌背面附近的溫度進行檢測：①工作臺運轉前的平均溫度約為20℃，接近環境溫度；②工作臺按照加工要求的速度運轉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，1h后測溫，約為21℃，比較接近環境溫度。試驗結果表明，工作臺的環形導軌副的溫度確實產生了變化，變化值約17℃，明顯超出了機床允許值。

2.4溫度穩定后試加工合格

當工作臺連續運轉一定時間，溫度和熱變形趨于穩定后，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，每隔20min停下，測量一次上升量；⑤檢查結果發現，約2h后工件不再上升；⑥緊接著從外向內精車工件平面，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

設備故障原因確定后，制定排查方案，重點檢查環形導軌副的潤滑冷卻系統。通過檢查發現，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定。經過上述方法處理后，機床工作臺的環形導軌副在長時間高速運轉后，溫度變化得到有效控制，再加工出的產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生熱量，相對運動速度越大，所產生的熱量也越大。盡管導軌有油液潤滑，摩擦因數很小，但在持續高速旋轉情況下，若機床設計上沒有相應的處理措施，則必然會導致工作臺和底座熱量的逐步積累、蔓延，溫度升高，繼而產生熱變形。

4.1機床發熱原因

（1）主電機、油泵等各類電機在執行能量轉換過程中，由于內部摩擦、負載阻力等，能量損耗并轉換成熱能，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、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熱，通過潤滑油將熱量向外傳遞，造成床身曲翹、導軌彎曲等熱變形現象。如導軌副、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）切削加工產生的熱量，刀具對工件材料的擠壓剝離產生切削熱。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種因素和環境溫度的變化。

4.2熱變形

通過查詢相關資料得知，鋼鐵的線膨脹系數是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境溫度下完成的，任何局部較大的溫度變化都會導致零部件膨脹變形，改變配合精度，影響機床的工作性能和加工質量。為了維持機床各運動副溫度的基本穩定，環形導軌副的潤滑冷卻系統設計至關重要。

4.3改進措施

新式導軌粘貼耐磨復合材料進一步減少了導軌磨損，對設備床身、立柱、工作臺等也經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等方式減少熱量積累。需要注意的是，環境溫度的變化遠沒有局部熱變形的影響大，如季節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生了改變，更使形狀也發生了變化。例如，機床的導軌在受熱嚴重時，不但存在上拱的變形，同時也存在前凸或后凸的變形等，使導軌出現直線度、平行度、垂直度和工作臺平面度誤差，導致加工后的產品形狀發生變化，出現形狀誤差，體現在工件的直線度、平面度誤差等方面。機床由局部溫度變化引發的故障案例還有很多，如銑床主軸高速運轉一段時間后滑枕移動阻力大的現象，磨床的砂輪高速運轉后出現靜壓主軸抱磨狀況等，所有這些無不與機床潤滑冷卻循環性能下降，造成局部溫度變化過大有關。

5結束語

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生。對加工精度要求特別高的產品，要提醒操作者在加工前預熱機床，待熱穩定后再開始加工生產，并盡量避免中途較長時間的停機。

參考文獻

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［4］史保萱.互換性與測量技術［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2018.

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