金屬切削機床爬行故障分析論文

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一、機理分析

引起爬行的原因很多,但主要有以下兩個方面。

1.摩擦阻力的變化引起爬行

機床床身導軌工作臺導軌面都是經過磨削或刮削獲得的,宏觀上看是平直而光滑的,但在微觀下卻總存在有較小間距和峰谷組成的微量高低不平的痕跡。實際上,兩接觸貼合面只有兩面的微峰峰尖接觸,所以實際接觸面積是非常小的,因而峰尖所承受的壓力非常之大,遠遠超過其彈性變形極限而出現的塑性變形,尤其是大型機床更為突出。此外,發生塑性變形的接觸點的金屬分子在運動中產生強烈的粘結作用。由于參差不同高度的峰谷會出現互相交錯咬合,在相對運動時便產生“犁刨”現象。這便是機床兩相對貼合運動導軌表面產生摩擦阻力的主要潛因。

機床的爬行現象主要發生在低速滑動時,因為高速時工作臺導軌面在微觀存在的較小間距和峰谷間儲存著微量油液,在高速作用的貼合運動中容易形成動壓油膜,而將兩貼合導軌面隔離開,摩擦系數此時是非常小的。然而,在低速滑動時,則較難形成動壓油膜,從而出現由微峰直接接觸的邊界潤滑。這時導軌表面的微峰由于直接接觸,壓力極高,因而發生塑性變形,導致接觸處產生局部振動、高熱、運動不平穩,出現金屬分子的燒結,也稱“冷焊”,這時摩擦系數是相當大的。

實驗證明,在邊界潤滑條件下摩擦系數與滑動速度之間呈現如圖1所示的函數關系。

在實踐中,我們都有這樣的經驗:需推動一個物體運動所用的力要大于維持這個物體運動所用的力。也就是說靜摩擦力(靜摩擦系數)大于動摩擦力(動摩擦系)。如圖1,μ0表示邊界潤滑的摩擦系數作為滑動速度的函數曲線。在相互貼合的工作面低速滑動開始的短暫時間內,摩擦系數μ0從靜止狀態下的最大值開始呈迅速下降趨勢至最小值。此時工作臺表現為向前沖動,又隨速度μ0的增大而開始上升。當上升到較大值時,摩擦阻力增大,工作臺趨向靜止。此時,由于摩擦阻力的增大,相對的驅動力也隨之增大,當驅動力增大到足以克服摩擦阻力時,工作臺又重復出現以前那種沖動,驅動力隨之減小。這個驅功力和摩擦阻力不斷循環變化的過程,就是工作臺時走時停的循環沖動的過程,這便是爬行。

2.滑動部件的驅動系統的剛性對爬行的影響

機床的滑動部件,如龍門刨床和龍門銑床的工作臺是蝸桿與蝸輪傳動;鏜床的工作臺是光桿與齒輪及齒輪與齒條傳動;磨床的工作臺是液壓傳動;不論哪一種傳動,傳動系統與滑動部件的連接決不是完全剛性的。從而產生以下的問題:①傳動副中存在一定的傳動間隙。如鏜床的工作臺就有光桿與齒輪,齒輪與齒條等多個傳遞環節,每個環節必須存在一定的間隙。②傳動件由于剛性問題必須存在彈性變形。如軸類零件的扭轉變形(如傳動軸、螺桿、光桿等),這些傳動系統可以理解為相當于一個彈簧系統,在驅動工作臺滑動工作時,傳動件(如傳動光桿)剛性越差,彈性變形則越嚴重,傳遞動力就越不平穩。所以,在驅動力和摩擦阻力不斷地循環變化過程中,又可以理解為一個不斷地蓄能、放能的循環過程,即爬行的過程。

下面再以液壓傳動的磨床來分析這個問題。磨床加工精度高,要求工作平穩性和精確程度高,因此對爬行振動的特殊形式特別敏感。又由于磨床是以油液作為傳遞動力介質的,所以磨床最容易出現爬行現象。因此,對磨床的爬行的討論就更有意義。

為什么以油液作為傳遞動力介質的磨床更容易出現爬行呢?這是因為:①油液具有可壓縮性,當然這種可壓縮性很小,一般情況下可以忽略不計。盡管如此,油液的剛性畢竟比剛體的剛性要差的多。②在這里關鍵的問題是組成液壓系統的各個環節。如油泵、油管、接頭、控制閥、油缸等密封不太嚴密,在運動的作用下常常會侵入空氣。空氣侵入液壓系統中,或溶解在油液中或形成氣泡浮游在油液中。空氣的可壓縮性則是極大的(大約相當油液的一萬倍)。這樣,侵入了空氣的油液則必然增大了油液本身存在的可縮性。因此,液壓驅動系統就成了一個十足的“彈簧環節”。

下面具體分析磨床工作臺的爬行情況。從示意圖2看,侵入空氣的油液進入油缸的左腔,左腔的氣泡受到壓縮,壓縮到一定壓力時才能克服工作臺與導軌之間的摩擦阻力,工作臺開始向右方移動。開始移動的短暫時段內,靜摩擦力轉變為動摩擦力,摩擦力由大值驟然下降,工作臺向右方沖動。此時,左腔的油液壓力隨之降低,氣泡逸出隨之膨脹。向右沖動的工作臺又使右腔壓力油液中的氣泡受到壓縮,工作臺的阻力增大,致使工作臺沖動受阻,速度降低,趨向靜此。此時左腔的油液壓力又增大,直到克服工作臺的近乎靜摩擦力再向前沖動。如此不斷的循環,便形成了工作臺時走時停地沖動,即為爬行。

二、消除爬行的措施

1.有效地降低摩擦阻力

有效地改善導軌摩擦阻力的變化環境,在于減小摩擦曲線隨運動速度增加而下降的斜率,也就是減小靜、動摩擦系數差,其重要措施在于有效地改善潤滑環境。

⑴改善導軌的潤滑環境,保證較為有效的潤滑油量及較好的潤滑油油性,粘度適宜。對于工作臺載荷大的大型機床應采用粘度高耐磨的專業導軌潤滑油。

⑵在單靠潤滑油本身難以達到性能要求的情況下,可以通過改善工作面的儲油條件(如在平整的工作面表面刮花);加入添加劑,改善潤滑油的性能。例如加入三甲酚磷酸脂、硫化鯨魚油、M0S2油劑等,或者在導軌上涂一層固體M0S2潤滑劑。

⑶對大型和高精度機床采用液體靜壓導軌。液體靜壓導軌就是在導軌面上開出一定面積的油腔,讓壓力油通過節流器進入油腔,在兩導軌面之間保持一定厚度的油膜,形成完全液體摩擦。這種靜壓導軌摩擦系數較小,無論滑動速度多么低,工作臺均能平穩移動無爬行。但靜壓導軌結構復雜,成本高,應用受到限制。

⑷在導軌上粘貼一層TSF導軌軟帶(TSF導軌軟帶是一種以聚四氟乙烯為基的高分子復合材料,具有優異的摩擦特性,摩擦系數很低,約為鑄鐵滑動導軌的1/10)。在當機床導軌磨損較重,修復困難時采用TSF導軌軟帶是一種非常省事的辦法。

2.提高傳動系統剛性

⑴提高傳動零件的加工精度;零部件的裝配進度,盡量減小裝配間隙。裝配合理,如零件的平行、垂直關系,軸的同心,螺紋連接的松緊程度等。

⑵在機械傳動中,除盡量減少動力傳遞層次,對傳動類零件從材料和工藝上提高其剛性。

⑶對液壓機床主要是防止液壓系統的空氣侵入。增強液壓元件及接合處的密封程度。在快速往復移動的狀態下,合理有效的可開啟排氣閥將空氣排出。

三、其它爬行實例消除的措施

1.導軌表面拉傷或液壓油缸內銹蝕拉毛

有些機床由于防護裝置密封不良,濾油器損壞,機械雜質和金屬切削末進入導軌摩擦面或液壓油中,從而導致導軌表面拉傷或油缸內表面銹蝕拉氣,使其表面粗糙,摩擦阻力增大,工作臺不能確保正常運行而導致爬行。

消除方法:①采用耐磨涂層修補拉傷表面,精心修刮導軌,使其平直度和表面粗糙度恢復正常,選用油性好,粘度適當的導軌潤滑油。②修刮油缸內銹蝕拉毛處,如果拉毛程度較嚴重時,可上銼床按間隙配合塞,選用油質好的液壓油。

2.機床導軌面缺油,或用油不當或油已經氧化變質,從而使機床產生爬行

消除方法:①機床導軌面必須有充足的潤滑油而產生油膜,減小摩擦阻力。②保證油質,因為潤滑油在溫度升高的條件下,生成氧化膠質,產生酸性腐蝕,使表面發澀。所以對機床回油進行冷卻降溫,定期換油,檢測酸性基礎上,防止潤滑油的氧化膠質形成。

3.高速轉動件處于動平衡,其不平衡點產生離心力而出現機械振動波,波及導軌產生爬行

消除方法:對電機和其它高速部件進行動平衡處理,例如在其底座安裝彈性支承板,添置可調千斤頂作支承以抵消高速旋轉而產生的離心力,除低自激振動,或墊橡膠、羊毛氈等防振材料,以減少機械振動時對導軌的影響。

機床爬行現象作為一種較為常見的機床故障,引發的原因是多方面的,主要是機械、液壓、潤滑、電器等幾個方面,在這里不能逐一闡述。在實際維修中,須針對具體情況進行分析,從分析中找到問題的癥結,以找到解決問題的最佳措施。

【摘要】本文重點分析金屬切削機床爬行故障形成因素及消除措施。

【關鍵詞】爬行因素分析液壓系統機床