機械加工車間的溫度影響與控制

摘 要：精密機械加工過程中環境溫度對機床和工件的熱變形有不可忽視的影響，為滿足不同加工精度的溫度控制要求，空調車間設計時應在工藝規劃、總圖布置、土建、空調系統等方面采取的溫度控制措施。

關鍵詞：機械加工；環境溫度；溫度控制；空調車間

機械加工過程中，工藝系統受切削熱、摩擦熱等內部熱源的影響，同時與外部環境進行著熱量交換。特別是精密加工，外部環境溫度成為影響加工精度的重要因素。車間設計師應結合環境溫度對工藝系統的影響，確定不同精度要求對環境溫度控制要求，采取措施保證環境溫度的有效控制。

1 加工過程中的環境溫度的影響

環境溫度主要是對工藝系統中的機床和工件產生熱變形而影響零件加工精度。

關于環境溫度對機床的影響，國內外學者做了大量的研究[1]～[3]。由于熱源強度、分布位置的不同，加工過程中機床各部分溫升不同，不同材料的熱膨脹系數各異，導致機床床身、主軸、光柵尺和刀架等構件產生不同變形量，從而破壞機床的原始幾何精度。將加工設備置于穩定的環境溫度可減少機床各構件的溫差，進而減少變形量差異。閆占輝等通過試驗測量顯示，環境溫度變化常引起大型機床基礎件變形，從而降低零件加工精度[2]。張曙等研究顯示：以普通銑床加工φ70×1650的螺桿為例，對比上午和下午加工的工件，累計誤差的變化可達85μm。而在恒溫條件下，則該誤差可減少至40μm[3]。

加工過程中，工件的熱變形主要是由切削熱引起，變形量雖與冷卻液的冷卻效果有較大的關聯性，但對于中大型精密零件，環境溫度對工件的熱變形著有不可忽視的影響。例如磨削長度為2000mm的絲杠，每磨一次其溫度相對于機床母絲杠的溫差增加約為3℃，則絲杠的相對伸長量為0.07mm，而6級絲杠的螺距累積誤差在全長上不允許超過0.02mm。如在恒溫環境進行加工，則可減少工件與機床母絲桿的溫差，進而有效降低中大型精密零件的加工誤差。

2 精加工對環境溫度的要求

基于環境溫度對機床和工件的影響，不同的加工精度對環境溫度控制要求便不相同。根據ISO230中的規定，環境溫度的重要參數包括空氣的流動速度、環境溫度波動的頻率和幅值、平均環境溫度以及環境溫度的水平梯度和垂直梯度。機械加工精度主要受環境溫度中的平均溫度和溫度波動幅度兩參數影響。本文所討論的空調車間是指通過空氣調節的方式對環境溫度平均溫度和溫度波動幅度進行控制的車間系統。

根據溫度控制精度，空調車間大致可分為舒適性空調車間和恒溫空調車間。舒適性空調車間溫度一般控制在18℃～28℃之間，冬季可取18℃～24℃、夏季溫度22℃～28℃。舒適性空調車間溫度調節精度在±3℃～5℃之間，可為操作工人提供一個舒適的工作環境，也可滿足一般精加工（如尺寸精度IT7及以上）提供較為穩定的環境溫度。以加工長度200mm鋼件零件為例，在溫度變化6℃的極端條件下，其長度變化約為15μm，約為其IT7標準公差（46μm）的三分之一。故采用舒適性空調車間即可滿足一般的精加工的精度要求。

對于精密加工機床（例如加工尺寸精度要求IT6以上的機床）通常要求安裝在溫度控制更為嚴格的恒溫空調車間或恒溫室內。相對于舒適性空調車間，恒溫空調車間對溫度波動幅度有較嚴格的要求。由于國際標準化組織（ISO）采用68F或20℃作為測量長度的標準溫度，因此恒溫車間平均環境溫度通常取20℃。為減少能源消耗，也可冬季平均環境溫度設為17℃，夏季則取23℃。精密數控機床對室內的環境溫度一般要求為20℃±2℃。對于高精度或超精密的數控機床，特別是對于高精度或超精密的數控坐標鏜床和數控坐標磨床而言，對室內的環境溫度的要求更為嚴格，一般為20℃±1℃，甚至達20℃±0.5℃。

對于鋁及鋁合金，由于其線膨脹系數約為鑄鐵材料的兩倍，在加工中更易引起熱變形。故相較于鑄鐵和鋼件加工，鋁合金加工對環境溫度的要求也更為嚴格。國內新近建設鋁件發動機加工車間普遍采用空調車間的比例遠大于鑄鐵發動機車間采用的比例，甚至部分采用恒溫車間。江淮汽車位于合肥經濟技術開發區內新建的發動機加工車間溫度控制便達到20℃±2℃。

3 環境溫度控制措施

為保證加工車間環境溫度滿足加工精度要求，進行工廠設計時可依托整個車間系統的建設進行溫度控制，綜合工藝、總圖、土建、公用等方面措施實現溫度控制的高效和節能。

3.1 工藝規劃

進行工藝設計時，舒適性車間工作制度采用兩班制或三班制，使車間數控機床保持較高的利用率，由于設備對環境溫度要求不高，在非工作期間可關閉空調系統以減少能源消耗；而恒溫車間，通常采用三班制，車間空調系統連續運行。這既可充分利用高精設備，又可避免因空調系統頻繁開閉，破壞精密機床的精度。

進行設備布置時，可根據不同工藝要求采用分區空調，采取不同的溫度控制要求，避免溫度控制精度較高區域面積過大，增加能耗。溫度控制精度較高的恒溫室可嵌套于溫度控制控制較低的車間內，減少溫度控制能耗。

3.2 總圖布置

恒溫車間或恒溫室朝向應以陽光直射最少為好，外墻或對外開窗盡量避免東向或西向，充分利用北向。

恒溫車間中的精密加工設備對溫度和振動、噪聲都有較高的要求，因此在工藝平面布置時，不要靠近空調機房、公路、鍛壓機械等振源，以避開振動和噪聲的影響，但又不能遠離空調機房，以利于保持室內恒溫的穩定性。

3.3 土建

空調車間及恒溫車間土建工程應為機械加工提供一個密閉、穩定的空間，合理設計圍護結構和門窗，以減少外部環境對其干擾。

空調車間圍護結構在滿足建筑規范要求的傳熱系數的范圍內，選用具有一定的熱惰性材料，以抵抗外界氣候條件的影響。恒溫精度要求高時，應采用熱惰性較大的重型圍護結構。恒溫車間應盡量有外墻，對于恒溫精度為土0.2℃以內時，則不宜有外墻。

為了減少室外氣象條件劇烈變化的影響，亦可將高精度恒溫車間建于地下，既可減少空調負荷、節省空調投資和運行費用，也可提高恒溫車間的熱穩定性。大連洋科技即在地下14m深處建設面積達1萬多m2的恒溫車間，溫度精度等級達到±1℃，據其自身測算，其每年的空調費僅需地表同等恒溫車間空調費用的十分之一。但由于這種地下車間土建費用高，而且在地下水位較高的地區，防水處理困難，因此較少采用這種建設方案。

空調車間盡量少開窗。如開窗應根據溫度控制精度采用相應的窗戶層數。

對于恒溫車間（恒溫精度±2℃以內）為避免物流門頻繁開閉引起室內溫度波動需設置門斗，門斗內門為保溫門，外門可為普通門。門斗區域可作為待加工零件的等溫暫存區，需根據生產節拍和物流組織方式確定其面積。

3.4 空調系統

空調車間的環境溫度主要由空調系統來進行實時控制。進行空調系統設計需根據車間的溫度控制精度和熱冷負荷，計算換氣次數，選擇合理的氣流組織形式。

機械加工車間空調負荷影響因素主要有設備、新風、圍護結構、人員、燈光等。其中加工設備的熱擾動對溫度控制影響較大。設備布置時，如工藝允許，應盡量將發熱量較大的設備，如高溫清洗機、熱處理設備等，移至恒溫車間外或另設套間里。

舒適性空調車間，每小時換氣次數不宜小于5次，高大空間車間應按冷負荷計算確定換氣次數。為了滿足車間溫度要求，恒溫車間的換氣次數比舒適性空調車間大得多。但換氣次數過大，勢必導致設備容量和運行費用的增加。根據經驗：±2℃的恒溫車間，換氣次數約10次/h；±1℃時為10～15次/h；±0.5℃時，應大于15次/h為宜。當室內負荷計算出的風量小于上述換氣次數時，則可以增加循環風量，即采用二次回風方式。

車間空調系統的氣流組織的主要采用上送下回方式，部分采用上送上回或側送側回形式。恒溫精度±2～3℃，可根據建筑情況并結合系統布置方便選擇氣流組織形式；恒溫精度±0.5～1.0℃，不宜采用上送上回形式，盡量采用上送下回形式。恒溫精度±0.5℃時，則不宜采用側送側回形式；恒溫精度±0.1～0.5℃，則需采用上送下回形式。

4 結束語

精密機械加工精度易受環境溫度的影響，不同精度等級的加工精度對應不同的溫度控制精度等級。一般精加工（如尺寸精度IT7及以上）采用舒適性空調車間即可滿足精度要求；精密加工的環境溫度一般要求為20℃±2℃；高精度或超精密加工則要求20℃±0.5～1℃。為滿足不同溫度控制等級，車間設計需綜合運用多種措施：

（1）工藝規劃應合理選擇工作制度，溫度控制精度等級相同的工段或班組集中布置，恒溫精度高的加工室盡量嵌套于恒溫精度要求較低的車內。

（2）車間總圖布置需盡量減少陽光直射，并遠離外部振源。

（3）車間圍護結構應具有良好的保溫性和密封性，并盡量少開窗；恒溫車間需設置門斗避免車間內外的氣流擾動。

（4）空調系統設計時應盡量減少空調負荷，根據恒溫精度選擇換氣次數。氣流組織以上送下回形式為宜。

參考文獻

[1]PEKLENIK J.Untersuchung der Genauigkeitsfragen in der automatisierten Fertigung [M]. Koln：Westeutscher Verlag，1961.

[2]閆占輝，曹毅.環境溫度分布特征及其對機床熱變形影響規律的分析[J].汽車工藝與材料，2001，10：39～41.

[3]張曙，張炳生，衛美紅.機床產品創新與設計[J].2013，4：37～41.