探索溫度差對(duì)大型龍門鏜銑床精度的影響

■上海中船三井造船柴油機(jī)有限公司　（201306）　方 磊

探索溫度差對(duì)大型龍門鏜銑床精度的影響

■上海中船三井造船柴油機(jī)有限公司（201306）方 磊

摘要：本文通過一系列試驗(yàn)，探索了溫度變化與大型龍門鏜銑床精度的關(guān)系，并運(yùn)用理論計(jì)算，進(jìn)一步論證了大型設(shè)備的工作臺(tái)面、立柱因熱脹冷縮產(chǎn)生形變時(shí)設(shè)備加工精度的變化規(guī)律。

熱脹冷縮是絕大多數(shù)物質(zhì)的自然特性，機(jī)械加工行業(yè)涉及的各種材料自然也不例外。隨著溫度的升高或降低，機(jī)床和工件的尺寸都會(huì)增大或減小。這些變化看似微小，但是對(duì)于大型設(shè)備來說，由于自身尺寸非常龐大，金屬材料變形量被線性放大，對(duì)設(shè)備精度的影響是不容忽視的。

我公司配備了多臺(tái)大型設(shè)備，用以加工各種船用大型零件。其中最大的一臺(tái)工作臺(tái)移動(dòng)式龍門鏜銑床工作臺(tái)面長29m、寬6 m，機(jī)床總高1 6 m、總寬14m、全長達(dá)69m（見圖1）。我們以該機(jī)床為研究對(duì)象，借此來研究溫度差對(duì)大型機(jī)床精度的影響。

1. 溫差對(duì)工作臺(tái)的影響

在某些季節(jié)，同一天的溫度變化非常大。如2013年8月5日，氣象記錄為31～40℃，溫差達(dá)到了9℃。這種溫差變化，對(duì)大型工作臺(tái)移動(dòng)式龍門鏜銑床影響很大，隨著溫度的上升，床身中間會(huì)凸起，而溫度降低時(shí)則正好相反。

我們?cè)诓煌募竟?jié)，對(duì)29m龍銑的臺(tái)面進(jìn)行了平面度測(cè)量，結(jié)果由于溫度的差異，測(cè)得的數(shù)據(jù)有較大差異（見圖2）。

在圖2 中，線1為2012年12月的實(shí)測(cè)工作臺(tái)全行程的平面度變化趨勢(shì)，當(dāng)時(shí)氣溫與該機(jī)床安裝時(shí)的溫度相仿，故測(cè)得平面度較好。線2為2013年5月的實(shí)測(cè)值，當(dāng)時(shí)氣溫約20℃，測(cè)得臺(tái)面中部約0.15mm凸起。線3為2013年8月的某個(gè)中午，當(dāng)時(shí)車間內(nèi)氣溫高達(dá)為35℃，臺(tái)面中部呈0.3mm凸起。

通過分析以上數(shù)據(jù)，我們可以清晰地看到不同氣溫下工作臺(tái)面的變化程度，進(jìn)而采取有效的手段予以規(guī)避，后文將討論。

圖1　大型龍門鏜銑床

圖2　不同季節(jié)臺(tái)面全長平面度測(cè)量數(shù)據(jù)

圖3

2. 溫差對(duì)機(jī)床立柱的影響

對(duì)于大型龍門式鏜銑床而言，由于床身很寬，兩立柱跨度較大，所處環(huán)境可能存在一定差異。以我公司為例，由于一側(cè)立柱靠近車間西側(cè)墻壁，在盛夏季節(jié)，因落日前夕陽炙烤的緣故，車間西側(cè)墻壁迅速升溫，直接導(dǎo)致西側(cè)立柱溫度升高，導(dǎo)致整個(gè)龍門產(chǎn)生傾斜，Y軸精度下降（見圖3）。

我們選擇兩個(gè)時(shí)間段對(duì)龍門傾斜的現(xiàn)象進(jìn)行了測(cè)試，分別是西側(cè)墻壁迅速升溫的下午17時(shí)和車間東西側(cè)溫度差徹底消失的晚上21時(shí)。測(cè)試方法為將平鐵用水平儀校平后，機(jī)床安裝百分表動(dòng)用Y軸測(cè)平鐵水平，以達(dá)到映證Y軸精度的目的。

通過圖4我們可以看到，下午17時(shí)測(cè)得數(shù)據(jù)顯示平鐵由東向西逐漸下陷，靠近西側(cè)臺(tái)面邊緣處達(dá)到最大值為-0.06 mm。而事實(shí)上，平鐵由水平儀校平，并沒有下陷。出現(xiàn)此現(xiàn)象的直接原因是兩側(cè)立柱存在溫度差，西側(cè)立柱由于環(huán)境溫度高，比東側(cè)立柱更長，龍門出現(xiàn)傾斜，此時(shí)Y軸精度明顯受到影響。

而晚上21時(shí)，所有數(shù)據(jù)誤差均在0.02mm以內(nèi)，說明當(dāng)兩側(cè)立柱等溫后，兩立柱恢復(fù)等長，機(jī)床龍門傾斜的問題消失，機(jī)床的Y軸精度又恢復(fù)正常。

3. 理論計(jì)算

由溫度差產(chǎn)生的線性熱膨脹應(yīng)用以下公式進(jìn)行計(jì)算

式中，L為物體原本長度，ΔT為溫度差，A為對(duì)應(yīng)材料的熱膨脹系數(shù)。

以29m長的鑄鐵工作臺(tái)和10m高的立柱為例，以8月5日氣溫記錄測(cè)算，當(dāng)天的晝夜溫差達(dá)到9℃，鑄鐵材料的熱膨脹系數(shù)為9×10-6m/℃，則當(dāng)日工作臺(tái)和立柱的最大變形量分別計(jì)算如下：

工作臺(tái)變形量

ΔL1=29×9×9×10-6=2.35 （mm）

立柱變形量

ΔL2=10×9×9×10-6=0.81 （mm）

如果兩側(cè)立柱溫度相差2℃，則兩立柱長度差

ΔL3=10×2×9×10-6=0.18 （mm）

通過理論計(jì)算，進(jìn)一步映證了我們的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，證實(shí)了溫度差對(duì)大型龍門鏜銑床的影響。

圖4　不同時(shí)間Y軸測(cè)量數(shù)據(jù)

4. 如何減少溫差對(duì)設(shè)備精度的影響

我們知道，熱脹冷縮是自然規(guī)律，是物質(zhì)不能改變的特性。想要減少溫差對(duì)設(shè)備精度影響，建造恒溫車間是很好的一個(gè)解決方案。但是由于恒溫車間的建造、運(yùn)營成本非常巨大，在國內(nèi)重工業(yè)范圍內(nèi)應(yīng)用并不多。在沒有條件實(shí)現(xiàn)恒溫生產(chǎn)的情況下，我們可以從側(cè)面著手予以改善。

（1）工廠在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮車間的隔熱性能，通過在屋頂和墻體內(nèi)大量運(yùn)用隔熱材料，可以提高車間的隔熱性能。在晝夜溫差很大的季節(jié)里，隔熱性能好的車間，可以大大延緩溫度變化的速度，減輕溫差對(duì)設(shè)備精度的影響（見圖5）。

（2）增加車間的通風(fēng)能力。通過增添各種通風(fēng)設(shè)備，盡量消除車間內(nèi)溫度差異，減少類似立柱不等高問題的發(fā)生。

（3）在成本可控的前提下，適當(dāng)增加車間高度。在溫度較高的夏季，由于太陽直射角度的原因，熱量聚集在車間頂部，由上而下慢慢輻射。車間高度較高的話，由于空氣容積增大，熱輻射的效力會(huì)減弱。以我公司為例，新老車間由于高度不同，夏季實(shí)際溫差可達(dá)到3℃（見圖6、圖7）。

圖5　大量隔熱材料的應(yīng)用

圖6　陽光直射進(jìn)車間

圖7　機(jī)床立柱受陽光直射

（4）車間的采光設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使用隔熱性能好的毛玻璃，避免太陽光直射進(jìn)入車間。

（5）在積累了大量數(shù)據(jù)，掌握了設(shè)備精度變化的規(guī)律后，對(duì)于加工精度要求非常高的產(chǎn)品，可以在編制數(shù)控程序時(shí)進(jìn)行工藝補(bǔ)償，提高加工精度。

（6）利用工作臺(tái)較長的優(yōu)勢(shì)，舍棄精度不佳的區(qū)域，選擇精度較好的工作臺(tái)區(qū)域進(jìn)行加工生產(chǎn)。

（7）在盛夏季節(jié)專門安排人員對(duì)機(jī)床進(jìn)行維保，有針對(duì)性地對(duì)機(jī)床進(jìn)行調(diào)整。

參考文獻(xiàn)：

[1] 虞行國. 溫差對(duì)設(shè)備及產(chǎn)品精度的影響[J]. 機(jī)械工人，2007 （11）：65-66.

收稿日期：（20140930）