影響長床身安裝精度的主要因素

張衛(wèi)寧

（北京卓眾出版有限公司，北京 100083）

0 引言

設(shè)備基礎(chǔ)的合理構(gòu)建對于任何設(shè)備都很重要，尤其是長床身設(shè)備的水平精度是保證高精度加工生產(chǎn)的先決條件。國內(nèi)外各大知名機床廠商均對設(shè)備基礎(chǔ)構(gòu)建有明確指標(biāo)要求，以保證設(shè)備的各項精度得以實現(xiàn)。地錨等連接組件的設(shè)計生產(chǎn)要根據(jù)設(shè)備的體量、加工要求不同而有所區(qū)別，但首先材料的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計包括分布密度能滿足設(shè)備的強度要求。長床身設(shè)備出現(xiàn)偏重力時會產(chǎn)生較大的杠桿力，這個力設(shè)計時必須考慮進去。因為長床身一般由幾節(jié)床身拼湊而成，各節(jié)床身的外形尺寸會稍有區(qū)別，形狀特性上也不會完全一致，這就決定幾節(jié)床身拼在一起要想滿足幾何精度的統(tǒng)一要求，勢必對各節(jié)床身分別施以外力，在床身內(nèi)部就會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力可以通過合理的調(diào)試手法部分化解或相互抵消，這源自調(diào)試人員在反復(fù)調(diào)試過程中對床身金屬特性的熟悉和掌控，過大的內(nèi)應(yīng)力會對設(shè)備長期的精度保持產(chǎn)生不良影響，在保證床身幾何精度的前提下，調(diào)試應(yīng)遵循內(nèi)應(yīng)力越小越好的原則。

1 影響長床身安裝精度的主要因素

（1）基礎(chǔ)的施工質(zhì)量（精度）。包括基礎(chǔ)的外形幾何尺寸、位置、不同平面的標(biāo)高、上平面的平整度和與水平面的平行度偏差；基礎(chǔ)的強度、剛度、沉降量、傾斜度及抗振性能等。

（2）墊鐵、地腳螺栓的質(zhì)量（精度）。包括墊鐵本身的質(zhì)量、墊鐵的接觸質(zhì)量、地腳螺栓與水平面的垂直度、二次灌漿質(zhì)量、墊鐵的壓緊程度及地腳螺栓的緊固力矩等。

（3）設(shè)備測量基準(zhǔn)的選擇，直接關(guān)系到整臺設(shè)備安裝找正找平質(zhì)量。安裝時測量基準(zhǔn)通常選在設(shè)備底座、機身、殼體、基座、床身、臺板、基礎(chǔ)板等加工面上。

（4）散裝設(shè)備的裝配精度，包括各運動部件之間的相對運動精度，配合面之間的配合精度和接觸質(zhì)量，都將直接影響設(shè)備的運行質(zhì)量。

（5）測量裝置的精度必須與被測量裝置的精度要求相適應(yīng)，否則達不到質(zhì)量要求。

（6）設(shè)備內(nèi)應(yīng)力的影響。設(shè)備制造安裝過程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力將使設(shè)備產(chǎn)生變形而影響設(shè)備的安裝精度。因此，在設(shè)備制造安裝過程中應(yīng)采取防止設(shè)備產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的技術(shù)措施。

（7）溫度的變化對設(shè)備基礎(chǔ)和設(shè)備本身的影響很大（包括基礎(chǔ)、設(shè)備和測量裝置），尤其是大型精密設(shè)備。

（8）操作者的技術(shù)水平及操作產(chǎn)生的誤差。操作誤差不可避免，關(guān)鍵是將操作誤差控制在允許范圍內(nèi)，這里有操作者技術(shù)水平和責(zé)任心問題。

影響長床身安裝精度的其他因素，包括設(shè)備基礎(chǔ)的合理構(gòu)建，地錨等連接組件的材料質(zhì)量，安裝調(diào)試產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，環(huán)境溫度是否穩(wěn)定，操作者的技術(shù)水平等。其中環(huán)境溫度對床身精度的影響，從材料力學(xué)的相關(guān)知識可知，鑄鐵材料（床身的主要材料）的熱膨脹系數(shù)是（9.2～11.8）×10-6/℃。簡單記為溫度每升高1℃鑄鐵床身將延長0.01 mm/m。如20 m的床身溫度每升高1℃，設(shè)備長度方向增加0.2 mm，因為床身被固定在基礎(chǔ)上（水泥基礎(chǔ)的熱膨脹系數(shù)很低，在正常的溫度變化范圍內(nèi)默認(rèn)為沒有熱變形）無法伸縮，由此產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會使床身向相對薄弱的方向伸展，多數(shù)會形成中鼓形狀以釋放溫升造成的伸長量。

2 工程實例

2.1 施工項目

（1）工程名稱：GE天津SKODA HCW3-250NC＆IOV350數(shù)控設(shè)備安裝改造

（2）施工地點：通用電氣水電設(shè)備（中國）有限公司

（3）施工內(nèi)容：SKODA HCW3-250NC＆IOV350鏜床設(shè)備拆箱、零部件檢查、就位安裝、電源改造、新增鑄鐵平臺的設(shè)計制造安調(diào)、液壓系統(tǒng)清洗改造、操作間改造、排削器改造、武重轉(zhuǎn)臺安裝調(diào)試、HMI和報警頁面的漢化、水冷系統(tǒng)改造、HT2手持單元改造、安裝調(diào)試鐳尼紹RMP60探頭、整機調(diào)試、設(shè)備幾何精度檢測、設(shè)備動態(tài)精度激光補償、設(shè)備驗收。

2.2 施工過程

SKODA設(shè)備總重500 t，床身長29 m，由5節(jié)床身組成，4節(jié)6 m床身和1節(jié)5 m床身，屬于典型的長床身設(shè)備。為了檢測地基的穩(wěn)定情況，在床身旁與地基相連6 m等距預(yù)埋5塊檢測平板，調(diào)平后膠封調(diào)整螺釘，用來檢測地基變化情況。

2019年2月12日，設(shè)備床身地腳灌漿完畢，開始精調(diào)，床身共有58個地腳墊鐵，經(jīng)過20 d的床身調(diào)整基本接近公差要求。3月19日精調(diào)過程中檢測的結(jié)果不理想（圖1），又經(jīng)過6 d的調(diào)整，3月25日檢測結(jié)果有很大改善（圖2）。

從測量圖形可以看出，要達到全程0.08 mm的直線度，在中間鼓起位置向下壓緊螺栓就可以改善，經(jīng)過10 d局部精調(diào)，直線度得到很大的改善，達到0.08 mm，但整個圖形向下傾斜0.75 mm（圖3）。原因分析：基礎(chǔ)建完后放置30 d，其間應(yīng)進行1.5倍設(shè)備重量（700 t）的預(yù)壓，受條件所限只壓了100 t左右的重物，因此當(dāng)把150 t的床身放到基礎(chǔ)之上后，基礎(chǔ)會有一定的不穩(wěn)定，不穩(wěn)定的程度很難界定，由于基礎(chǔ)施工也沒有進行專業(yè)驗收，只對外觀形狀進行了測量，這些不確定因素都為日后的設(shè)備安裝調(diào)試及使用帶來隱患。此外，春天溫度變化比較大，2次測量雖然都是上午9點左右，但2次測量溫差＞5℃，影響測量結(jié)果。對此，計劃靜置20 d后重新精調(diào)床身精度。

圖1 3月19日絕對水平測量結(jié)果

圖2 3月25日絕對水平測量結(jié)果

圖3 直線度測量結(jié)果

2019年5月5日開始對床身進行為期4天的最后精調(diào)，取得了重大突破。5月9日15:30床身測量結(jié)果見圖4；5月10日8:30床身測量結(jié)果見圖5；5月10日16:00床身測量結(jié)果見圖6。可以看出隨著時間的不同，測量圖形有不同變化，由于只隔了一天時間，上午和下午測量變化最大的是溫度。

5月12日、14日、16日相同時間分別對床身進行檢測，結(jié)果顯示床身形變與當(dāng)天溫度的對應(yīng)關(guān)系不明顯。為進一步驗證床身變形是否隨溫度的變化最為明顯，5月20日上午9:00測量床身精度。5月27日氣溫26℃，比5月20日高3℃，上午9:00重新測量床身精度。圖7為5月20日和27日SKODA主導(dǎo)軌直線度對比情況，可以看出環(huán)境溫度升高導(dǎo)致床身形變加大。

在測量過程中還發(fā)現(xiàn)了一個重要現(xiàn)象，即床身自身存在溫差，并對床身變形起到重要作用。上午9:00測量床身直線度時，用紅外測溫儀檢測床身各點溫度，發(fā)現(xiàn)規(guī)律很強，床身高800 mm，從下往溫差有4～5℃；下午3:00再用測溫儀檢測溫差基本在1℃左右，對應(yīng)的結(jié)果是上午檢測的直線度圖形比下午檢測的結(jié)果差。國外進口機床規(guī)定床身溫差≤1℃。

圖4 5月9日15:30床身測量結(jié)果

圖5 5月10日8:30床身測量結(jié)果

圖6 5月10日16:00床身測量結(jié)果

圖7 5月20日、27日SKODA主導(dǎo)軌直線度

3 結(jié)語

經(jīng)過近一個月的調(diào)試、觀察、分析得出，溫度對長床身精度的影響很大，在使用環(huán)境惡劣的情況下，往往起著決定性作用。如果對設(shè)備加工精度有很高的要求，長床身機床應(yīng)安裝在恒溫車間，否則無法保證設(shè)備的精度要求。