探索温度差对大型龙门镗铣床精度的影响

■上海中船三井造船柴油机有限公司　（201306）　方 磊

探索温度差对大型龙门镗铣床精度的影响

■上海中船三井造船柴油机有限公司（201306）方 磊

摘要：本文通过一系列试验，探索了温度变化与大型龙门镗铣床精度的关系，并运用理论计算，进一步论证了大型设备的工作台面、立柱因热胀冷缩产生形变时设备加工精度的变化规律。

热胀冷缩是绝大多数物质的自然特性，机械加工行业涉及的各种材料自然也不例外。随着温度的升高或降低，机床和工件的尺寸都会增大或减小。这些变化看似微小，但是对于大型设备来说，由于自身尺寸非常庞大，金属材料变形量被线性放大，对设备精度的影响是不容忽视的。

我公司配备了多台大型设备，用以加工各种船用大型零件。其中最大的一台工作台移动式龙门镗铣床工作台面长29m、宽6 m，机床总高1 6 m、总宽14m、全长达69m（见图1）。我们以该机床为研究对象，借此来研究温度差对大型机床精度的影响。

1. 温差对工作台的影响

在某些季节，同一天的温度变化非常大。如2013年8月5日，气象记录为31～40℃，温差达到了9℃。这种温差变化，对大型工作台移动式龙门镗铣床影响很大，随着温度的上升，床身中间会凸起，而温度降低时则正好相反。

我们在不同的季节，对29m龙铣的台面进行了平面度测量，结果由于温度的差异，测得的数据有较大差异（见图2）。

在图2 中，线1为2012年12月的实测工作台全行程的平面度变化趋势，当时气温与该机床安装时的温度相仿，故测得平面度较好。线2为2013年5月的实测值，当时气温约20℃，测得台面中部约0.15mm凸起。线3为2013年8月的某个中午，当时车间内气温高达为35℃，台面中部呈0.3mm凸起。

通过分析以上数据，我们可以清晰地看到不同气温下工作台面的变化程度，进而采取有效的手段予以规避，后文将讨论。

图1　大型龙门镗铣床

图2　不同季节台面全长平面度测量数据

图3

2. 温差对机床立柱的影响

对于大型龙门式镗铣床而言，由于床身很宽，两立柱跨度较大，所处环境可能存在一定差异。以我公司为例，由于一侧立柱靠近车间西侧墙壁，在盛夏季节，因落日前夕阳炙烤的缘故，车间西侧墙壁迅速升温，直接导致西侧立柱温度升高，导致整个龙门产生倾斜，Y轴精度下降（见图3）。

我们选择两个时间段对龙门倾斜的现象进行了测试，分别是西侧墙壁迅速升温的下午17时和车间东西侧温度差彻底消失的晚上21时。测试方法为将平铁用水平仪校平后，机床安装百分表动用Y轴测平铁水平，以达到映证Y轴精度的目的。

通过图4我们可以看到，下午17时测得数据显示平铁由东向西逐渐下陷，靠近西侧台面边缘处达到最大值为-0.06 mm。而事实上，平铁由水平仪校平，并没有下陷。出现此现象的直接原因是两侧立柱存在温度差，西侧立柱由于环境温度高，比东侧立柱更长，龙门出现倾斜，此时Y轴精度明显受到影响。

而晚上21时，所有数据误差均在0.02mm以内，说明当两侧立柱等温后，两立柱恢复等长，机床龙门倾斜的问题消失，机床的Y轴精度又恢复正常。

3. 理论计算

由温度差产生的线性热膨胀应用以下公式进行计算

式中，L为物体原本长度，ΔT为温度差，A为对应材料的热膨胀系数。

以29m长的铸铁工作台和10m高的立柱为例，以8月5日气温记录测算，当天的昼夜温差达到9℃，铸铁材料的热膨胀系数为9×10-6m/℃，则当日工作台和立柱的最大变形量分别计算如下：

工作台变形量

ΔL1=29×9×9×10-6=2.35 （mm）

立柱变形量

ΔL2=10×9×9×10-6=0.81 （mm）

如果两侧立柱温度相差2℃，则两立柱长度差

ΔL3=10×2×9×10-6=0.18 （mm）

通过理论计算，进一步映证了我们的实测数据，证实了温度差对大型龙门镗铣床的影响。

图4　不同时间Y轴测量数据

4. 如何减少温差对设备精度的影响

我们知道，热胀冷缩是自然规律，是物质不能改变的特性。想要减少温差对设备精度影响，建造恒温车间是很好的一个解决方案。但是由于恒温车间的建造、运营成本非常巨大，在国内重工业范围内应用并不多。在没有条件实现恒温生产的情况下，我们可以从侧面着手予以改善。

（1）工厂在规划设计时应着重考虑车间的隔热性能，通过在屋顶和墙体内大量运用隔热材料，可以提高车间的隔热性能。在昼夜温差很大的季节里，隔热性能好的车间，可以大大延缓温度变化的速度，减轻温差对设备精度的影响（见图5）。

（2）增加车间的通风能力。通过增添各种通风设备，尽量消除车间内温度差异，减少类似立柱不等高问题的发生。

（3）在成本可控的前提下，适当增加车间高度。在温度较高的夏季，由于太阳直射角度的原因，热量聚集在车间顶部，由上而下慢慢辐射。车间高度较高的话，由于空气容积增大，热辐射的效力会减弱。以我公司为例，新老车间由于高度不同，夏季实际温差可达到3℃（见图6、图7）。

图5　大量隔热材料的应用

图6　阳光直射进车间

图7　机床立柱受阳光直射

（4）车间的采光设计时应使用隔热性能好的毛玻璃，避免太阳光直射进入车间。

（5）在积累了大量数据，掌握了设备精度变化的规律后，对于加工精度要求非常高的产品，可以在编制数控程序时进行工艺补偿，提高加工精度。

（6）利用工作台较长的优势，舍弃精度不佳的区域，选择精度较好的工作台区域进行加工生产。

（7）在盛夏季节专门安排人员对机床进行维保，有针对性地对机床进行调整。

参考文献：

[1] 虞行国. 温差对设备及产品精度的影响[J]. 机械工人，2007 （11）：65-66.

收稿日期：（20140930）