高 煥，高合作

(1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽 618000;2.德陽二重工業(yè)設(shè)計(jì)有限公司，四川德陽 618013)

本文的目的，就是根據(jù)多臺(tái)大型機(jī)床溫差變形測試資料，分析、研究溫差變形規(guī)律，提出一些有關(guān)估算溫差變形與許可溫差的近似公式及減少溫差變形的措施方法。

1 對(duì)于金屬切削機(jī)床導(dǎo)軌與基礎(chǔ)溫差變形規(guī)律的研究與分析

1964年，第二重機(jī)廠與一機(jī)電安裝公司聯(lián)合組對(duì)10 臺(tái)大型金屬切削機(jī)床基礎(chǔ)的溫差變形進(jìn)行了8個(gè)多月的測試工作。其中有一臺(tái)2 m×10 m 車床及一臺(tái)2 m×10 m 龍門刨床，是在專門搭設(shè)的試驗(yàn)篷內(nèi)進(jìn)行加熱測試的，有8臺(tái)(1.25－1.6 m)×(8－10 m)車床，是在廠房內(nèi)部室溫條件下測試的。10 臺(tái)試驗(yàn)機(jī)床都是在設(shè)備安裝完成，并經(jīng)幾次精平后，才進(jìn)行導(dǎo)軌與基礎(chǔ)溫差變形測試。

分析測試資料，發(fā)現(xiàn)機(jī)床導(dǎo)軌與基礎(chǔ)，在機(jī)床與基礎(chǔ)自重及溫差作用下，其變形有以下規(guī)律。

(1)機(jī)床導(dǎo)軌與基礎(chǔ)用地腳螺栓連在一起，二者的變形基本一致，其變形曲線，一般類同二次拋物線形狀。在文獻(xiàn)［3］中，有經(jīng)過試驗(yàn)組整理過的2 m×10 m機(jī)床中部導(dǎo)軌溫差變形曲線見圖1。

圖1 2×10 車床中部導(dǎo)軌溫度試驗(yàn)曲線

(2)機(jī)床導(dǎo)軌及基礎(chǔ)的溫差變形量與機(jī)床基礎(chǔ)上下表面的溫差大小成直線變化。

因?yàn)榻饘賹?dǎo)軌溫差比較均勻，其溫差變形較小;基礎(chǔ)上下表面溫差較大，溫差變形也較大。在二者共同產(chǎn)生的變形中，由基礎(chǔ)產(chǎn)生的變形占主導(dǎo)地位。

(3)試驗(yàn)組的研究結(jié)論是金屬切削機(jī)床導(dǎo)軌鉛直面內(nèi)直線變化的關(guān)系為:

①車床類:以 頂尖距(或中心距)10 m為代表(導(dǎo)軌長12.0 m，基礎(chǔ)長15.8 m，基礎(chǔ)的厚度1.7 m，基礎(chǔ)上下表面夏天溫差12℃，冬天16.4℃)，平均溫度變化1℃，導(dǎo)軌全長變形量(上拱或下?lián)?為0.030～0.045 mm，折算導(dǎo)軌每1 m 的變形量為0.0025～0.0038 mm。

②龍門刨床類(包括龍門銑):以行程10 m為代表(導(dǎo)軌長21.0 m，基礎(chǔ)長23.7 m，基礎(chǔ)厚度1.6 m，基礎(chǔ)上下表面夏天溫差12℃，冬天14℃)，平均溫度變化1℃，導(dǎo)軌變形量為0.036～0.047 mm，折算導(dǎo)軌全長每1 m 變形量為0.0017～0.0022 mm。

(上文，導(dǎo)軌每1 m 的變形量，是按導(dǎo)軌全長計(jì)算的，后文估算公式中使用的導(dǎo)軌每1 m 的變形量，是按導(dǎo)軌半長進(jìn)行計(jì)算的)

2 機(jī)床基礎(chǔ)溫差變形與許可溫差估算式

根據(jù)機(jī)床溫差試驗(yàn)資料，對(duì)廠房圍護(hù)建筑熱工設(shè)計(jì)需要的許可溫差值及計(jì)算機(jī)床基礎(chǔ)溫差變形需要的公式，推導(dǎo)如下。

(1)根據(jù)試驗(yàn)資料［3］，假設(shè)機(jī)床導(dǎo)軌與機(jī)床基礎(chǔ)的溫差變形是相同的。

(2)自由放在地基上的機(jī)床與基礎(chǔ)，在外荷及溫差作用下，假設(shè)機(jī)床導(dǎo)軌與基礎(chǔ)的變形曲線類同二次拋物線。但是，其具體實(shí)測數(shù)值與自由梁的計(jì)算值是不同的。情況分析如下:

①自由放在地基上梁，在基礎(chǔ)上下表面溫差作用下，溫差變形計(jì)算簡圖如圖2。其變形曲線，類同以梁的“上凸點(diǎn)”及“下凹點(diǎn)”為原點(diǎn)的二次拋物線一樣。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)［1］理論，梁上任一點(diǎn)“K”的溫差變形為:

“K”點(diǎn)的變形差為:

式中:ω為梁的線膨脹系數(shù)=1×10－5;Δt為梁的上下表面溫度差;αk為梁上任一點(diǎn)的長度(m);h為梁的厚度(高度)(m)。

圖2 自由放在地基上梁的溫差變形曲線

根據(jù)式(1)、式(2)看出，機(jī)床導(dǎo)軌端部的變形差是最大的。具體計(jì)算結(jié)果見表1。

②機(jī)床導(dǎo)軌溫差變形試驗(yàn)的實(shí)測結(jié)果，見表1。

③導(dǎo)軌實(shí)測變形、變形差與自由梁計(jì)算變形、變形差的相似關(guān)系:

試驗(yàn)機(jī)床導(dǎo)軌變形實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)照見表1。

表1 機(jī)床導(dǎo)軌變形實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)照

實(shí)測曲線與自由梁計(jì)算曲線二者類似的主要原因，一方面，是因?yàn)樽杂煞旁诘鼗系牧?，在地基和梁之間，沒有拉結(jié)，沒有約束，如果梁受到了溫差作用，梁就可以自由變形;另一個(gè)方面，由于機(jī)床與基礎(chǔ)在自重作用下產(chǎn)生的地基變形，在機(jī)床基礎(chǔ)溫差試驗(yàn)前，就已經(jīng)大部分提前完成了。而在溫差試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)梁有溫差變形時(shí)，溫差變形就要和外部荷載變形相互干涉。當(dāng)溫差自由變形向下時(shí)，外荷的變形不再增加;當(dāng)溫差的自由變形向上時(shí)，溫差變形就要受到外荷的約束，不能自由變化。但是，在一般情況下，由溫差產(chǎn)生梁的內(nèi)力，較荷載產(chǎn)生梁的內(nèi)力大，所以，在二者共同產(chǎn)生的變形中，溫差變形仍然是占主導(dǎo)地位的。

3 機(jī)床導(dǎo)軌每米變形與許可溫差的估算公式

機(jī)床導(dǎo)軌和基礎(chǔ)的變形，是由外荷分布與大小、溫差大小與方向、基礎(chǔ)剛度、基礎(chǔ)長度、基礎(chǔ)材料特性、地基剛度及機(jī)床剛度等多種因素決定的，情況比較復(fù)雜，要找出規(guī)律，是很困難的。

但是，由于機(jī)床實(shí)測變形曲線類同二次拋物線，而二次拋物線的式(2)中，其變形差和溫差、導(dǎo)軌長度、基礎(chǔ)厚度等均為直線關(guān)系。據(jù)此，為了近似估算需要，擬將機(jī)床導(dǎo)軌每米變形與導(dǎo)軌長度、基礎(chǔ)厚度、溫差大小和已經(jīng)取得的導(dǎo)軌溫差變形試驗(yàn)成果之間的關(guān)系連系起來，以機(jī)床導(dǎo)軌每1 m變形差等于自由梁變形差乘以相似系數(shù)的假設(shè)為條件，推導(dǎo)出不同導(dǎo)軌長度、不同基礎(chǔ)斷面厚度、不同溫差大小時(shí)，計(jì)算機(jī)床導(dǎo)軌溫差變形與許可溫差的估算公式。

3.1 安裝車床類機(jī)床的車間

3.1.1 機(jī)床導(dǎo)軌每1 m 溫差變形估算公式

3.1.2 機(jī)床導(dǎo)軌許可溫度差值估算公式

機(jī)床導(dǎo)軌許可溫差，是根據(jù)機(jī)床加工精度決定的。按照參考文獻(xiàn)［2］，普通精度車床導(dǎo)軌每1 m 變形量允許［ΔYPD］= 0.02 mm/m=2×10－5mm/mm;高精度車床［ΔYGD］= 0.01 mm/m=1×10－5mm/mm 。

(1)夏天導(dǎo)軌的溫差許可值為:

(2)冬天導(dǎo)軌的許可溫度差值為:

對(duì)同一個(gè)車間，按上面公式進(jìn)行估算，機(jī)床導(dǎo)軌每1 m的變形量及許可溫度差值，在夏天與冬天是不同的，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況，選用最不利的結(jié)果。

3.2 安裝龍門刨(銑)機(jī)床的車間

3.2.1 龍門刨(銑)床導(dǎo)軌每米溫差變形估算公式

3.2.2 龍門刨(銑)床導(dǎo)軌的許可溫度差估算公式

龍門刨(銑)床導(dǎo)軌許可溫差是 根據(jù)機(jī)床加工精度決定的。按照參考文獻(xiàn)［2］，普通精度龍門刨(銑)床導(dǎo)軌每米變形量允許［ΔYPD］= 0.02 mm/mm=2×10－5mm/mm;高精度龍門刨(銑)車床［ΔYGD］=0.01 mm/m=1×10－5mm/mm

(1)夏天的導(dǎo)軌許可溫度差估算公式為:

對(duì)同一個(gè)車間的機(jī)床，按上面公式估算其導(dǎo)軌每米變形量及許可溫度差值，在夏天與冬天是不同的，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況，選用最不利的結(jié)果。

4 減少機(jī)床導(dǎo)軌與基礎(chǔ)溫差變形的措施方法

(1)圍護(hù)建筑與機(jī)床基礎(chǔ)設(shè)計(jì)必須按照機(jī)床加工精度對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌與基礎(chǔ)的許可變形要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在車間圍護(hù)建筑及機(jī)床基礎(chǔ)設(shè)計(jì)以前，工藝設(shè)計(jì)人員應(yīng)該根據(jù)機(jī)床設(shè)備說明書對(duì)機(jī)床基礎(chǔ)的變形要求，提供設(shè)計(jì)任務(wù)書。土建設(shè)計(jì)人員再根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，以滿足機(jī)床加工精度為目標(biāo)，進(jìn)行車間圍護(hù)建筑的熱工設(shè)計(jì)與機(jī)床基礎(chǔ)的抗變形設(shè)計(jì)。但是，在實(shí)際工作中，是很難達(dá)到滿意結(jié)果的。

比如，德陽某公司金工車間安裝的17.0 m 數(shù)控龍門銑鏜床，是從德國進(jìn)口的，按照德國瓦德里?？杀すS的建議，車間溫度應(yīng)在+17℃～+25℃之間;24 h 內(nèi)車間溫度的上下只允許波動(dòng)1℃;車間內(nèi)部，沿高度方向，每5 m 的溫度梯度應(yīng)小于1℃;機(jī)床基礎(chǔ)必須能夠隔絕外部熱原影響;基礎(chǔ)受力后，其平整度、直線性、和角精度等，在縱向和橫向每米的最大變形差，只允許小于0.01 mm/m(1×10－5mm/mm)……要滿足上述建議要求，只有按照空調(diào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行車間圍護(hù)建筑及龍門銑鏜床基礎(chǔ)的工程設(shè)計(jì)。但是，在德陽某公司，車間已經(jīng)建成，其面積很大，高度很高，體積龐大，如果要將其改造成空調(diào)車間，不論在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上，或當(dāng)時(shí)的條件下，都是很難做到的。在不得已的情況下，只能做出條件允許的抉擇，也就是只有降低了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，當(dāng)該設(shè)備投產(chǎn)以后，由于機(jī)床導(dǎo)軌溫差變形過大，影響加工精度，迫使生產(chǎn)車間在冬季及夏季用多次重新調(diào)整機(jī)床墊鐵的辦法滿足加工精度問題。

下面，用本文提出的估算公式，對(duì)上面的問題進(jìn)行探討。該機(jī)床為高精度數(shù)控龍門銑鏜床，其機(jī)床導(dǎo)軌長度43.0 m，基礎(chǔ)長度46.0 m，基礎(chǔ)厚度6.0 m，用式(13)、式(14)計(jì)算、其導(dǎo)軌每米的許可溫差應(yīng)為:

而在德陽地區(qū)，夏天在車間內(nèi)部，基礎(chǔ)上下表面溫差.12℃左右，冬天基礎(chǔ)上下表面溫差16.4℃左右，均大于該基礎(chǔ)的許可值。

如果再按照式(9)、式(10)，估算導(dǎo)軌每米的變形差為:

均超出了加工精度的要求。

上面估算的結(jié)果說明:一方面，在冬、夏季節(jié)，基礎(chǔ)上下表面溫差過大，超出了機(jī)床加工精度的允許值，才逼迫車間不得不重新使用調(diào)整機(jī)床墊鐵的辦法，以解決加工精度問題;另一方面也說明，本文提出的估算公式，雖然結(jié)果是近似的，但是，估算結(jié)果還和客觀現(xiàn)象基本一致。是可以作為參考的。

(2)粗、精加工機(jī)床分開車間安裝，為便于工程設(shè)計(jì)，創(chuàng)造條件。

對(duì)需要安裝金屬切削機(jī)床的車間，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)將粗、精車床分開，分別組合成專門的粗加工車間與精加工車間。在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)粗加工車間與精加工車間對(duì)溫度變形的不同要求，進(jìn)行熱工計(jì)算，分別做出不同的廠房圍護(hù)建筑設(shè)計(jì)，采用不同的隔熱與保溫措施。這樣，無論在技術(shù)上，或經(jīng)濟(jì)上，都是可行的和可能的。德陽某公司，就是按照這個(gè)思路，在工藝與建筑設(shè)計(jì)上，分別建立了粗加工車間與精細(xì)加工車間，對(duì)于部分機(jī)械加工車間，在屋面及墻面上，分別采取了不同的措施設(shè)計(jì)，效果是較好的。

(3)對(duì)于個(gè)別高精度機(jī)床及計(jì)量儀器應(yīng)該集中安裝在空調(diào)車間內(nèi)。

個(gè)別精度要求較高的金屬切削機(jī)床和計(jì)量儀器，對(duì)溫差變形特別敏感，應(yīng)該集中到一個(gè)小面積的房間內(nèi)，根據(jù)設(shè)備或儀器許可溫度差值，按恒溫車間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。德陽某公司，將磨齒機(jī)與計(jì)量儀器等設(shè)備儀器，集中到小房間，按恒溫房間要求，進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)，效果較好。

(4)設(shè)計(jì)地下空心、通氣的機(jī)床基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，是減少溫差變形的好辦法。

對(duì)大型組合機(jī)床基礎(chǔ)，尤其是超長型的金屬切削機(jī)床基礎(chǔ)，一般基礎(chǔ)的厚度較大。四川德陽某公司，分別採用了能夠通氣的，地下空心基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，對(duì)于減少由于基礎(chǔ)上下表面溫差過大，機(jī)床導(dǎo)軌與基礎(chǔ)溫差變形較大，影響機(jī)床加工精度，起到了很好的作用。

(5)采用樁基加固機(jī)床基礎(chǔ)地基，是抵抗溫差變形的好措施。

對(duì)于大型，特別是超長型金屬切削機(jī)床基礎(chǔ)，一般基礎(chǔ)的厚度較大，除了采用空心的、通氣的空心地下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外，再采用不同類型的樁基，既加固了地基，又強(qiáng)化了機(jī)床導(dǎo)軌與機(jī)床基礎(chǔ)的連接，對(duì)于抵抗溫差自由變形，，減少基礎(chǔ)溫差變形，是一項(xiàng)很好的、必要的設(shè)計(jì)措施。四川德陽某公司在超長型機(jī)床基礎(chǔ)及多臺(tái)、大型組合機(jī)床基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，采用了這個(gè)做法，效果較好。

(6)對(duì)于機(jī)床基礎(chǔ)在機(jī)床安裝前，進(jìn)行預(yù)壓，利于減少地基前期變形，穩(wěn)定地基結(jié)構(gòu)。

四川德陽某公司根據(jù)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［2］規(guī)定，對(duì)大型、地基剛度較差的機(jī)床基礎(chǔ)，在機(jī)床安裝以前，大部分進(jìn)行了預(yù)壓，消除了部分基礎(chǔ)與地基的前期變形，減少了導(dǎo)軌與基礎(chǔ)的部分變形，對(duì)保證機(jī)床加工精度，起到了較好的作用。

(7)機(jī)床投產(chǎn)后，利用重新調(diào)整機(jī)床墊鐵的辦法，是解決機(jī)床導(dǎo)軌變形過大，影響加工精度，迫不得已的解決辦法

重新調(diào)整機(jī)床墊鐵的辦法，雖然會(huì)影響機(jī)床加工進(jìn)度，損失經(jīng)濟(jì)效益。但對(duì)于車間內(nèi)部安裝了本來生產(chǎn)任務(wù)就不飽滿的個(gè)別機(jī)床，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要提高工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)就應(yīng)該分別設(shè)計(jì)幾個(gè)不同的車間圍護(hù)建筑設(shè)計(jì)方案，分別做出投資消耗估算與生產(chǎn)損失估算，進(jìn)行全面綜合經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)，擇優(yōu)選用既能滿足機(jī)床加工精度，又有較好綜合經(jīng)濟(jì)效益的設(shè)計(jì)方案。當(dāng)投產(chǎn)以后，如果因?yàn)檐囬g的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，個(gè)別機(jī)床精度達(dá)不到要求時(shí)，就可用重新調(diào)整墊鐵的辦法，解決個(gè)別機(jī)床的加工精度問題，以滿足生產(chǎn)需要。

［1］徐芝綸.結(jié)構(gòu)力學(xué)補(bǔ)充教材(第二版)［M］.北京:人民教育出版社，1961

［2］第一機(jī)械工業(yè)部設(shè)計(jì)研究總院.動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1986

［3］第二重機(jī)廠、一機(jī)電安裝公司聯(lián)合調(diào)查研究與試驗(yàn)組.關(guān)于機(jī)床變形調(diào)查研究與試驗(yàn)報(bào)告［R］.1965