對于控制機床基礎溫差變形措施的研究與分析

高 煥，高合作

(1.四川建筑職業技術學院，四川德陽 618000;2.德陽二重工業設計有限公司，四川德陽 618013)

本文的目的，就是根據多臺大型機床溫差變形測試資料，分析、研究溫差變形規律，提出一些有關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 對于金屬切削機床導軌與基礎溫差變形規律的研究與分析

1964年，第二重機廠與一機電安裝公司聯合組對10 臺大型金屬切削機床基礎的溫差變形進行了8個多月的測試工作。其中有一臺2 m×10 m 車床及一臺2 m×10 m 龍門刨床，是在專門搭設的試驗篷內進行加熱測試的，有8臺(1.25－1.6 m)×(8－10 m)車床，是在廠房內部室溫條件下測試的。10 臺試驗機床都是在設備安裝完成，并經幾次精平后，才進行導軌與基礎溫差變形測試。

分析測試資料，發現機床導軌與基礎，在機床與基礎自重及溫差作用下，其變形有以下規律。

(1)機床導軌與基礎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［3］中，有經過試驗組整理過的2 m×10 m機床中部導軌溫差變形曲線見圖1。

圖1 2×10 車床中部導軌溫度試驗曲線

(2)機床導軌及基礎的溫差變形量與機床基礎上下表面的溫差大小成直線變化。

因為金屬導軌溫差比較均勻，其溫差變形較小;基礎上下表面溫差較大，溫差變形也較大。在二者共同產生的變形中，由基礎產生的變形占主導地位。

(3)試驗組的研究結論是金屬切削機床導軌鉛直面內直線變化的關系為:

①車床類:以 頂尖距(或中心距)10 m為代表(導軌長12.0 m，基礎長15.8 m，基礎的厚度1.7 m，基礎上下表面夏天溫差12℃，冬天16.4℃)，平均溫度變化1℃，導軌全長變形量(上拱或下撓)為0.030～0.045 mm，折算導軌每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(導軌長21.0 m，基礎長23.7 m，基礎厚度1.6 m，基礎上下表面夏天溫差12℃，冬天14℃)，平均溫度變化1℃，導軌變形量為0.036～0.047 mm，折算導軌全長每1 m 變形量為0.0017～0.0022 mm。

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

2 機床基礎溫差變形與許可溫差估算式

根據機床溫差試驗資料，對廠房圍護建筑熱工設計需要的許可溫差值及計算機床基礎溫差變形需要的公式，推導如下。

(1)根據試驗資料［3］，假設機床導軌與機床基礎的溫差變形是相同的。

(2)自由放在地基上的機床與基礎，在外荷及溫差作用下，假設機床導軌與基礎的變形曲線類同二次拋物線。但是，其具體實測數值與自由梁的計算值是不同的。情況分析如下:

①自由放在地基上梁，在基礎上下表面溫差作用下，溫差變形計算簡圖如圖2。其變形曲線，類同以梁的“上凸點”及“下凹點”為原點的二次拋物線一樣。根據結構力學［1］理論，梁上任一點“K”的溫差變形為:

“K”點的變形差為:

式中:ω為梁的線膨脹系數=1×10－5;Δt為梁的上下表面溫度差;αk為梁上任一點的長度(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

根據式(1)、式(2)看出，機床導軌端部的變形差是最大的。具體計算結果見表1。

②機床導軌溫差變形試驗的實測結果，見表1。

③導軌實測變形、變形差與自由梁計算變形、變形差的相似關系:

試驗機床導軌變形實測數據與計算數據的對照見表1。

表1 機床導軌變形實測數據與計算數據的對照

實測曲線與自由梁計算曲線二者類似的主要原因，一方面，是因為自由放在地基上的梁，在地基和梁之間，沒有拉結，沒有約束，如果梁受到了溫差作用，梁就可以自由變形;另一個方面，由于機床與基礎在自重作用下產生的地基變形，在機床基礎溫差試驗前，就已經大部分提前完成了。而在溫差試驗時，當梁有溫差變形時，溫差變形就要和外部荷載變形相互干涉。當溫差自由變形向下時，外荷的變形不再增加;當溫差的自由變形向上時，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，由溫差產生梁的內力，較荷載產生梁的內力大，所以，在二者共同產生的變形中，溫差變形仍然是占主導地位的。

3 機床導軌每米變形與許可溫差的估算公式

機床導軌和基礎的變形，是由外荷分布與大小、溫差大小與方向、基礎剛度、基礎長度、基礎材料特性、地基剛度及機床剛度等多種因素決定的，情況比較復雜，要找出規律，是很困難的。

但是，由于機床實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、導軌長度、基礎厚度等均為直線關系。據此，為了近似估算需要，擬將機床導軌每米變形與導軌長度、基礎厚度、溫差大小和已經取得的導軌溫差變形試驗成果之間的關系連系起來，以機床導軌每1 m變形差等于自由梁變形差乘以相似系數的假設為條件，推導出不同導軌長度、不同基礎斷面厚度、不同溫差大小時，計算機床導軌溫差變形與許可溫差的估算公式。

3.1 安裝車床類機床的車間

3.1.1 機床導軌每1 m 溫差變形估算公式

3.1.2 機床導軌許可溫度差值估算公式

機床導軌許可溫差，是根據機床加工精度決定的。按照參考文獻［2］，普通精度車床導軌每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)夏天導軌的溫差許可值為:

(2)冬天導軌的許可溫度差值為:

對同一個車間，按上面公式進行估算，機床導軌每1 m的變形量及許可溫度差值，在夏天與冬天是不同的，在進行工程設計時，應根據具體情況，選用最不利的結果。

3.2 安裝龍門刨(銑)機床的車間

3.2.1 龍門刨(銑)床導軌每米溫差變形估算公式

3.2.2 龍門刨(銑)床導軌的許可溫度差估算公式

龍門刨(銑)床導軌許可溫差是 根據機床加工精度決定的。按照參考文獻［2］，普通精度龍門刨(銑)床導軌每米變形量允許［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)夏天的導軌許可溫度差估算公式為:

對同一個車間的機床，按上面公式估算其導軌每米變形量及許可溫度差值，在夏天與冬天是不同的，在進行工程設計時，應根據具體情況，選用最不利的結果。

4 減少機床導軌與基礎溫差變形的措施方法

(1)圍護建筑與機床基礎設計必須按照機床加工精度對機床導軌與基礎的許可變形要求進行設計。

在車間圍護建筑及機床基礎設計以前，工藝設計人員應該根據機床設備說明書對機床基礎的變形要求，提供設計任務書。土建設計人員再根據設計任務書的要求，以滿足機床加工精度為目標，進行車間圍護建筑的熱工設計與機床基礎的抗變形設計。但是，在實際工作中，是很難達到滿意結果的。

比如，德陽某公司金工車間安裝的17.0 m 數控龍門銑鏜床，是從德國進口的，按照德國瓦德里希可堡工廠的建議，車間溫度應在+17℃～+25℃之間;24 h 內車間溫度的上下只允許波動1℃;車間內部，沿高度方向，每5 m 的溫度梯度應小于1℃;機床基礎必須能夠隔絕外部熱原影響;基礎受力后，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，只有按照空調設計標準，進行車間圍護建筑及龍門銑鏜床基礎的工程設計。但是，在德陽某公司，車間已經建成，其面積很大，高度很高，體積龐大，如果要將其改造成空調車間，不論在技術上、經濟上，或當時的條件下，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計標準。因此，當該設備投產以后，由于機床導軌溫差變形過大，影響加工精度，迫使生產車間在冬季及夏季用多次重新調整機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，對上面的問題進行探討。該機床為高精度數控龍門銑鏜床，其機床導軌長度43.0 m，基礎長度46.0 m，基礎厚度6.0 m，用式(13)、式(14)計算、其導軌每米的許可溫差應為:

而在德陽地區，夏天在車間內部，基礎上下表面溫差.12℃左右，冬天基礎上下表面溫差16.4℃左右，均大于該基礎的許可值。

如果再按照式(9)、式(10)，估算導軌每米的變形差為:

均超出了加工精度的要求。

上面估算的結果說明:一方面，在冬、夏季節，基礎上下表面溫差過大，超出了機床加工精度的允許值，才逼迫車間不得不重新使用調整機床墊鐵的辦法，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，雖然結果是近似的，但是，估算結果還和客觀現象基本一致。是可以作為參考的。

(2)粗、精加工機床分開車間安裝，為便于工程設計，創造條件。

對需要安裝金屬切削機床的車間，在工藝設計時，首先應將粗、精車床分開，分別組合成專門的粗加工車間與精加工車間。在進行建筑設計時，根據粗加工車間與精加工車間對溫度變形的不同要求，進行熱工計算，分別做出不同的廠房圍護建筑設計，采用不同的隔熱與保溫措施。這樣，無論在技術上，或經濟上，都是可行的和可能的。德陽某公司，就是按照這個思路，在工藝與建筑設計上，分別建立了粗加工車間與精細加工車間，對于部分機械加工車間，在屋面及墻面上，分別采取了不同的措施設計，效果是較好的。

(3)對于個別高精度機床及計量儀器應該集中安裝在空調車間內。

個別精度要求較高的金屬切削機床和計量儀器，對溫差變形特別敏感，應該集中到一個小面積的房間內，根據設備或儀器許可溫度差值，按恒溫車間標準進行設計。德陽某公司，將磨齒機與計量儀器等設備儀器，集中到小房間，按恒溫房間要求，進行了工程設計，效果較好。

(4)設計地下空心、通氣的機床基礎結構，是減少溫差變形的好辦法。

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

(5)采用樁基加固機床基礎地基，是抵抗溫差變形的好措施。

對于大型，特別是超長型金屬切削機床基礎，一般基礎的厚度較大，除了采用空心的、通氣的空心地下基礎結構外，再采用不同類型的樁基，既加固了地基，又強化了機床導軌與機床基礎的連接，對于抵抗溫差自由變形，，減少基礎溫差變形，是一項很好的、必要的設計措施。四川德陽某公司在超長型機床基礎及多臺、大型組合機床基礎設計中，采用了這個做法，效果較好。

(6)對于機床基礎在機床安裝前，進行預壓，利于減少地基前期變形，穩定地基結構。

四川德陽某公司根據動力機器基礎設計規范［2］規定，對大型、地基剛度較差的機床基礎，在機床安裝以前，大部分進行了預壓，消除了部分基礎與地基的前期變形，減少了導軌與基礎的部分變形，對保證機床加工精度，起到了較好的作用。

(7)機床投產后，利用重新調整機床墊鐵的辦法，是解決機床導軌變形過大，影響加工精度，迫不得已的解決辦法

重新調整機床墊鐵的辦法，雖然會影響機床加工進度，損失經濟效益。但對于車間內部安裝了本來生產任務就不飽滿的個別機床，在進行工程設計時，需要提高工程設計標準就應該分別設計幾個不同的車間圍護建筑設計方案，分別做出投資消耗估算與生產損失估算，進行全面綜合經濟效益評價，擇優選用既能滿足機床加工精度，又有較好綜合經濟效益的設計方案。當投產以后，如果因為車間的設計標準低，個別機床精度達不到要求時，就可用重新調整墊鐵的辦法，解決個別機床的加工精度問題，以滿足生產需要。

［1］徐芝綸.結構力學補充教材(第二版)［M］.北京:人民教育出版社，1961

［2］第一機械工業部設計研究總院.動力機器基礎設計手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，1986

［3］第二重機廠、一機電安裝公司聯合調查研究與試驗組.關于機床變形調查研究與試驗報告［R］.1965