影響長(zhǎng)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(duì)于任何設(shè)備都很重要，尤其是長(zhǎng)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(guó)內(nèi)外各大知名機(jī)床廠商均對(duì)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(xiàng)精度得以實(shí)現(xiàn)。地錨等連接組件的設(shè)計(jì)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(jì)包括分布密度能滿足設(shè)備的強(qiáng)度要求。長(zhǎng)床身設(shè)備出現(xiàn)偏重力時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的杠桿力，這個(gè)力設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮進(jìn)去。因?yàn)殚L(zhǎng)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(huì)稍有區(qū)別，形狀特性上也不會(huì)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(shì)必對(duì)各節(jié)床身分別施以外力，在床身內(nèi)部就會(huì)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(duì)床身金屬特性的熟悉和掌控，過大的內(nèi)應(yīng)力會(huì)對(duì)設(shè)備長(zhǎng)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(zhǎng)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(qiáng)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(cè)量基準(zhǔn)的選擇，直接關(guān)系到整臺(tái)設(shè)備安裝找正找平質(zhì)量。安裝時(shí)測(cè)量基準(zhǔn)通常選在設(shè)備底座、機(jī)身、殼體、基座、床身、臺(tái)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(yùn)動(dòng)部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(yùn)行質(zhì)量。

（5）測(cè)量裝置的精度必須與被測(cè)量裝置的精度要求相適應(yīng)，否則達(dá)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(duì)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(cè)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(zhǎng)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(duì)床身精度的影響，從材料力學(xué)的相關(guān)知識(shí)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(jiǎn)單記為溫度每升高1 ℃鑄鐵床身將延長(zhǎng)0.01 mm/m。如20 m 的床身溫度每升高1 ℃，設(shè)備長(zhǎng)度方向增加0.2 mm，因?yàn)榇采肀还潭ㄔ诨A(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(huì)使床身向相對(duì)薄弱的方向伸展，多數(shù)會(huì)形成中鼓形狀以釋放溫升造成的伸長(zhǎng)量。

2 工程實(shí)例

2.1 施工項(xiàng)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(diǎn)：通用電氣水電設(shè)備（中國(guó)）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(tái)的設(shè)計(jì)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(tái)安裝調(diào)試、HMI 和報(bào)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(jī)調(diào)試、設(shè)備幾何精度檢測(cè)、設(shè)備動(dòng)態(tài)精度激光補(bǔ)償、設(shè)備驗(yàn)收。

2.2 施工過程

SKODA 設(shè)備總重500 t，床身長(zhǎng)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(zhǎng)床身設(shè)備。為了檢測(cè)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(cè)平板，調(diào)平后膠封調(diào)整螺釘，用來檢測(cè)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(gè)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(cè)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(cè)結(jié)果有很大改善（圖2）。

從測(cè)量圖形可以看出，要達(dá)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(dá)到0.08 mm，但整個(gè)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(jìn)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(huì)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(jìn)行專業(yè)驗(yàn)收，只對(duì)外觀形狀進(jìn)行了測(cè)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(cè)量雖然都是上午9 點(diǎn)左右，但2 次測(cè)量溫差＞5 ℃，影響測(cè)量結(jié)果。對(duì)此，計(jì)劃靜置20 d后重新精調(diào)床身精度。

圖1 3 月19 日絕對(duì)水平測(cè)量結(jié)果

圖2 3 月25 日絕對(duì)水平測(cè)量結(jié)果

圖3 直線度測(cè)量結(jié)果

2019 年5 月5 日開始對(duì)床身進(jìn)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(cè)量結(jié)果見圖4；5 月10 日8:30 床身測(cè)量結(jié)果見圖5；5 月10 日16:00 床身測(cè)量結(jié)果見圖6。可以看出隨著時(shí)間的不同，測(cè)量圖形有不同變化，由于只隔了一天時(shí)間，上午和下午測(cè)量變化最大的是溫度。

5 月12 日、14 日、16 日相同時(shí)間分別對(duì)床身進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示床身形變與當(dāng)天溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系不明顯。為進(jìn)一步驗(yàn)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(cè)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(cè)量床身精度。圖7 為5 月20 日和27 日SKODA主導(dǎo)軌直線度對(duì)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(cè)量過程中還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要現(xiàn)象，即床身自身存在溫差，并對(duì)床身變形起到重要作用。上午9:00 測(cè)量床身直線度時(shí)，用紅外測(cè)溫儀檢測(cè)床身各點(diǎn)溫度，發(fā)現(xiàn)規(guī)律很強(qiáng)，床身高800 mm，從下往溫差有4～5 ℃；下午3:00 再用測(cè)溫儀檢測(cè)溫差基本在1℃左右，對(duì)應(yīng)的結(jié)果是上午檢測(cè)的直線度圖形比下午檢測(cè)的結(jié)果差。國(guó)外進(jìn)口機(jī)床規(guī)定床身溫差≤1 ℃。

圖4 5 月9 日15:30 床身測(cè)量結(jié)果

圖5 5 月10 日8:30 床身測(cè)量結(jié)果

圖6 5 月10 日16:00 床身測(cè)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(gè)月的調(diào)試、觀察、分析得出，溫度對(duì)長(zhǎng)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(duì)設(shè)備加工精度有很高的要求，長(zhǎng)床身機(jī)床應(yīng)安裝在恒溫車間，否則無法保證設(shè)備的精度要求。