機(jī)械加工車(chē)間的溫度影響與控制

1、機(jī)械加工車(chē)間的溫度影響與控制摘 要：精密機(jī)械加工過(guò)程中環(huán)境溫度對(duì)機(jī)床和工件 的熱變形有不可忽視的影響，為滿足不同加工精度的溫度控 制要求，空調(diào)車(chē)間設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在工藝規(guī)劃、總圖布置、土建、 空調(diào)系統(tǒng)等方面采取的溫度控制措施。關(guān)鍵詞：機(jī)械加工；環(huán)境溫度；溫度控制；空調(diào)車(chē)間 機(jī)械加工過(guò)程中，工藝系統(tǒng)受切削熱、摩擦熱等內(nèi)部熱 源的影響，同時(shí)與外部環(huán)境進(jìn)行著熱量交換。特別是精密加 工，外部環(huán)境溫度成為影響加工精度的重要因素。車(chē)間設(shè)計(jì) 師應(yīng)結(jié)合環(huán)境溫度對(duì)工藝系統(tǒng)的影響，確定不同精度要求對(duì) 環(huán)境溫度控制要求，采取措施保證環(huán)境溫度的有效控制。1 加工過(guò)程中的環(huán)境溫度的影響 環(huán)境溫度主要是對(duì)工藝系統(tǒng)中的機(jī)床和工件產(chǎn)

2、生熱變 形而影響零件加工精度。關(guān)于環(huán)境溫度對(duì)機(jī)床的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研 究13。由于熱源強(qiáng)度、分布位置的不同，加工過(guò)程中機(jī) 床各部分溫升不同，不同材料的熱膨脹系數(shù)各異，導(dǎo)致機(jī)床 床身、主軸、光柵尺和刀架等構(gòu)件產(chǎn)生不同變形量，從而破 壞機(jī)床的原始幾何精度。將加工設(shè)備置于穩(wěn)定的環(huán)境溫度可 減少機(jī)床各構(gòu)件的溫差，進(jìn)而減少變形量差異。閆占輝等通 過(guò)試驗(yàn)測(cè)量顯示，環(huán)境溫度變化常引起大型機(jī)床基礎(chǔ)件變 形，從而降低零件加工精度 2 。張曙等研究顯示：以普通銑 床加工$ 70 X 1650的螺桿為例，對(duì)比上午和下午加工的工 件，累計(jì)誤差的變化可達(dá) 85卩m。而在恒溫條件下，則該誤 差可減少至40卩m3

3、。加工過(guò)程中，工件的熱變形主要是由切削熱引起，變形 量雖與冷卻液的冷卻效果有較大的關(guān)聯(lián)性，但對(duì)于中大型精 密零件，環(huán)境溫度對(duì)工件的熱變形著有不可忽視的影響。例 如磨削長(zhǎng)度為 2000mm 的絲杠，每磨一次其溫度相對(duì)于機(jī)床 母絲杠的溫差增加約為 3C,則絲杠的相對(duì)伸長(zhǎng)量為 0.07mm，而6級(jí)絲杠的螺距累積誤差在全長(zhǎng)上不允許超過(guò) 0.02mm。如在恒溫環(huán)境進(jìn)行加工， 則可減少工件與機(jī)床母絲 桿的溫差，進(jìn)而有效降低中大型精密零件的加工誤差。2 精加工對(duì)環(huán)境溫度的要求 基于環(huán)境溫度對(duì)機(jī)床和工件的影響，不同的加工精度對(duì) 環(huán)境溫度控制要求便不相同。根據(jù) ISO230 中的規(guī)定，環(huán)境 溫度的重要參數(shù)包括空

4、氣的流動(dòng)速度、環(huán)境溫度波動(dòng)的頻率 和幅值、平均環(huán)境溫度以及環(huán)境溫度的水平梯度和垂直梯 度。機(jī)械加工精度主要受環(huán)境溫度中的平均溫度和溫度波動(dòng) 幅度兩參數(shù)影響。本文所討論的空調(diào)車(chē)間是指通過(guò)空氣調(diào)節(jié) 的方式對(duì)環(huán)境溫度平均溫度和溫度波動(dòng)幅度進(jìn)行控制的車(chē) 間系統(tǒng)。根據(jù)溫度控制精度，空調(diào)車(chē)間大致可分為舒適性空調(diào)車(chē) 間和恒溫空調(diào)車(chē)間。舒適性空調(diào)車(chē)間溫度一般控制在18 C28C之間，冬季可取 18C24C、夏季溫度 22 C28C。 舒適性空調(diào)車(chē)間溫度調(diào)節(jié)精度在土3C5C之間，可為操作工人提供一個(gè)舒適的工作環(huán)境，也可滿足一般精加工（如尺 寸精度 IT7 及以上）提供較為穩(wěn)定的環(huán)境溫度。以加工長(zhǎng)度 200mm鋼

5、件零件為例，在溫度變化6 C的極端條件下，其長(zhǎng)度變化約為15卩m,約為其IT7標(biāo)準(zhǔn)公差（46卩m）的三分 之一。故采用舒適性空調(diào)車(chē)間即可滿足一般的精加工的精度 要求。對(duì)于精密加工機(jī)床（例如加工尺寸精度要求 IT6 以上的 機(jī)床）通常要求安裝在溫度控制更為嚴(yán)格的恒溫空調(diào)車(chē)間或 恒溫室內(nèi)。相對(duì)于舒適性空調(diào)車(chē)間，恒溫空調(diào)車(chē)間對(duì)溫度波 動(dòng)幅度有較嚴(yán)格的要求。由于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）采用68F或20C作為測(cè)量長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)溫度，因此恒溫車(chē)間平均環(huán) 境溫度通常取20 C。為減少能源消耗，也可冬季平均環(huán)境溫 度設(shè)為17C，夏季則取23C。精密數(shù)控機(jī)床對(duì)室內(nèi)的環(huán)境 溫度一般要求為20 C± 2 C。

6、對(duì)于高精度或超精密的數(shù)控機(jī) 床，特別是對(duì)于高精度或超精密的數(shù)控坐標(biāo)鏜床和數(shù)控坐標(biāo) 磨床而言，對(duì)室內(nèi)的環(huán)境溫度的要求更為嚴(yán)格，一般為20 C± 1C,甚至達(dá) 20C± 0.5C。對(duì)于鋁及鋁合金，由于其線膨脹系數(shù)約為鑄鐵材料的兩 倍，在加工中更易引起熱變形。故相較于鑄鐵和鋼件加工， 鋁合金加工對(duì)環(huán)境溫度的要求也更為嚴(yán)格。國(guó)內(nèi)新近建設(shè)鋁 件發(fā)動(dòng)機(jī)加工車(chē)間普遍采用空調(diào)車(chē)間的比例遠(yuǎn)大于鑄鐵發(fā) 動(dòng)機(jī)車(chē)間采用的比例，甚至部分采用恒溫車(chē)間。江淮汽車(chē)位 于合肥經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)新建的發(fā)動(dòng)機(jī)加工車(chē)間溫度控制 便達(dá)到20C± 2C。3 環(huán)境溫度控制措施 為保證加工車(chē)間環(huán)境溫度滿足加工精度

7、要求，進(jìn)行工廠 設(shè)計(jì)時(shí)可依托整個(gè)車(chē)間系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)行溫度控制，綜合工 藝、總圖、土建、公用等方面措施實(shí)現(xiàn)溫度控制的高效和節(jié) 能。3.1 工藝規(guī)劃 進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，舒適性車(chē)間工作制度采用兩班制或三 班制，使車(chē)間數(shù)控機(jī)床保持較高的利用率，由于設(shè)備對(duì)環(huán)境 溫度要求不高，在非工作期間可關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)以減少能源消 耗；而恒溫車(chē)間， 通常采用三班制， 車(chē)間空調(diào)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行。 這既可充分利用高精設(shè)備，又可避免因空調(diào)系統(tǒng)頻繁開(kāi)閉， 破壞精密機(jī)床的精度。進(jìn)行設(shè)備布置時(shí)，可根據(jù)不同工藝要求采用分區(qū)空調(diào)， 采取不同的溫度控制要求，避免溫度控制精度較高區(qū)域面積 過(guò)大，增加能耗。溫度控制精度較高的恒溫室可嵌套于溫度 控制控

8、制較低的車(chē)間內(nèi)，減少溫度控制能耗。3.2 總圖布置 恒溫車(chē)間或恒溫室朝向應(yīng)以陽(yáng)光直射最少為好，外墻或 對(duì)外開(kāi)窗盡量避免東向或西向，充分利用北向。恒溫車(chē)間中的精密加工設(shè)備對(duì)溫度和振動(dòng)、噪聲都有較 高的要求，因此在工藝平面布置時(shí)，不要靠近空調(diào)機(jī)房、公 路、鍛壓機(jī)械等振源，以避開(kāi)振動(dòng)和噪聲的影響，但又不能 遠(yuǎn)離空調(diào)機(jī)房，以利于保持室內(nèi)恒溫的穩(wěn)定性。3.3 土建 空調(diào)車(chē)間及恒溫車(chē)間土建工程應(yīng)為機(jī)械加工提供一個(gè) 密閉、穩(wěn)定的空間，合理設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和門(mén)窗，以減少外部 環(huán)境對(duì)其干擾。空調(diào)車(chē)間圍護(hù)結(jié)構(gòu)在滿足建筑規(guī)范要求的傳熱系數(shù)的 范圍內(nèi)，選用具有一定的熱惰性材料，以抵抗外界氣候條件 的影響。恒溫精度要求高時(shí)

9、，應(yīng)采用熱惰性較大的重型圍護(hù) 結(jié)構(gòu)。恒溫車(chē)間應(yīng)盡量有外墻，對(duì)于恒溫精度為土0.2C以內(nèi)時(shí)，則不宜有外墻。為了減少室外氣象條件劇烈變化的影響，亦可將高精度恒溫車(chē)間建于地下，既可減少空 調(diào)負(fù)荷、節(jié)省空調(diào)投資和運(yùn)行費(fèi)用，也可提高恒溫車(chē)間的熱 穩(wěn)定性。大連洋科技即在地下 14m 深處建設(shè)面積達(dá) 1 萬(wàn)多 m2的恒溫車(chē)間，溫度精度等級(jí)達(dá)到土1 C,據(jù)其自身測(cè)算，其每年的空調(diào)費(fèi)僅需地表同等恒溫車(chē)間空調(diào)費(fèi)用的十分之 一。但由于這種地下車(chē)間土建費(fèi)用高，而且在地下水位較高 的地區(qū)，防水處理困難，因此較少采用這種建設(shè)方案。 空調(diào)車(chē)間盡量少開(kāi)窗。如開(kāi)窗應(yīng)根據(jù)溫度控制精度采用 相應(yīng)的窗戶層數(shù)。對(duì)于恒溫車(chē)間（恒溫精度土

10、 2C以內(nèi)）為避免物流門(mén)頻 繁開(kāi)閉引起室內(nèi)溫度波動(dòng)需設(shè)置門(mén)斗，門(mén)斗內(nèi)門(mén)為保溫門(mén)， 外門(mén)可為普通門(mén)。門(mén)斗區(qū)域可作為待加工零件的等溫暫存 區(qū)，需根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍和物流組織方式確定其面積。3.4 空調(diào)系統(tǒng) 空調(diào)車(chē)間的環(huán)境溫度主要由空調(diào)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需根據(jù)車(chē)間的溫度控制精度和熱冷負(fù)荷， 計(jì)算換氣次數(shù)，選擇合理的氣流組織形式。機(jī)械加工車(chē)間空調(diào)負(fù)荷影響因素主要有設(shè)備、新風(fēng)、圍 護(hù)結(jié)構(gòu)、人員、燈光等。其中加工設(shè)備的熱擾動(dòng)對(duì)溫度控制 影響較大。設(shè)備布置時(shí)，如工藝允許，應(yīng)盡量將發(fā)熱量較大 的設(shè)備，如高溫清洗機(jī)、熱處理設(shè)備等，移至恒溫車(chē)間外或 另設(shè)套間里。舒適性空調(diào)車(chē)間，每小時(shí)換氣次數(shù)不宜小于

11、 5 次，高大 空間車(chē)間應(yīng)按冷負(fù)荷計(jì)算確定換氣次數(shù)。為了滿足車(chē)間溫度 要求，恒溫車(chē)間的換氣次數(shù)比舒適性空調(diào)車(chē)間大得多。但換 氣次數(shù)過(guò)大，勢(shì)必導(dǎo)致設(shè)備容量和運(yùn)行費(fèi)用的增加。根據(jù)經(jīng) 驗(yàn)：土 2C的恒溫車(chē)間，換氣次數(shù)約10次/h; ± 1C時(shí)為10 15次/h; ± 0.5C時(shí)，應(yīng)大于15次/h為宜。當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷計(jì)算 出的風(fēng)量小于上述換氣次數(shù)時(shí)，則可以增加循環(huán)風(fēng)量，即采 用二次回風(fēng)方式。車(chē)間空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織的主要采用上送下回方式，部 分采用上送上回或側(cè)送側(cè)回形式。恒溫精度土23C,可根據(jù)建筑情況并結(jié)合系統(tǒng)布置方便選擇氣流組織形式；恒溫精 度土 0.51.0C，不宜采用上送上回形式

12、，盡量采用上送下 回形式。恒溫精度土 0.5 C時(shí)，則不宜采用側(cè)送側(cè)回形式；恒 溫精度土 0.10.5C,則需采用上送下回形式。4 結(jié)束語(yǔ) 精密機(jī)械加工精度易受環(huán)境溫度的影響，不同精度等級(jí) 的加工精度對(duì)應(yīng)不同的溫度控制精度等級(jí)。一般精加工（如 尺寸精度 IT7 及以上）采用舒適性空調(diào)車(chē)間即可滿足精度要 求；精密加工的環(huán)境溫度一般要求為20C± 2C；高精度或超精密加工則要求 20 C± 0.51 C。為滿足不同溫度控制等 級(jí)，車(chē)間設(shè)計(jì)需綜合運(yùn)用多種措施：（1 ）工藝規(guī)劃應(yīng)合理選擇工作制度，溫度控制精度等 級(jí)相同的工段或班組集中布置，恒溫精度高的加工室盡量嵌 套于恒溫精度要求較低的車(chē)內(nèi)。（2）車(chē)間總圖布置需盡量減少陽(yáng)光直射，并遠(yuǎn)離外部 振源。（3）車(chē)間圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的保溫性和密封性，并 盡量少開(kāi)窗；恒溫車(chē)間需設(shè)置門(mén)斗避免車(chē)間內(nèi)外的氣流擾動(dòng)。（4）空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少空調(diào)負(fù)荷，根據(jù)恒溫 精度選擇換氣次數(shù)。氣流組織以上送下回形式為宜。參考文獻(xiàn)1 PEKLENIK J.Untersuchun