機(jī)械加工車間的溫度影響與控制

1、機(jī)械加工車間的溫度影響與控制摘 要：精密機(jī)械加工過程中環(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)車間 機(jī)械加工過程中，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 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)車間是指通過空氣調(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 間系統(tǒng)。根據(jù)溫度控制精度，空調(diào)車間大致可分為舒適性空調(diào)車 間和恒溫空調(diào)車間。舒適性空調(diào)車間溫度一般控制在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)車間或 恒溫室內(nèi)。相對(duì)于舒適性空調(diào)車間，恒溫空調(diào)車間對(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)加工車間普遍采用空調(diào)車間的比例遠(yuǎn)大于鑄鐵發(fā) 動(dòng)機(jī)車間采用的比例，甚至部分采用恒溫車間。江淮汽車位 于合肥經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)新建的發(fā)動(dòng)機(jī)加工車間溫度控制 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)，舒適性車間工作制度采用兩班制或三 班制，使車間數(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；而恒溫車間， 通常采用三班制， 車間空調(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、制較低的車間內(nèi)，減少溫度控制能耗。3.2 總圖布置 恒溫車間或恒溫室朝向應(yīng)以陽(yáng)光直射最少為好，外墻或 對(duì)外開窗盡量避免東向或西向，充分利用北向。恒溫車間中的精密加工設(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)車間及恒溫車間土建工程應(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)和門窗，以減少外部 環(huán)境對(duì)其干擾?？照{(diào)車間圍護(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間空調(diào)費(fèi)用的十分之 一。但由于這種地下車間土建費(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)車間盡量少開窗。如開窗應(yīng)根據(jù)溫度控制精度采用 相應(yīng)的窗戶層數(shù)。對(duì)于恒溫車間（恒溫精度土

10、 2C以內(nèi)）為避免物流門頻 繁開閉引起室內(nèi)溫度波動(dòng)需設(shè)置門斗，門斗內(nèi)門為保溫門， 外門可為普通門。門斗區(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)車間的環(huán)境溫度主要由空調(diào)系統(tǒng)來進(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，移至恒溫車間外或 另設(shè)套間里。舒適性空調(diào)車間，每小時(shí)換氣次數(shù)不宜小于

11、 5 次，高大 空間車間應(yīng)按冷負(fù)荷計(jì)算確定換氣次數(shù)。為了滿足車間溫度 要求，恒溫車間的換氣次數(shù)比舒適性空調(diào)車間大得多。但換 氣次數(shù)過大，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內(nèi)。（2）車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 盡量少開窗；恒溫車間需設(shè)置門斗避免車間內(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