高 焕，高合作

(1.四川建筑职业技术学院，四川德阳 618000;2.德阳二重工业设计有限公司，四川德阳 618013)

本文的目的，就是根据多台大型机床温差变形测试资料，分析、研究温差变形规律，提出一些有关估算温差变形与许可温差的近似公式及减少温差变形的措施方法。

1 对于金属切削机床导轨与基础温差变形规律的研究与分析

1964年，第二重机厂与一机电安装公司联合组对10 台大型金属切削机床基础的温差变形进行了8个多月的测试工作。其中有一台2 m×10 m 车床及一台2 m×10 m 龙门刨床，是在专门搭设的试验篷内进行加热测试的，有8台(1.25－1.6 m)×(8－10 m)车床，是在厂房内部室温条件下测试的。10 台试验机床都是在设备安装完成，并经几次精平后，才进行导轨与基础温差变形测试。

分析测试资料，发现机床导轨与基础，在机床与基础自重及温差作用下，其变形有以下规律。

(1)机床导轨与基础用地脚螺栓连在一起，二者的变形基本一致，其变形曲线，一般类同二次抛物线形状。在文献［3］中，有经过试验组整理过的2 m×10 m机床中部导轨温差变形曲线见图1。

图1 2×10 车床中部导轨温度试验曲线

(2)机床导轨及基础的温差变形量与机床基础上下表面的温差大小成直线变化。

因为金属导轨温差比较均匀，其温差变形较小;基础上下表面温差较大，温差变形也较大。在二者共同产生的变形中，由基础产生的变形占主导地位。

(3)试验组的研究结论是金属切削机床导轨铅直面内直线变化的关系为:

①车床类:以 顶尖距(或中心距)10 m为代表(导轨长12.0 m，基础长15.8 m，基础的厚度1.7 m，基础上下表面夏天温差12℃，冬天16.4℃)，平均温度变化1℃，导轨全长变形量(上拱或下挠)为0.030～0.045 mm，折算导轨每1 m 的变形量为0.0025～0.0038 mm。

②龙门刨床类(包括龙门铣):以行程10 m为代表(导轨长21.0 m，基础长23.7 m，基础厚度1.6 m，基础上下表面夏天温差12℃，冬天14℃)，平均温度变化1℃，导轨变形量为0.036～0.047 mm，折算导轨全长每1 m 变形量为0.0017～0.0022 mm。

(上文，导轨每1 m 的变形量，是按导轨全长计算的，后文估算公式中使用的导轨每1 m 的变形量，是按导轨半长进行计算的)

2 机床基础温差变形与许可温差估算式

根据机床温差试验资料，对厂房围护建筑热工设计需要的许可温差值及计算机床基础温差变形需要的公式，推导如下。

(1)根据试验资料［3］，假设机床导轨与机床基础的温差变形是相同的。

(2)自由放在地基上的机床与基础，在外荷及温差作用下，假设机床导轨与基础的变形曲线类同二次抛物线。但是，其具体实测数值与自由梁的计算值是不同的。情况分析如下:

①自由放在地基上梁，在基础上下表面温差作用下，温差变形计算简图如图2。其变形曲线，类同以梁的“上凸点”及“下凹点”为原点的二次抛物线一样。根据结构力学［1］理论，梁上任一点“K”的温差变形为:

“K”点的变形差为:

式中:ω为梁的线膨胀系数=1×10－5;Δt为梁的上下表面温度差;αk为梁上任一点的长度(m);h为梁的厚度(高度)(m)。

图2 自由放在地基上梁的温差变形曲线

根据式(1)、式(2)看出，机床导轨端部的变形差是最大的。具体计算结果见表1。

②机床导轨温差变形试验的实测结果，见表1。

③导轨实测变形、变形差与自由梁计算变形、变形差的相似关系:

试验机床导轨变形实测数据与计算数据的对照见表1。

表1 机床导轨变形实测数据与计算数据的对照

实测曲线与自由梁计算曲线二者类似的主要原因，一方面，是因为自由放在地基上的梁，在地基和梁之间，没有拉结，没有约束，如果梁受到了温差作用，梁就可以自由变形;另一个方面，由于机床与基础在自重作用下产生的地基变形，在机床基础温差试验前，就已经大部分提前完成了。而在温差试验时，当梁有温差变形时，温差变形就要和外部荷载变形相互干涉。当温差自由变形向下时，外荷的变形不再增加;当温差的自由变形向上时，温差变形就要受到外荷的约束，不能自由变化。但是，在一般情况下，由温差产生梁的内力，较荷载产生梁的内力大，所以，在二者共同产生的变形中，温差变形仍然是占主导地位的。

3 机床导轨每米变形与许可温差的估算公式

机床导轨和基础的变形，是由外荷分布与大小、温差大小与方向、基础刚度、基础长度、基础材料特性、地基刚度及机床刚度等多种因素决定的，情况比较复杂，要找出规律，是很困难的。

但是，由于机床实测变形曲线类同二次抛物线，而二次抛物线的式(2)中，其变形差和温差、导轨长度、基础厚度等均为直线关系。据此，为了近似估算需要，拟将机床导轨每米变形与导轨长度、基础厚度、温差大小和已经取得的导轨温差变形试验成果之间的关系连系起来，以机床导轨每1 m变形差等于自由梁变形差乘以相似系数的假设为条件，推导出不同导轨长度、不同基础断面厚度、不同温差大小时，计算机床导轨温差变形与许可温差的估算公式。

3.1 安装车床类机床的车间

3.1.1 机床导轨每1 m 温差变形估算公式

3.1.2 机床导轨许可温度差值估算公式

机床导轨许可温差，是根据机床加工精度决定的。按照参考文献［2］，普通精度车床导轨每1 m 变形量允许［ΔYPD］= 0.02 mm/m=2×10－5mm/mm;高精度车床［ΔYGD］= 0.01 mm/m=1×10－5mm/mm 。

(1)夏天导轨的温差许可值为:

(2)冬天导轨的许可温度差值为:

对同一个车间，按上面公式进行估算，机床导轨每1 m的变形量及许可温度差值，在夏天与冬天是不同的，在进行工程设计时，应根据具体情况，选用最不利的结果。

3.2 安装龙门刨(铣)机床的车间

3.2.1 龙门刨(铣)床导轨每米温差变形估算公式

3.2.2 龙门刨(铣)床导轨的许可温度差估算公式

龙门刨(铣)床导轨许可温差是 根据机床加工精度决定的。按照参考文献［2］，普通精度龙门刨(铣)床导轨每米变形量允许［ΔYPD］= 0.02 mm/mm=2×10－5mm/mm;高精度龙门刨(铣)车床［ΔYGD］=0.01 mm/m=1×10－5mm/mm

(1)夏天的导轨许可温度差估算公式为:

对同一个车间的机床，按上面公式估算其导轨每米变形量及许可温度差值，在夏天与冬天是不同的，在进行工程设计时，应根据具体情况，选用最不利的结果。

4 减少机床导轨与基础温差变形的措施方法

(1)围护建筑与机床基础设计必须按照机床加工精度对机床导轨与基础的许可变形要求进行设计。

在车间围护建筑及机床基础设计以前，工艺设计人员应该根据机床设备说明书对机床基础的变形要求，提供设计任务书。土建设计人员再根据设计任务书的要求，以满足机床加工精度为目标，进行车间围护建筑的热工设计与机床基础的抗变形设计。但是，在实际工作中，是很难达到满意结果的。

比如，德阳某公司金工车间安装的17.0 m 数控龙门铣镗床，是从德国进口的，按照德国瓦德里希可堡工厂的建议，车间温度应在+17℃～+25℃之间;24 h 内车间温度的上下只允许波动1℃;车间内部，沿高度方向，每5 m 的温度梯度应小于1℃;机床基础必须能够隔绝外部热原影响;基础受力后，其平整度、直线性、和角精度等，在纵向和横向每米的最大变形差，只允许小于0.01 mm/m(1×10－5mm/mm)……要满足上述建议要求，只有按照空调设计标准，进行车间围护建筑及龙门铣镗床基础的工程设计。但是，在德阳某公司，车间已经建成，其面积很大，高度很高，体积庞大，如果要将其改造成空调车间，不论在技术上、经济上，或当时的条件下，都是很难做到的。在不得已的情况下，只能做出条件允许的抉择，也就是只有降低了设计标准。因此，当该设备投产以后，由于机床导轨温差变形过大，影响加工精度，迫使生产车间在冬季及夏季用多次重新调整机床垫铁的办法满足加工精度问题。

下面，用本文提出的估算公式，对上面的问题进行探讨。该机床为高精度数控龙门铣镗床，其机床导轨长度43.0 m，基础长度46.0 m，基础厚度6.0 m，用式(13)、式(14)计算、其导轨每米的许可温差应为:

而在德阳地区，夏天在车间内部，基础上下表面温差.12℃左右，冬天基础上下表面温差16.4℃左右，均大于该基础的许可值。

如果再按照式(9)、式(10)，估算导轨每米的变形差为:

均超出了加工精度的要求。

上面估算的结果说明:一方面，在冬、夏季节，基础上下表面温差过大，超出了机床加工精度的允许值，才逼迫车间不得不重新使用调整机床垫铁的办法，以解决加工精度问题;另一方面也说明，本文提出的估算公式，虽然结果是近似的，但是，估算结果还和客观现象基本一致。是可以作为参考的。

(2)粗、精加工机床分开车间安装，为便于工程设计，创造条件。

对需要安装金属切削机床的车间，在工艺设计时，首先应将粗、精车床分开，分别组合成专门的粗加工车间与精加工车间。在进行建筑设计时，根据粗加工车间与精加工车间对温度变形的不同要求，进行热工计算，分别做出不同的厂房围护建筑设计，采用不同的隔热与保温措施。这样，无论在技术上，或经济上，都是可行的和可能的。德阳某公司，就是按照这个思路，在工艺与建筑设计上，分别建立了粗加工车间与精细加工车间，对于部分机械加工车间，在屋面及墙面上，分别采取了不同的措施设计，效果是较好的。

(3)对于个别高精度机床及计量仪器应该集中安装在空调车间内。

个别精度要求较高的金属切削机床和计量仪器，对温差变形特别敏感，应该集中到一个小面积的房间内，根据设备或仪器许可温度差值，按恒温车间标准进行设计。德阳某公司，将磨齿机与计量仪器等设备仪器，集中到小房间，按恒温房间要求，进行了工程设计，效果较好。

(4)设计地下空心、通气的机床基础结构，是减少温差变形的好办法。

对大型组合机床基础，尤其是超长型的金属切削机床基础，一般基础的厚度较大。四川德阳某公司，分别採用了能够通气的，地下空心基础的结构，对于减少由于基础上下表面温差过大，机床导轨与基础温差变形较大，影响机床加工精度，起到了很好的作用。

(5)采用桩基加固机床基础地基，是抵抗温差变形的好措施。

对于大型，特别是超长型金属切削机床基础，一般基础的厚度较大，除了采用空心的、通气的空心地下基础结构外，再采用不同类型的桩基，既加固了地基，又强化了机床导轨与机床基础的连接，对于抵抗温差自由变形，，减少基础温差变形，是一项很好的、必要的设计措施。四川德阳某公司在超长型机床基础及多台、大型组合机床基础设计中，采用了这个做法，效果较好。

(6)对于机床基础在机床安装前，进行预压，利于减少地基前期变形，稳定地基结构。

四川德阳某公司根据动力机器基础设计规范［2］规定，对大型、地基刚度较差的机床基础，在机床安装以前，大部分进行了预压，消除了部分基础与地基的前期变形，减少了导轨与基础的部分变形，对保证机床加工精度，起到了较好的作用。

(7)机床投产后，利用重新调整机床垫铁的办法，是解决机床导轨变形过大，影响加工精度，迫不得已的解决办法

重新调整机床垫铁的办法，虽然会影响机床加工进度，损失经济效益。但对于车间内部安装了本来生产任务就不饱满的个别机床，在进行工程设计时，需要提高工程设计标准就应该分别设计几个不同的车间围护建筑设计方案，分别做出投资消耗估算与生产损失估算，进行全面综合经济效益评价，择优选用既能满足机床加工精度，又有较好综合经济效益的设计方案。当投产以后，如果因为车间的设计标准低，个别机床精度达不到要求时，就可用重新调整垫铁的办法，解决个别机床的加工精度问题，以满足生产需要。

［1］徐芝綸.结构力学补充教材(第二版)［M］.北京:人民教育出版社，1961

［2］第一机械工业部设计研究总院.动力机器基础设计手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1986

［3］第二重机厂、一机电安装公司联合调查研究与试验组.关于机床变形调查研究与试验报告［R］.1965