机械加工车间的温度影响与控制

摘 要：精密机械加工过程中环境温度对机床和工件的热变形有不可忽视的影响，为满足不同加工精度的温度控制要求，空调车间设计时应在工艺规划、总图布置、土建、空调系统等方面采取的温度控制措施。

关键词：机械加工；环境温度；温度控制；空调车间

机械加工过程中，工艺系统受切削热、摩擦热等内部热源的影响，同时与外部环境进行着热量交换。特别是精密加工，外部环境温度成为影响加工精度的重要因素。车间设计师应结合环境温度对工艺系统的影响，确定不同精度要求对环境温度控制要求，采取措施保证环境温度的有效控制。

1 加工过程中的环境温度的影响

环境温度主要是对工艺系统中的机床和工件产生热变形而影响零件加工精度。

关于环境温度对机床的影响，国内外学者做了大量的研究[1]～[3]。由于热源强度、分布位置的不同，加工过程中机床各部分温升不同，不同材料的热膨胀系数各异，导致机床床身、主轴、光栅尺和刀架等构件产生不同变形量，从而破坏机床的原始几何精度。将加工设备置于稳定的环境温度可减少机床各构件的温差，进而减少变形量差异。闫占辉等通过试验测量显示，环境温度变化常引起大型机床基础件变形，从而降低零件加工精度[2]。张曙等研究显示：以普通铣床加工φ70×1650的螺杆为例，对比上午和下午加工的工件，累计误差的变化可达85μm。而在恒温条件下，则该误差可减少至40μm[3]。

加工过程中，工件的热变形主要是由切削热引起，变形量虽与冷却液的冷却效果有较大的关联性，但对于中大型精密零件，环境温度对工件的热变形着有不可忽视的影响。例如磨削长度为2000mm的丝杠，每磨一次其温度相对于机床母丝杠的温差增加约为3℃，则丝杠的相对伸长量为0.07mm，而6级丝杠的螺距累积误差在全长上不允许超过0.02mm。如在恒温环境进行加工，则可减少工件与机床母丝杆的温差，进而有效降低中大型精密零件的加工误差。

2 精加工对环境温度的要求

基于环境温度对机床和工件的影响，不同的加工精度对环境温度控制要求便不相同。根据ISO230中的规定，环境温度的重要参数包括空气的流动速度、环境温度波动的频率和幅值、平均环境温度以及环境温度的水平梯度和垂直梯度。机械加工精度主要受环境温度中的平均温度和温度波动幅度两参数影响。本文所讨论的空调车间是指通过空气调节的方式对环境温度平均温度和温度波动幅度进行控制的车间系统。

根据温度控制精度，空调车间大致可分为舒适性空调车间和恒温空调车间。舒适性空调车间温度一般控制在18℃～28℃之间，冬季可取18℃～24℃、夏季温度22℃～28℃。舒适性空调车间温度调节精度在±3℃～5℃之间，可为操作工人提供一个舒适的工作环境，也可满足一般精加工（如尺寸精度IT7及以上）提供较为稳定的环境温度。以加工长度200mm钢件零件为例，在温度变化6℃的极端条件下，其长度变化约为15μm，约为其IT7标准公差（46μm）的三分之一。故采用舒适性空调车间即可满足一般的精加工的精度要求。

对于精密加工机床（例如加工尺寸精度要求IT6以上的机床）通常要求安装在温度控制更为严格的恒温空调车间或恒温室内。相对于舒适性空调车间，恒温空调车间对温度波动幅度有较严格的要求。由于国际标准化组织（ISO）采用68F或20℃作为测量长度的标准温度，因此恒温车间平均环境温度通常取20℃。为减少能源消耗，也可冬季平均环境温度设为17℃，夏季则取23℃。精密数控机床对室内的环境温度一般要求为20℃±2℃。对于高精度或超精密的数控机床，特别是对于高精度或超精密的数控坐标镗床和数控坐标磨床而言，对室内的环境温度的要求更为严格，一般为20℃±1℃，甚至达20℃±0.5℃。

对于铝及铝合金，由于其线膨胀系数约为铸铁材料的两倍，在加工中更易引起热变形。故相较于铸铁和钢件加工，铝合金加工对环境温度的要求也更为严格。国内新近建设铝件发动机加工车间普遍采用空调车间的比例远大于铸铁发动机车间采用的比例，甚至部分采用恒温车间。江淮汽车位于合肥经济技术开发区内新建的发动机加工车间温度控制便达到20℃±2℃。

3 环境温度控制措施

为保证加工车间环境温度满足加工精度要求，进行工厂设计时可依托整个车间系统的建设进行温度控制，综合工艺、总图、土建、公用等方面措施实现温度控制的高效和节能。

3.1 工艺规划

进行工艺设计时，舒适性车间工作制度采用两班制或三班制，使车间数控机床保持较高的利用率，由于设备对环境温度要求不高，在非工作期间可关闭空调系统以减少能源消耗；而恒温车间，通常采用三班制，车间空调系统连续运行。这既可充分利用高精设备，又可避免因空调系统频繁开闭，破坏精密机床的精度。

进行设备布置时，可根据不同工艺要求采用分区空调，采取不同的温度控制要求，避免温度控制精度较高区域面积过大，增加能耗。温度控制精度较高的恒温室可嵌套于温度控制控制较低的车间内，减少温度控制能耗。

3.2 总图布置

恒温车间或恒温室朝向应以阳光直射最少为好，外墙或对外开窗尽量避免东向或西向，充分利用北向。

恒温车间中的精密加工设备对温度和振动、噪声都有较高的要求，因此在工艺平面布置时，不要靠近空调机房、公路、锻压机械等振源，以避开振动和噪声的影响，但又不能远离空调机房，以利于保持室内恒温的稳定性。

3.3 土建

空调车间及恒温车间土建工程应为机械加工提供一个密闭、稳定的空间，合理设计围护结构和门窗，以减少外部环境对其干扰。

空调车间围护结构在满足建筑规范要求的传热系数的范围内，选用具有一定的热惰性材料，以抵抗外界气候条件的影响。恒温精度要求高时，应采用热惰性较大的重型围护结构。恒温车间应尽量有外墙，对于恒温精度为土0.2℃以内时，则不宜有外墙。

为了减少室外气象条件剧烈变化的影响，亦可将高精度恒温车间建于地下，既可减少空调负荷、节省空调投资和运行费用，也可提高恒温车间的热稳定性。大连洋科技即在地下14m深处建设面积达1万多m2的恒温车间，温度精度等级达到±1℃，据其自身测算，其每年的空调费仅需地表同等恒温车间空调费用的十分之一。但由于这种地下车间土建费用高，而且在地下水位较高的地区，防水处理困难，因此较少采用这种建设方案。

空调车间尽量少开窗。如开窗应根据温度控制精度采用相应的窗户层数。

对于恒温车间（恒温精度±2℃以内）为避免物流门频繁开闭引起室内温度波动需设置门斗，门斗内门为保温门，外门可为普通门。门斗区域可作为待加工零件的等温暂存区，需根据生产节拍和物流组织方式确定其面积。

3.4 空调系统

空调车间的环境温度主要由空调系统来进行实时控制。进行空调系统设计需根据车间的温度控制精度和热冷负荷，计算换气次数，选择合理的气流组织形式。

机械加工车间空调负荷影响因素主要有设备、新风、围护结构、人员、灯光等。其中加工设备的热扰动对温度控制影响较大。设备布置时，如工艺允许，应尽量将发热量较大的设备，如高温清洗机、热处理设备等，移至恒温车间外或另设套间里。

舒适性空调车间，每小时换气次数不宜小于5次，高大空间车间应按冷负荷计算确定换气次数。为了满足车间温度要求，恒温车间的换气次数比舒适性空调车间大得多。但换气次数过大，势必导致设备容量和运行费用的增加。根据经验：±2℃的恒温车间，换气次数约10次/h；±1℃时为10～15次/h；±0.5℃时，应大于15次/h为宜。当室内负荷计算出的风量小于上述换气次数时，则可以增加循环风量，即采用二次回风方式。

车间空调系统的气流组织的主要采用上送下回方式，部分采用上送上回或侧送侧回形式。恒温精度±2～3℃，可根据建筑情况并结合系统布置方便选择气流组织形式；恒温精度±0.5～1.0℃，不宜采用上送上回形式，尽量采用上送下回形式。恒温精度±0.5℃时，则不宜采用侧送侧回形式；恒温精度±0.1～0.5℃，则需采用上送下回形式。

4 结束语

精密机械加工精度易受环境温度的影响，不同精度等级的加工精度对应不同的温度控制精度等级。一般精加工（如尺寸精度IT7及以上）采用舒适性空调车间即可满足精度要求；精密加工的环境温度一般要求为20℃±2℃；高精度或超精密加工则要求20℃±0.5～1℃。为满足不同温度控制等级，车间设计需综合运用多种措施：

（1）工艺规划应合理选择工作制度，温度控制精度等级相同的工段或班组集中布置，恒温精度高的加工室尽量嵌套于恒温精度要求较低的车内。

（2）车间总图布置需尽量减少阳光直射，并远离外部振源。

（3）车间围护结构应具有良好的保温性和密封性，并尽量少开窗；恒温车间需设置门斗避免车间内外的气流扰动。

（4）空调系统设计时应尽量减少空调负荷，根据恒温精度选择换气次数。气流组织以上送下回形式为宜。

参考文献

[1]PEKLENIK J.Untersuchung der Genauigkeitsfragen in der automatisierten Fertigung [M]. Koln：Westeutscher Verlag，1961.

[2]闫占辉，曹毅.环境温度分布特征及其对机床热变形影响规律的分析[J].汽车工艺与材料，2001，10：39～41.

[3]张曙，张炳生，卫美红.机床产品创新与设计[J].2013，4：37～41.