摘要：本文介紹了大型加工中心精度變化的原因，主要探討了機床基礎及環境溫度變化與加工程序對產品加工精度的影響，提出了應對溫度變化對機床產生不利影響的主要措施，從而在常溫環境下提高了大型精密機床的使用效率。
進口大型數控加工中心是國家花費巨資引進的設備，具有精度高、性能可靠及加工范圍大等技術特點，擁有這類機床的多少往往是一個企業精密加工能力的象征。保證集機、電、液和氣于一體的進口大型數控加工中心的正常使用，及時掌握機床的精度變化范圍，保持機床精度，使之能加工出合格的高精度產品是維修工作的重點，也是提高機床有效利用率的前提之一。然而在實際使用過程中，常常會出現一些帶有技術性或管理性的問題，這些問題如果不能得到及時、正確處理，將會影響到機床的正常使用，甚至降低機床使用壽命，給企業帶來不可挽回的損失。2010年以來，我單位先后引進2臺德國進口海科特HEC1600臥式加工中心、 4 臺捷克 T O SWHQ13 CNC臥式鏜銑加工中心，最大軸加工行程達到3.5m，海科特 HEC160 定位精度為0.008mm，TOS WHQ13 CNC定位精度為0.01mm，都屬本企業重點精密機床。
然而第一批4臺機床初期投入使用的一年多時間內，產品質量問題頻發，機床精度變化異常，保修期內國外廠家到現場維修周期長，給生產帶來很大壓力。分析影響機床精度變化的因素，并及時找到有效的解決方法，迫在眉睫。
按照合同要求，前期安裝的4臺進口加工中心在安裝驗收時都經過了嚴格的幾何精度檢測、定位精度和重復定位精度檢測及NASA試件加工檢測合格，為什么在幾個月的時間內會出現精度下降的問題呢？研究分析認為：機床基礎沉降不均勻和環境溫度變化后機床床身變形導致機床幾何精度下降的兩大因素，而除了機床本身精度變動之外，不合理
的加工程序也可能帶來產品的質量不合格，下面逐一分析。
1. 機床基礎制作
因新建車間地塊原為農田，地質疏松，考慮到如按機床設計廠方提供的地基圖未打樁基，可能較薄弱。為此，我們專門聘請了江蘇方建工程質量鑒定檢測有限公司對其中兩臺機床的地基做了沉降監測，監測設備選擇、基準監測點標注等具體做法如下。
（1）沉降監測設備（見表1）。
表 1
（2）基準點及沉降監測點的點位布置。按照有關規程規范技術要求，在建筑物壓力影響范圍以外布設埋置基準點，并保證其穩定可靠和持久保存。根據實際情況在該工程周圍共埋設沉降監測基準點1個，編號為BM1，其中B M為起始點。該試驗臺基礎共布設沉降監測點9個，編號有東南角為1號點，按順時針編制9號點，具體點位置如圖1所示。
圖1 建筑物沉降監測分布略圖
TOS臥式加工中心機床床身為T形聯接，X軸床身與Z軸床身在7、8及3、4點用螺栓固定聯接。在圖中的布局為：X軸床身沿1、9點放置，Z軸床身沿5、7、8點放置，從維修人員檢測導軌直線度的數據看出，X導軌的直線度變化都為中間凹。Z軸的直線度變化都為圖中5點位置上翹，整體也為中間凹。
江蘇方建工程質量鑒定檢測有限公司在2011年9月19～29日期間，每隔2天共5次對地基9點進行沉降量檢測，9點的累計沉降量如表2所示。
表 2 （單位：mm）
從表2數據中分析判斷：監測點的沉降和機床床身實際變化曲線并無關聯。并且，在第二批機床的地基施工圖1中我們加厚了混凝土層，加粗加密了混凝土內鋼筋。經過觀察發現：同型號的兩臺海科特加工中心在經過相同一段使用期后，幾何精度變動規律一致。經過這一系列的觀察，基本可排除地基沉降不均而引起機床導軌彎曲、精度下降的可能。
這里需要特別指出的是：精密機床地基必須嚴格按照機床生產廠提供的地基圖施工，在夏季施工養護期內多澆水，冬季施工養護期注意防寒，基礎表面嚴禁有二次找平層，防止表面脫殼。在機床安裝前還應對基礎進行超過機床本身重量的預壓測試。
2. 環境溫度變化因素
條件所限，目前我們的大型加工中心都安裝在常溫環境中使用。有研究表明：工作過程中機床床身上、下存在溫度差，形成自上而下的溫度梯度，夏季導軌上表面溫度高，下表面溫度低。
溫度差（t1－t2）使上表面伸長大于下表面，呈上拱形狀。而到冬季，剛好相反。由于（t1－t2）的溫度差存在，下表面的收縮大于上表面，導軌呈下撓形狀。這一
現象給精密機床的精度穩定性帶來不利影響，以其中一臺海科特機床的維修實踐說明：在2012年我們的維修人員分別在氣溫變化達10℃以上的4、5月和10月、11月檢測發現，機床導軌直線度變動明顯，其中X軸在3m的移動范圍內水平變化最高可達0.06mm，而安裝時的調試水平精度要求僅為0.003mm。
海科特機床廠家在關于機床最高加工精度的最好工作條件的聲明中提到：機床應該安裝在空調車間和非常合格的地基上，地基在施工前需要檢查當地的土壤條件，并需要由專業的工程公司施工。
對照下面的這張我公司所在城市的年平均溫度變化圖與2015年的機床調整記錄表發現：其中一臺固資編號604699002的捷克WHQ13CNC（TOS）在溫度變化大的3月、4月、5月和10月精度發生的變化情況如圖2、表3所示。
表3 2012年機床水平調整次數統計
以上數據表明：機床環境溫度變化給機床的精度保持帶來很不利的影響
圖2 2012年常州月平均溫度變化曲線
3. 應對措施
（1）購置必要的檢測工具：如00級的大理石直尺、方尺、精密電子水平儀（0.001）和球桿儀等。
（2）縮短機床精度檢測周期，在加工零件精度要求高時提前檢測機床，發現精度走失時及時恢復。如2012年，維修人員共計對6臺大型加工中心進行了50余次檢測。
（3）立足自身維修力量，培養一支高技能的維修隊伍。
（4）掌握電子水平儀、球桿儀等精密量儀測量技術。經過培訓，熟練地利用球桿儀可在1h內檢測出機床幾何精度是否降低。三四個人能在2天時間內恢復一臺海科特機床安裝水平。
對海科特機床做精度調整時需注意：海科特機床帶自身冷卻液空調，操作工應經常根據環境溫度變化設定冷卻水溫度，減小導軌上下溫差，從而保證機床的高精度加工。維修人員在調整機床幾何精度時，一定要事先打開冷卻水開關開機預熱，保證調整好的精度和加工時一致。
4. 加工程序的合理性
以圖3所示零件為例說明：此零件需要精鏜3組6個均布的φ 147H6的銷孔與φ 530r6mm軸承擋和φ 420mm外圓兩擋的公共軸線之間有較高的位置度要求，工藝要求為0.05mm。
圖3 行星架工序圖
（1 ）原加工路徑（見圖4），刀具快速定位到三組銷孔擬合圓的圓心1，然后快速移動到A孔，加工完A孔快速定位到B孔，加工完B孔后又快速移動到C孔，此方案路線沒有考慮消除反向間隙對孔位置加工的影響。
（ 2 ）φ 530mm 的外圓鏜刀重量約為 13kg ，刀具長度約325mm，φ 147mm內孔鏜刀重量約為 4kg ，刀具長度約為220mm，鏜桿伸出主軸長度為30mm。所以因刀具自重而產生的力矩不相等，會導致鏜桿下垂程度不等，從而影響三銷銷孔的位置度。
圖4 改善前刀具移動軌跡
5. 改進措施
通過對加工路線、加工過程及試驗數據等進行分析，作出以下改進。
（1）程序優化：最佳加工路線如圖5所示。
機床精度及刀具系統：改變鏜桿伸出長度，消除鏜桿因自重產生的下垂不一致的不良現象，φ 530mm外圓鏜刀鏜桿伸出長度縮短30mm為0，φ 147mm鏜刀鏜桿伸出長度加長120mm至150mm，這樣兩把刀的重力所產生的力矩相同；另外使加工時兩把刀所用機床導軌部分縮小在100mm范圍內，消除了部分機床精度原因所產生的加工誤差。
（2）加工過程細節改進：①仔細清潔主軸刀具定位面，消除因碎鐵屑等雜物造成的兩把刀具定位不同。②粗加工后松開工件的加緊裝置，消除粗加工應力和夾緊變形。③選擇鋒利的刀片，以免因刀片磨損嚴重導致孔、內圓產生形狀誤差。④加工過程連續完成，減小溫差的影響。
（3）優化改善前后的試驗檢測數據對比：對同一工件利用兩種不同的加工工藝方法加工，并通過雷尼紹探頭在線測量得出檢測數據，如表4、表5所示。
圖5 改善后刀具移動軌跡
表4 改善前工件銷孔中心位置監測結果
表5 改善后工件銷孔中心位置監測結果
上例說明：零件加工精度不僅和機床本身制造與安裝精度相關，更與合理設計加工工藝路線關系密切。
6. 結語
大型精密加工中心類機床在常溫條件下使用，受季節溫度變化影響，機床精度保持期較短。嚴格按地基圖正確施工，保證地基質量滿足機床安裝要求，這是決定機床能否正常使用的前提。立足于自身，培養一支精干的維修隊伍，準備必要的精密檢測器具，加強監測，縮短對機床精度的檢測周期，定期恢復機床安裝精度，這些措施是生產能否正常開展的保證。生產工藝人員優化加工工藝路線，操作者精益求精，以保證進口機床發揮最大的作用。
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