中铁宝桥集团有限公司 宝鸡 721006
摘要：马鞍山长江公路大桥为国内大跨度钢箱梁悬索桥采用钢塔柱设计，钢塔柱节段间通过金属接触和高强螺栓连接两种方式传力，钢塔的线性主要在塔柱端面机械加工中进行控制。本文阐述了温度对加工精度和测量精度的影响，以及如何减少热变形的影响，以保证加工过程中高度稳定性。着重讨论了机械加工中温度的控制。
关键词：金属接触率； 均温控制；加工精度；API；测量精度；热变形
ABSTRACT：Ma’anshan Yangtze River Bridge is a large-span steel box girder suspension bridge,which adopts the steel tower shaft design in china.The force between segments of steel tower shaft is transferred by metal contact and high strength bolt connection.This paper elaborates the influence of temperature on machining accuracy and measurement accuracy are described.By reduing such influence,the high stability of processing can be assured.The control of temperature in machining is particularly discussed.
KEY WORDS：metal control rate；control of constant temperature； process machining accuracy； API； measurement accuracy； heat deformation
1 工程概况
马鞍山长江公路大桥位于安徽省马鞍山市境内，连接马鞍山和巢湖两市。其中左汊主桥为主跨2×1080m三塔两跨连续钢箱梁悬索桥，桥跨布置为360+1080+1080+360m。根据受力要求，其中塔设计为钢塔。中塔总高178.8m,其上塔柱、上、下横梁为钢结构。
上塔柱高127.8m，横桥向宽度6.0m，顺桥向宽度7.0m～11.0m。塔柱共划分为T1～T21共21个节段，J1～J20共20个拼接接缝；节段长度5.8～9.55m，标准节段长度为6m，节段间连接采用端面金属接触及M33的摩擦型高强螺栓连接并用的接头形式。其中T1节段最重，约580t，钢材总重量约为9500t左右，钢塔柱主体结构分别采用Q345D、Q370qE、Q420qE钢，其技术指标符合《桥梁用结构钢》（GB/T 714-2008）的要求。中塔概貌图见图1所示。塔柱壁板厚度为40mm～60mm，腹板厚度为40mm～60mm；均采用板式加劲肋，加劲肋板厚为32mm与36mm；横隔板的间距约为1.9m～3.5m，横隔板厚一般为16mm，横梁对应处为20mm～36mm。钢塔柱典型断面见图2所示。
钢塔由于金属接触传力的要求，塔柱安装后的轴线偏差要达到设计要求1/4000的控制精度以及平面度0.25mm的金属接触率要求，只有在节段的制作和机械加工的过程中严格保证几何尺寸和塔柱端面平面度的要求。然而，机械精加工中温度对端面加工精度的影响是决不能忽视的一个重要因素。
图2 钢塔柱典型断面示意
2 概述
在机械中工艺系统在各种热源（摩擦热、切削热、环境温度、辐射热等）的作用下，温度发生变化会使机床、刀具、工件等产生热变形，从而影响刀具与工件的相对位移，造成加工误差，进而影响工件的加工精度。在生产过程自动化、数控加工中心和精密加工迅速发展的今天，对工艺系统中的加工精度和精度的稳定性提出了更高的要求。而加工精度主要取决于工艺系统的两个性能：即系统的静态——动态力学特性和热学特性。据有关资料统计，在精密加工中，由于热变形引起的加工误差占加工总误差的40%~70%。因此进行加工设备的设计，加工工艺的制定以及加工时应从减少切削热的产生，改善热传导，控制温度波动（环境温度波动常常用恒温发来进行控制）等方面来减少热变形的影响。在实现数控自动化以后，加工误差补偿依靠机床自动控制，因而，热变形影响就显得更加突出。马鞍山长江公路大桥钢塔端面的高精度精密加工，一般要求在恒温或在恒温条件下进行加工。由此可见恒温在机械加工中，愈来愈重要。本文就马鞍山长江公路大桥钢塔端面的高精度精密加工时温度的控制即恒温控制方面做一些探讨，从而使得其在精密加工中达到相对的温度恒定，进而大大缩短每段钢塔的加工周期。
3 温度对加工精度和测量精度的影响
在一般车间内，四季环境温度变化很大，昼夜温差也比较大，另外在同一时刻，车间所在位置不同温度也存在较大差异，不同空间高度上温度也不相同。一般来说高度越高温度相对会高一些。
3.2 被测工件重量大小均不相同，故热容量不同，要达到同一温度，不同被测工件需要冷却的时间也不相同。因此，为减少测量时因工件与量具的温度引起的误差，工件进入恒温后，应放置不同时间，使之达到相同温度后再进行测量。马鞍山钢塔通常是在凌晨左右时间进行测量。
3.3 由热变形规律可知，较大的的热变形多发生在机床启动后2~6小时内，在达到热平衡（温度达到稳定值）之前，温度随时间升高，其热变形将随温度的升高而变化，对加工的影响比较大，当达到热平衡后，热变形趋于稳定。因此，精密加工应在热平衡后进行。马鞍山钢塔工件的半精加工以及精加工一般均在凌晨进行加工。然而这样大大加大了钢塔每个节段的加工周期。
4 恒温控制方法
马鞍山钢塔加工中影响热变形的褚因素中以工艺系统的温度变化为主。因此，在钢塔精加工中，一般要求在恒温或在恒温条件下进行加工。尤其在夏季时，昼夜温差非常大，且工件上下温差也较大，只能在夜间凌晨时段进行精加工。这样就加大了钢塔每个节段的加工周期。所以必须进行恒温控制。
4.1 相对恒温
由于马鞍山钢塔工件较大，只能在一般的大车间进行加工。这时温度随自然天气影响而变化，这里所谓的“恒温”，其实是一种相对恒温的概念。温度除对马鞍山钢塔节段长度影响外，对钢塔的整个垂直度也有一定影响，钢塔的加工最重要的就是要保证总高度差以及垂直度的要求。
相对恒温的概念是指我们在超过机械加工要求温度很大时，去寻找超差部分所产生的加工垂直度角度和加工调整量。马鞍山钢塔的垂直度要求是单节段不能超过1/10000，即角度换算是20秒。而“API”测量的每次误差不超过垂直度3角秒。对于高度6000mm和高度6000mm的钢塔节段，我们通过计算得出：垂直度10角秒对应机加工调整加工量是0.30mm左右。
当车间达到一天最大温度时，我们测量出马鞍山钢塔节段上下的温度。我们通过机床用千分表进行对钢塔节段端面四条边进行找正得出结论：左右及上下两条边胀缩所产生的调整量差很小，可以忽略不计；由于我们在加工钢塔节段的下端面时，是通过与机床的平面轨迹寻找平行关系，所以当半精加工完成而精加工开始之前的优化调整时，只要把这个温度差异下所产生的调整量差加入到“AIP”测量所得出的调整量中，就可以得出车间在最高温度时机加工的优化调整量。从而理论上便达到了一种相对的恒温。我们就找到了温度差异下的调整量，从而不必待工件上下温度恒定后（夏季凌晨以后）再进行加工。这样加工一个钢塔节段就不必再受到高温的影响，而进一步缩短了每个节段的加工周期。
所以对于垂直度的影响很小，同时考虑到“API”测量也有垂直度3角秒对应0.10mm的误差以及机床刀头加工 0.05mm的误差，并且钢塔加工时垂直度公差要求为 10秒。所以温度对于垂直度的温度差异调整量可以视为0，均按“API”实际测量优化出的调整量进行调整。
4.2 控制地面及车间温度
为了不使钢塔节段端面上下温度有较大的差异产生成垂直度差异调整量。在炎热的夏季我们可以进行地面温度的控制，可在地面钢筋水泥基础内安装一定数量的钢管，钢管内部通过20℃的水，从而降低地面温度。不时地给地面进行洒水，安装大量风扇或一些人为的因素等也均可使车间温度降低。
4.3 设备发热一定要均匀化，达到热平衡
在马鞍山钢塔机械加工时，尤其精加工过程中，要求机床运转时的温度一定要恒定。在炎热的夏季，机床本身温度就很高，而且很快达到热平衡。但在寒冷的冬季，机床运行后必须使刀盘自传2小时后达到热平衡后再进行钢塔的加工。否则，钢塔端面前后加工便由于温度差异造成热胀冷缩加工量不均匀。
5 结束语
本文分析了马鞍山钢塔加工过程中温度变化产生的热变形对加工精度及测量精度的影响，测量需要达到工件与量具热平衡后进行；提出了在钢塔精加工过程中，同样机床必须开启一段时间达到热平衡后再进行加工。讨论了钢塔加工过程中恒温控制方法，重点提到了相对恒温的概念。马鞍山长江公路大桥钢塔是国内加工制作的第三座大型桥梁钢塔，其以科学和合理的理论为基础最终屹立在长江之上，成功的加工制作经验对后续钢塔的加工积累了宝贵的经验。
论文作者:张鹏, 李军平,成宇海
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第9期
论文发表时间:2018/8/24
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