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        數(shù)控機(jī)床三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)給系統(tǒng)熱特性改進(jìn)設(shè)計(jì)*

        2013-09-12 09:10:16鄧小雷蔣豐駿王建臣
        關(guān)鍵詞:動(dòng)子三明治熱導(dǎo)率

        鄧小雷,蔣豐駿,周 標(biāo),王建臣

        (1.衢州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,浙江衢州 324000;2.浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系,杭州 310027)

        0 引言

        在數(shù)控機(jī)床的直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)行中,繞組線圈發(fā)熱、鐵心磁滯發(fā)熱及其它機(jī)械摩擦發(fā)熱,會(huì)導(dǎo)致溫升過高,產(chǎn)生熱變形,從而影響工件加工精度。大量研究表明,機(jī)床熱變形所引起的制造誤差占總制造誤差的40% ~70%[1]。結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)可以減少后期大量實(shí)驗(yàn)研究和樣機(jī)試制的資金投入,降低熱誤差控制的難度,提高加工精度。隨著新材料的研究和應(yīng)用的迅速發(fā)展,引入擁有眾多優(yōu)點(diǎn)的多孔金屬新型材料為機(jī)床結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)和更多的機(jī)會(huì)[2]。

        從1995年開始,哈佛大學(xué)、劍橋大學(xué)和麻省理工學(xué)院就開展有關(guān)金屬泡沫結(jié)構(gòu)的制備、性能及應(yīng)用研究。德國(guó)在1999年也啟動(dòng)了有關(guān)泡沫金屬材料的大型研究項(xiàng)目,側(cè)重于在機(jī)床、汽車工業(yè)中的應(yīng)用[3]。關(guān)于三明治結(jié)構(gòu),已有一些學(xué)者做了相關(guān)研究,如Kerwin在復(fù)合板中加入膠粘層形成三層的三明治結(jié)構(gòu)梁[4];Huang對(duì)整體三明治結(jié)構(gòu)中的膠粘層部分做了整體的解析解推導(dǎo)分析[5];F.Aggogeri教授將三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)用到精密銑削機(jī)床的立柱設(shè)計(jì)中已取得了良好的效果[6]。目前,添加相變材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)在改進(jìn)直線電機(jī)結(jié)構(gòu)熱特性設(shè)計(jì)上的應(yīng)用還未見報(bào)道。

        本文在現(xiàn)有的直線電機(jī)的封閉金屬部件結(jié)構(gòu)中添加多孔金屬以及相變材料來達(dá)到有效的減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,并具有良好的熱態(tài)特性的效果,并且其利用相變材料(PCM)的熱特性-物質(zhì)在相變階段吸收或釋放一定的相變潛熱而溫度保持不變,使構(gòu)件維持在相變溫度附近,近似恒溫。

        1 進(jìn)給系統(tǒng)改進(jìn)結(jié)構(gòu)

        本文所研究的某直線電機(jī)改進(jìn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)子模型,主要由三部分組成,直線電機(jī)動(dòng)子、動(dòng)子底板、滑塊組成如圖1所示。其中,電機(jī)動(dòng)子中含有繞組線圈,是電機(jī)的主要發(fā)熱源;動(dòng)子底板在機(jī)床等應(yīng)用場(chǎng)合中常作為系統(tǒng)的進(jìn)給工作臺(tái),其材料大多采用碳鋼,慣性大,且因其直接與動(dòng)子相連,動(dòng)子繞組產(chǎn)生的熱量直接傳遞給動(dòng)子底板,從而使動(dòng)子底板產(chǎn)生熱變形,直接影響機(jī)床的加工精度。

        圖1 直線電機(jī)動(dòng)子三維模型

        在改進(jìn)結(jié)構(gòu)中選擇泡沫鋁作為電機(jī)的動(dòng)子底板中添加的多孔金屬材料。這是因?yàn)榕菽X擁有的諸多優(yōu)良性能使其在機(jī)床動(dòng)子底板的應(yīng)用上作用巨大。泡沫鋁的熱膨脹系數(shù)α與其基體金屬類同,但熱導(dǎo)率λ卻低得多。與實(shí)體金屬相比,泡沫鋁由于其平臺(tái)應(yīng)力的存在,能夠承受更大的壓縮應(yīng)變而不破裂,所以泡沫鋁的抗熱沖擊性能一般都優(yōu)于實(shí)體金屬。

        同時(shí),泡沫鋁的熱導(dǎo)率λ比實(shí)體材料的熱導(dǎo)率低得多,其熱導(dǎo)率由四個(gè)因數(shù)構(gòu)成:基體材料的熱導(dǎo)率、封閉氣體的熱導(dǎo)率、對(duì)流和輻射,如式(1)所示。

        式中,λS、λG、λC、λr為基體材料熱導(dǎo)率、孔內(nèi)氣體熱導(dǎo)率、孔內(nèi)對(duì)流和孔壁輻射對(duì)熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)。

        當(dāng)孔壁材料的熱導(dǎo)率大于20W·m-1·K-1時(shí),孔內(nèi)的輻射是很小的。因此,與導(dǎo)電率的情形類似,基體金屬的熱導(dǎo)率、泡沫的熱導(dǎo)率(λS)與泡沫相對(duì)密度(ρ/ρ0)的關(guān)系,可用指數(shù)關(guān)系式(2)表示:

        式中,λ0為實(shí)體金屬的熱導(dǎo)率。對(duì)于熱導(dǎo)率而言,常數(shù)t是熱傳導(dǎo)臨界指數(shù),根據(jù)滲透理論,3D理論模型的預(yù)測(cè)值為t=2.0。

        泡沫一般比實(shí)體材料具有更高的熱擴(kuò)散系數(shù),因此泡沫達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱流會(huì)更容易些,這種性能使泡沫金屬更適宜用于熱交換器。對(duì)泡沫鋁板,畢奧數(shù)永遠(yuǎn)要比相同質(zhì)量的金屬薄片的畢奧值高,畢奧(Biot)估計(jì)值可計(jì)算如式(3):

        式中,h是傳熱系數(shù);L是板材的厚度;λ是板材的熱導(dǎo)率。

        相變材料作為貯能體系的工作介質(zhì),是改進(jìn)設(shè)計(jì)研究的核心內(nèi)容。本文研究中對(duì)于相變材料的選擇,首先將所選的合適純物質(zhì)進(jìn)行混合,并且對(duì)具有低共融混合物相圖進(jìn)行測(cè)算,從而得到具有相變點(diǎn)可調(diào)的相變物質(zhì),并采用熱分析法測(cè)定有機(jī)物系固液相平衡狀態(tài),最終選定的相變材料為石蠟,熔點(diǎn)為27~28℃。

        由于本文主要研究復(fù)合結(jié)構(gòu)熱態(tài)特性,在改進(jìn)結(jié)構(gòu)的金屬泡沫之間及金屬泡沫與金屬之間采用黏結(jié)劑的連接方法,忽略螺釘、鉚接等次要結(jié)構(gòu)對(duì)熱態(tài)特性的影響。在金屬泡沫芯的外圍通過厚度為2mm的鋼板進(jìn)行覆蓋及密封,主要起支撐作用,提供剛度和強(qiáng)度,如圖2所示。

        圖2 動(dòng)子底板的三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)模型圖

        2 仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

        為更好地說明采用了金屬泡沫與相變材料的三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)熱態(tài)特性的影響,本文采用有限元瞬態(tài)熱分析法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究,在處于同樣邊界條件和熱載情況下,將復(fù)合結(jié)構(gòu)的熱態(tài)特性與純鋼結(jié)構(gòu)的進(jìn)行對(duì)比分析,仿真實(shí)驗(yàn)材料屬性如表1所示。

        表1 材料的物理特性

        圖3 6000s時(shí)兩種結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布云圖

        通過仿真實(shí)驗(yàn),得到的其中6000s和12000s時(shí)的溫度場(chǎng)分布結(jié)果云圖如圖3和圖4所示。從兩組圖中可知,在6000s時(shí),純鋼結(jié)構(gòu)最高溫度約為36.3℃,復(fù)合結(jié)構(gòu)約為28℃,兩者溫度相差達(dá)8.3℃,降溫幅度達(dá)22.9%;在12000s時(shí)純鋼結(jié)構(gòu)的最高溫度約為41.6℃,復(fù)合結(jié)構(gòu)的最高溫度約僅為29.3℃,兩者溫度相差達(dá)12.3℃,降溫幅度達(dá)29.6%。顯然,在同一時(shí)間內(nèi)純鋼的溫度增幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于復(fù)合結(jié)構(gòu)的溫度增幅,采用復(fù)合結(jié)構(gòu)溫降效果明顯。與此同時(shí),在6000s至12000s的時(shí)間歷程中,純鋼結(jié)構(gòu)仍有5.3℃的溫升,而復(fù)合結(jié)構(gòu)為1.3℃,這說明復(fù)合結(jié)構(gòu)將比純鋼結(jié)構(gòu)更快達(dá)到熱平衡。

        圖4 12000s時(shí)兩種結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布云圖

        圖5 兩種結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)溫升歷程曲線

        從兩組圖中的溫度場(chǎng)分布對(duì)比可知,無論是什么時(shí)間段,兩者的最高的溫度都位于動(dòng)子底板的中心處,兩個(gè)時(shí)間的同一種結(jié)構(gòu)的溫度分布趨勢(shì)幾乎相同,純鋼的最高溫度與最低溫度之間的溫差約分別為 1.5℃和 1.7℃,復(fù)合結(jié)構(gòu)的溫差為 1℃和2.0℃,顯然復(fù)合結(jié)構(gòu)由熱源中心向周邊熱傳導(dǎo)的速度更慢,而且復(fù)合結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布更為均勻。

        分別選取模型上節(jié)點(diǎn)號(hào)為1000、2000、3000的三個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線,如圖5所示。從圖中的結(jié)果對(duì)比可得,純鋼的溫升曲線大致成直線上升,溫度變化幅度較大;而復(fù)合結(jié)構(gòu)的溫升曲線在最初有較快的升幅之后,溫升逐漸變緩,其溫度曲線存在明顯的平臺(tái)階段。這是因?yàn)?,純鋼的熱容有限,?dǎo)致結(jié)構(gòu)吸收熱量時(shí)直接導(dǎo)致溫度升高;相反,復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)含有大量有機(jī)相變材料石蠟,其相變溫度低,相變所需的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于材料的顯熱,當(dāng)結(jié)構(gòu)溫度升至石蠟的相變溫度段時(shí),石蠟發(fā)生相變,吸收大量熱量同時(shí)溫度維持在一定的溫度范圍內(nèi)。

        3 結(jié)論

        本文主要對(duì)電機(jī)動(dòng)子底板的熱態(tài)特性為主進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì),采用了鋁金屬泡沫為基體、并填充石蠟的三明治復(fù)合結(jié)構(gòu),在金屬泡沫芯的外圍通過鋼板進(jìn)行覆蓋及密封。該結(jié)構(gòu)電機(jī)質(zhì)量輕,并且受熱情況在一定的時(shí)間范圍內(nèi)可保持恒溫狀態(tài)不發(fā)生變化,與純鋼結(jié)構(gòu)相比溫度分布均勻、溫升低、更快趨于熱平衡,有利于減小機(jī)床的熱變形,提高加工精度,為數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)提供了參考。

        [1]J.Bryan,International Status of Thermal Error Research[J].Annals of the CIRP,1990,39(2):645 -656.

        [2]盧天健,張錢城,王春野,等.輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)在機(jī)床上的應(yīng)用[J].力學(xué)與實(shí)踐,2007,29:1-8.

        [3]John Banhart,Hans-Wolfgang Seeliger,Aluminum Foam Sandwich Panels:Manufacture,Metallurgy and Applications[J].ADVANCED ENGINEERING MATERIALS,2008,10:793 -802.

        [4]E.M.Kerwin,Jr,Damping of flexural waves by a constrained Viscoelastic layer[J]J.AcousL Soc.Am,1959,31(1):952-962.

        [5]S.J.Huang,Mathematical modeling of the stress-strain state of adhesive layers in sandwich structures[J]Mechanics of composite material,2002,38(1):103 -120.

        [6]F.Aggogeri,A.Merlo,M.Mazzola,Multifunctional structure solutions for Ultra High Precision(UHP)machine tools[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture,2010,50:366 -373.

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