■沈陽市裝備制造工程學(xué)校 （遼寧 110026） 常小芳

主軸箱熱變形試驗及仿真分析

■沈陽市裝備制造工程學(xué)校 （遼寧 110026） 常小芳

摘要：本文使用主軸熱變形分析儀對小型立式加工中心進行測試，在機床運轉(zhuǎn)4h后，將獲取的溫升數(shù)據(jù)作為有限元分析邊界條件和驗證數(shù)據(jù)，經(jīng)分析與對比后，有限元分析結(jié)果與實際試驗數(shù)據(jù)基本相符，主軸箱熱變形分析結(jié)果可以作為主軸箱結(jié)構(gòu)熱特性優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵數(shù)據(jù)參考，為機床優(yōu)化設(shè)計提供重要技術(shù)支持。

隨著經(jīng)濟發(fā)展，數(shù)控機床在制造業(yè)中的使用越來越普遍，對加工精度和精度穩(wěn)定性要求也越來越高。在加工過程中，由于機床內(nèi)外熱源影響，各部件發(fā)生不同的熱變形，這會使初始裝配精度發(fā)生變化，對于所有加工尺寸由預(yù)先編制的數(shù)控機床而言，這種精度變化會對工件精度造成很大影響。根據(jù)日本京都大學(xué)的統(tǒng)計表明：在精密加工中，由機床熱變形引起的制造誤差占總制造誤差的40%～70%。

由于技術(shù)進步，數(shù)控機床功能越來越強大，但是結(jié)構(gòu)越來越簡單，主軸是機床的主要部件，同時也是機床工作中的主要熱源。機床結(jié)構(gòu)熱態(tài)特性優(yōu)化設(shè)計可以非常有效的抑制和減小機床溫升變形對加工的影響，因此對主軸箱的優(yōu)化設(shè)計、對降低熱變形誤差至關(guān)重要。通過對機床樣機的熱變形分析，了解機床熱變形規(guī)律，是機床優(yōu)化設(shè)計的重要過程與步驟。物理試驗可以獲得直觀、準確的數(shù)據(jù)，但是無法完整得到部件溫升變形分布狀況，有限元分析雖然可以彌補這個缺點，但是邊界條件以及參數(shù)的確定需要物理試驗的有效支撐。因此，本文將采用物理試驗與有限元分析相結(jié)合的方式對小型立式加工中心主軸箱進行熱變形分析，以有限元優(yōu)化設(shè)計的思想，使用試驗結(jié)果作為優(yōu)化目標，從而獲得模型的輸入?yún)?shù)，并同時得到機床主軸箱變形規(guī)律，為機床主軸箱的優(yōu)化設(shè)計提供重要數(shù)據(jù)支持。

1. 主軸箱模型的建立

（1）主軸箱幾何模型建立（見圖1）。為了更有針對性的進行仿真分析，忽略了主軸箱大部分部件，僅考慮主軸及主軸箱箱體。使用Pro/E建立了機床主軸箱的實體模型，并對結(jié)構(gòu)特性影響不大的特征，如孔、臺肩、凹槽及翻邊等進行了簡化或忽略。

圖1　機床主軸箱模型

（2）主軸箱熱力學(xué)分析模型建立。熱分析中，熱量的傳遞方式主要有以下3種：熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射。主軸在工作時由電

動機帶動，前后軸承摩擦生熱，成為主軸箱體的主要熱源。由于機床較小，外防護相對密閉，因此忽略箱體與周圍環(huán)境的熱對流。在主軸箱體熱變形分析中，主要采用熱傳導(dǎo)、熱輻射的熱傳遞方式。

熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律

兩物體之間的熱輻射可以用史蒂芬-玻爾茲曼方程表示

式中，Q為熱流率；ε為吸收率；σ為斯蒂芬·玻爾茲曼常數(shù)；Ti為輻射面I的絕對溫度；Tj為輻射面J的絕對溫度。

2. 主軸箱工作熱變形試驗

為了獲得有限元分析的溫升邊界條件，同時獲取仿真過程的驗證結(jié)果，對該小型立式加工中心進行了主軸工作熱變形分析。檢測儀器采用美國雄獅精儀的主軸熱變形分析儀，檢測方法：機床主軸轉(zhuǎn)速保持在3 000r/min升溫試驗連續(xù)運行240min，測試主軸徑向和軸向偏移情況以及主軸前軸承、主軸箱上下端面溫度變化情況，其中，溫度傳感器在主軸前軸承設(shè)置1個測點，主軸箱上下端面各兩個測點。儀器安裝及部分傳感器布置如圖2所示，試驗結(jié)果如圖3、4所示。

隨著工作轉(zhuǎn)速提升，主軸熱溫升增大，隨之主軸徑向熱偏移增大。主要體現(xiàn)在Y向正方向偏移38.26μm，X向負方向偏移2.83μm，停機冷卻后略微恢復(fù)，Z向熱伸長29.1μm，停機冷卻后略微恢復(fù)。如表1所示為主軸前軸承在試驗過程中溫升變化，可以作為有限元分析的邊界條件。主軸箱上下端面溫升數(shù)據(jù)則可用作有限元結(jié)果驗證。

3. 主軸箱熱變形有限元分析

對所建模型進行熱結(jié)構(gòu)耦合分析。有限元模型材料全為灰鑄鐵HT300，彈性模量E=1.2×1011N/m2，泊松比μ=0.28，密度ρ=7 190kg/m。由于物理試驗中后軸承位置因工件阻擋無法直接獲取，假定主軸安裝理想，前后軸承一致，邊界條件前后軸承都如表1所示。熱流密度設(shè)為6.25 W/m2，黑度為0.3。分析結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖2　主軸熱變形分析試驗儀器安裝及傳感器布置

圖3　主軸箱上下端面與前軸承溫升變化

圖4　主軸溫升位移變化

圖5　有限元分析溫升分布

圖6　主軸箱Y向變形

試驗數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果對比如表2、表3所示。

表1　主軸前軸承溫升變化

對比試驗數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果，可以看出有限元分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相符，有限元分析溫

升變形分布與實際基本相符。

圖7　主軸箱X向變形

表2　試驗數(shù)據(jù)與有限元結(jié)果溫升對比

表3　試驗數(shù)據(jù)與有限元結(jié)果Y軸變形對比

分析發(fā)現(xiàn)，主軸前后軸承熱傳遞穩(wěn)定后，主軸箱溫度由主軸前軸承附近向主軸箱導(dǎo)軌結(jié)合面處遞減，主軸軸頭附近溫度最高。熱變形結(jié)果可以看出，主軸軸頭附近變形最大，同樣向主軸箱導(dǎo)軌結(jié)合面處遞減，由于變形的連續(xù)性，這樣的溫升變形造成軸頭處向Y軸正方向彎曲，這與試驗結(jié)果基本相符。而在X向，由于主軸箱是左右對稱結(jié)構(gòu)，變形由兩側(cè)向中央集中，兩邊平衡，主軸箱側(cè)壁向內(nèi)凹陷，而實測結(jié)果是X向負方向變形，但是變形量很小，僅為2.83μm，這與箱體鑄造質(zhì)量以及裝配非對稱性有關(guān)。

4. 結(jié)語

采用主軸熱變形分析儀對主軸溫升變形進行測試，所得數(shù)據(jù)作為有限元分析邊界條件，并對有限元結(jié)果進行驗證，有限元結(jié)果基本符合主軸箱實際溫升變形。主軸箱體熱穩(wěn)定后，主軸箱溫度由主軸前軸承附近向主軸箱導(dǎo)軌結(jié)合面處遞減；主軸軸頭附近熱變形最大，變形量同樣由軸頭附近箱主軸箱導(dǎo)軌結(jié)合面處遞減。主軸箱兩側(cè)壁向內(nèi)部變形凹陷，兩側(cè)平衡。根據(jù)分析結(jié)果與試驗結(jié)果對比，主軸箱溫升熱變形有限元分析為主軸箱結(jié)構(gòu)熱特性優(yōu)化設(shè)計提供了關(guān)鍵分析技術(shù)及重要數(shù)據(jù)參考。

參考文獻：

[1] 廖威春. 數(shù)控機床的熱變形分析及其防治措施[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè)，2009（10）：59-60.

[2] 坦野義昭. 機床熱變形對加工精度的影響[J]. 機械的工具，1997 （10）：1841-1844.

[3] 王金生，鄭雪梅，汪超. 減少機床熱變形方法的研究[J]. 機床與液壓，2006（2）：88-90.

[4] 李潔，蹇興東，史慶春. 機床立柱結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析及優(yōu)化設(shè)計[J]. 現(xiàn)代制造工程，2007 （9）：129-131.

[5] 杜鵬. 基于ANSYS的風機機艙內(nèi)部溫度分布模擬研究[D]. 黑龍江：哈爾濱理工大學(xué)，2014：6-7.

收稿日期：（20150301）