張奎奎，黃美發(fā)，鄭素娟，張政潑

（1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004；2.桂林廣陸數(shù)字測(cè)控股份有限公司，廣西桂林 541004）

龍門鉆銑床滑枕熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究*

張奎奎1，黃美發(fā)1，鄭素娟1，張政潑2

（1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004；2.桂林廣陸數(shù)字測(cè)控股份有限公司，廣西桂林 541004）

主軸滑枕是龍門機(jī)床的關(guān)鍵零部件，亦是影響機(jī)床工作性能的薄弱環(huán)節(jié)。由于滑枕結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致其在工作時(shí)產(chǎn)生熱變形，進(jìn)而影響機(jī)床整機(jī)的加工精度。針對(duì)滑枕在Z向進(jìn)給過(guò)程中Y向變形較大達(dá)到20μm的問(wèn)題，提出了滑枕的改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并運(yùn)用熱結(jié)構(gòu)耦合的有限元分析方法對(duì)改進(jìn)前后的滑枕結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得到各自的熱結(jié)構(gòu)耦合變形結(jié)果。分析得出改進(jìn)后Z向進(jìn)給時(shí)，滑枕結(jié)構(gòu)的Y向變形與改進(jìn)前相比較小，能夠滿足加工要求。研究結(jié)果對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)改進(jìn)和提高機(jī)床熱穩(wěn)定性提供了參考和技術(shù)支持。

龍門鉆銑床；滑枕；熱變形；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

0 引言

龍門鉆銑床作為工業(yè)生產(chǎn)制造的基礎(chǔ)設(shè)備在能源、冶金、礦山、航空航天、汽車、發(fā)電設(shè)備、國(guó)防等行業(yè)的機(jī)械加工方面均扮演著不可替代的角色?；硎驱堥T機(jī)床的關(guān)鍵功能部件，其工作性能直接影響到機(jī)床的加工精度和表面質(zhì)量。數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程中，在內(nèi)外熱源的共同作用下形成非對(duì)稱溫度場(chǎng)，使機(jī)床各部件產(chǎn)生不同程度變形。2000年RAMESH R曾發(fā)現(xiàn)，在精密加工中由于熱變形引起的制造誤差占總誤差的40%～70%［1］。Bo Tan等人在研究外部熱源對(duì)機(jī)床精度影響時(shí)發(fā)現(xiàn)無(wú)論是在機(jī)床工作還是非工作狀況下，變化的環(huán)境溫度都會(huì)引發(fā)機(jī)床結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱量流動(dòng)，并最終造成機(jī)床的非線性變形［2］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中于用軟件補(bǔ)償方法解決類似熱變形問(wèn)題，但是其對(duì)非線性彎曲變形問(wèn)題解決不是很好。

本文研究了以主軸軸承摩擦熱為主要熱源引起的不同結(jié)構(gòu)滑枕熱變形，重點(diǎn)關(guān)注由于結(jié)構(gòu)非對(duì)稱引起的滑枕在Z軸進(jìn)給不同位置時(shí)，刀具端頭最終的變形。運(yùn)用了有限元方法對(duì)滑枕進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合分析，計(jì)算出滑枕在Z向進(jìn)給不同位置時(shí)直角坐標(biāo)系下Y向的變形量。對(duì)比結(jié)果顯示改進(jìn)的滑枕結(jié)構(gòu)在Y向變形較小，滑枕的熱穩(wěn)定性好。

1 滑枕幾何結(jié)構(gòu)

該類龍門機(jī)床主軸滑枕采用箱式結(jié)構(gòu)，分為兩種；①原滑枕結(jié)構(gòu)；②改進(jìn)滑枕結(jié)構(gòu)。

原滑枕結(jié)構(gòu)從主軸中心X-Y截面結(jié)構(gòu)分析，滑枕關(guān)于主軸中心Y軸是對(duì)稱布置（L），但是關(guān)于X軸是非對(duì)稱布置（H1≠H2），如圖1a為原結(jié)構(gòu)滑枕X-Y截面結(jié)構(gòu)。從主軸中心Y-Z截面結(jié)構(gòu)分析，滑枕在正面開(kāi)有工藝孔，但是在相應(yīng)的背面沒(méi)有工藝孔，同時(shí)在工作狀態(tài)下滑枕背面受到滑鞍的約束，如圖2為原結(jié)構(gòu)主軸滑枕中心Y-Z截面結(jié)構(gòu)。

實(shí)際工作時(shí)，原滑枕常常發(fā)生X-Z面上的彎曲變形，考慮上述非對(duì)稱結(jié)構(gòu)問(wèn)題，提出以下改進(jìn)滑枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以期減少該變形量。

改進(jìn)滑枕結(jié)構(gòu)從主軸中心X-Y截面結(jié)構(gòu)分析，滑枕關(guān)于主軸中心Y軸是對(duì)稱布置（L），同時(shí)關(guān)于X軸亦是對(duì)稱布置（H），如圖1b為改進(jìn)結(jié)構(gòu)滑枕X-Y截面結(jié)構(gòu)。從主軸中心Y-Z截面結(jié)構(gòu)分析，滑枕在正面和背面均開(kāi)有工藝孔，同時(shí)在工作狀態(tài)下滑枕兩面都受到滑鞍的約束，如圖3為改進(jìn)結(jié)構(gòu)主軸滑枕中心Y-Z截面結(jié)構(gòu)。

圖1 滑枕X-Y截面結(jié)構(gòu)

圖2 原結(jié)構(gòu)主軸滑枕中心Y-Z截面結(jié)構(gòu)

圖3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)主軸滑枕中心Y-Z截面結(jié)構(gòu)

2 熱源分析

主軸滑枕熱源主要有；電機(jī)發(fā)熱、主軸切削熱和軸承摩擦熱，其中軸承摩擦發(fā)熱量最大。機(jī)床滑枕傳熱的方式有三種；熱傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射，其中熱傳導(dǎo)為主要傳熱方式［3］，如圖4為主軸滑枕熱源及傳熱情況。

圖4 主軸滑枕熱源及傳熱情況

軸承發(fā)熱主要與摩擦力矩有關(guān)系，摩擦力矩越大，產(chǎn)生的摩擦熱越多。根據(jù)Palmgren公式推導(dǎo)，軸承摩擦力矩主要有；潤(rùn)滑劑粘性摩擦力矩和與速度無(wú)關(guān)的載荷作用產(chǎn)生的摩擦力矩。公式如下［4］；

式中；μ為摩擦系數(shù)；d為軸承內(nèi)圈直徑；F為軸承所受載荷。

軸承摩擦生熱為；

式中；n為軸承轉(zhuǎn)速。

計(jì)算得到有關(guān)主軸軸承發(fā)熱量。

3 溫度場(chǎng)描述

根據(jù)傅里葉關(guān)于物體的溫度變化與通過(guò)物體所傳遞的熱量之間存在的關(guān)系［5-6］，即

式中；q為熱流密度；λ為材料熱導(dǎo)率；T為溫度；n為法向向量。

將熱力學(xué)第一定律和傅里葉定律結(jié)合，建立導(dǎo)熱微分方程，全面描述溫度場(chǎng)情況。物體內(nèi)部有熱源，其強(qiáng)度為F（x，y，z，t）時(shí)，相應(yīng)的熱傳導(dǎo)方程為；

式中；c為材料比熱容；ρ為材料密度；T為滑枕結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)；t為時(shí)間；K為材料傳熱系數(shù)（常數(shù)）；▽2為操作算子，（直角坐標(biāo)系下）。

該滑枕模型的熱工況為已知任一點(diǎn)的法向熱流密度，因此適用于第二類熱邊界條件，即

據(jù)此我們得到溫度場(chǎng)函數(shù)。

4 熱結(jié)構(gòu)耦合有限元方程

滑枕零件在自由狀態(tài)下時(shí)其自身的熱變形量可通過(guò)下面公式進(jìn)行近似估算

式中；L為零件變形后的長(zhǎng)度；L0為零件原來(lái)長(zhǎng)度；α為零件材料熱變形系數(shù)；Δt為溫度差。

由于自身幾何結(jié)構(gòu)布置形式、滑枕材料均一性和外部約束條件等因素，滑枕在實(shí)際受熱條件下的變形相比自由狀態(tài)下的變形要復(fù)雜。其熱結(jié)構(gòu)耦合的有限元方程為［7］；

5 計(jì)算條件設(shè)定

主軸滑枕從Z1=450mm位置開(kāi)始沿Z正方向滑移?；品秶，具體參數(shù)見(jiàn)表1滑枕滑移參數(shù)。在初始位置，計(jì)算相關(guān)參數(shù)，之后每移動(dòng)50mm計(jì)算一次，直至滑移到Z30=1950mm位置。其中相關(guān)參數(shù)包括整體溫度分布T，最高最低溫度點(diǎn)值Tmax、Tmin，刀具端頭綜合變形及在直角坐標(biāo)系中各向變形Dtotal、Dx、Dy、Dz。如圖5為龍門機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

表1 滑枕滑移參數(shù)

圖5 龍門機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

6 計(jì)算結(jié)果及分析

從圖6刀具端頭Y向變形對(duì)比曲線看，原滑枕結(jié)構(gòu)Z向的不同進(jìn)給位置對(duì)于刀具端頭Y向變形量影響較大。從Z1=450mm到Z30=1950mm位置，變形量Dy呈現(xiàn)波浪曲線變動(dòng)，最大變形量 Dymax= 32.223μm、最小變形量Dymin=10.257μm，變動(dòng)幅值為21.967μm，變形值很大與試驗(yàn)結(jié)果（20μm）基本一致。分析原因有；①原滑枕前后結(jié)構(gòu)不對(duì)稱；②主軸中心與滑枕幾何形心不重合；③在滑枕背面有滑鞍的約束作用而在滑枕正面沒(méi)有。Y向變形除了有線性的也存在非線性的彎曲變形，這類變形對(duì)于軟件補(bǔ)償方法來(lái)講有困難，是結(jié)構(gòu)預(yù)防變形的重點(diǎn)。

改進(jìn)后的滑枕結(jié)構(gòu)在Y向變形預(yù)防上有很大提高，最大變形量由21.967μm降低到11μm，降幅達(dá)10.967μm。

圖6 刀具端頭Y向變形對(duì)比曲線

7 結(jié)論

本文運(yùn)用熱結(jié)構(gòu)耦合的有限元分析方法分析了滑枕改進(jìn)前后的熱變形問(wèn)題。其中重點(diǎn)針對(duì)滑枕在Z向進(jìn)給過(guò)程中Y向變形較大這一問(wèn)題，提出了熱結(jié)構(gòu)對(duì)稱的滑枕設(shè)計(jì)方案。

滑枕的受熱變形與其自身的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，由于原滑枕是左右對(duì)稱前后不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)以及這種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)在Z向伸長(zhǎng)時(shí)的一個(gè)放大作用造成了變形進(jìn)一步放大。改進(jìn)后的滑枕結(jié)構(gòu)改善了上述情況，此研究為提高方形滑枕的熱剛度提供了一定參考，對(duì)于龍門機(jī)床的結(jié)構(gòu)改進(jìn)有借鑒價(jià)值。

［1］RAMESH R.EIT or Compensation in machine tools a review part1/；thermal errors［J］.International Journal of Machine Tools&manufacture，2000，40；1257-1284.

［2］Bo Tan，Xin-yong Mao，Hong-qi Liu，et al.A thermal error model for large machine tools that considers environmental thermal hysteresis effects，International Journal of Machine Tools&Manufacture［EB/OL］.http；//dx.doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2014.03.002.

［3］王燕霜，劉喆，祝海峰.軸連軸承溫度場(chǎng)分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47（7）；84-91.

［4］HARRIS T A.Rolling bearing analysis［M］.New York；John wiley&Sons，Inc，2001.

［5］林瑞泰.熱傳導(dǎo)理論與方法［M］.天津；天津大學(xué)出版社，2005.

［6］（日）竹內(nèi)洋一郎.熱應(yīng)力［M］.郭延瑋，李安定，譯.北京；科學(xué)出版社，1977.

［7］楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.4版.北京；科學(xué)出版社，1992.

［8］陽(yáng)紅，殷國(guó)富，劉立新，等.基于熱態(tài)信息鏈的龍門加工中心結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2011，17（11）；2405-2414.

［9］Jiri Vyroubal.Compensation of machine tool thermal deformation in spindle axis direction based on decomposition method.Precision Engineering 2012（36）；121-127.

［10］李初曄，楊潔，馮長(zhǎng)征.數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（7）；41-43.

［11］劉文志.數(shù)控臥式銑床滑枕變形有限元及補(bǔ)償技術(shù)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2008（1）；66-68.

［12］胡汝凱，黃美發(fā)，張奎奎，等.基于熱特性的大型數(shù)控龍門銑床的滑枕結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014（7）；120-123.

（編輯 李秀敏）

Research on Improvement for Thermal Structure of Gantry Milling Machine Ram

ZHANG Kui-kui1，HUANG Mei-fa1，ZHENG Su-juan1，ZHANG Zheng-po2
（1.School of Mechanical&Electrical Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China；2.Guilin Guanglu Measuring Instrument Co.，Ltd，Guilin Guangxi541004，China）

；Ram is a key parts of the spindle gantry machine，also the weak links affecting the performance of the machine.Ram irrational structure leads to its thermal deformation during operation，and consequently affects the machine tool precision.Aiming at the problem of Y to large deformation in the process of Z to feed，using the finite element analysis method to analyze the slippery pillow structure before and after improvement，their thermal structure coupling deformation results are obtained.Analysis it is concluded that the improved when Z to feed，the structure of the slippery pillow Y to deformation is more smaller than before，which can satisfy the processing requirements.The results for the machine tool structure to improve and enhance the thermal stability of the machine provides a reference and technical support.

；gantry machine；ram heat deformation；structural improvements

TH122；TG502.3

A

1001-2265（2015）05-0127-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.036

2014-08-15

國(guó)家自然科學(xué)基金（51365009）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)（桂科能1355012-5）；廣西碩士研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)（YCSZ2014134）

張奎奎（1988—），男，河北邯鄲人，桂林電子科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)床精度保持性研究，（E-mail）snailzkk@163.com。