張慶鋒+高翔

摘 要：基于高速精密沖床的熱態(tài)特性，對(duì)高速精密沖床進(jìn)行了熱源分析與傳熱機(jī)制分析，計(jì)算了沖床的熱分析的初始條件及邊界條件，利用SolidWorks軟件建立沖床整機(jī)的有限元模型，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)沖床進(jìn)行熱─結(jié)構(gòu)耦合分析，求解出該高速?zèng)_床處于穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的整機(jī)的溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)，分析出沖床的加工誤差。對(duì)比紅外熱像儀測(cè)得的實(shí)際沖床溫度值，驗(yàn)證了溫度場(chǎng)仿真分析結(jié)果的可靠性，為沖床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和熱平衡設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高速精密沖床;溫度場(chǎng);熱分析;熱變形;有限元

前言

高速精密沖床工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量通過(guò)各種傳熱方式傳遞到?jīng)_床的各個(gè)部位，由于沖床各零部件的結(jié)構(gòu)、形狀和材料都不盡一樣，熱特性自然也不一樣，又加之零件表面的傳熱情況不同以及周?chē)h(huán)境溫度變化等各種因素，使整個(gè)沖床形成了一個(gè)復(fù)雜的溫度場(chǎng)。在這個(gè)復(fù)雜的溫度場(chǎng)作用下，沖床各零部件會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱應(yīng)變，沖床產(chǎn)生的熱變形勢(shì)必影響沖床的性能，使沖床的加工精度降低。大量研究表明，對(duì)精密機(jī)床由熱變形引起的制造誤差一般占加工總誤差的40%～70%[1]，不均勻的熱變形還會(huì)導(dǎo)致機(jī)床的磨損，反過(guò)來(lái)又制約了沖床的速度和精度的提高。因此對(duì)高速精密沖床的熱態(tài)特性進(jìn)行分析和研究，并找到能夠改善其熱態(tài)特性的措施，對(duì)沖床加工精度的提高具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

一、沖床的熱源及傳熱機(jī)制

對(duì)沖床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，知道其內(nèi)部熱源主要有以下四類：電機(jī)的功率損耗、軸承的摩擦發(fā)熱、滑子的摩擦發(fā)熱以及滑塊與導(dǎo)軌之間的摩擦發(fā)熱。軸承摩擦發(fā)熱是高速?zèng)_床的最主要熱源，分為滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承兩部分。一般說(shuō)來(lái)，軸承摩擦發(fā)熱的大小與其型號(hào)、安裝方式、約束情況及潤(rùn)滑方式等因素有關(guān)?；舆M(jìn)行左右往復(fù)摩擦運(yùn)動(dòng)也是沖床內(nèi)部的另一熱源，滑子產(chǎn)生的熱量一部分也是通過(guò)熱對(duì)流的方式由其上油槽間隙的潤(rùn)滑油吸收，另一部分熱傳導(dǎo)給了滑子支座，最后一部分則是與周?chē)諝獍l(fā)生了強(qiáng)迫對(duì)流?；拥臒嵩磸?qiáng)度與滑子接觸面摩擦系數(shù)、作用力狀況和相對(duì)速度等因素相關(guān)。導(dǎo)軌的摩擦發(fā)熱分上導(dǎo)柱和下導(dǎo)柱沖壓滑塊兩部分，由于上導(dǎo)柱是采用銅套進(jìn)行徑向定位，熱量的傳遞方式與滑動(dòng)軸承相同，一部分被潤(rùn)滑冷卻油帶走，另一部分傳遞給了反向平衡塊。[2][3]

系統(tǒng)中所有的熱量均來(lái)自摩擦面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如下圖1所示為該沖床的熱源產(chǎn)生部位，一共28個(gè)摩擦面。

沖床熱量的傳遞路線如下圖2所示。黑色框表示沖床系統(tǒng)，藍(lán)色框表示潤(rùn)滑油冷卻系統(tǒng)，綠色框表示散熱的最終冷源，紅色箭頭表示熱量的流動(dòng)，藍(lán)色箭頭表示潤(rùn)滑油的流動(dòng)。

二、沖床關(guān)鍵部件的發(fā)熱量及熱載荷計(jì)算

（一）關(guān)鍵部件的發(fā)熱量計(jì)算

三、沖床的溫度場(chǎng)及熱變形仿真分析

（一）幾何模型的建立

采用SolidWorks進(jìn)行沖床整機(jī)建模，對(duì)建立的沖床模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：去除沖床上對(duì)熱分析結(jié)果無(wú)影響的細(xì)微結(jié)構(gòu)，如倒角、圓角、油槽、退刀槽，小圓孔等部位;對(duì)滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效簡(jiǎn)化，使簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)在發(fā)熱量上相等。簡(jiǎn)化后的整機(jī)模型如下圖3所示。

沖床模型采用SOLID7O實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，熱接觸單元采用熱接觸單元對(duì)TARGE170和CONTA174。沖床整機(jī)的網(wǎng)格劃分采取自由網(wǎng)格劃分、掃掠網(wǎng)格劃分及映射網(wǎng)格劃分相結(jié)合的混合網(wǎng)格劃分方法，局部進(jìn)行細(xì)化處理。劃分好網(wǎng)格的熱源部位網(wǎng)格劃分模型見(jiàn)圖4，沖床整機(jī)有限元網(wǎng)格劃分模型見(jiàn)圖5.

（二）邊界條件

1.計(jì)算得出的各表面的對(duì)流換熱系數(shù)，如表2所示。

2.沖床零部件材料物性參數(shù)，如表3所示.

3.沖床溫度場(chǎng)分析

設(shè)置高速?zèng)_床工作環(huán)境溫度為25℃，油冷機(jī)出油溫度為24.7℃，底座與地面接觸，溫度設(shè)為24℃。所有單位采取國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位制SI。利用ANSYS軟件將計(jì)算出的熱載荷、邊界條件及初始條件施加在沖床熱源系統(tǒng)部位及整機(jī)上，圖6和圖7為沖床整機(jī)及熱源部位的穩(wěn)態(tài)熱分析的溫度場(chǎng)分布圖。[7]從圖中可以看到在沖床溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，最高溫度出現(xiàn)在曲軸軸瓦上，為42.978℃，這主要是因?yàn)樵摬课幌鄬?duì)封閉，冷卻油潤(rùn)滑不流暢，同時(shí)該處軸瓦與曲軸發(fā)生高速相對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此造成熱量集中。最低溫度出現(xiàn)在底座部位，由于此處與地面接觸，故溫度接近地面溫度為23.99℃。

4.沖床熱變形分析

根據(jù)有限元熱─結(jié)構(gòu)耦合分析利用ANSYSStaticStructural可以進(jìn)行熱變形和熱應(yīng)力的計(jì)算。[8]在主軸轉(zhuǎn)速為800r/min時(shí)，計(jì)算得機(jī)床的總位移如圖8所示，最大變形量為3.9μm，機(jī)床豎直方向位移如圖9所示。在豎直方向上，工作臺(tái)的位移為0.869μm，沖壓滑塊的位移為2.658μm，兩者之間相對(duì)位移1.789μm，這就是因?yàn)闊嶙冃味a(chǎn)生的豎直方向上的加工誤差。

四、沖床實(shí)際溫度測(cè)量

研究溫度場(chǎng)相關(guān)問(wèn)題最基本最可靠的方法還是實(shí)驗(yàn)法（也叫測(cè)量法），因?yàn)樗蟹治鼋Y(jié)果的評(píng)定都須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而那些仿真分析的計(jì)算公式又大都是通過(guò)前人經(jīng)驗(yàn)不斷積累的成果，因此本高速?zèng)_床溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果是否具有可靠性，是否具有一定的參考價(jià)值，通過(guò)利用紅外熱像儀進(jìn)行實(shí)測(cè)溫度來(lái)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。圖9.1～9.7分別為曲軸端蓋、沖床連桿、中臺(tái)身、直線導(dǎo)軌、工作臺(tái)、滑動(dòng)軸承以及曲軸上某處的溫度值，可對(duì)比上一章溫度場(chǎng)仿真分析結(jié)果，可制作出如下溫度對(duì)比圖10。

五、結(jié)論

（一）通過(guò)圖10可以看出仿真分析結(jié)果與實(shí)際測(cè)量溫度大致吻合，溫度梯度分布情況也基本一致。故該仿真分析結(jié)果可靠性高，對(duì)今后相關(guān)的研究工作具有一定的參考價(jià)值。

（二）熱變形而產(chǎn)生的豎直方向上的加工誤差值較小，證明該高速?zèng)_床經(jīng)過(guò)油冷機(jī)的冷卻后溫度已經(jīng)降低至十分合理的范圍，因而產(chǎn)生的熱變形非常小，沖床加工精度高。

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