李志偉

摘? 要：為了準確揭示導軌在工作時，環(huán)境溫度對其熱變形的影響，有必要建立導軌在工作狀態(tài)的熱結(jié)構(gòu)仿真模型，并通過順序耦合法分析其熱變形狀態(tài)。模擬仿真結(jié)果顯示：當導軌工作環(huán)境溫度從20℃上升至36℃時，導軌的熱變形量呈左右對稱分布，兩端的最大熱變形量為0.38mm，最小熱變形量為0.35mm，同時隨著溫度升高變形量繼續(xù)增加，從而降低機床加工時的整體穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：順序耦合法;導軌;環(huán)境溫度;熱特性研究

Abstract： In order to accurately reveal the influence of environmental temperature on the thermal deformation of guide rail， it is necessary to establish a thermal structure simulation model of guide rail in working state， and analyze its thermal deformation state by sequence coupling method. The simulation results show that when the working environment temperature of the guideway rises from 20℃ to 36℃， the thermal deformation of the guideway is symmetrically distributed left and right， the maximum thermal deformation of the two ends is 0.38mm， the minimum thermal deformation is 0.35mm， and the deformation continues to increase with the increase of temperature， so as to reduce the overall stability of the machine tool during processing.

引言

采用順序耦合法針對實際情況分析，若對機床整體模型進行熱結(jié)構(gòu)耦合分析，將耗時耗力，同時在分析過程中各系統(tǒng)易產(chǎn)生相關(guān)干涉現(xiàn)象，造成熱特性瞬態(tài)分析產(chǎn)生誤差。由于導軌決定著主軸箱X向的運動，其在工作時易受環(huán)境溫度的影響，導致精度的降低，因此有必要利用熱結(jié)構(gòu)順序耦合法對機床導軌進行熱特性研究。

1 ANSYS實體模型

為真實揭示導軌工況狀態(tài)下因熱量發(fā)生變形狀況，有必要根據(jù)ANSYS熱結(jié)構(gòu)耦合模塊對導軌進行工作環(huán)境下的熱誤差研究。由于導軌組成復雜、體積大，若按照常規(guī)正常分析，利用規(guī)則形體進行網(wǎng)格劃分，會在分析中產(chǎn)生偏差，導致分析失效。為保證準確使用ANSYS模塊中的70號單元形體，根據(jù)經(jīng)驗對特殊形狀、且體積大的部件使用70號單元形體，在網(wǎng)格劃分時效果較好，因此導軌采用上述單元進行網(wǎng)格劃分。而且為保證整體質(zhì)量，需對導軌局部進行調(diào)整，以便獲得較好的實體模型，便于后續(xù)加載分析。

2 導軌工作環(huán)境的熱-結(jié)構(gòu)順序耦合研究

設(shè)備工作時，導軌的工作溫度一般處于室溫狀態(tài)下，且冷卻條件不理想，為保證分析的準確性暫不考慮熱輻射影響。導軌的熱傳播形式有兩種熱傳導及熱對流，所以應以導軌的熱源和對流系數(shù)為研究重點，通過分析得到導軌在該條件下的熱特性。

2.1 導軌熱載荷研究

設(shè)備在加工過程中，由于機械運動及潤滑條件惡劣，導軌磨損嚴重，所以功率存在消耗，只有部分功率能轉(zhuǎn)化成驅(qū)使主軸X方向移動的有用功率，同時一部分損失的功率以熱傳導的狀態(tài)傳遞給設(shè)備其他零件。若假設(shè)導軌消耗的功率都能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚瑒t理論上熱量的生成率為：

其中，Vm為導軌相應的計算體積，單位：m3 設(shè)機床導軌工作電機的總功率為42kW，有效效率為0.86，通過公式計算得出導軌工作電機的總生成熱量為33125w/m3。

2.2 對應導軌溫度環(huán)境加載計算

（1）導軌工作平面對流換熱有效性分析

在工作狀態(tài)中導軌的表面和空氣時刻都進行著熱交換，這種方式對導軌的降溫效果不明顯。因此在實際中為提高效率，普遍會使用強制冷卻對導軌進行降溫處理，以消除發(fā)熱產(chǎn)生的熱變形。由于導軌表面與空氣的對流狀態(tài)具有多重性，即有對流散熱，同時也有熱輻射與熱傳遞，針對這種復雜情況，為了保證分析的準確性，需采用理論經(jīng)驗分析公式，計算導軌的熱對流交換系數(shù)。具體公式為：

（2）對流換熱有效性計算

當導軌處于移動時，導軌表面相對于機床的對流換熱方式有很大的差異，機床表面的對流換熱為自然對流散熱，而導軌表面屬于強迫式對流散熱，基于兩種散熱方式的本質(zhì)區(qū)別，且導軌在工況時移動相對緩慢，因此根據(jù)熱傳導學原理，對導軌的對流換熱計算，通常利用空氣縱掠平板的特殊方式進行針對性分析。

層流臨界狀態(tài)換熱計算：

3 導軌的熱特性模擬仿真分析

將上述分析得到的導軌臨界狀態(tài)條件施加至對應的ANSYS模型，在工況下不考慮機床整體的散熱性能對導軌熱特性的影響，將環(huán)境溫度由20℃升高到36℃，研究該溫度條件下，導軌的熱特性變化，同時得到相應的模擬分析溫度場云圖。

由研究能夠得出，當環(huán)境溫度增加，導軌整體的溫度場也隨之產(chǎn)生相應的細微變化，但變化效果并不顯著，只有個別部位溫度場有明顯改變，如導軌與設(shè)備連接處，出現(xiàn)這種狀況主要是由于導軌移動影響著主軸X向運動與工件表面的相對位置，因為移動頻率的增加，產(chǎn)生的熱量隨之升高。為了能夠準確分析導軌的熱特性狀態(tài)，在分析模型內(nèi)模擬導軌在不同溫度時的熱變形狀態(tài)。

分析得出，導軌上端的熱變形偏大，底部熱變形相對穩(wěn)定，熱變形量呈上大下小的趨勢。由于導軌的最大變形發(fā)生在上部，發(fā)生這種情況的原因，可能是由于主軸箱工作部位一般處于導軌上部較多，導致工作時產(chǎn)生的熱量傳遞至主軸箱上半部分，而導軌下部與十字滑塊連接，熱量傳遞較慢，所以引起的熱變形較小。通過導軌熱變形仿真分析還能夠得出，導軌的熱變形量隨環(huán)境溫度增加及工作狀態(tài)持續(xù)，熱變形將逐漸增大，同時要考慮導軌的散熱問題。由于導軌直線度誤差是分析機床的可靠性的關(guān)鍵指標，若導軌直線度降低會影響機床工作時的定位準確度。

4 結(jié)論

當環(huán)境溫度從20℃變化到36℃，通過位移云圖的顏色可以看出，十字滑塊最大的熱變形出現(xiàn)在四個邊角，熱變形最小的部位也是出現(xiàn)在十字滑塊底部靠近導軌的部位。從整個熱變形圖可以得知，十字滑塊外圈的熱變形量大，越往中心熱變形量越小;頂部熱變形量大，靠近底部熱變形量小。同時，根據(jù)分析結(jié)果可以得出，導軌的熱變形量呈左右對稱分布，兩端的最大熱變形量為0.38mm，最小熱變形量為0.35mm，并隨著溫度升高變形量繼續(xù)增加，在整個導軌中，有的地方熱變形量大，有的熱變形量小點，但從整個導軌熱變形量看，它們之間的熱變形量浮動都相對較小，最大與最小熱變形之間相差0.03mm。

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