張彬

摘要：本文以銑車復(fù)合加工中心整機(jī)為研究對(duì)象，采用有限元分析方法，在對(duì)整機(jī)熱載荷和邊界條件分析的基礎(chǔ)上，建立了整機(jī)的有限元熱分析模型，并對(duì)整機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真模擬。研究結(jié)果表明：主軸系統(tǒng)的溫升最高，為56.526℃，且出現(xiàn)在主軸轉(zhuǎn)子處;進(jìn)給系統(tǒng)中，Z向進(jìn)給系統(tǒng)溫升最高;基礎(chǔ)部件中床身、立柱等基本保持室溫，橫梁兩端有一定溫升。

關(guān)鍵詞：復(fù)合加工中心;熱特性;溫度場(chǎng);有限元分析

0? 引言

現(xiàn)代制造技術(shù)正朝著高效率、高精度方向發(fā)展[1]，隨之機(jī)床工業(yè)也朝著高速、精密方向發(fā)展。在先進(jìn)制造領(lǐng)域，影響機(jī)床加工精度的兩個(gè)主要因素是機(jī)床熱誤差（約占70%）和振動(dòng)誤差（約占30%）[2]。因此熱誤差已經(jīng)成為精密加工中影響加工誤差的主要因素。1933年，瑞士學(xué)者首先開始了對(duì)機(jī)床熱變形的研究[3]，隨后德國學(xué)者提出了機(jī)床熱變形的機(jī)理。近年來，有大量學(xué)者從事機(jī)床熱誤差的研究。本文以某企業(yè)生產(chǎn)的銑車復(fù)合加工中心為對(duì)象，通過對(duì)其熱源及傳熱機(jī)制的分析，計(jì)算出了主要發(fā)熱部件的發(fā)熱量及其傳熱特性邊界條件，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench建立其熱分析有限元模型，并對(duì)加工中心溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真模擬，研究結(jié)果為機(jī)床熱誤差分析提供了參考依據(jù)。

1? 有限元模型的建立

在Pro/E環(huán)境下，考慮到細(xì)小特征對(duì)溫度場(chǎng)影響不大，但會(huì)致使模型網(wǎng)格數(shù)量過大，影響計(jì)算速度的因素，將細(xì)小特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立加工中心幾何模型。在ANSYS Workbench環(huán)境下對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采取自由網(wǎng)格劃分方式，并對(duì)局部細(xì)小區(qū)域進(jìn)行細(xì)化，得到銑車復(fù)合加工中心的有限元模型如圖1所示。

2? 發(fā)熱量和邊界條件的計(jì)算

2.1 主要部件發(fā)熱量的計(jì)算

影響加工中心溫度場(chǎng)的熱源可分為內(nèi)部熱源和外部熱源，相對(duì)而言，內(nèi)部熱源是產(chǎn)生熱誤差的主要因素。經(jīng)過對(duì)銑車復(fù)合加工中心主要生熱部件的分析，確定其主要的熱源包含三個(gè)部分：主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。主軸系統(tǒng)是加工中心核心部件，也是最大的熱源，主要包含電機(jī)發(fā)熱和軸承發(fā)熱。進(jìn)給系統(tǒng)發(fā)熱來源于三個(gè)方向的滾珠絲杠系統(tǒng)的發(fā)熱，主要包含滾珠絲杠螺母副、支撐軸承、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。轉(zhuǎn)臺(tái)采用直驅(qū)技術(shù)，主要包含電機(jī)定轉(zhuǎn)子發(fā)熱、支撐軸承發(fā)熱等。

3? 溫度場(chǎng)的計(jì)算

在ANSYS Workbench環(huán)境下，選定分析類型為穩(wěn)態(tài)熱分析，設(shè)定環(huán)境溫度為20℃，將上述計(jì)算的生熱率、熱流密度、對(duì)流換熱系數(shù)作為熱邊界條件加載到有限元模型上進(jìn)行求解，得到加工中心整機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)如圖2所示。

由圖2可知：主軸系統(tǒng)的溫升最高，為56.526℃，且出現(xiàn)在電主軸轉(zhuǎn)子處，主軸高速旋轉(zhuǎn)，熱源集中，發(fā)熱量大，致使溫升最高。同時(shí)，右側(cè)刀架溫升也較高，是由于擺頭驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)熱傳遞到刀架上。

進(jìn)給系統(tǒng)中，Z向絲杠溫升比X、Y向絲杠溫升高，主要是由于Z向絲杠承受的載荷大，導(dǎo)致絲杠螺母副發(fā)熱量大?；剞D(zhuǎn)工作臺(tái)中心處溫度較高，且向邊緣溫度依次遞減，主要是由于轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量傳遞到工作臺(tái)上?；A(chǔ)部件中床身、立柱等溫升較低，而橫梁兩端由于絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)、軸承的熱量產(chǎn)生熱傳導(dǎo)而具有一定溫升。

4? 結(jié)論

本文以銑車復(fù)合加工中心為研究對(duì)象，建立其有限元熱分析模型，并對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，得出以下結(jié)論：主軸系統(tǒng)的溫升最高，為56.526℃，且出現(xiàn)在主軸轉(zhuǎn)子處。進(jìn)給系統(tǒng)中，Z向進(jìn)給系統(tǒng)溫升最高。床身、立柱等基礎(chǔ)部件基本保持室溫，橫梁兩端有一定溫升。上述研究結(jié)果為加工中心熱誤差的研究提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]機(jī)電在線.國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床開始進(jìn)入國家重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域和國防軍工建設(shè)領(lǐng)域[J].機(jī)床與液壓，2013（20）：19.

[2]Kim D H， Song J Y. Development of thermal deformation compensation device and CNC based real-time compensation for advanced manufacturing. International Journal of Automotive Technology， 2013， 14（3）： 423-428.

[3]張伯霖.第四講? 機(jī)床熱變形（上）[J].機(jī)床，1979（01）：34-41.

[4]蘇妍穎.螺母旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副熱特性分析[D].濟(jì)南：山東大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012，28-33.

[5]鄔田華，等.工程傳熱學(xué)[M].武漢市：華中科技大學(xué)出版社，2011，1-4.