立式加工中心熱態(tài)有限元分析與實(shí)驗(yàn)研究*

祝莉平 陳 玉 張建富 郁鼎文

(①南通科技投資集團(tuán)有限公司，江蘇南通 226000;②清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京 100084)

在機(jī)床工作過(guò)程中各部位熱源產(chǎn)生的熱量傳給機(jī)床各部位，溫升導(dǎo)致相應(yīng)零部件發(fā)生熱變形，并使機(jī)床在加工過(guò)程中工件與刀具之間相對(duì)位移發(fā)生變化，從而影響加工精度［1］。在精密加工中，由熱變形引起的精度損失高達(dá)總精度損失的40% ～70%［2］。

天津大學(xué)李書和等［3］分析了影響機(jī)床溫度場(chǎng)因素，在切削熱較小的情況下，機(jī)床主軸附近的溫度場(chǎng)主要受主軸轉(zhuǎn)速的影響，而環(huán)境溫度和其他因素對(duì)其影響較小。主軸系統(tǒng)中，最主要的兩大熱源是軸承摩擦產(chǎn)生的熱以及電動(dòng)機(jī)帶來(lái)的熱量［4］。有限元法分析機(jī)床熱態(tài)已成為主流方法，準(zhǔn)確的有限元分析模型除了需要準(zhǔn)確定義機(jī)床的發(fā)熱和散熱條件外，結(jié)合面熱阻的定義也是關(guān)鍵之一。結(jié)合面熱阻是互相接觸的介質(zhì)之間的熱傳遞的重要參數(shù)之一，在機(jī)床熱態(tài)分析中對(duì)機(jī)床溫度分布有重要影響。

本文以南通科技投資有限公司生產(chǎn)的VCL1100立式加工中心為例，對(duì)其熱態(tài)有限元分析與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究。在全面分析機(jī)床空轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)熱和散熱條件及結(jié)合面熱阻的情況下，建立整機(jī)熱態(tài)有限元分析模型，對(duì)其溫度場(chǎng)分布和熱變形進(jìn)行了仿真分析，并與實(shí)驗(yàn)獲取的結(jié)果進(jìn)行比較和分析。仿真和測(cè)試結(jié)果對(duì)該加工中心的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 機(jī)床熱態(tài)有限元建模與分析

1.1 機(jī)床熱態(tài)有限元建模

機(jī)床熱態(tài)性能有限元分析模型需要包括(如圖1):機(jī)床結(jié)構(gòu)有限元模型、機(jī)床熱屬性(零部件材料和結(jié)合面熱屬性)、熱態(tài)邊界條件(發(fā)熱和散熱條件)。在機(jī)床空轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)熱源主要包括電動(dòng)機(jī)發(fā)熱和主軸軸承發(fā)熱，散熱主要包括冷卻系統(tǒng)的強(qiáng)制冷卻和空氣對(duì)流及熱輻射換熱。在已知的邊界條件下，立式加工中心的溫度變化及熱變形是由材料的比熱、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量及線脹系數(shù)等熱物性參數(shù)決定的。立式加工中心的各零部件的材料主要有20Cr、45#鋼和HT300這3大類，外部環(huán)境為自然對(duì)流的空氣，材料各項(xiàng)熱物性參數(shù)取手冊(cè)中數(shù)據(jù)的定常平均值。

該立式加工中心采用FANUC公司αiI 8/8000型號(hào)的主軸電動(dòng)機(jī)，額定功率7.5 kW，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱傳遞到主軸箱體的發(fā)熱功率約為30 W。主軸支撐單元采用NSK角接觸球軸承7014CTYNDBBLP4。沒(méi)有對(duì)主軸組件內(nèi)部通冷卻油，而在其主軸箱體前部和兩側(cè)開有冷卻槽，通入循環(huán)冷卻液對(duì)主軸箱進(jìn)行冷卻。根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，估算有限元分析模型所需的主軸軸承發(fā)熱功率、機(jī)床旋轉(zhuǎn)體對(duì)流換熱系數(shù)、表面和周圍空氣之間傳熱系數(shù)［5－6］。

整機(jī)熱態(tài)仿真分析時(shí)，為了獲得可靠的計(jì)算數(shù)據(jù)，需考慮結(jié)合面熱阻的影響。在ANSYS軟件熱態(tài)仿真環(huán)境中，結(jié)合面的屬性有Thermal Conductance選項(xiàng)，它的大小就是結(jié)合面熱阻的倒數(shù)，可以通過(guò)設(shè)定該選項(xiàng)的值來(lái)添加結(jié)合面處的熱阻。

表1 模型中主要結(jié)合面采用的熱阻表

本研究考慮對(duì)機(jī)床傳熱及變形影響較大的主要結(jié)合面處的熱阻，如主軸軸承內(nèi)、外圈與主軸、軸套結(jié)合面的熱阻，軸套與主軸箱結(jié)合面的熱阻，主軸箱與立柱結(jié)合面的熱阻，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試棒與錐套結(jié)合面的熱阻。根據(jù)結(jié)合面兩側(cè)零部件的材料屬性及表面形貌，接觸介質(zhì)和壓強(qiáng)，代入清華大學(xué)結(jié)合面熱阻數(shù)據(jù)庫(kù)，可以獲得立式加工中心關(guān)鍵結(jié)合面處的熱阻如表1所示。

為了便于有限元分析，對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。如圖2所示為劃分網(wǎng)格后的有限元模型，總共劃分227 127個(gè)單元和409 884個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.2 仿真分析結(jié)果

利用以上熱態(tài)分析模型，可獲得不同轉(zhuǎn)速時(shí)整機(jī)溫度場(chǎng)和熱變形。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為4 000 r/min時(shí)，設(shè)定立式加工中心的整機(jī)初始溫度為25.4℃，瞬態(tài)熱仿真的時(shí)間設(shè)定為23 400 s。整機(jī)熱態(tài)性能仿真結(jié)果如圖3所示。

表2 溫度傳感器的編號(hào)及位置分布

表3 溫度場(chǎng)有限元實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果對(duì)比表

2 機(jī)床熱態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 溫度傳感器的布置

主軸空轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)床主要熱源分布在主軸區(qū)域和主軸箱附近。結(jié)合實(shí)際測(cè)量時(shí)的空間限制，32套PT100鉑電阻溫度傳感器的布置如表2所示。圖4給出了溫度傳感器t9～t28在VCL1100主軸箱的安裝位置。

2.2 位移傳感器的布置

將BT40主軸精度檢測(cè)棒安裝到VCL1100機(jī)床上，用optoNCDT1700型和LK－031型CCD激光位移傳感器分別測(cè)量BT40主軸精度檢測(cè)棒軸心位置沿機(jī)床X、Y方向相對(duì)工作臺(tái)的熱變形位移量，用EX－305V型渦電流位移傳感器測(cè)量BT40主軸精度檢測(cè)棒底端相對(duì)工作臺(tái)的熱變形位移量。位移傳感器的布置如圖5所示。

3 結(jié)果對(duì)比與分析

3.1 溫度場(chǎng)對(duì)比

通過(guò)2.1節(jié)介紹的實(shí)驗(yàn)方案，獲取機(jī)床關(guān)鍵點(diǎn)溫度，與VCL1100立式加工中心溫度場(chǎng)的有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。分別取主軸法蘭上的編號(hào)為t7的傳感器、主軸箱前端面主軸軸承處的編號(hào)為t11的傳感器、主軸箱上端打刀缸處的編號(hào)為t20的傳感器和主軸箱側(cè)面靠近電動(dòng)機(jī)端的冷卻槽處的編號(hào)為t24的傳感器的仿真溫升與實(shí)驗(yàn)溫升值進(jìn)行比較，如表3所示?？梢姡鬓D(zhuǎn)速下的仿真值與實(shí)驗(yàn)值誤差在10%以內(nèi)，溫度場(chǎng)仿真結(jié)果可信度較高。

3.2 熱變形有限元仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)2.2節(jié)介紹的實(shí)驗(yàn)方案，獲取主軸驗(yàn)棒的三向位移量，與VCL1100立式加工中心的熱變形的有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。可見，沿Y和Z方向，各轉(zhuǎn)速下的仿真值與實(shí)驗(yàn)值誤差在10%以內(nèi)，仿真結(jié)果準(zhǔn)確性高。

表4 熱變形有限元仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

沿X方向的各轉(zhuǎn)速下的仿真誤差較大，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)形式的機(jī)床沿X向?yàn)楦叨葘?duì)稱結(jié)構(gòu)，仿真模型中的熱源和熱邊界條件也是沿X向?qū)ΨQ分布，不考慮其他機(jī)構(gòu)引入的熱及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，單純由主軸發(fā)熱引起的X向變形很小，實(shí)測(cè)出其熱變形值也很小，因此較小的仿真絕對(duì)誤差會(huì)導(dǎo)致相對(duì)誤差特別大。實(shí)際上，X方向熱變形量遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向，對(duì)機(jī)床加工精度的影響不大，因此這里在對(duì)機(jī)床熱態(tài)性能的評(píng)價(jià)時(shí)，主要依據(jù)機(jī)床在Y向和Z向?qū)嶒?yàn)值與仿真值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了立式加工中心的熱態(tài)性能仿真技術(shù)，通過(guò)建立VCL1100立式加工中心的有限元仿真模型，對(duì)ANSYS熱－結(jié)構(gòu)耦合仿真所需的邊界條件進(jìn)行了分析，在考慮結(jié)合面熱阻的情況下，對(duì)VCL1100立式加工中心在不同轉(zhuǎn)速下的整機(jī)熱態(tài)性能進(jìn)行仿真分析，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

(1)整機(jī)溫度場(chǎng)和整機(jī)沿Y、Z方向的熱變形仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的誤差基本在10%以內(nèi)。

(2)整機(jī)熱變形沿X方向的仿真誤差較大?？紤]到VCL1100結(jié)構(gòu)對(duì)X方向而言就較好的熱對(duì)稱性，發(fā)熱導(dǎo)致的主軸X向熱變形絕對(duì)值很小，較小的絕對(duì)誤差就會(huì)導(dǎo)致相對(duì)誤差較大。因此對(duì)該結(jié)構(gòu)性形式的機(jī)床熱態(tài)性能仿真效果進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)主要依據(jù)機(jī)床在Y向和Z向的熱變形結(jié)果。

(3)基于以上兩點(diǎn)，本文所建立的熱態(tài)分析有限元模型可靠性較高，能夠?yàn)檫M(jìn)一步的熱態(tài)性能優(yōu)化提供了仿真依據(jù)。

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