熱變形對(duì)多桿沖床滑塊運(yùn)動(dòng)精度的影響分析

胡峰峰　孫　宇　彭斌彬　李燁健

南京理工大學(xué)，南京，210094

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熱變形對(duì)多桿沖床滑塊運(yùn)動(dòng)精度的影響分析

胡峰峰孫宇彭斌彬李燁健

南京理工大學(xué)，南京，210094

摘要：采用Fluent計(jì)算了多桿沖床關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件以及冷卻流道在不同運(yùn)行條件時(shí)的溫度場(chǎng)。基于此，采用Workbench計(jì)算了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)桿件的熱變形。分析不同熱變形條件下滑塊的運(yùn)動(dòng)軌跡可得，隨著熱變形量的增大，滑塊的下死點(diǎn)位置向下漂移0.11 mm。用溫度傳感器測(cè)試了不同轉(zhuǎn)速時(shí)軸瓦外表面的溫度，測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了溫度場(chǎng)仿真分析的準(zhǔn)確性。采用位移傳感器測(cè)試得到熱變形導(dǎo)致的下死點(diǎn)漂移量為0.098 mm，與分析結(jié)果吻合。

關(guān)鍵詞：多桿沖床；溫度場(chǎng)；熱變形；動(dòng)態(tài)精度

0引言

隨著制造業(yè)、電子工業(yè)的快速發(fā)展，高速、超精密成為機(jī)械壓力機(jī)的發(fā)展方向。轉(zhuǎn)速的提高會(huì)帶來(lái)較大的慣性載荷，從而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)副發(fā)熱量劇增。熱載荷導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)部件的熱變形，會(huì)帶來(lái)滑塊運(yùn)動(dòng)軌跡的誤差，降低滑塊下死點(diǎn)的動(dòng)態(tài)精度，影響模具的壽命和精密零件的加工精度[1-2]。精密加工中，熱變形是影響機(jī)床精度的重要因素[3-5]，其所引起的制造誤差占總制造誤差的40%～70%[6-7]。有些學(xué)者對(duì)系統(tǒng)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真，卻沒(méi)有深入分析其熱變形特性；有些學(xué)者通過(guò)仿真分析了系統(tǒng)中關(guān)鍵零部件的熱變形特性，卻沒(méi)有設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性；有些學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了熱變形對(duì)機(jī)構(gòu)軌跡誤差的影響，卻沒(méi)有充分研究引起軌跡誤差的熱變形機(jī)理[8-11]。為了系統(tǒng)地研究沖床溫度場(chǎng)以及熱變形對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度的影響，本文擬對(duì)多桿高速精密沖床整機(jī)冷卻系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)部件的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的熱變形進(jìn)行計(jì)算，分析熱變形對(duì)滑塊運(yùn)動(dòng)軌跡的影響。為高速精密沖床潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)精度的提高提供合理的理論依據(jù)。

1多桿沖床機(jī)構(gòu)有限元模型的建立

1.1多連桿沖床機(jī)構(gòu)模型

新型高速壓力機(jī)的原理機(jī)構(gòu)如圖1所示，從圖1可以看出，該原理機(jī)構(gòu)的曲軸、大連桿(長(zhǎng)度為L(zhǎng)1)、副滑塊組成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)副滑塊實(shí)現(xiàn)豎直方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。肘桿機(jī)構(gòu)對(duì)稱(chēng)分布在副滑塊運(yùn)動(dòng)軸線的兩側(cè)，肘桿(長(zhǎng)度為L(zhǎng)2)一端連接到副滑塊，另一端連接著擺動(dòng)塊(包桿)。兩側(cè)肘桿機(jī)構(gòu)中，上連桿(長(zhǎng)度為L(zhǎng)3)的上端連接到固定機(jī)身(基座)，下端連接著擺動(dòng)塊；下連桿(長(zhǎng)度為L(zhǎng)4)的上端連接著擺動(dòng)塊，下端連接到連接塊，從而構(gòu)成了一個(gè)完整的閉環(huán)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。曲軸帶動(dòng)副滑塊在豎直方向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)肘桿進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)兩側(cè)肘桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)同步擺動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)主滑塊的運(yùn)動(dòng)[12]。

圖1　多連桿沖床機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件有限元網(wǎng)格的劃分

根據(jù)機(jī)構(gòu)內(nèi)部潤(rùn)滑流道的分布，將機(jī)構(gòu)分成3個(gè)部分(肘桿、上下連桿、大連桿)，如圖2所示。采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格分別對(duì)各部分進(jìn)行離散，且所有網(wǎng)格的扭曲度均小于0.9。肘桿、上下連桿、大連桿的網(wǎng)格總量分別為300萬(wàn)、800萬(wàn)和260萬(wàn)。文中以肘桿部分為例，其內(nèi)部流道以及固體網(wǎng)格的劃分如圖3所示。

圖2　多連桿沖床運(yùn)動(dòng)部件三維模型

(a)肘桿部分內(nèi)部流道網(wǎng)格圖

(b)肘桿部分固體網(wǎng)格圖圖3　肘桿部分網(wǎng)格圖

2仿真計(jì)算及結(jié)果分析

2.1控制方程

潤(rùn)滑油冷卻過(guò)程遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒三大定律。本機(jī)構(gòu)采用68號(hào)潤(rùn)滑油對(duì)運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑冷卻，潤(rùn)滑油路中循環(huán)流動(dòng)的液體假設(shè)為不可壓縮流體，其控制方程滿足以下守恒條件：

質(zhì)量守恒

(1)

動(dòng)量守恒

(2)

能量守恒

(3)

2.2溫度場(chǎng)計(jì)算及結(jié)果分析

機(jī)構(gòu)中的熱源主要來(lái)自于軸和軸瓦之間的旋轉(zhuǎn)摩擦，摩擦功耗為

Pμ=πηFidn

(4)

式中，η為摩擦因數(shù)；Fi(i=200,400,600)為不同轉(zhuǎn)速時(shí)(200 r/min、400 r/min、600 r/min)運(yùn)動(dòng)副承受的載荷；d為軸瓦直徑；n為軸或軸瓦的轉(zhuǎn)速。

在Fluent中，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)機(jī)構(gòu)的溫度場(chǎng)進(jìn)行求解。邊界條件為：流場(chǎng)入口壓力0.5 MPa；流場(chǎng)出口壓力0.1 MPa(大氣壓)；在軸與軸瓦之間，加載由式(4)計(jì)算得到的發(fā)熱功率；各連桿外壁面為對(duì)流換熱面。機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中，連桿快速振蕩，外壁面與空氣為強(qiáng)制對(duì)流，傳熱系數(shù)取50 W/(m2·K)，初始冷卻油溫和運(yùn)動(dòng)部件的初始溫度為基礎(chǔ)環(huán)境溫度20 ℃。

轉(zhuǎn)速越高，慣性載荷越大，運(yùn)動(dòng)副發(fā)熱量越大。本文對(duì)3種不同轉(zhuǎn)速(200 r/min、400 r/min、600 r/min)時(shí)機(jī)構(gòu)的溫度場(chǎng)分別進(jìn)行了仿真。這里以曲軸轉(zhuǎn)速200 r/min時(shí)機(jī)構(gòu)肘桿部分的溫度場(chǎng)為例，仿真迭代計(jì)算直至溫度場(chǎng)不再發(fā)生變化，即達(dá)到此轉(zhuǎn)速時(shí)的熱平衡條件。其熱平衡后的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖4所示。

(a)肘桿部分內(nèi)部流道的溫度場(chǎng)云圖

(b)肘桿內(nèi)部軸瓦的溫度場(chǎng)云圖圖4　肘桿部分溫度場(chǎng)云圖

分析圖4可知，曲軸轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)，軸瓦外壁溫度大約為29.5 ℃，冷卻油溫升大約為6 ℃。另外，曲軸轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，軸瓦外壁溫度約為38 ℃；轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，軸瓦外壁溫度約為52 ℃。

2.3熱變形分析

本機(jī)構(gòu)中，連桿部件(連桿以及軸瓦)長(zhǎng)度方向的熱變形會(huì)影響滑塊的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此對(duì)連桿部件進(jìn)行熱力耦合分析，求其長(zhǎng)度方向的變形量。將上述溫度載荷加載到結(jié)構(gòu)上，給定約束，計(jì)算結(jié)構(gòu)熱變形。圖5為200 r/min時(shí)的肘桿熱變形云圖。

圖5　200 r/min時(shí)肘桿熱變形云圖

如圖5所示，曲軸轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)，連桿一端頭的軸瓦軸線之間的伸長(zhǎng)量約為21 μm。機(jī)構(gòu)中各運(yùn)動(dòng)桿件在不同轉(zhuǎn)速下的熱變形伸長(zhǎng)量如表1所示，表中，ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4分別表示圖1a中的大連桿、肘桿、上連桿、下連桿在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的熱變形伸長(zhǎng)量。

表1　各轉(zhuǎn)速下運(yùn)動(dòng)部件的熱變形量

2.4滑塊運(yùn)動(dòng)軌跡分析

圖6為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析簡(jiǎn)圖，圖中，L1+ΔL1為大連桿熱變形后的尺寸；L2+ΔL2為肘桿熱變形后的尺寸；L3+ΔL3為上連桿熱變形后的尺寸；L4+ΔL4為下連桿熱變形后的尺寸。考慮運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的熱變形量，參考文獻(xiàn)[12]中該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析過(guò)程，可以得到機(jī)構(gòu)不同熱變形條件時(shí)滑塊的運(yùn)動(dòng)曲線，如圖7所示。

圖6　機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析簡(jiǎn)圖

(a)不同轉(zhuǎn)速時(shí)滑塊的運(yùn)動(dòng)軌跡圖

(b)滑塊的運(yùn)動(dòng)軌跡在下死點(diǎn)位置附近的放大圖圖7　滑塊在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖

由圖7b可知，滑塊軌跡的下死點(diǎn)位置隨著轉(zhuǎn)速的提高向下漂移，也就是說(shuō)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速的提高導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)副發(fā)熱量增加，運(yùn)動(dòng)部件熱變形增大，從而改變了滑塊的運(yùn)動(dòng)軌跡。分析轉(zhuǎn)速200 r/min與轉(zhuǎn)速600 r/min時(shí)滑塊下死點(diǎn)的位置坐標(biāo)可知，隨著轉(zhuǎn)速的提高，滑塊下死點(diǎn)位置向下漂移0.11 mm。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1溫度測(cè)試試驗(yàn)

RTD溫度傳感器通過(guò)螺紋緊固在連桿端頭，傳感器探頭與銅瓦的外表面接觸，使其能較準(zhǔn)確地測(cè)量到運(yùn)動(dòng)副的溫升。將RTD溫度傳感器、NI-USB9217數(shù)據(jù)采集卡、筆記本電腦連接，構(gòu)成溫度采集系統(tǒng)。

根據(jù)以上測(cè)試方案和測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試得到不同轉(zhuǎn)速時(shí)軸瓦的熱平衡溫度曲線(這里以肘桿運(yùn)動(dòng)副的溫升曲線為例)，如圖8所示。分析圖8可知，曲軸轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)，肘桿運(yùn)動(dòng)副軸瓦外表面溫度為31.5 ℃；轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，溫度為40 ℃；轉(zhuǎn)速600 r/min時(shí)，溫度為50 ℃。

圖8　RTD溫度測(cè)試運(yùn)動(dòng)副溫度

3.2滑塊下死點(diǎn)位置測(cè)試試驗(yàn)

首先采用電渦流位移傳感器采集各轉(zhuǎn)速(200 r/min、400 r/min、600 r/min)且沖床運(yùn)行達(dá)到熱平衡條件時(shí)滑塊下死點(diǎn)附近的運(yùn)動(dòng)曲線，可以得到不同轉(zhuǎn)速時(shí)滑塊下死點(diǎn)位置總的變化量。然后瞬間將沖床從200 r/min加速到600 r/min，在加速過(guò)程中位移傳感器連續(xù)采集滑塊的運(yùn)動(dòng)曲線，對(duì)曲線進(jìn)行分析可以得到運(yùn)動(dòng)構(gòu)件彈性變形導(dǎo)致的滑塊下死點(diǎn)位置的改變量。總的變化值減去瞬間加速過(guò)程的變化值即可得到機(jī)構(gòu)的熱變形導(dǎo)致滑塊極限位置的改變量。搭建滑塊運(yùn)動(dòng)曲線測(cè)試系統(tǒng)，如圖9所示，位移傳感器采集滑塊下死點(diǎn)附近的位移，并以電壓信號(hào)的方式輸出；信號(hào)調(diào)理儀對(duì)傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，調(diào)理后的電壓信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集；編輯數(shù)據(jù)采集程序?qū)⒉杉降碾妷盒盘?hào)換算為位移量，并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與保存。

圖9　下死點(diǎn)附近位移曲線測(cè)試系統(tǒng)

根據(jù)搭建的測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)得滑塊在下死點(diǎn)附近，不同轉(zhuǎn)速且沖床運(yùn)行達(dá)到熱平衡條件時(shí)滑塊的位移曲線，如圖10所示。分析圖10可知，隨著轉(zhuǎn)速的提高，滑塊下死點(diǎn)位置向下漂移，總漂移量達(dá)0.238 mm。

圖10　傳感器測(cè)得不同轉(zhuǎn)速下滑塊的位移曲線

瞬間加速?zèng)_床，連續(xù)采集滑塊的位移曲線，取每個(gè)周期內(nèi)位移曲線的極值，得到滑塊下死點(diǎn)位置在瞬間加速過(guò)程中的變化曲線，如圖11所示。分析圖11可知，瞬間加速狀態(tài)下，滑塊下死點(diǎn)位置的漂移量為0.14 mm。此漂移值即為沖床運(yùn)動(dòng)部件的彈性變形導(dǎo)致的滑塊下死點(diǎn)位置的誤差。圖10中的總漂移量減去圖11中瞬間加速過(guò)程的漂移量可以得到熱變形導(dǎo)致滑塊下死點(diǎn)位置的漂移量為0.098 mm。

圖11　滑塊下死點(diǎn)位置的漂移

4結(jié)論

(1)以某多桿機(jī)構(gòu)高速精密沖床為研究對(duì)象，建立了冷卻流道以及運(yùn)動(dòng)桿件溫度場(chǎng)分析模型，仿真計(jì)算得到不同轉(zhuǎn)速(不同發(fā)熱功率)時(shí)的溫度分布。在溫度場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算了運(yùn)動(dòng)桿件的熱變形，進(jìn)而分析了不同熱變形條件下機(jī)構(gòu)滑塊的位移曲線。隨著機(jī)床轉(zhuǎn)速的提高熱平衡溫度升高，滑塊下死點(diǎn)位置向下漂移0.11mm。仿真計(jì)算分析結(jié)果0.11mm與試驗(yàn)結(jié)果0.098mm基本吻合，且溫度引起的精度誤差占總誤差的50%左右。

(2)研究結(jié)果為高速精密沖床潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)精度的保持提供了合理的理論依據(jù)，在此類(lèi)高速精密沖床冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)改變不同轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)構(gòu)的冷卻條件，控制機(jī)構(gòu)的溫度場(chǎng)，從而減小運(yùn)動(dòng)桿件的熱變行，提高沖床的整體動(dòng)態(tài)精度。

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(編輯張洋)

收稿日期：2016-03-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275243);江蘇省科技支撐項(xiàng)目(BE2012174)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH16

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.14.001

作者簡(jiǎn)介：胡峰峰，男，1988年生。南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代制造工藝及裝備。發(fā)表論文4篇。孫宇，男，1964年生。南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。彭斌彬，男，1975年生。南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。李燁健，男，1987年生。南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。

Analysis for Influences of Thermal Deformation on Kinematic Accuracy of Slider on Multi-link Punch Press

Hu FengfengSun YuPeng BinbinLi Yejian

Nanjing University of Science and Technology,Nanjing,210094

Abstract:Temperature distribution of cooling oil and the key moving components of a multi-link punch press under different operating conditions were calculated in Fluent. The thermal deformation of moving components was solved by Workbench. And then, trajectory of the slider was analyzed with different thermal deformations. With the increase of thermal deformations， the drift amount of bottom dead is as 0.11 mm. Temperature sensor was used to measure the temperature of bearing in real time to verify the results of temperature field simulation. Drift amount of bottom dead center caused by thermal deformation is as 0.098 mm by the tests with a displacement sensor. The analytical results and the experimental data coincide with each other.

Key words:multi-link punch press; temperature field; thermal deformation; dynamic accuracy