滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的溫度場(chǎng)分析與試驗(yàn)研究*

舒啟林，鄒存建

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的溫度場(chǎng)分析與試驗(yàn)研究*

舒啟林，鄒存建

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

為了研究滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副發(fā)熱量對(duì)零件加工精度的影響，以某公司生產(chǎn)的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副為研究對(duì)象，在ansysworkbench軟件中分別對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)和熱—結(jié)構(gòu)耦合分析，得到滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的理論溫度場(chǎng)與變形場(chǎng)。以自主搭建的試驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)導(dǎo)軌副進(jìn)行了溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示最大溫升及趨勢(shì)與仿真結(jié)果相吻合，從而驗(yàn)證了滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副有限元模型的正確性，并為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的熱特性研究提供實(shí)際依據(jù)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，采用該有限元模型對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副進(jìn)行類似熱特性方面的研究，不僅使工作量變小，而且得出的結(jié)果也將真實(shí)可靠。

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副；有限元模型；溫度場(chǎng)分析；試驗(yàn)研究

0 引言

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是廣泛應(yīng)用的一種精密直線導(dǎo)向部件，主要由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、潤(rùn)滑油嘴、密封端蓋及擋板等組成。機(jī)床工作時(shí)由于滑塊滾珠與導(dǎo)軌之間摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，被導(dǎo)軌吸收使導(dǎo)軌溫度上升產(chǎn)生熱變形，從而影響機(jī)床加工精度。

隨著現(xiàn)代加工技術(shù)向更高速更精密的方向發(fā)展，關(guān)鍵部件溫升帶來(lái)的影響也將日益增大。導(dǎo)軌作為機(jī)床上的關(guān)鍵零部件，它的發(fā)熱變形將影響機(jī)床的加工精度。近年來(lái)，研究人員分別以導(dǎo)軌類型、邊界條件、熱源移動(dòng)等方面為出發(fā)點(diǎn)對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行熱特性研究。劉寶俊[1]以龍門加工中心Y向?qū)к墳檠芯繉?duì)象，江云[2]等、杜威[3]等均以液體靜壓導(dǎo)軌為研究對(duì)象，對(duì)導(dǎo)軌的溫度場(chǎng)分布和熱變形規(guī)律進(jìn)行研究；李赫林[4]等、楊定軍[5]等分別通過(guò)響應(yīng)面近似模型的方法以及試驗(yàn)和仿真相結(jié)合法對(duì)邊界條件進(jìn)行了優(yōu)化，使有限元模型更精確；孫志禮[6]等考慮熱源移動(dòng)的影響，對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行溫度場(chǎng)與熱變形的研究；而謝黎明[7]等在考慮導(dǎo)軌與床身結(jié)合面熱阻特性基礎(chǔ)上，對(duì)其溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。此外，國(guó)外學(xué)者WooSooYun[8]等用反求法得到導(dǎo)軌的溫度場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)模型，通過(guò)研究得出導(dǎo)軌熱誤差占整個(gè)誤差的22.7%；Sun-KyuLee[9]等、HFidotlidotz[10]等分別研究了導(dǎo)軌的熱變形與導(dǎo)軌面摩擦系數(shù)的關(guān)系以及壓力分布下導(dǎo)軌的變形規(guī)律。

現(xiàn)有的研究多數(shù)是針對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌以及重型導(dǎo)軌進(jìn)行理論的熱分析，對(duì)于目前比較常用的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的熱特性研究卻很少。而且以往的研究多以單獨(dú)的仿真為主，其結(jié)果的準(zhǔn)確性有待提高。本文以滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副溫度場(chǎng)及熱變形仿真分析為基礎(chǔ)，自主搭建試驗(yàn)平臺(tái)，并以某公司生產(chǎn)的四方等載荷型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副為研究對(duì)象對(duì)其進(jìn)行了溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究。研究結(jié)果為分析滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的熱變形對(duì)零件加工精度的影響提供實(shí)際依據(jù)。

1 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副網(wǎng)格劃分模型的建立

由于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副模型形狀比較規(guī)則，因此采用自動(dòng)生成方式劃分網(wǎng)格。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的網(wǎng)格劃分模型如圖1所示。

圖1 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副網(wǎng)格劃分模型

2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副熱分析相關(guān)參數(shù)的選擇和計(jì)算

2.1 發(fā)熱量的計(jì)算

由于研究的是單滑塊的導(dǎo)軌副的熱特性，因此生熱量主要由于導(dǎo)軌與滑塊的滾動(dòng)摩擦產(chǎn)生。摩擦引起的發(fā)熱量計(jì)算公式如下：

(1)

式中：μ為動(dòng)摩擦系數(shù)；F為施加在摩擦面上的載荷，單位N；v為滑塊相對(duì)于導(dǎo)軌的滑動(dòng)速度，單位m/s；J為熱功當(dāng)量，其值為4.2J/cal；Q為發(fā)熱量，單位J/s。其中，摩擦系數(shù)為0.05，導(dǎo)軌上所受的載荷為4500N，滑塊與導(dǎo)軌的相對(duì)滑動(dòng)速度為8m/s。

2.2 邊界條件的確定

導(dǎo)軌的水平面和側(cè)面以及滑塊表面均與空氣接觸發(fā)生熱交換，這是導(dǎo)軌副的主要放熱形式。根據(jù)努謝爾準(zhǔn)則，換熱系數(shù)的計(jì)算公式為：

(2)

式中：Nu為努謝爾特?cái)?shù)；L為特征尺寸(單位m)，在豎直壁時(shí)取其高度H，在水平放置時(shí)取板的寬度b；λ為流體的熱傳導(dǎo)系數(shù)。

在自然對(duì)流條件下努謝爾特?cái)?shù)的計(jì)算公式為：

Nu=C(Gr·Pr)m

(3)

式中：C、m為常數(shù)，根據(jù)熱源及流體流態(tài)選??；Pr為普朗特?cái)?shù)；Gr為格拉曉夫準(zhǔn)數(shù)，其計(jì)算公式為：

(4)

式中：g為重力加速度(m/s2)；β為流體的體膨脹系數(shù)，是流體溫度T的倒數(shù)(K-1)；υ為流體的運(yùn)動(dòng)粘度(m2/s)；ΔT為流體與壁面的溫差。

3 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副溫度場(chǎng)及變形場(chǎng)計(jì)算

3.1 分析條件

針對(duì)立式加工中心試驗(yàn)平臺(tái)，將導(dǎo)軌副簡(jiǎn)化并作如下假設(shè)：①導(dǎo)軌與滑塊之間產(chǎn)生均勻摩擦，產(chǎn)生的摩擦熱均勻分布在接觸面上，而且假定滑塊不移動(dòng)；②忽略切削熱對(duì)導(dǎo)軌的影響；③導(dǎo)軌外表面與滑塊接觸，固定在工作臺(tái)上，導(dǎo)軌面摩擦產(chǎn)生的熱量有一半被導(dǎo)軌吸收。假設(shè)環(huán)境溫度為23℃，由上式得出導(dǎo)軌副的熱仿真主要參數(shù)如表1所示，其中導(dǎo)軌材質(zhì)為鉻鋼，具體參數(shù)如表2所示。

表1 仿真主要參數(shù)

表2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的材料屬性

3.2 結(jié)果分析

對(duì)導(dǎo)軌副進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析及熱變形分析，穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)如圖2所示。

圖2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)

穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果顯示最大溫升為1.4℃左右，發(fā)生在導(dǎo)軌與滑塊滾道接觸處，導(dǎo)軌副溫度呈對(duì)稱分布，與滑塊距離越大溫升越小。

圖3 t=14400s時(shí)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的瞬時(shí)溫度場(chǎng)

由圖3可知導(dǎo)軌副在t=4h時(shí)導(dǎo)軌副上各區(qū)域溫度的變化，最高溫度達(dá)到了24.375℃，與穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果比較得知，在此時(shí)間內(nèi)導(dǎo)軌副達(dá)到了熱平衡狀態(tài)。由瞬態(tài)曲線圖4可知導(dǎo)軌副在前1h溫升較大達(dá)到了0.8℃左右，隨后溫升幅度慢慢減小。所以一般在實(shí)際加工中為了避免導(dǎo)軌副溫升帶來(lái)的誤差影響需要預(yù)熱機(jī)床1h左右。

圖4 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副從初始t=0s到t=14400s時(shí)的溫升曲線圖

如圖5所示，為導(dǎo)軌副的變形場(chǎng)云圖，由于溫升較小，因此導(dǎo)軌副的變形量也不大，只有0.4μm左右。變形主要發(fā)生在施加載荷的滑塊處。

圖5 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的變形場(chǎng)云圖

4 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副溫度場(chǎng)的試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

為了模擬實(shí)際工況下滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的溫度場(chǎng)分布情況，以VMC850E立式加工中心為基礎(chǔ)自行設(shè)計(jì)并搭建了試驗(yàn)平臺(tái)。該試驗(yàn)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.電氣控制柜和數(shù)控系統(tǒng) 2.床身和滑鞍 3.被測(cè)導(dǎo)軌載荷施加機(jī)構(gòu) 4.計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 5.工作臺(tái)圖6 試驗(yàn)臺(tái)整體實(shí)物圖

4.2 試驗(yàn)條件

模擬滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副在實(shí)際加工中的發(fā)熱情況，能夠?yàn)闈L動(dòng)直線導(dǎo)軌副的熱特性深入研究提供依據(jù)，因此在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了導(dǎo)軌副的溫度場(chǎng)的研究。圖7所示為立式加工中心試驗(yàn)平臺(tái)的三維模型，需要在滑塊上施加4500N的載荷來(lái)模擬實(shí)際工況。在圖6所示的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，壓力傳感器安裝在千斤頂上端，可以從壓力傳感器連接的數(shù)顯表中讀出實(shí)際壓力值。通過(guò)調(diào)整千斤頂?shù)纳斐鲩L(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)施加在滑塊上的載荷大小，使施加的載荷為450kg。而根據(jù)仿真分析結(jié)果可知，滑塊上的溫升最大。故采用4個(gè)高精度溫度傳感器分別安裝在被施加載荷的滑塊表面，以及右側(cè)導(dǎo)軌前后滑塊表面和立柱壁上來(lái)對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副進(jìn)行溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究。根據(jù)有限元熱分析結(jié)果可知，在4h時(shí)已經(jīng)達(dá)到熱平衡，因此試驗(yàn)時(shí)機(jī)床工作4h，獲取4個(gè)被測(cè)點(diǎn)的溫度變化，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各被測(cè)點(diǎn)的溫升曲線。

圖7 試驗(yàn)平臺(tái)的三維模型

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，被施力滑塊的溫升在1.6℃左右，與仿真結(jié)果相吻合，在1h內(nèi)變化較快，隨后緩慢變化并趨于穩(wěn)定。而右側(cè)前后滑塊溫度基本恒定保持23℃左右，隨著試驗(yàn)進(jìn)行室溫有較小變動(dòng)，溫升在0.7℃左右，由于室溫及其他因素的影響導(dǎo)致被測(cè)滑塊試驗(yàn)溫度值要稍高于仿真值。

圖8 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副上各被測(cè)點(diǎn)的溫升曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)由穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的溫度場(chǎng)分析可知，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副在4h內(nèi)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，最大溫升發(fā)生在導(dǎo)軌與滑塊滾道接觸處，達(dá)到了1.4℃并由滑塊處呈對(duì)稱減小分布。導(dǎo)軌副在1h內(nèi)溫升明顯，迅速由23℃上升到23.8℃。隨后溫度緩慢上升并趨于飽和狀態(tài)。導(dǎo)軌副的熱變形主要發(fā)生在施加載荷的滑塊與導(dǎo)軌滾道接觸處，數(shù)值較小為0.4μm左右。

(2)在立式加工中心試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)導(dǎo)軌副進(jìn)行溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示最大溫升及趨勢(shì)與仿真結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了導(dǎo)軌副有限元模型的正確性。因此，后續(xù)對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副進(jìn)行類似熱特性方面的研究，采用該有限元模型，不僅使工作量變小，而且得出的結(jié)果也將真實(shí)可靠。

(3)研究表明，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副在實(shí)際工況下的溫升和熱變形都較小，因此對(duì)機(jī)床的加工精度影響也相對(duì)較小。但為了獲得更高的加工精度，需要在加工工件前對(duì)機(jī)床預(yù)熱1h左右。針對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)分析與試驗(yàn)研究，可以為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的熱特性研究提供實(shí)際依據(jù)，并為后續(xù)的深入研究提供參考。

[1] 劉寶俊.龍門加工中心進(jìn)給系統(tǒng)溫度場(chǎng)與熱變形研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2013.

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[4] 李郝林，應(yīng)杏娟，遲玉倫.機(jī)床導(dǎo)軌熱誤差優(yōu)化計(jì)算中的近似模型方法[J].中國(guó)機(jī)械工程，2011，22(4)：423-427.

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(編輯 李秀敏)

The Linear Rolling Guide Vice Temperature Field Analysis and Experimental Research

SHU Qi-lin， ZOU Cun-jian

(School of Mechanical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

In order to study the linear rolling guide vice calorific value influence on precision parts processing，to a company's production of rolling linear guide pair as the research object，in ansysworkbench software respectively on the steady-state，transient and thermal structure coupling analysis，get the linear rolling guide vice theory of temperature field and deformation field.On the basis of independent experiment platform，experimental study on the temperature field of the guide.Experimental results show that the maximum temperature rise and trends in conformity with the simulation results，which verify the validity of the finite element model of rolling linear guide pair，and for the study of the thermal characteristics of the linear rolling guide vice to provide practical basis.The test result shows that adopting the finite element model to simulate the linear rolling guide vice similar thermal characteristics research，not only the work less，and the results will also be true and correct.

linear rolling guide vice；the finite element model；analysis of temperature field；experimental study

1001-2265(2017)05-0021-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.05.006

2016-07-12；

2016-09-02

工信部“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備科技重大專項(xiàng)”(2012ZX04011021)

舒啟林(1969—)，男，四川彭州人，沈陽(yáng)理工大學(xué)教授，碩士研究生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)數(shù)控技術(shù)，(E-mail)shuqilin@139.com。

TH164;TG506

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