重型數(shù)控機(jī)床床身熱變形分析及優(yōu)化

徐妍妍 夏梓秋 陳 昳 趙明

（武重集團(tuán)武漢武重機(jī)床有限公司，湖北 武漢 430000）

高端重型機(jī)床是裝備制造業(yè)的重要組成部分，在提升中國(guó)制造業(yè)整體水平上具有至關(guān)重要的作用。隨著重型機(jī)床向高速、高精的方向發(fā)展，機(jī)床熱誤差越來(lái)越受到研究人員的重視。機(jī)床因熱變形產(chǎn)生的誤差占總加工誤差的40%～70%[1-2]。作為重型數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)部件，床身在工作過(guò)程中受運(yùn)動(dòng)、摩擦、切削和室溫等影響而發(fā)熱，致使床身導(dǎo)軌精度變化大，且精度難以保持[3]。一般為恢復(fù)導(dǎo)軌精度，會(huì)定期重調(diào)床身和機(jī)床基礎(chǔ)上的墊鐵。但重調(diào)床身技術(shù)難度高、工作量大及停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了企業(yè)生產(chǎn)的正常開展，降低了生產(chǎn)效率[4]。因此，開展床身熱變形控制技術(shù)的研究顯得尤為重要。

針對(duì)床身熱變形對(duì)加工精度的影響，眾多專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。唐開勇[3]運(yùn)用幾種不同的方法建立了導(dǎo)軌熱變形的數(shù)學(xué)模型，既可方便數(shù)控編程，又可保證和提高工件的加工質(zhì)量。喬雪濤等[5]利用ANSYS Workbench 對(duì)人造花崗巖復(fù)合材料磨床床身進(jìn)行瞬態(tài)熱應(yīng)力分析，根據(jù)床身熱變形及溫度場(chǎng)分布情況，提出了降低床身熱變形的方法。徐化文[6]運(yùn)用 Pro/Mechanical 對(duì)床身進(jìn)行熱變形有限元分析，依據(jù)分析結(jié)果，對(duì)床身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并增添外部冷卻裝置，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的床身熱變形量明顯減小。梁秀霞等[7]對(duì)樹脂混凝土及傳統(tǒng)鑄鐵材質(zhì)的床身進(jìn)行熱變形分析對(duì)比，并對(duì)機(jī)床材料和約束進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果證明優(yōu)化后的機(jī)床床身具有很好的熱穩(wěn)定性。

本文針對(duì)重型數(shù)控機(jī)床床身在自然環(huán)境溫度下的瞬態(tài)熱變形進(jìn)行研究，對(duì)床身-基礎(chǔ)系統(tǒng)展開溫度場(chǎng)測(cè)量，利用ANSYS 建立床身-基礎(chǔ)有限元模型，利用實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)修正床身-基礎(chǔ)的溫度場(chǎng)，進(jìn)而獲得可靠的床身的瞬態(tài)熱變形數(shù)據(jù)。根據(jù)床身的熱態(tài)特性研究提出降低床身熱變形的方法，并利用修正的仿真模型進(jìn)行分析和效果驗(yàn)證。

1 床身溫度場(chǎng)測(cè)量

以重型落地銑鏜床TK6920C 為試驗(yàn)對(duì)象，在混凝土基礎(chǔ)和床身上布置溫度傳感器，通過(guò)測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)的溫度，得到機(jī)床基礎(chǔ)和床身的溫度場(chǎng)分布，為床身熱變形有限元分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.1 測(cè)量系統(tǒng)組成

溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)如圖1 所示。由溫度傳感器、溫度變送器、無(wú)紙記錄儀和24 V 電源組成。為了實(shí)時(shí)測(cè)量并采集數(shù)據(jù)，選用PT100 鉑電阻溫度傳感器，三線制A 級(jí)精度，量程為-50～100 ℃。

圖1 溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

1.2 傳感器布置方案

在機(jī)床基礎(chǔ)、床身及環(huán)境處共布置了38 個(gè)溫度傳感器。為了方便安裝和實(shí)時(shí)測(cè)量，基礎(chǔ)在灌漿時(shí)留預(yù)制孔，埋入常規(guī)型溫度傳感器，在床身周圍的5 個(gè)基礎(chǔ)檢測(cè)板處各取3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，在2 m 深度的預(yù)制孔內(nèi)沿豎直方向平均分布，共計(jì)15 個(gè)測(cè)點(diǎn)，標(biāo)記為T1～T15，如圖2 所示。床身上采用螺紋安裝型溫度傳感器，沿床身長(zhǎng)度方向取4 個(gè)截面，每個(gè)截面放置5 個(gè)溫度傳感器，共布置20 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，標(biāo)記為T16～T35，如圖3 所示。在床身左右兩側(cè)和采集終端出共放置3 個(gè)溫度傳感器。圖4 為床身-基礎(chǔ)系統(tǒng)溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)臺(tái)局部照片。

圖2 機(jī)床基礎(chǔ)溫度測(cè)點(diǎn)分布

圖3 床身溫度測(cè)點(diǎn)分布

圖4 床身-基礎(chǔ)系統(tǒng)溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)臺(tái)

1.3 測(cè)量數(shù)據(jù)分析

取一天24 h 內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖5 為床身同一截面不同測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線。圖6 表示基礎(chǔ)同一位置不同深度溫度分布規(guī)律，可以看出越靠近基礎(chǔ)地面，溫度波動(dòng)越大，隨著深度的增加，基礎(chǔ)在該深度處的溫度變化幅度逐漸減小?；A(chǔ)上下表面的溫差將導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生熱變形。

圖5 床身同一截面5 個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線

圖6 機(jī)床基礎(chǔ)同一位置溫度垂直分布曲線

2 床身熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

2.1 分析模型的建立

床身通過(guò)地腳螺栓安裝在調(diào)整墊鐵上，調(diào)整墊鐵通過(guò)混凝土固定在機(jī)床基礎(chǔ)上。由于機(jī)床基礎(chǔ)上下表面存在的溫差將導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生熱變形，研究床身熱變形時(shí)考慮機(jī)床基礎(chǔ)的影響，建立床身-基礎(chǔ)有限元分析模型，圖7 為重型數(shù)控銑鏜床床身三維模型，該床身全長(zhǎng)8 000 mm，圖8 為床身-基礎(chǔ)裝配模型。

圖7 重型數(shù)控銑鏜床床身模型剖切視圖

圖8 床身-基礎(chǔ)裝配模型

針對(duì)熱特性分析要求，在建模時(shí)保持有限元模型的尺寸與實(shí)際情況相同，對(duì)其三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，在不影響有限元分析結(jié)果的條件下，略去影響不大的次要細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)：螺栓孔、小的結(jié)構(gòu)圓角、倒角以及凸臺(tái)等，在保證精度的條件下使得有限元模型可以順利劃分網(wǎng)格求解。

2.2 材料屬性和邊界條件

床身材料采用HT300，機(jī)床基礎(chǔ)采用C30 混凝土，材料屬性如表1 所示。床身放置在基礎(chǔ)上，床身和基礎(chǔ)表面裸露在空氣中，與空氣之間形成自然對(duì)流，根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)床身-基礎(chǔ)施加測(cè)得的環(huán)境溫度和環(huán)境對(duì)流條件，進(jìn)行瞬態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得到24 h 內(nèi)床身溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)分布情況。

表1 機(jī)床基礎(chǔ)和床身材料特性

2.3 實(shí)測(cè)溫度結(jié)果對(duì)仿真進(jìn)行修正

在實(shí)際情況中，機(jī)床的熱平衡狀態(tài)為一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，不同于軟件分析得出的穩(wěn)定的、不再隨時(shí)間的變化而改變的溫度場(chǎng)分布的結(jié)果，因此，對(duì)床身-基礎(chǔ)進(jìn)行了瞬態(tài)熱分析。

取某時(shí)刻未修改模型與實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比，如表2 所示。

表2 某時(shí)刻未修改模型與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比

初步計(jì)算得到的溫度模型與實(shí)際的溫度模型差異較大，需要使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)才能保證其實(shí)際有效性。

實(shí)際實(shí)用的機(jī)床床身由于放置于低于地面地基中，表面覆蓋防護(hù)罩，床身各面環(huán)境均有差異，不同位置與環(huán)境對(duì)流換熱系數(shù)差異較大。經(jīng)仿真對(duì)比后，將對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，溫度模型與實(shí)測(cè)模型基本一致。

床身內(nèi)部對(duì)流換熱系數(shù)：10 W/m2·℃；床身外側(cè)及兩端對(duì)流換熱系數(shù)：20 W/m2·℃；床身內(nèi)側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)：15 W/m2·℃。

圖9 為修正后的床身-基礎(chǔ)溫度場(chǎng)分布云圖。

圖9 床身-基礎(chǔ)溫度場(chǎng)分布

圖10 為床身測(cè)點(diǎn)處溫度與仿真模型溫度隨時(shí)間變化曲線?？梢钥闯?，仿真模型溫度變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，溫度值最大誤差僅4.8%。修正后的仿真模型可以作為基礎(chǔ)進(jìn)一步開展變形分析和優(yōu)化分析。

圖10 床身測(cè)點(diǎn)處溫度與仿真模型溫度隨時(shí)間變化對(duì)比曲線

2.4 床身熱變形

當(dāng)物體受到熱源的影響，溫度發(fā)生改變，將隨著溫度的改變出現(xiàn)膨脹或者收縮的現(xiàn)象。將修正后的瞬態(tài)溫度場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)溫度作為載荷施加到有限元模型中，得到床身-基礎(chǔ)系統(tǒng)的變形場(chǎng)。圖11 所示為床身-基礎(chǔ)整體沿Y方向的變形云圖。取床身主導(dǎo)軌側(cè)邊在Y向的最大、最小變形值之差Δy作為主導(dǎo)軌直線度，得到床身導(dǎo)軌直線度隨時(shí)間變化曲線如圖12 所示，可以看出，床身導(dǎo)軌直線度在16 h處達(dá)到最大值0.151 mm。

圖11 床身-基礎(chǔ)Y 向熱變形云圖

圖12 床身主導(dǎo)軌直線度隨時(shí)間變化曲線

3 床身熱穩(wěn)定性優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方法

不均勻的溫度場(chǎng)是導(dǎo)致床身熱變形的直接原因，過(guò)大的變形量會(huì)直接影響床身導(dǎo)軌的直線度[8]。根據(jù)上述分析，在重型數(shù)控機(jī)床床身的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以通過(guò)以下方式來(lái)改善床身熱變形：

（1）優(yōu)化床身材料，選擇熱穩(wěn)定性更優(yōu)越的材料。

（2）優(yōu)化床身結(jié)構(gòu)，根據(jù)床身熱特性以及機(jī)床設(shè)計(jì)目標(biāo)，尋求散熱迅速、溫度場(chǎng)均勻?qū)ΨQ、熱平衡時(shí)間短的機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

（3）采用熱容平衡技術(shù)，對(duì)局部熱容量大的部件采取一定的措施來(lái)控制和減少其溫升，使它與熱容量較小的部分不致產(chǎn)生較大的溫差，盡量達(dá)到它們之間的熱平衡，從而使機(jī)床整體的熱應(yīng)力變形減少。

3.2 材料優(yōu)化效果驗(yàn)證

人造花崗巖，又稱為樹脂混凝土，是一種以樹脂粘結(jié)劑和不同尺寸天然礦石為主要成分的復(fù)合材料，與灰鑄鐵材料相比具有更好的熱穩(wěn)定性[9]。將床身材料由HT300 改為人造花崗巖進(jìn)行瞬態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，材料屬性如表3 所示。

表3 人造花崗巖材料屬性

經(jīng)過(guò)熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得到人造花崗巖床身溫度場(chǎng)和熱變形數(shù)據(jù)，圖13 為人造花崗巖床身-基礎(chǔ)溫度場(chǎng)分布云圖，圖14 為人造花崗巖床身-基礎(chǔ)整體沿Y方向的變形云圖。

圖13 人造花崗巖床身-基礎(chǔ)溫度場(chǎng)分布云圖

圖14 人造花崗巖床身-基礎(chǔ)Y 向熱變形云圖

取床身主導(dǎo)軌側(cè)邊在Y向的最大、最小變形值之差Δy作為主導(dǎo)軌直線度，得到HT300 和人造花崗巖兩種材料的床身導(dǎo)軌直線度變化曲線，如圖15所示?？梢?，兩種材料的床身導(dǎo)軌直線度均在16 h左右達(dá)到最大值，HT300 床身導(dǎo)軌的直線度最大可達(dá)0.151 mm，而人造花崗巖床身導(dǎo)軌直線度最大為0.103 mm，相較于HT300 減少了31.8%。

圖15 兩種材料床身Y 向直線度對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)重型數(shù)控機(jī)床床身在自然環(huán)境溫度下的瞬態(tài)熱變形進(jìn)行研究，采用ANSYS 對(duì)床身-基礎(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，獲得了床身-基礎(chǔ)溫度場(chǎng)和熱變形的分布，提出了減小床身熱變形的方法并進(jìn)行了有限元分析驗(yàn)證。主要工作內(nèi)容如下：

（1）搭建了重型數(shù)控機(jī)床床身-基礎(chǔ)系統(tǒng)溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)臺(tái)。通過(guò)溫度傳感器測(cè)得了床身-基礎(chǔ)關(guān)鍵點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，為后續(xù)床身熱變形研究提供了數(shù)據(jù)支撐。

（2）利用ANSYS 建立床身有限元模型，根據(jù)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)計(jì)算和修正床身的溫度場(chǎng)，使所建床身有限元模型能夠較真實(shí)的反應(yīng)床身熱變形的實(shí)際情況，進(jìn)而獲得床身的瞬態(tài)熱變形數(shù)據(jù)。

（3）根據(jù)床身的熱態(tài)特性研究提出了3 種降低床身熱變形的方法：改變結(jié)構(gòu)件材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、采用熱容平衡技術(shù)。對(duì)其中優(yōu)化材料的方法進(jìn)行熱變形有限元分析和效果驗(yàn)證，結(jié)果表明人造花崗巖材料相較于傳統(tǒng)的鑄鐵材料HT300 熱穩(wěn)定性更優(yōu)越，可消除床身因熱變形引起的直線度誤差高達(dá)31.8%。