重型加工中心橫梁部件的熱態(tài)特性分析

陳水勝， 羅 攀， 華中平， 戴 晨

(1 湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068； 2 武漢國(guó)威重型機(jī)械制造有限公司， 湖北 武漢 430223)

在XK2535定梁龍門移動(dòng)式鏜銑床中，橫梁是支撐滑枕、主軸箱、鏜銑頭的關(guān)鍵部件．機(jī)床在切削工作時(shí)，由于橫梁與溜板導(dǎo)軌副的滑動(dòng)摩擦生熱會(huì)導(dǎo)致橫梁受熱產(chǎn)生變形，其熱變形直接影響到數(shù)控機(jī)床的定位精度，是影響加工精度的主要因素之一．研究表明，在精密加工過程中，數(shù)控機(jī)床因熱變形導(dǎo)致的加工誤差可能占到總誤差的40%～70%[1]．因此，橫梁的熱特性分析對(duì)機(jī)床精度穩(wěn)定性和運(yùn)行可靠性的提高非常重要．本文以XK2535鏜銑床加工中心的橫梁為研究對(duì)象，通過SolidWorks軟件建立實(shí)體模型，用ABAQUS對(duì)其進(jìn)行熱特性分析，利用傳熱學(xué)經(jīng)典理論對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析[2]，為進(jìn)一步提高機(jī)床精度提供參考．

1 橫梁部件的有限元建模

利用Solid works軟件建立橫梁部件的實(shí)體模型如圖1所示，再導(dǎo)入ABAQUS進(jìn)行計(jì)算分析．導(dǎo)入前需要進(jìn)行模型的相應(yīng)簡(jiǎn)化處理，忽略模型中的小特征．

圖 1 橫梁部件實(shí)體模型

由于鏜銑頭比較復(fù)雜，故不對(duì)其建模．建模完成后在ABAQUS中將實(shí)體模型導(dǎo)入，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選定單元C3D10MT(10-node modi fied displacement and temperature tetrahedron with hourglass control)，得到有限元模型(圖2)．

圖 2 橫梁有限元模型

2 熱源及各參數(shù)的確定

本文主要研究的是滑枕鏜銑頭以10 m/min高速進(jìn)給的情況下(溜板沿Y方向運(yùn)動(dòng)時(shí))，橫梁與溜板之間上下導(dǎo)軌處的摩擦生熱．

熱傳遞的方式主要有熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等三種．其中電磁輻射可不予考慮[2]，主要考慮前二種熱傳遞方式．在分析橫梁的溫度場(chǎng)時(shí)，設(shè)定電機(jī)和切削產(chǎn)生的熱量所帶來的影響忽略不計(jì)，橫梁的散風(fēng)方式為自然對(duì)流，其換熱系數(shù)設(shè)定h為恒定值,7.25 W/(m2k)．

摩擦生熱的計(jì)算采用如下公式[3]：

Q=μ·F·ν.

式中：μ為滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取0.08；F為摩擦面接觸正壓力，其與溜板等部件質(zhì)量有關(guān)，其中滑枕部件5 050 kg，溜板4 712 kg，鏜銑頭6 000 kg．ν為鏜銑頭移動(dòng)速度，取10 m/min．生熱速率[4]

式中A為接觸面積．

橫梁的主要參數(shù)為：密度ρ，7 200 kg/m3；比熱C，510 m2/(s2·k)；彈性模量E，6.6×1010Pa；導(dǎo)熱系數(shù)λ，45 w/(m·k)；泊松比σ，0.3；熱膨脹系數(shù)α，1.2×10-5．

3 橫梁的熱特性分析

3.1 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)

穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，即各發(fā)熱元件和傳導(dǎo)元件的溫度不再隨運(yùn)行時(shí)間的變化而變化，處于一種理想的熱平衡狀態(tài)[5]．

ABAQUS具有強(qiáng)大的熱固耦合分析功能，包括：穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)和瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析等,順序耦合熱固分析、摩擦生熱等．

應(yīng)用ABAQUS對(duì)橫梁有限元模型分析結(jié)果如圖3所示．

圖 3 橫梁穩(wěn)態(tài)溫度云圖

由圖可見，橫梁上不靠近導(dǎo)軌接觸處的大部分溫度較低，接近環(huán)境溫度(即20℃)，表明熱對(duì)流系數(shù)較大，散熱性良好．而在滑動(dòng)導(dǎo)軌副周圍的溫度較高，最大為50.8℃，最大溫差達(dá)30.8℃．

建立橫梁導(dǎo)軌上部縱向及橫梁中部橫向兩條路徑，獲取節(jié)點(diǎn)位置及溫度，得到圖4及圖5的溫度分布圖．

圖 4 橫梁上部導(dǎo)軌位置-溫度關(guān)系圖

由圖4可以看出，橫梁兩側(cè)的溫度較低，接近環(huán)境溫度，在較長(zhǎng)的距離內(nèi)溫度幾乎不變，在靠近中部時(shí)溫度逐漸上升，在中部溫度最高達(dá)到50.8°C；圖5的折線不規(guī)律，除與參考點(diǎn)選取過少有關(guān)外，還與熱源分布有關(guān)，在靠近熱源處溫度較高．

圖 5 橫梁中部橫向位置-溫度關(guān)系圖

3.2 橫梁的熱變形分析

橫梁兩側(cè)的底部與立柱固定相連接，分析時(shí)在底座接觸區(qū)，施加位移約束ENCASTRE(Ux=Uy=Uz=UR1=UR2=UR3=0)，橫梁的熱變形場(chǎng)如圖6所示.

圖 6 橫梁熱變形云圖

由圖6可知，橫梁熱變形量最大達(dá)到205 μm，位于橫梁導(dǎo)軌副的中部最上端，機(jī)床整體的熱變形集中在中部，橫梁兩側(cè)相對(duì)較小．在橫梁上導(dǎo)軌處建立一條縱向路徑，提取節(jié)點(diǎn)位置及位移量，得到圖7所示的橫梁縱向位移分布圖，可見，靠近底座接觸區(qū)，由于施加了位移約束，變形量逐漸最小．

圖 7 橫梁縱向位置-位移分布圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)XK2535定梁龍門移動(dòng)式鏜銑床的橫梁進(jìn)行熱特性分析，在鏜銑頭以10 m/min運(yùn)動(dòng)時(shí)，橫梁的最高溫度為50.8°C，最大熱變形為205 μm，這必然使刀具與加工部件之間的相對(duì)位置發(fā)生變化，影響加工精度，產(chǎn)生誤差．

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張變霞． 數(shù)控機(jī)床精度及誤差補(bǔ)償技術(shù)[D]． 太原: 中北大學(xué)圖書館，2008．

[2] 李維特, 黃保海, 畢仲波. 熱應(yīng)力理論分析及應(yīng)用[M ] . 北京:中國(guó)電力出版社, 2004.

[3] 梁允奇. 機(jī)械制造中的傳熱與熱變形基礎(chǔ)[M ]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1982.

[4] 尹 紅.基于FEA 的高速龍門加工中心橫梁部件的熱態(tài)特性分析與優(yōu)化[M].制造技術(shù)與機(jī)床，2011.

[5] 陳兆年． 機(jī)床熱態(tài)特性學(xué)基礎(chǔ)[M]． 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，1989．