基于ANSYS的高速精密沖床熱—結構耦合分析

張慶鋒+高翔

摘 要：基于高速精密沖床的熱態特性，對高速精密沖床進行了熱源分析與傳熱機制分析，計算了沖床的熱分析的初始條件及邊界條件，利用SolidWorks軟件建立沖床整機的有限元模型，運用ANSYS軟件對沖床進行熱─結構耦合分析，求解出該高速沖床處于穩態環境下的整機的溫度場和變形場，分析出沖床的加工誤差。對比紅外熱像儀測得的實際沖床溫度值，驗證了溫度場仿真分析結果的可靠性，為沖床的結構優化設計和熱平衡設計提供理論依據。

關鍵詞：高速精密沖床;溫度場;熱分析;熱變形;有限元

前言

高速精密沖床工作過程中會產生大量的熱量，這些熱量通過各種傳熱方式傳遞到沖床的各個部位，由于沖床各零部件的結構、形狀和材料都不盡一樣，熱特性自然也不一樣，又加之零件表面的傳熱情況不同以及周圍環境溫度變化等各種因素，使整個沖床形成了一個復雜的溫度場。在這個復雜的溫度場作用下，沖床各零部件會產生熱應力和熱應變，沖床產生的熱變形勢必影響沖床的性能，使沖床的加工精度降低。大量研究表明，對精密機床由熱變形引起的制造誤差一般占加工總誤差的40%～70%[1]，不均勻的熱變形還會導致機床的磨損，反過來又制約了沖床的速度和精度的提高。因此對高速精密沖床的熱態特性進行分析和研究，并找到能夠改善其熱態特性的措施，對沖床加工精度的提高具有極大的現實意義。

一、沖床的熱源及傳熱機制

對沖床的結構進行分析，知道其內部熱源主要有以下四類：電機的功率損耗、軸承的摩擦發熱、滑子的摩擦發熱以及滑塊與導軌之間的摩擦發熱。軸承摩擦發熱是高速沖床的最主要熱源，分為滑動軸承和滾動軸承兩部分。一般說來，軸承摩擦發熱的大小與其型號、安裝方式、約束情況及潤滑方式等因素有關。滑子進行左右往復摩擦運動也是沖床內部的另一熱源，滑子產生的熱量一部分也是通過熱對流的方式由其上油槽間隙的潤滑油吸收，另一部分熱傳導給了滑子支座，最后一部分則是與周圍空氣發生了強迫對流。滑子的熱源強度與滑子接觸面摩擦系數、作用力狀況和相對速度等因素相關。導軌的摩擦發熱分上導柱和下導柱沖壓滑塊兩部分，由于上導柱是采用銅套進行徑向定位，熱量的傳遞方式與滑動軸承相同，一部分被潤滑冷卻油帶走，另一部分傳遞給了反向平衡塊。[2][3]

系統中所有的熱量均來自摩擦面的相對運動，如下圖1所示為該沖床的熱源產生部位，一共28個摩擦面。

沖床熱量的傳遞路線如下圖2所示。黑色框表示沖床系統，藍色框表示潤滑油冷卻系統，綠色框表示散熱的最終冷源，紅色箭頭表示熱量的流動，藍色箭頭表示潤滑油的流動。

二、沖床關鍵部件的發熱量及熱載荷計算

（一）關鍵部件的發熱量計算

三、沖床的溫度場及熱變形仿真分析

（一）幾何模型的建立

采用SolidWorks進行沖床整機建模，對建立的沖床模型進行簡化：去除沖床上對熱分析結果無影響的細微結構，如倒角、圓角、油槽、退刀槽，小圓孔等部位;對滾動軸承結構進行等效簡化，使簡化后的結構與原結構在發熱量上相等。簡化后的整機模型如下圖3所示。

沖床模型采用SOLID7O實體單元進行網格劃分，熱接觸單元采用熱接觸單元對TARGE170和CONTA174。沖床整機的網格劃分采取自由網格劃分、掃掠網格劃分及映射網格劃分相結合的混合網格劃分方法，局部進行細化處理。劃分好網格的熱源部位網格劃分模型見圖4，沖床整機有限元網格劃分模型見圖5.

（二）邊界條件

1.計算得出的各表面的對流換熱系數，如表2所示。

2.沖床零部件材料物性參數，如表3所示.

3.沖床溫度場分析

設置高速沖床工作環境溫度為25℃，油冷機出油溫度為24.7℃，底座與地面接觸，溫度設為24℃。所有單位采取國際標準單位制SI。利用ANSYS軟件將計算出的熱載荷、邊界條件及初始條件施加在沖床熱源系統部位及整機上，圖6和圖7為沖床整機及熱源部位的穩態熱分析的溫度場分布圖。[7]從圖中可以看到在沖床溫度達到穩定時，最高溫度出現在曲軸軸瓦上，為42.978℃，這主要是因為該部位相對封閉，冷卻油潤滑不流暢，同時該處軸瓦與曲軸發生高速相對運轉，因此造成熱量集中。最低溫度出現在底座部位，由于此處與地面接觸，故溫度接近地面溫度為23.99℃。

4.沖床熱變形分析

根據有限元熱─結構耦合分析利用ANSYSStaticStructural可以進行熱變形和熱應力的計算。[8]在主軸轉速為800r/min時，計算得機床的總位移如圖8所示，最大變形量為3.9μm，機床豎直方向位移如圖9所示。在豎直方向上，工作臺的位移為0.869μm，沖壓滑塊的位移為2.658μm，兩者之間相對位移1.789μm，這就是因為熱變形而產生的豎直方向上的加工誤差。

四、沖床實際溫度測量

研究溫度場相關問題最基本最可靠的方法還是實驗法（也叫測量法），因為所有分析結果的評定都須進行實驗驗證，而那些仿真分析的計算公式又大都是通過前人經驗不斷積累的成果，因此本高速沖床溫度場的計算結果是否具有可靠性，是否具有一定的參考價值，通過利用紅外熱像儀進行實測溫度來進行對比驗證。圖9.1～9.7分別為曲軸端蓋、沖床連桿、中臺身、直線導軌、工作臺、滑動軸承以及曲軸上某處的溫度值，可對比上一章溫度場仿真分析結果，可制作出如下溫度對比圖10。

五、結論

（一）通過圖10可以看出仿真分析結果與實際測量溫度大致吻合，溫度梯度分布情況也基本一致。故該仿真分析結果可靠性高，對今后相關的研究工作具有一定的參考價值。

（二）熱變形而產生的豎直方向上的加工誤差值較小，證明該高速沖床經過油冷機的冷卻后溫度已經降低至十分合理的范圍，因而產生的熱變形非常小，沖床加工精度高。

參考文獻

[1]RAMESHR，MANNANMA，POOAN.ErrorCompensationinMachine Tools-aReview：PartⅡ：ThermalErrors[J].InternationalJournalofMachineToolsandManufacture，2000，40（9）：1257-1284.

[2]陳兆年，陳子辰.機床熱態特性學基礎[M].北京：機械工業出版社，1989.

[3]郭策，孫慶鴻.高速精密數控車床主軸系統的熱特性分析及熱變形計算[J].東南大學學報.2005，35（2）：231-234.

[4]劉志全，張永紅，蘇華.高速滾動軸承熱分析[J].潤滑與密封，1998，（4）：66-68

[5]萬長森.滾動軸承的分析方法[M].北京：機械工業出版社.1987.

[6]馮丙波，王栓虎，丁旺.基于ANSYS的高速沖床曲軸熱分析[J].煤礦機械.2010，31（7）：77-79.

[7]張朝暉，李樹奎.有限元分析理論與工程應用[M].北京：電子工業出版社，2008.

[8]張朝暉編著.ANSYS12.0熱分析工程應用實戰手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2010.