熱變形對多桿沖床滑塊運動精度的影響分析

胡峰峰　孫　宇　彭斌彬　李燁健

南京理工大學，南京，210094

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熱變形對多桿沖床滑塊運動精度的影響分析

胡峰峰孫宇彭斌彬李燁健

南京理工大學，南京，210094

摘要：采用Fluent計算了多桿沖床關鍵運動部件以及冷卻流道在不同運行條件時的溫度場?；诖?，采用Workbench計算了機構運動桿件的熱變形。分析不同熱變形條件下滑塊的運動軌跡可得，隨著熱變形量的增大，滑塊的下死點位置向下漂移0.11 mm。用溫度傳感器測試了不同轉速時軸瓦外表面的溫度，測量結果驗證了溫度場仿真分析的準確性。采用位移傳感器測試得到熱變形導致的下死點漂移量為0.098 mm，與分析結果吻合。

關鍵詞：多桿沖床；溫度場；熱變形；動態精度

0引言

隨著制造業、電子工業的快速發展，高速、超精密成為機械壓力機的發展方向。轉速的提高會帶來較大的慣性載荷，從而導致運動副發熱量劇增。熱載荷導致運動部件的熱變形，會帶來滑塊運動軌跡的誤差，降低滑塊下死點的動態精度，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]。有些學者對系統的溫度場進行了仿真，卻沒有深入分析其熱變形特性；有些學者通過仿真分析了系統中關鍵零部件的熱變形特性，卻沒有設計試驗驗證仿真分析的準確性；有些學者通過試驗測試了熱變形對機構軌跡誤差的影響，卻沒有充分研究引起軌跡誤差的熱變形機理[8-11]。為了系統地研究沖床溫度場以及熱變形對執行機構運動精度的影響，本文擬對多桿高速精密沖床整機冷卻系統和運動部件的溫度場進行仿真，對運動部件的熱變形進行計算，分析熱變形對滑塊運動軌跡的影響。為高速精密沖床潤滑冷卻系統的設計和動態精度的提高提供合理的理論依據。

1多桿沖床機構有限元模型的建立

1.1多連桿沖床機構模型

新型高速壓力機的原理機構如圖1所示，從圖1可以看出，該原理機構的曲軸、大連桿(長度為L1)、副滑塊組成曲柄滑塊機構，曲軸的轉動帶動副滑塊實現豎直方向的往復運動。肘桿機構對稱分布在副滑塊運動軸線的兩側，肘桿(長度為L2)一端連接到副滑塊，另一端連接著擺動塊(包桿)。兩側肘桿機構中，上連桿(長度為L3)的上端連接到固定機身(基座)，下端連接著擺動塊；下連桿(長度為L4)的上端連接著擺動塊，下端連接到連接塊，從而構成了一個完整的閉環傳動結構。曲軸帶動副滑塊在豎直方向上往復運動，通過肘桿進一步驅動兩側肘桿機構在運動平面內同步擺動，最終實現主滑塊的運動[12]。

圖1　多連桿沖床機構簡圖

1.2機構運動部件有限元網格的劃分

根據機構內部潤滑流道的分布，將機構分成3個部分(肘桿、上下連桿、大連桿)，如圖2所示。采用非結構化四面體網格分別對各部分進行離散，且所有網格的扭曲度均小于0.9。肘桿、上下連桿、大連桿的網格總量分別為300萬、800萬和260萬。文中以肘桿部分為例，其內部流道以及固體網格的劃分如圖3所示。

圖2　多連桿沖床運動部件三維模型

(a)肘桿部分內部流道網格圖

(b)肘桿部分固體網格圖圖3　肘桿部分網格圖

2仿真計算及結果分析

2.1控制方程

潤滑油冷卻過程遵循質量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律。本機構采用68號潤滑油對運動副進行循環潤滑冷卻，潤滑油路中循環流動的液體假設為不可壓縮流體，其控制方程滿足以下守恒條件：

質量守恒

(1)

動量守恒

(2)

能量守恒

(3)

2.2溫度場計算及結果分析

機構中的熱源主要來自于軸和軸瓦之間的旋轉摩擦，摩擦功耗為

Pμ=πηFidn

(4)

式中，η為摩擦因數；Fi(i=200,400,600)為不同轉速時(200 r/min、400 r/min、600 r/min)運動副承受的載荷；d為軸瓦直徑；n為軸或軸瓦的轉速。

在Fluent中，采用標準k-ε湍流模型對機構的溫度場進行求解。邊界條件為：流場入口壓力0.5 MPa；流場出口壓力0.1 MPa(大氣壓)；在軸與軸瓦之間，加載由式(4)計算得到的發熱功率；各連桿外壁面為對流換熱面。機床運行過程中，連桿快速振蕩，外壁面與空氣為強制對流，傳熱系數取50 W/(m2·K)，初始冷卻油溫和運動部件的初始溫度為基礎環境溫度20 ℃。

轉速越高，慣性載荷越大，運動副發熱量越大。本文對3種不同轉速(200 r/min、400 r/min、600 r/min)時機構的溫度場分別進行了仿真。這里以曲軸轉速200 r/min時機構肘桿部分的溫度場為例，仿真迭代計算直至溫度場不再發生變化，即達到此轉速時的熱平衡條件。其熱平衡后的溫度場仿真結果如圖4所示。

(a)肘桿部分內部流道的溫度場云圖

(b)肘桿內部軸瓦的溫度場云圖圖4　肘桿部分溫度場云圖

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

2.3熱變形分析

本機構中，連桿部件(連桿以及軸瓦)長度方向的熱變形會影響滑塊的運動軌跡，因此對連桿部件進行熱力耦合分析，求其長度方向的變形量。將上述溫度載荷加載到結構上，給定約束，計算結構熱變形。圖5為200 r/min時的肘桿熱變形云圖。

圖5　200 r/min時肘桿熱變形云圖

如圖5所示，曲軸轉速為200 r/min時，連桿一端頭的軸瓦軸線之間的伸長量約為21 μm。機構中各運動桿件在不同轉速下的熱變形伸長量如表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、下連桿在不同轉速時的熱變形伸長量。

表1　各轉速下運動部件的熱變形量

2.4滑塊運動軌跡分析

圖6為機構的運動學分析簡圖，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?？紤]運動構件的熱變形量，參考文獻[12]中該機構的運動學分析過程，可以得到機構不同熱變形條件時滑塊的運動曲線，如圖7所示。

圖6　機構運動學分析簡圖

(a)不同轉速時滑塊的運動軌跡圖

(b)滑塊的運動軌跡在下死點位置附近的放大圖圖7　滑塊在不同轉速時的運動軌跡圖

由圖7b可知，滑塊軌跡的下死點位置隨著轉速的提高向下漂移，也就是說機構轉速的提高導致運動副發熱量增加，運動部件熱變形增大，從而改變了滑塊的運動軌跡。分析轉速200 r/min與轉速600 r/min時滑塊下死點的位置坐標可知，隨著轉速的提高，滑塊下死點位置向下漂移0.11 mm。

3試驗驗證

3.1溫度測試試驗

RTD溫度傳感器通過螺紋緊固在連桿端頭，傳感器探頭與銅瓦的外表面接觸，使其能較準確地測量到運動副的溫升。將RTD溫度傳感器、NI-USB9217數據采集卡、筆記本電腦連接，構成溫度采集系統。

根據以上測試方案和測試系統，測試得到不同轉速時軸瓦的熱平衡溫度曲線(這里以肘桿運動副的溫升曲線為例)，如圖8所示。分析圖8可知，曲軸轉速為200 r/min時，肘桿運動副軸瓦外表面溫度為31.5 ℃；轉速為400 r/min時，溫度為40 ℃；轉速600 r/min時，溫度為50 ℃。

圖8　RTD溫度測試運動副溫度

3.2滑塊下死點位置測試試驗

首先采用電渦流位移傳感器采集各轉速(200 r/min、400 r/min、600 r/min)且沖床運行達到熱平衡條件時滑塊下死點附近的運動曲線，可以得到不同轉速時滑塊下死點位置總的變化量。然后瞬間將沖床從200 r/min加速到600 r/min，在加速過程中位移傳感器連續采集滑塊的運動曲線，對曲線進行分析可以得到運動構件彈性變形導致的滑塊下死點位置的改變量。總的變化值減去瞬間加速過程的變化值即可得到機構的熱變形導致滑塊極限位置的改變量。搭建滑塊運動曲線測試系統，如圖9所示，位移傳感器采集滑塊下死點附近的位移，并以電壓信號的方式輸出；信號調理儀對傳感器輸出的電壓信號進行調理，調理后的電壓信號通過數據采集卡進行采集；編輯數據采集程序將采集到的電壓信號換算為位移量，并進行實時顯示與保存。

圖9　下死點附近位移曲線測試系統

根據搭建的測試系統，測得滑塊在下死點附近，不同轉速且沖床運行達到熱平衡條件時滑塊的位移曲線，如圖10所示。分析圖10可知，隨著轉速的提高，滑塊下死點位置向下漂移，總漂移量達0.238 mm。

圖10　傳感器測得不同轉速下滑塊的位移曲線

瞬間加速沖床，連續采集滑塊的位移曲線，取每個周期內位移曲線的極值，得到滑塊下死點位置在瞬間加速過程中的變化曲線，如圖11所示。分析圖11可知，瞬間加速狀態下，滑塊下死點位置的漂移量為0.14 mm。此漂移值即為沖床運動部件的彈性變形導致的滑塊下死點位置的誤差。圖10中的總漂移量減去圖11中瞬間加速過程的漂移量可以得到熱變形導致滑塊下死點位置的漂移量為0.098 mm。

圖11　滑塊下死點位置的漂移

4結論

(1)以某多桿機構高速精密沖床為研究對象，建立了冷卻流道以及運動桿件溫度場分析模型，仿真計算得到不同轉速(不同發熱功率)時的溫度分布。在溫度場分析的基礎上，計算了運動桿件的熱變形，進而分析了不同熱變形條件下機構滑塊的位移曲線。隨著機床轉速的提高熱平衡溫度升高，滑塊下死點位置向下漂移0.11mm。仿真計算分析結果0.11mm與試驗結果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)研究結果為高速精密沖床潤滑冷卻系統的設計和動態精度的保持提供了合理的理論依據，在此類高速精密沖床冷卻系統的設計時可以通過改變不同轉速時機構的冷卻條件，控制機構的溫度場，從而減小運動桿件的熱變行，提高沖床的整體動態精度。

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(編輯張洋)

收稿日期：2016-03-10

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51275243);江蘇省科技支撐項目(BE2012174)

中圖分類號：TH16

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

作者簡介：胡峰峰，男，1988年生。南京理工大學機械工程學院博士研究生。主要研究方向為現代制造工藝及裝備。發表論文4篇。孫宇，男，1964年生。南京理工大學機械工程學院教授、博士研究生導師。彭斌彬，男，1975年生。南京理工大學機械工程學院副教授。李燁健，男，1987年生。南京理工大學機械工程學院博士研究生。

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