重型數(shù)控機床長導軌熱特性仿真及誤差補償方法的探討

肖明月　婁朝輝　孫志良

摘要：數(shù)控機床工作過程中，其導軌與工作臺之間的摩擦生熱會導致導軌在高溫下產生熱形變而影響機床加工精度。本文通過ANSYS軟件對機床導軌進行有限元建模，并對其運行過程中的熱特性進行仿真，進而分析了影響熱變形的主要因素，最后提出了對其熱誤差補償?shù)尼槍Υ胧?/p>

關鍵詞：數(shù)控機床；導軌；熱特性；有限元仿真

現(xiàn)代科技的發(fā)展越來越快，工件加工精度和效率的標準也越來越高，所以要求裝備制造產品的擁有更高的精度和水準。在數(shù)控機床的進給速度提高的同時，各零部件接觸面間會因摩擦產生大量熱量，使得零部件出現(xiàn)熱變形而影響數(shù)控機床的加工精度。而在其中，導軌與工作臺之間的摩擦生熱會致使導軌在高溫下發(fā)生變形，由熱變形而引起的后果，導軌偏移、定位誤差及導軌面隆起等會改變工件與刀具之間的相對位置，進而影響數(shù)控機床的加工精度[1]。本文通過ANSYS軟件對機床導軌運行過程中的熱特性進行仿真，提出了對其熱誤差補償?shù)姆桨柑接憽?/p>

本文的研究對象為XK2535數(shù)控龍門銑床，床身長15m，寬為1.5m，材料為HT300，其上承受立柱、橫梁、滑枕和溜板等部件重量。

1 基于ANSYS的導軌熱特性建模

1.1 導軌幾何建模簡化及參數(shù)設置

導軌和工作臺之間為鑄鐵面間的潤滑，將模型中動摩擦系數(shù)取為0.08，將導軌面和工作臺之間相對運動平均速度設置為6m/min[2]，從而將摩擦發(fā)熱量計算得出為2384W/m，模型中水平壁對流換熱的系數(shù)是1.712W/m·K，豎直壁是1.882W /m·K。其中，導軌材料性能參數(shù)如表1所示。

建模時，在盡可能確保零件原始結構保持不變的基礎上，可以針對模型中對精度影響不大的零件進行適當簡化 [3]：

1）省去螺釘和螺栓孔，并通過相應的約束進行代替。由于模型中螺釘、螺栓孔結構小且數(shù)量多但對模型整體影響不大。

2）省去模型中的小臺階、倒角等對模型的實際分析計算結果影響很小的結構。

3）忽略模型中的滾珠絲杠和軸承系統(tǒng)，它們在導軌摩擦生熱的熱源中占比很小，可以忽略。

1.2 導軌熱分析有限元建模

ANSYS對復雜的實體模型進行建模時，其性能效率不如CAD/CAM軟件。因此先通過Pro/E構建導軌的實體模型，然后利用ANSYS從數(shù)據(jù)接口讀入，并對導軌模型進行網(wǎng)格劃分及分析計算。選用的ANSYS四面體耦合場實體單元SOLID98，每個節(jié)點有6個自由度，對模型簡化后進行網(wǎng)格劃分，最終建立的導軌有限元模型。

2 仿真結果及熱變形因素分析

仿真前對導軌進行適當假設以簡化計算過程： 1）單位時間內，導軌和工作臺的摩擦生熱與流入導軌面的熱量恒定；

2）對流換熱系數(shù)為常數(shù)；3）導軌吸收摩擦產生的一半熱量；4）切屑熱對導軌的影響忽略不計。

根據(jù)確定的參數(shù)及邊界條件，通過ANSYS仿真得到導軌運行30分鐘后的結果。由導軌溫度分布圖可知，導軌左右面的溫度分布不均，右導軌面溫度高于導軌左面，溫度最高為215° C，其中最大溫差約1°C。由于溫度分布不均，可以看出導軌兩端在Y方向上產生較大熱變形，其中最大熱變形量為9.25μm。由于導軌在Z向產生的熱變形很小，所以忽略其影響。

3 導軌熱變形補償

根據(jù)前文得到的數(shù)據(jù)，對M關鍵點的溫度與熱誤差進行ANSYS建模分析，并結合PLC的運算功能以及數(shù)控機床控制系統(tǒng)的誤差補償模塊，可以對機床的熱形變誤差進行補償。其可實現(xiàn)的方案有幾下幾類：

1）建立導軌熱誤差補償方程并導入可編程控制器PLC中作為熱誤差補償所用的計算器，根據(jù)PLC中計算的補償值結合數(shù)控系統(tǒng)的控制功能對機床的零點位置進行實時改變，實現(xiàn)熱誤差的實時補償。

2）采用強制對流散熱方式。該方式只能在一定程度上控制動導軌溫升。

3）導軌材料可采用熱膨脹系數(shù)較小的材料。

4）控制潤滑油膜的溫度，減少承載面油膜溫升對導軌的熱影響。

5）避免導軌承載部分做高速的變加速運動。采用快速伺服刀架，通過刀架的微量進給，代替動高速變加速運動。

4 結語

研究數(shù)控機床導軌的熱性能及誤差補償對于學習機械理論及實際應用都有非常重要的意義。通過ANSYS軟件對機床導軌在運行過程中的熱特性進行仿真，并分析了影響熱變形的主要因素，得到了導軌在工作時的溫度場和熱變形，最后對數(shù)控機床熱誤差補償?shù)姆桨高M行了探討，提出一些方案可行的建議，為其熱誤差補償提供了一定的思路。

參考文獻：

[1]李書和，等.加工中心熱誤差補償研究.制造技術與機床，2007（6）：1619.

[2]劉國慶，楊慶東.ANSYS工程應用教程機械篇.中國鐵道出版社，2003.

[3]應濟，陳子辰.重型機床的熱變形控制研究[J].機械科學與技術，2003，17（4）：7579.

作者簡介：肖明月（1988），女，碩士，研究方向：動力機械發(fā)明專利實質審查；婁朝輝（1988），男，碩士，研究方向：動力機械發(fā)明專利實質審查；孫志良（1987），男，碩士，研究方向：動力機械發(fā)明專利實質審查。