重型數控機床床身熱變形分析及優化

徐妍妍 夏梓秋 陳 昳 趙明

（武重集團武漢武重機床有限公司，湖北 武漢 430000）

高端重型機床是裝備制造業的重要組成部分，在提升中國制造業整體水平上具有至關重要的作用。隨著重型機床向高速、高精的方向發展，機床熱誤差越來越受到研究人員的重視。機床因熱變形產生的誤差占總加工誤差的40%～70%[1-2]。作為重型數控機床的基礎部件，床身在工作過程中受運動、摩擦、切削和室溫等影響而發熱，致使床身導軌精度變化大，且精度難以保持[3]。一般為恢復導軌精度，會定期重調床身和機床基礎上的墊鐵。但重調床身技術難度高、工作量大及停機時間長，嚴重影響了企業生產的正常開展，降低了生產效率[4]。因此，開展床身熱變形控制技術的研究顯得尤為重要。

針對床身熱變形對加工精度的影響，眾多專家學者進行了大量的研究工作。唐開勇[3]運用幾種不同的方法建立了導軌熱變形的數學模型，既可方便數控編程，又可保證和提高工件的加工質量。喬雪濤等[5]利用ANSYS Workbench 對人造花崗巖復合材料磨床床身進行瞬態熱應力分析，根據床身熱變形及溫度場分布情況，提出了降低床身熱變形的方法。徐化文[6]運用 Pro/Mechanical 對床身進行熱變形有限元分析，依據分析結果，對床身的內部結構進行優化并增添外部冷卻裝置，經過優化設計的床身熱變形量明顯減小。梁秀霞等[7]對樹脂混凝土及傳統鑄鐵材質的床身進行熱變形分析對比，并對機床材料和約束進行優化，結果證明優化后的機床床身具有很好的熱穩定性。

本文針對重型數控機床床身在自然環境溫度下的瞬態熱變形進行研究，對床身-基礎系統展開溫度場測量，利用ANSYS 建立床身-基礎有限元模型，利用實測溫度數據修正床身-基礎的溫度場，進而獲得可靠的床身的瞬態熱變形數據。根據床身的熱態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行分析和效果驗證。

1 床身溫度場測量

以重型落地銑鏜床TK6920C 為試驗對象，在混凝土基礎和床身上布置溫度傳感器，通過測量關鍵點的溫度，得到機床基礎和床身的溫度場分布，為床身熱變形有限元分析提供數據基礎。

1.1 測量系統組成

溫度場測量系統如圖1 所示。由溫度傳感器、溫度變送器、無紙記錄儀和24 V 電源組成。為了實時測量并采集數據，選用PT100 鉑電阻溫度傳感器，三線制A 級精度，量程為-50～100 ℃。

圖1 溫度場測量系統

1.2 傳感器布置方案

在機床基礎、床身及環境處共布置了38 個溫度傳感器。為了方便安裝和實時測量，基礎在灌漿時留預制孔，埋入常規型溫度傳感器，在床身周圍的5 個基礎檢測板處各取3 個測點，在2 m 深度的預制孔內沿豎直方向平均分布，共計15 個測點，標記為T1～T15，如圖2 所示。床身上采用螺紋安裝型溫度傳感器，沿床身長度方向取4 個截面，每個截面放置5 個溫度傳感器，共布置20 個溫度測點，標記為T16～T35，如圖3 所示。在床身左右兩側和采集終端出共放置3 個溫度傳感器。圖4 為床身-基礎系統溫度場實時監控試驗臺局部照片。

圖2 機床基礎溫度測點分布

圖3 床身溫度測點分布

圖4 床身-基礎系統溫度場實時監控試驗臺

1.3 測量數據分析

取一天24 h 內測點溫度數據進行分析，圖5 為床身同一截面不同測點的溫度變化曲線。圖6 表示基礎同一位置不同深度溫度分布規律，可以看出越靠近基礎地面，溫度波動越大，隨著深度的增加，基礎在該深度處的溫度變化幅度逐漸減小。基礎上下表面的溫差將導致基礎產生熱變形。

圖5 床身同一截面5 個測點溫度變化曲線

圖6 機床基礎同一位置溫度垂直分布曲線

2 床身熱-結構耦合分析

2.1 分析模型的建立

床身通過地腳螺栓安裝在調整墊鐵上，調整墊鐵通過混凝土固定在機床基礎上。由于機床基礎上下表面存在的溫差將導致基礎產生熱變形，研究床身熱變形時考慮機床基礎的影響，建立床身-基礎有限元分析模型，圖7 為重型數控銑鏜床床身三維模型，該床身全長8 000 mm，圖8 為床身-基礎裝配模型。

圖7 重型數控銑鏜床床身模型剖切視圖

圖8 床身-基礎裝配模型

針對熱特性分析要求，在建模時保持有限元模型的尺寸與實際情況相同，對其三維模型進行簡化，在不影響有限元分析結果的條件下，略去影響不大的次要細節結構：螺栓孔、小的結構圓角、倒角以及凸臺等，在保證精度的條件下使得有限元模型可以順利劃分網格求解。

2.2 材料屬性和邊界條件

床身材料采用HT300，機床基礎采用C30 混凝土，材料屬性如表1 所示。床身放置在基礎上，床身和基礎表面裸露在空氣中，與空氣之間形成自然對流，根據實際工況，對床身-基礎施加測得的環境溫度和環境對流條件，進行瞬態熱-結構耦合分析，得到24 h 內床身溫度場和變形場分布情況。

表1 機床基礎和床身材料特性

2.3 實測溫度結果對仿真進行修正

在實際情況中，機床的熱平衡狀態為一個動態平衡的過程，不同于軟件分析得出的穩定的、不再隨時間的變化而改變的溫度場分布的結果，因此，對床身-基礎進行了瞬態熱分析。

取某時刻未修改模型與實測溫度進行對比，如表2 所示。

表2 某時刻未修改模型與實測溫度對比

初步計算得到的溫度模型與實際的溫度模型差異較大，需要使用實測數據進行修正，在此基礎上進行優化設計才能保證其實際有效性。

實際實用的機床床身由于放置于低于地面地基中，表面覆蓋防護罩，床身各面環境均有差異，不同位置與環境對流換熱系數差異較大。經仿真對比后，將對流換熱系數進行調整，溫度模型與實測模型基本一致。

床身內部對流換熱系數：10 W/m2·℃；床身外側及兩端對流換熱系數：20 W/m2·℃；床身內側對流換熱系數：15 W/m2·℃。

圖9 為修正后的床身-基礎溫度場分布云圖。

圖9 床身-基礎溫度場分布

圖10 為床身測點處溫度與仿真模型溫度隨時間變化曲線。可以看出，仿真模型溫度變化趨勢與實測結果基本一致，溫度值最大誤差僅4.8%。修正后的仿真模型可以作為基礎進一步開展變形分析和優化分析。

圖10 床身測點處溫度與仿真模型溫度隨時間變化對比曲線

2.4 床身熱變形

當物體受到熱源的影響，溫度發生改變，將隨著溫度的改變出現膨脹或者收縮的現象。將修正后的瞬態溫度場的節點溫度作為載荷施加到有限元模型中，得到床身-基礎系統的變形場。圖11 所示為床身-基礎整體沿Y方向的變形云圖。取床身主導軌側邊在Y向的最大、最小變形值之差Δy作為主導軌直線度，得到床身導軌直線度隨時間變化曲線如圖12 所示，可以看出，床身導軌直線度在16 h處達到最大值0.151 mm。

圖11 床身-基礎Y 向熱變形云圖

圖12 床身主導軌直線度隨時間變化曲線

3 床身熱穩定性優化

3.1 優化方法

不均勻的溫度場是導致床身熱變形的直接原因，過大的變形量會直接影響床身導軌的直線度[8]。根據上述分析，在重型數控機床床身的設計過程中，可以通過以下方式來改善床身熱變形：

（1）優化床身材料，選擇熱穩定性更優越的材料。

（2）優化床身結構，根據床身熱特性以及機床設計目標，尋求散熱迅速、溫度場均勻對稱、熱平衡時間短的機床系統設計方法。

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

3.2 材料優化效果驗證

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

表3 人造花崗巖材料屬性

經過熱-結構耦合分析，得到人造花崗巖床身溫度場和熱變形數據，圖13 為人造花崗巖床身-基礎溫度場分布云圖，圖14 為人造花崗巖床身-基礎整體沿Y方向的變形云圖。

圖13 人造花崗巖床身-基礎溫度場分布云圖

圖14 人造花崗巖床身-基礎Y 向熱變形云圖

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

圖15 兩種材料床身Y 向直線度對比

4 結語

針對重型數控機床床身在自然環境溫度下的瞬態熱變形進行研究，采用ANSYS 對床身-基礎系統進行有限元分析，獲得了床身-基礎溫度場和熱變形的分布，提出了減小床身熱變形的方法并進行了有限元分析驗證。主要工作內容如下：

（1）搭建了重型數控機床床身-基礎系統溫度場實時監控試驗臺。通過溫度傳感器測得了床身-基礎關鍵點溫度數據，為后續床身熱變形研究提供了數據支撐。

（2）利用ANSYS 建立床身有限元模型，根據實測溫度數據計算和修正床身的溫度場，使所建床身有限元模型能夠較真實的反應床身熱變形的實際情況，進而獲得床身的瞬態熱變形數據。

（3）根據床身的熱態特性研究提出了3 種降低床身熱變形的方法：改變結構件材料、優化結構、采用熱容平衡技術。對其中優化材料的方法進行熱變形有限元分析和效果驗證，結果表明人造花崗巖材料相較于傳統的鑄鐵材料HT300 熱穩定性更優越，可消除床身因熱變形引起的直線度誤差高達31.8%。