吳智躍

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切削液對(duì)內(nèi)圓磨床熱特性的影響

吳智躍

(無(wú)錫開(kāi)源機(jī)床集團(tuán)有限公司 江蘇無(wú)錫 214061)

切削液引起的零部件熱變形是影響高速高精度磨床精度的重要因素。以MK2110內(nèi)圓磨床為對(duì)象，基于有限元軟件建立了分析模型，利用努謝爾特準(zhǔn)則方程完成了邊界條件的處理，在此基礎(chǔ)上分析了切削液對(duì)整機(jī)的熱特性影響。研究結(jié)果表明：分析磨床熱特性時(shí)，不能忽略切削液作為二次熱源的作用，切削液通過(guò)影響修整器從而降低機(jī)床的加工精度。

內(nèi)圓磨床 切削液 砂輪修整器 有限元分析

隨著機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)床的加工精度越來(lái)越受到人們的關(guān)注。一般通過(guò)提高機(jī)床的三大剛度（靜剛度、動(dòng)剛度、熱剛度）來(lái)改善機(jī)床的工作性能。大量研究表明在高速機(jī)床中，由于切削速度高，進(jìn)給量小，切削力因此也很小，其對(duì)機(jī)床精度影響不大，而機(jī)床的熱變形引起的加工誤差是影響機(jī)床精度的主要因素，占整個(gè)加工誤差的35%~75%。熱變形引起的誤差來(lái)源于機(jī)床各部件之間的熱膨脹，因此有必要對(duì)機(jī)床的熱變形進(jìn)行深層的探討。

目前對(duì)機(jī)床的熱分析研究已經(jīng)做的比較細(xì)致，有從微觀研究結(jié)合面?zhèn)鳠釞C(jī)理，也有從宏觀來(lái)揭示整機(jī)熱應(yīng)力分布。美國(guó)的Bernd Bossmanns和Jay F. Tu等人運(yùn)用有限差分法，建立了一個(gè)高速電主軸的發(fā)熱、熱傳遞、表面換熱的模型，并與某型電主軸上的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比[1]。趙宏林、黃玉美等通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)機(jī)床不同結(jié)構(gòu)中常用結(jié)合面的接觸熱阻特性進(jìn)行了研究，得出了在不同條件下接觸熱阻隨壓力的變化趨勢(shì)[2]。

近年來(lái)隨著分析軟件功能的不斷強(qiáng)大，對(duì)整機(jī)的熱分布也有很多研究，王金生等利用有限元對(duì)數(shù)控銑床整機(jī)作了熱分析，找出整機(jī)的熱敏感區(qū)，計(jì)算出熱引起的變形[3]。東南大學(xué)的郭策通過(guò)對(duì)整機(jī)熱源的確定，計(jì)算出整機(jī)的溫度場(chǎng)分布及整機(jī)的熱-力結(jié)構(gòu)耦合變形，并依據(jù)主軸頭部跳動(dòng)量的大小變化，來(lái)判明機(jī)床整機(jī)的熱變形對(duì)機(jī)床加工精度的影響程度[4]。然而在整機(jī)熱特性分析中，大多數(shù)研究并沒(méi)有考慮切削液的影響。

在通常機(jī)械加工中，切削功率主要轉(zhuǎn)化為切削熱，被切削液帶走。切削液作為“二次性熱源”在機(jī)床上流動(dòng)會(huì)造成機(jī)床床身等關(guān)鍵部件的熱變形，影響零件的加工精度[5]。

本文以MK2110高速高精度內(nèi)圓磨床為對(duì)象，運(yùn)用有限元法分析了切削液對(duì)機(jī)床整機(jī)的熱特性的影響，特別關(guān)注了引起砂輪修整器、電主軸和工件主軸的熱變形。

1 切削液引起的熱變形

1.1 計(jì)算模型

磨床主要由床身、橋板、滑板、床頭箱、工作臺(tái)、底座、磨頭等部件構(gòu)成。切削液從切削區(qū)落下，流過(guò)工作臺(tái)和床身，從床身豎壁上的出水口流出，通過(guò)外接設(shè)備再循環(huán)到切削區(qū)。磨床的三維模型圖如圖1所示。

圖1 磨床CAD模型

利用軟件接口將CAD模型導(dǎo)入到ANSYS中。離散化后得圖2所示的CAE模型。整個(gè)模型共有111 382個(gè)單元（包括接觸單元），210 193個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 磨床CAE計(jì)算模型

1.2 邊界條件

1.3 算例

切削液采用5%的極壓乳化液，流量保持125 L/min。由于切削液是循環(huán)利用的，盡管其在流出床身后有一定的冷卻裝置，但長(zhǎng)時(shí)間工作狀況下其溫度逐漸升高。實(shí)驗(yàn)測(cè)得在磨床滿負(fù)荷工作8小時(shí)后其溫度由初始的26.3℃上升到36.8℃。實(shí)際生產(chǎn)中，更長(zhǎng)的磨削時(shí)間能使得溫度升高更多，因此本文考慮在切削液達(dá)到40℃惡劣工作情況下對(duì)機(jī)床的影響。由于床身固定在地面上，底部與地面接觸，地面由于潮濕溫度低于環(huán)境溫度，因此約束底部溫度保持20℃不變。

1）對(duì)流換熱系數(shù)的確定

表1 磨床表面對(duì)流換熱系數(shù) （W/m2?K ）

2）材料系數(shù)的選取

床身等大件均采用HT200澆鑄而成，主軸系統(tǒng)材料為40Cr，見(jiàn)表2所示。

表2 材料參數(shù)

1.4 熱分析結(jié)果

計(jì)算磨床達(dá)到熱平衡之后的溫度場(chǎng)分布以及熱-結(jié)構(gòu)耦合引起的熱變形。

1）溫度場(chǎng)結(jié)果（如圖3所示）

圖3 切削液作用下磨床溫度場(chǎng)分布

圖3中僅考慮切削液時(shí)，床身的熱量主要集中在流道附近。其他部分因?yàn)闊o(wú)熱量輸入，因此溫度由床身中部向床身兩端呈梯度下降。

2）熱變形結(jié)果

ANSYS軟件提供耦合計(jì)算的模塊。在計(jì)算中，由于床身采用地腳螺栓固定在地面上，因此處理模型時(shí)將底部完全約束。圖4是放大1 000倍以后的熱變形位移分布圖，由圖4中看出，床身中間部分拱起，使得磨頭和工件主軸部分均呈后仰狀態(tài)，從而影響加工精度，變形最大處發(fā)生在金剛筆座處。

圖4 切削液作用下磨床熱位移分布

2 切削液引起的加工誤差

2.1 計(jì)算方法

根據(jù)內(nèi)圓磨床磨削過(guò)程的動(dòng)態(tài)尺寸鏈方程式可知，影響熱變形尺寸精度主要有金剛筆尖端熱位移、磨頭軸線熱位移和工件主軸軸線的熱位移[7]。金剛筆在磨削過(guò)程中要間斷性地修整砂輪，修整量通過(guò)控制系統(tǒng)在磨削進(jìn)給中得到補(bǔ)償，但由于熱變形量無(wú)法獲知，因此帶來(lái)了不能準(zhǔn)確修整，從結(jié)構(gòu)來(lái)看，金剛筆呈現(xiàn)“讓”的狀態(tài)。由于金剛筆安裝在筆座上面，筆座的變形對(duì)筆尖有直接影響，因此金剛筆筆座的位移量即為筆尖的位移量。三者關(guān)系如圖5所示。

圖5 考慮熱變形加工精度分析

2.2 加工誤差計(jì)算

3 結(jié)語(yǔ)

（1）切削液是影響金剛筆筆座熱變形的主要原因，使得金剛筆產(chǎn)生熱位移，導(dǎo)致修整砂輪時(shí)修整不到位，影響加工精度。

（2）在整機(jī)熱特性分析中不能忽略切削液的影響。

（3）熱變形是影響高速高精度磨床加工精度的主要原因，其主要通過(guò)金剛筆尖端熱位移、磨頭軸線熱位移以及工件主軸軸線的熱位移的共同作用對(duì)精度產(chǎn)生影響。

[1] Bernd Bossmanns, Jay F Tu. A thermal model for high speed motorized spindles [J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 1999, 39: 1345-1366.

[2] 趙宏林,黃玉美,徐潔蘭等．常用結(jié)合面接觸熱阻特性的試驗(yàn)研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào),1999,3.

[3] 王金生,翁澤宇.ANSYS在數(shù)控銑床熱特性分析中的應(yīng)用[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,3.

[4] 郭策．高速高精度數(shù)控車(chē)床主軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)與熱態(tài)特性研究[D].南京:東南大學(xué)2003.

[5] 陳兆年,陳子辰.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.

[6] 楊世銘.傳熱學(xué)基礎(chǔ)[M].第二版.北京:高等教育出版社,2004.

[7] 李本善.內(nèi)圓磨床的尺寸自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)對(duì)加工精度的影響[J].機(jī)床譯叢,1965(11).