張慶鋒，高 翔

(1.上海市材料工程學(xué)校，上海 200231；2.東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

?

基于ANSYS的高速精密沖床熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

張慶鋒1，高 翔2

(1.上海市材料工程學(xué)校，上海 200231；2.東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

基于高速精密沖床的熱態(tài)特性，對高速精密沖床進(jìn)行了熱源分析與傳熱機(jī)制分析，計(jì)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(jī)的有限元模型，運(yùn)用ANSYS軟件對沖床進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，求出該高速沖床處于穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的整機(jī)的溫度場和變形場，分析沖床的加工誤差。對比紅外熱像儀測得的實(shí)際沖床溫度值，驗(yàn)證溫度場仿真分析結(jié)果的可靠性，為沖床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和熱平衡設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

高速精密沖床；溫度場；熱分析；熱變形；有限元

高速精密沖床工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量通過各種傳熱方式傳遞到?jīng)_床的各個部位。由于沖床各零部件的結(jié)構(gòu)、形狀和材料都不盡一樣，熱特性自然也不一樣，又加上零件表面的傳熱情況不同以及周圍環(huán)境溫度變化等各種因素，使整個沖床形成了一個復(fù)雜的溫度場。在這個復(fù)雜的溫度場作用下，沖床各零部件會產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱應(yīng)變，沖床產(chǎn)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，精密機(jī)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(dǎo)致機(jī)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(tài)特性進(jìn)行分析和研究，并找到能夠改善其熱態(tài)特性的措施，對沖床加工精度的提高具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 沖床的熱源及傳熱機(jī)制

對沖床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，知道其內(nèi)部熱源主要有電機(jī)的功率損耗、軸承的摩擦發(fā)熱、滑子的摩擦發(fā)熱以及滑塊與導(dǎo)軌之間的摩擦發(fā)熱4類。軸承摩擦發(fā)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(fā)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(guān)?；舆M(jìn)行左右往復(fù)摩擦運(yùn)動也是沖床內(nèi)部的另一熱源，滑子產(chǎn)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(dǎo)給了滑子支座，最后一部分則是與周圍空氣發(fā)生了強(qiáng)迫對流?；拥臒嵩磸?qiáng)度與滑子接觸面摩擦系數(shù)、作用力狀況和相對速度等因素相關(guān)。導(dǎo)軌的摩擦發(fā)熱分上導(dǎo)柱和下導(dǎo)柱沖壓滑塊兩部分，由于上導(dǎo)柱是采用銅套進(jìn)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]。

2 沖床關(guān)鍵部件的發(fā)熱量及熱載荷計(jì)算

2.1 關(guān)鍵部件的發(fā)熱量計(jì)算

2.1.1 軸承的發(fā)熱量計(jì)算

深溝球軸承的功率計(jì)算忽略掉軸承內(nèi)部具體部件的功率損失， 把軸承作為一個整體進(jìn)行研究，其發(fā)熱量計(jì)算公式為

(1)

式中:Nf是軸承發(fā)熱量；n為軸承轉(zhuǎn)速，即為曲軸轉(zhuǎn)速800 r/min；M1為反映彈性滯后和局部差動滑動的負(fù)載項(xiàng);M2反映潤滑劑的流體動力速度項(xiàng)。

滑動軸承的發(fā)熱也是由摩擦損失的功率轉(zhuǎn)變而來，發(fā)熱量計(jì)算公式為

Nf=fPv

(2)

式中,f為摩擦系數(shù)，v為相對運(yùn)動的圓周速度(m/s)，p為軸承所受載荷[4-5]。

2.1.2 滑子的摩擦熱計(jì)算

分析知滑子與滑子支撐架作平面往復(fù)摩擦運(yùn)動，發(fā)熱量計(jì)算公式為

Nf=kfFV

(3)

式中:k為修正因子，可取0.3；f為該材料平面摩擦系數(shù)，取為0.01；F為該瞬時平面正壓力，可通過對滑子進(jìn)行靜力學(xué)分析求得。

2.2 關(guān)鍵部件的熱載荷計(jì)算

軸承的熱載荷(又叫生熱率)計(jì)算公式為

(4)

式中，Nf為軸承熱源的發(fā)熱量,V表示熱源的體積。

滑子的熱載荷(又叫熱流密度)計(jì)算公式為

(5)

式中，Nf為滑子熱源的發(fā)熱量；S表示熱源的面積。

根據(jù)公式(1)—(5)計(jì)算沖床關(guān)鍵部位的發(fā)熱量和熱載荷，計(jì)算結(jié)果見表1[6]。

表1 沖床各摩擦面發(fā)熱量及生熱率

3 沖床的溫度場及熱變形仿真分析

3.1 幾何模型的建立

采用SolidWorks進(jìn)行沖床整機(jī)建模，對建立的沖床模型進(jìn)行簡化：去除沖床上對熱分析結(jié)果無影響的細(xì)微結(jié)構(gòu)，如倒角、圓角、油槽、退刀槽、小圓孔等部位；對滾動軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效簡化，使簡化后的結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)在發(fā)熱量上相等。簡化后的整機(jī)模型如圖1所示。

圖1 簡化沖床整機(jī)模型

沖床模型采用SOLID7O實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，熱接觸單元采用熱接觸單元對TARGE170和CONTA174。沖床整機(jī)的網(wǎng)格劃分采取自由網(wǎng)格劃分、掃掠網(wǎng)格劃分及映射網(wǎng)格劃分相結(jié)合的混合網(wǎng)格劃分方法，局部進(jìn)行細(xì)化處理。劃分好網(wǎng)格的熱源部位網(wǎng)格劃分模型見圖2，沖床整機(jī)有限元網(wǎng)格劃分模型見圖3。

圖2 熱源部位網(wǎng)格細(xì)分模型

圖3 沖床整機(jī)網(wǎng)格劃分模型

3.2 邊界條件

3.2.1 計(jì)算得出的各表面的對流換熱系數(shù)如表2所示。

表2 各表面對流換熱系數(shù)

3.2.2 沖床零部件材料物性參數(shù)如表3所示。

3.3 沖床溫度場分析

設(shè)置高速沖床工作環(huán)境溫度為25℃，油冷機(jī)出油溫度為24.7℃，底座與地面接觸，溫度設(shè)為24℃。所有單位采取國際標(biāo)準(zhǔn)單位制SI。利用ANSYS軟

表3 沖床零部件材料物性參數(shù)

件將計(jì)算出的熱載荷、邊界條件及初始條件施加在沖床熱源系統(tǒng)部位及整機(jī)上，圖4和圖5為沖床整機(jī)及熱源部位的穩(wěn)態(tài)熱分析的溫度場分布圖。從圖中可以看到在沖床溫度達(dá)到穩(wěn)定時，最高溫度出現(xiàn)在曲軸軸瓦上，為42.978℃，這主要是因?yàn)樵摬课幌鄬Ψ忾]，冷卻油潤滑不流暢，同時該處軸瓦與曲軸發(fā)生高速相對運(yùn)轉(zhuǎn)，因此造成熱量集中。最低溫度出現(xiàn)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℃。

圖4 沖床整機(jī)溫度分布云圖

圖5 沖床熱源部位溫度分布云圖

3.4 沖床熱變形分析

根據(jù)有限元熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，利用ANSYS Static Structural可以進(jìn)行熱變形和熱應(yīng)力的計(jì)算。在主軸轉(zhuǎn)速為800 r/min時，計(jì)算得機(jī)床的總位移如圖6所示，最大變形量為3.9 μm，機(jī)床豎直方向位移如圖7所示。在豎直方向上，工作臺的位移為0.869 μm，沖壓滑塊的位移為2.658 μm，兩者之間相對位移1.789 μm，這就是因?yàn)闊嶙冃味a(chǎn)生的豎直方向上的加工誤差。

圖6 沖床總變形量

圖7 沖床豎直方向變形量

4 沖床實(shí)際溫度測量

研究溫度場相關(guān)問題最基本最可靠的方法還是實(shí)驗(yàn)法(也叫測量法)，因?yàn)樗蟹治鼋Y(jié)果的評定都須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而那些仿真分析的計(jì)算公式又大都是通過前人經(jīng)驗(yàn)不斷積累的成果。因此，本高速沖床溫度場的計(jì)算結(jié)果是否具有可靠性，是否具有一定的參考價(jià)值，通過利用紅外熱像儀進(jìn)行實(shí)測溫度來進(jìn)行對比驗(yàn)證。測量曲軸端蓋、沖床連桿、中臺身、直線導(dǎo)軌、工作臺、滑動軸承以及曲軸上某處的溫度值，對比溫度場仿真分析結(jié)果，制作出溫度對比圖(圖8)。

圖8 仿真分析結(jié)果與實(shí)際測量溫度對比

5 結(jié)論

(1) 通過圖8可以看出仿真分析結(jié)果與實(shí)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(jié)果可靠性高，對今后相關(guān)的研究工作具有一定的參考價(jià)值。

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

[1]張同, 袁方. 機(jī)械加工中熱變形對工藝的影響及其控制方案的應(yīng)用 [J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013(33): 288.

[2]鄧小雷, 傅建中, 賀永,等. 精密數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)多物理場耦合熱態(tài)特性 [J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2013, 47(10): 1863-1870.

[3]周大帥, 伍良生, 李俊. 機(jī)床主軸系統(tǒng)熱態(tài)及變形特性研究進(jìn)展 [J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(10): 259-260.

[4]馬丙輝, 盧澤生. 基于電主軸的高速軸承及其熱分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008(11): 1-3.

[5]王延忠, 閆涵, 周元子,等. 龍門加工中心主軸系統(tǒng)熱態(tài)特性分析[J]. 機(jī)床與液壓. 2008, 36(5): 16-18.

[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(jī)械，2010, 31(7): 77-79.

[責(zé)任編輯：趙 偉]

Thermal-Structure Coupling Analysis for High-speed Precision Press Based on ANSYS

ZHANG Qingfeng1，GAO Xiang2

(1.Shanghai Material Engineering School, Shanghai200231, China;2.College of Mechanical Engineering,Donghua University,Shanghai 201620,China)

Thermal resource analysis and thermal transfer mechanism analysis of high-speed precision press are carried out in detail basing on thermal properties; completed the computation of initial condition and boundary condition of thermal analysis; modeling for the whole machine finite element model is done in Solidworks; thermal-structure coupling analysis of whole machine is done in ANSYS; then a temperature field and stress field of whole machine in steady state environment are built, processing errors are computed. Finally, compared with actual press temperatures measured by infrared thermal imager, the reliability of temperature field simulation analysis is validated, which provides theoretical basis for the structure design and the thermal balance design of the press.

high-speed precision press;temperature field;thermal analysis, thermal deformation, finite element analysis

2016 - 06 - 20

張慶鋒(1983—)，男，上海人，上海市材料工程學(xué)校講師，東華大學(xué)工程碩士在讀，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及制造等方面的研究。

TH16

A

1008-6811(2016)03-0015-04