摘要：本文以銑車(chē)復(fù)合加工中心為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了熱—結(jié)構(gòu)耦合有限元分析，利用熱態(tài)信息鏈法定量計(jì)算出了各零部件對(duì)主軸軸端熱位移影響的大小和方向。研究結(jié)果表明：①加工中心最大熱變形量為108μm，且出現(xiàn)在主軸后軸承處;②主軸系統(tǒng)和刀架對(duì)加工中心軸端熱位移影響最大。刀架主要影響徑向熱誤差，使得軸端向X向產(chǎn)生-18.52μm熱位移，向Y向產(chǎn)生26.74μm熱位移。主軸系統(tǒng)主要影響軸向熱誤差，使得軸端向Z向產(chǎn)生-55.48μm熱位移。研究結(jié)果為減小機(jī)床熱變形提供理論依據(jù)。

Abstract： This paper takes the compound machining center of milling car as the research object， conducts the analysis of the thermal-structure coupled finite element， and uses the thermal state information chain method to quantitatively calculate the size and direction of the influence of each part on the thermal displacement of the spindle end. The results show that： ① The maximum thermal deformation of the machining center is 108 μm and occurs at the back bearing of the spindle; ② The spindle system and tool rest have the greatest influence on the thermal displacement of the shaft end of the machining center. The radial thermal error is mainly affected by the tool holder， resulting in a thermal displacement of -18.52 μm towards X direction and 26.74 μm towards Y direction. The axial thermal error is mainly affected by the spindle system， resulting in a thermal displacement of -55.48μm in the Z direction of the axial end. The results provide theoretical basis for reducing thermal deformation of machine tools.

關(guān)鍵詞：熱變形;有限元分析;熱態(tài)信息鏈

Key words： thermal deformation;finite element analysis;hot state information chain

中圖分類(lèi)號(hào)：TG65? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）20-0095-02

0? 引言

機(jī)床在加工時(shí)，受到內(nèi)部熱源和外部熱源的共同影響使得各個(gè)零部件產(chǎn)生不同程度的溫升，進(jìn)而在零部件內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力就會(huì)驅(qū)使零部件產(chǎn)生不同程度的熱變形，受裝配約束關(guān)系的限制，會(huì)導(dǎo)致刀尖與工件的原始相對(duì)位置發(fā)生偏移，最終引起熱誤差[1]。研究表明：在先進(jìn)制造領(lǐng)域，由機(jī)床熱變形引起的誤差已經(jīng)占到了機(jī)床總誤差的70%左右[2]。因此，對(duì)機(jī)床熱變形的研究對(duì)減少機(jī)床加工誤差尤為重要。

本文以某企業(yè)生產(chǎn)的銑車(chē)復(fù)合加工中心為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行熱—結(jié)構(gòu)耦合有限分析，文章《銑車(chē)復(fù)合加工中心熱特性研究》中已對(duì)加工中心的溫度場(chǎng)進(jìn)行了有限元分析[3]，本文將溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果作為載荷施加到結(jié)構(gòu)分析中，求解加工中心熱變形場(chǎng)。同時(shí)，以加工中心熱—結(jié)構(gòu)耦合有限元模型作為載體，利用熱態(tài)信息鏈法挖掘各部件對(duì)加工中心軸端熱位移的影響大小。

1? 加工中心熱—結(jié)構(gòu)耦合有限元分析

將加工中心溫度場(chǎng)作為載荷，同時(shí)施加約束條件，進(jìn)行熱—結(jié)構(gòu)耦合有限元分析，得到加工中心熱變形云圖如圖1所示。

從圖1可知，最大熱變形點(diǎn)出現(xiàn)在主軸后承軸處，為108μm。床身基本保持不變，立柱上端有一定熱變形，橫梁呈端部變形量大中間變形量小趨勢(shì)，刀架右端受擺頭力矩電機(jī)發(fā)熱產(chǎn)生變形的影響，導(dǎo)致其變形大于刀架左端，轉(zhuǎn)臺(tái)中間變形量大，邊緣變形量小，表現(xiàn)為向上凸起。主軸殼體熱變形表現(xiàn)為前端變形量大，后端變形量小。

2? 加工中心熱態(tài)信息鏈

加工中心熱誤差是由所有零部件受熱變形綜合影響而造成的，零部件受熱變形主要表現(xiàn)為拉伸、扭曲、彎曲等，而這些變形受整體裝配約束關(guān)系會(huì)在零件之間進(jìn)行疊加、抵消等，最終會(huì)反映到主軸前端部造成熱誤差。因此，主軸前端部的熱位移包含主軸自身熱變形造成的熱位移和其他零件熱變形按裝配關(guān)系傳遞到軸端造成的熱位移兩部分。

從加工中心熱變形云圖可以知道所有零部件熱變形綜合作用下的軸端熱位移大小，但是無(wú)法知道每個(gè)零部件影響軸端熱位移的大小，無(wú)法有針對(duì)性的減小熱誤差。因此，本文將建立銑車(chē)復(fù)合加工中心的熱態(tài)信息鏈來(lái)探究各零部件影響軸端熱位移的大小。

2.1 熱態(tài)信息拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

將每個(gè)零部件作為一個(gè)處理熱流量和熱位移的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收上一個(gè)節(jié)的熱信息并通過(guò)自身處理，將新的熱信息傳遞到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，最終傳遞到主軸端部，表現(xiàn)為軸端熱位移。將加工中心拆分成基礎(chǔ)部件：床身、立柱、橫梁，進(jìn)給系統(tǒng)：X向、Y向、Z向，主軸系統(tǒng)及刀架，然后按照裝配約束關(guān)系組合，得到整機(jī)熱態(tài)信息拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 熱態(tài)信息挖掘方法

將整機(jī)熱—結(jié)構(gòu)耦合有限元模型作為加工中心熱態(tài)信息鏈的載體，通過(guò)在ANSYSWorkbench中設(shè)定部分零部件的熱膨脹系數(shù)為0，使其熱變形為0，那么就可以認(rèn)為軸端熱位移是由未設(shè)定膨脹系數(shù)為0的那部分零部件的熱變形通過(guò)裝配約束關(guān)系疊加而來(lái)。

3  各零部件對(duì)軸端熱位移影響大小計(jì)算

上文將整機(jī)按結(jié)構(gòu)拆為8個(gè)零部件，即為8個(gè)熱態(tài)信息節(jié)點(diǎn)，令每個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的軸端熱位移為ei（ i=1，2，…，8）。

①令n=i（ i=1，2，…，8），計(jì)算節(jié)點(diǎn)i單獨(dú)作用下軸端熱位移ei;

②在ANSYS Workbench中添加新材料，設(shè)置熱膨脹系數(shù)為0，材料其余屬性不變;

③用新材料代替剩余節(jié)點(diǎn)零部件材料;

④計(jì)算第i節(jié)點(diǎn)單獨(dú)作用下加工中心熱位移場(chǎng)，并提取主軸下斷面中心一處的熱位移ei作為i節(jié)點(diǎn)零部件單獨(dú)作用下的軸端熱位移。

按照以上方法，分別計(jì)算e1-e8，得到各零部件對(duì)軸端熱位移的影響大小如表1所示。

從圖1的加工中心熱變形云圖中提取主軸前端面處一點(diǎn)熱位移（X，Y，Z）為（-7.74，，31.45，-56.22），而此時(shí)的軸端熱位移由所有零部件共同引起，將此數(shù)據(jù)與表1合計(jì)欄數(shù)據(jù)（-6.89，29.73，-54.30）進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，計(jì)算誤差為（-0.85，-1.72，-1.92），可知該種方法計(jì)算精度較高，最大誤差為1.92μm。

為了直觀(guān)對(duì)比，將表1中數(shù)據(jù)繪制成柱狀圖如圖3所示。

結(jié)合表1和圖3可知：主軸系統(tǒng)和刀架對(duì)加工中心軸端熱位移影響最大。其中：刀架主要影響徑向熱誤差，使得軸端向X向產(chǎn)生-18.52μm熱位移，向Y向產(chǎn)生26.74μm熱位移;主軸系統(tǒng)主要影響軸向熱誤差，使得軸端向Z向產(chǎn)生-55.48μm熱位移。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文以銑車(chē)復(fù)合加工中心為研究對(duì)象，求解出了加工中心的熱變形云圖，同時(shí)，以加工中心熱—結(jié)構(gòu)耦合有限元模型作為載體，利用熱態(tài)信息鏈法對(duì)各部件影響加工中心軸端熱位移大小進(jìn)行了挖掘。得出以下結(jié)論：主軸系統(tǒng)和刀架對(duì)加工中心軸端熱位移影響最大，且刀架主要影響徑向熱誤差，主軸主要影響軸向熱誤差。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝國(guó)慶，張麗娟，劉勝民.機(jī)床的熱誤差產(chǎn)生及補(bǔ)償方法[J]. 民營(yíng)科技，2014（01）：43-115.

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