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(yè)的重要組成部分，在提升中國制造業(yè)整體水平上具有至關(guān)重要的作用。隨著重型機床向高速、高精的方向發(fā)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(chǎn)生的誤差占總加工誤差的40%～70%[1-2]。作為重型數(shù)控機床的基礎(chǔ)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(fā)熱，致使床身導(dǎo)軌精度變化大，且精度難以保持[3]。一般為恢復(fù)導(dǎo)軌精度，會定期重調(diào)床身和機床基礎(chǔ)上的墊鐵。但重調(diào)床身技術(shù)難度高、工作量大及停機時間長，嚴重影響了企業(yè)生產(chǎn)的正常開展，降低了生產(chǎn)效率[4]。因此，開展床身熱變形控制技術(shù)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(xué)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(dǎo)軌熱變形的數(shù)學(xué)模型，既可方便數(shù)控編程，又可保證和提高工件的加工質(zhì)量。喬雪濤等[5]利用ANSYS Workbench 對人造花崗巖復(fù)合材料磨床床身進行瞬態(tài)熱應(yīng)力分析，根據(jù)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(jù)分析結(jié)果，對床身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化并增添外部冷卻裝置，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)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(tǒng)鑄鐵材質(zhì)的床身進行熱變形分析對比，并對機床材料和約束進行優(yōu)化，結(jié)果證明優(yōu)化后的機床床身具有很好的熱穩(wěn)定性。

本文針對重型數(shù)控機床床身在自然環(huán)境溫度下的瞬態(tài)熱變形進行研究，對床身-基礎(chǔ)系統(tǒng)展開溫度場測量，利用ANSYS 建立床身-基礎(chǔ)有限元模型，利用實測溫度數(shù)據(jù)修正床身-基礎(chǔ)的溫度場，進而獲得可靠的床身的瞬態(tài)熱變形數(shù)據(jù)。根據(jù)床身的熱態(tài)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(chǔ)和床身上布置溫度傳感器，通過測量關(guān)鍵點的溫度，得到機床基礎(chǔ)和床身的溫度場分布，為床身熱變形有限元分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.1 測量系統(tǒng)組成

溫度場測量系統(tǒng)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(shù)據(jù)，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(tǒng)

1.2 傳感器布置方案

在機床基礎(chǔ)、床身及環(huán)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(chǔ)在灌漿時留預(yù)制孔，埋入常規(guī)型溫度傳感器，在床身周圍的5 個基礎(chǔ)檢測板處各取3 個測點，在2 m 深度的預(yù)制孔內(nèi)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(cè)和采集終端出共放置3 個溫度傳感器。圖4 為床身-基礎(chǔ)系統(tǒng)溫度場實時監(jiān)控試驗臺局部照片。

圖2 機床基礎(chǔ)溫度測點分布

圖3 床身溫度測點分布

圖4 床身-基礎(chǔ)系統(tǒng)溫度場實時監(jiān)控試驗臺

1.3 測量數(shù)據(jù)分析

取一天24 h 內(nèi)測點溫度數(shù)據(jù)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(chǔ)同一位置不同深度溫度分布規(guī)律，可以看出越靠近基礎(chǔ)地面，溫度波動越大，隨著深度的增加，基礎(chǔ)在該深度處的溫度變化幅度逐漸減小?；A(chǔ)上下表面的溫差將導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)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(chǔ)同一位置溫度垂直分布曲線

2 床身熱-結(jié)構(gòu)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(diào)整墊鐵上，調(diào)整墊鐵通過混凝土固定在機床基礎(chǔ)上。由于機床基礎(chǔ)上下表面存在的溫差將導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生熱變形，研究床身熱變形時考慮機床基礎(chǔ)的影響，建立床身-基礎(chǔ)有限元分析模型，圖7 為重型數(shù)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(chǔ)裝配模型。

圖7 重型數(shù)控銑鏜床床身模型剖切視圖

圖8 床身-基礎(chǔ)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(jié)果的條件下，略去影響不大的次要細節(jié)結(jié)構(gòu)：螺栓孔、小的結(jié)構(gòu)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(wǎng)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(chǔ)采用C30 混凝土，材料屬性如表1 所示。床身放置在基礎(chǔ)上，床身和基礎(chǔ)表面裸露在空氣中，與空氣之間形成自然對流，根據(jù)實際工況，對床身-基礎(chǔ)施加測得的環(huán)境溫度和環(huán)境對流條件，進行瞬態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得到24 h 內(nèi)床身溫度場和變形場分布情況。

表1 機床基礎(chǔ)和床身材料特性

2.3 實測溫度結(jié)果對仿真進行修正

在實際情況中，機床的熱平衡狀態(tài)為一個動態(tài)平衡的過程，不同于軟件分析得出的穩(wěn)定的、不再隨時間的變化而改變的溫度場分布的結(jié)果，因此，對床身-基礎(chǔ)進行了瞬態(tài)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(shù)據(jù)進行修正，在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)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(huán)境均有差異，不同位置與環(huán)境對流換熱系數(shù)差異較大。經(jīng)仿真對比后，將對流換熱系數(shù)進行調(diào)整，溫度模型與實測模型基本一致。

床身內(nèi)部對流換熱系數(shù)：10 W/m2·℃；床身外側(cè)及兩端對流換熱系數(shù)：20 W/m2·℃；床身內(nèi)側(cè)對流換熱系數(shù)：15 W/m2·℃。

圖9 為修正后的床身-基礎(chǔ)溫度場分布云圖。

圖9 床身-基礎(chǔ)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?？梢钥闯觯抡婺Ｐ蜏囟茸兓厔菖c實測結(jié)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(chǔ)進一步開展變形分析和優(yōu)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(dāng)物體受到熱源的影響，溫度發(fā)生改變，將隨著溫度的改變出現(xiàn)膨脹或者收縮的現(xiàn)象。將修正后的瞬態(tài)溫度場的節(jié)點溫度作為載荷施加到有限元模型中，得到床身-基礎(chǔ)系統(tǒng)的變形場。圖11 所示為床身-基礎(chǔ)整體沿Y方向的變形云圖。取床身主導(dǎo)軌側(cè)邊在Y向的最大、最小變形值之差Δy作為主導(dǎo)軌直線度，得到床身導(dǎo)軌直線度隨時間變化曲線如圖12 所示，可以看出，床身導(dǎo)軌直線度在16 h處達到最大值0.151 mm。

圖11 床身-基礎(chǔ)Y 向熱變形云圖

圖12 床身主導(dǎo)軌直線度隨時間變化曲線

3 床身熱穩(wěn)定性優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方法

不均勻的溫度場是導(dǎo)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(dǎo)軌的直線度[8]。根據(jù)上述分析，在重型數(shù)控機床床身的設(shè)計過程中，可以通過以下方式來改善床身熱變形：

（1）優(yōu)化床身材料，選擇熱穩(wěn)定性更優(yōu)越的材料。

（2）優(yōu)化床身結(jié)構(gòu)，根據(jù)床身熱特性以及機床設(shè)計目標，尋求散熱迅速、溫度場均勻?qū)ΨQ、熱平衡時間短的機床系統(tǒng)設(shè)計方法。

（3）采用熱容平衡技術(shù)，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(chǎn)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(yīng)力變形減少。

3.2 材料優(yōu)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(jié)劑和不同尺寸天然礦石為主要成分的復(fù)合材料，與灰鑄鐵材料相比具有更好的熱穩(wěn)定性[9]。將床身材料由HT300 改為人造花崗巖進行瞬態(tài)熱-結(jié)構(gòu)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(jīng)過熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得到人造花崗巖床身溫度場和熱變形數(shù)據(jù)，圖13 為人造花崗巖床身-基礎(chǔ)溫度場分布云圖，圖14 為人造花崗巖床身-基礎(chǔ)整體沿Y方向的變形云圖。

圖13 人造花崗巖床身-基礎(chǔ)溫度場分布云圖

圖14 人造花崗巖床身-基礎(chǔ)Y 向熱變形云圖

取床身主導(dǎo)軌側(cè)邊在Y向的最大、最小變形值之差Δy作為主導(dǎo)軌直線度，得到HT300 和人造花崗巖兩種材料的床身導(dǎo)軌直線度變化曲線，如圖15所示?？梢姡瑑煞N材料的床身導(dǎo)軌直線度均在16 h左右達到最大值，HT300 床身導(dǎo)軌的直線度最大可達0.151 mm，而人造花崗巖床身導(dǎo)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(jié)語

針對重型數(shù)控機床床身在自然環(huán)境溫度下的瞬態(tài)熱變形進行研究，采用ANSYS 對床身-基礎(chǔ)系統(tǒng)進行有限元分析，獲得了床身-基礎(chǔ)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(nèi)容如下：

（1）搭建了重型數(shù)控機床床身-基礎(chǔ)系統(tǒng)溫度場實時監(jiān)控試驗臺。通過溫度傳感器測得了床身-基礎(chǔ)關(guān)鍵點溫度數(shù)據(jù)，為后續(xù)床身熱變形研究提供了數(shù)據(jù)支撐。

（2）利用ANSYS 建立床身有限元模型，根據(jù)實測溫度數(shù)據(jù)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(yīng)床身熱變形的實際情況，進而獲得床身的瞬態(tài)熱變形數(shù)據(jù)。

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