基于有限元方法的數(shù)控銑床整機熱特性分析

在機械加工中,工藝系統(tǒng)在各種熱源（摩擦熱、切削熱、環(huán)境溫度、熱輻射等） 的作用下,產(chǎn)生溫度場,致使機床、刀具、工件、夾具等產(chǎn)生熱變形,從而影響工件與刀具間的相對位移,造成加工誤差,進而影響零件的加工精度. 根據(jù)英國伯明翰大學(xué)J . Pe2clenik 教授調(diào)查統(tǒng)計表明,在精密加工中,熱變形引起的制造誤差,占總制造誤差的40 %～70 % . 所以,如何減少熱變形,提高加工精度,是機床設(shè)計中非常棘手和重要的問題.

    目前,有很多學(xué)者通過試驗和理論分析,對機床的熱變形進行研究. 如浙江大學(xué),對彈性熱接觸問題用有限元方法進行研究,而且對有限元系統(tǒng)進行開發(fā),并應(yīng)用于TKA6916 數(shù)控落地銑鏜床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化上,取得了一定的成果[1 ] . Okuyama 等人,通過實驗測量了在平面研磨機工作過程中,砂輪主軸和工作臺的相對熱位移,并使用有限元方法對研磨機的熱變形進行理論研究,結(jié)果表明理論與實驗結(jié)論相一致[ 2 ] . Moriwaki 等人通過實驗和有限元方法研究了由于環(huán)境溫度變化引起的熱變形對加工中心的影響[3 ] . 本文將通過有限元方法,對新設(shè)計的XK717數(shù)控銑床進行整機熱特性分析,并與XK510 數(shù)控銑床（成熟產(chǎn)品） 的分析結(jié)果進行比較,根據(jù)比較結(jié)果,找出XK717 數(shù)控銑床熱特性的薄弱部件,從而為提高數(shù)控銑床的熱特性指明了改進的方向.

1 　整機有限元模型

   考慮到XK717 數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)相當復(fù)雜,為了便于有限元分析,對其結(jié)構(gòu)進行適當?shù)暮喕? 并采用20 節(jié)點體單元SOL ID95 進行網(wǎng)格劃分,整機有限元模型如圖1 所示.

2 　分析條件

    XK717 數(shù)控銑床的主軸系統(tǒng)前支承采用7020C 軸承,成對串聯(lián)、開口朝下安裝,中間支承也采用7020C 軸承,成對串聯(lián)、開口朝上安裝,設(shè)計預(yù)緊力為500 N ,后支承采用7018C 軸承,成對背靠背安裝,設(shè)計預(yù)緊力為200 N ,軸承布置如圖2 所示.

    對于典型的銑削工藝,使用立銑刀（高速鋼） 直徑為40 mm ,齒數(shù)為Z = 6 ,對碳鋼進行加工,其銑削深度a_p = 20 mm ,銑削寬度a_e = 2 mm ,每齒進給量a_f = 0. 01 mm ,轉(zhuǎn)速為3500 r/ min ,假設(shè)工作臺上的能量沿X 方向的分布,如圖3 所示.

    并假設(shè)被工作臺吸收的總能量為切削能量的10 %. 根據(jù)這些條件可計算出熱分析的邊界條件,具體的計算方法見文獻[4 ]. 機床各部分材料特性如表1所示.

3 　結(jié)果分析

    圖4 為主軸轉(zhuǎn)速在3 500 r/ min 時,XK717 數(shù)控銑床整機溫度場云圖. 從圖中可以看出,銑床溫度比較高的部位在主軸的前支承部位;前、中、后支承的平均溫度值分別為62. 13 ℃, 57. 44 ℃, 45. 35℃. 圖5 為XK717 數(shù)控銑床整機熱變形云圖,從圖中可以看出,主軸箱前面部分熱變形比較嚴重,而主要影響加工精度的主軸前端面平均熱變形量為0. 143 mm.

    圖6 、圖7 分別為在相同仿真條件下,XK510 數(shù)控銑床的溫度場和熱變形場的云圖. 前、中、后支承的平均溫度值分別為52. 7 ℃,52. 71 ℃,36. 5 ℃,而主軸前端面平均熱變形量為0. 062 mm.通過比較可知,XK717 數(shù)控銑床的軸承溫升比XK510 數(shù)控銑床的溫升要高,而主軸前端面熱變形量大2 倍多. 這主要是因為:

    （1） XK717 數(shù)控銑床的軸承個數(shù)多,前、中、后各2 個,共6 個,而XK510 銑床只有4 個,前支承兩個,中、后支承各1 個;

    （2） XK717 銑床是大型數(shù)控銑床,主軸直徑為0. 1 m 左右,而XK510 銑床只有0. 065 m ,這就表明在選擇軸承時,新設(shè)計的XK717 數(shù)控銑床的軸承尺寸要比原銑床的大的多.

    上述2 個原因直接影響到數(shù)控銑床軸承的發(fā)熱量,進而影響到軸承的溫升和主軸的熱變形. 由于XK510 數(shù)控銑床是成熟產(chǎn)品,在使用中,加工精度一直比較高,而分析結(jié)果表明新設(shè)計的XK717 數(shù)控銑床熱變形精度明顯沒有XK510 數(shù)控銑床的精度高. 因此,很有必要對XK717 數(shù)控銑床采取一些措施,來減少機床的熱變形. 從結(jié)果云圖可以看出,主軸及主軸箱部件是影響主軸熱變形的關(guān)鍵所在.

4 　結(jié)　語

    通過對新開發(fā)設(shè)計的XK717 數(shù)控銑床進行整機熱特性分析,并與XK510 數(shù)控銑床的結(jié)果進行比較,結(jié)果表明XK717 數(shù)控銑床的熱變形精度沒有原銑床的精度好,并且對其原因進行了分析,而且從結(jié)果云圖中可以看出,XK717 數(shù)控銑床主軸及主軸箱部件是溫度和熱變形最為嚴重的部件,因此,應(yīng)采取相應(yīng)的措施來提高主軸和主軸箱部件的熱特性.