基于有限元方法的數(shù)控銑床整機(jī)熱特性分析

在機(jī)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(chǎng),致使機(jī)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(duì)位移,造成加工誤差,進(jìn)而影響零件的加工精度. 根據(jù)英國(guó)伯明翰大學(xué)J . Pe2clenik 教授調(diào)查統(tǒng)計(jì)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(jī)床設(shè)計(jì)中非常棘手和重要的問(wèn)題.

    目前,有很多學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)和理論分析,對(duì)機(jī)床的熱變形進(jìn)行研究. 如浙江大學(xué),對(duì)彈性熱接觸問(wèn)題用有限元方法進(jìn)行研究,而且對(duì)有限元系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了在平面研磨機(jī)工作過(guò)程中,砂輪主軸和工作臺(tái)的相對(duì)熱位移,并使用有限元方法對(duì)研磨機(jī)的熱變形進(jìn)行理論研究,結(jié)果表明理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)論相一致[ 2 ] . Moriwaki 等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(duì)加工中心的影響[3 ] . 本文將通過(guò)有限元方法,對(duì)新設(shè)計(jì)的XK717數(shù)控銑床進(jìn)行整機(jī)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(jìn)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(jìn)的方向.

1 　整機(jī)有限元模型

   考慮到XK717 數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜,為了便于有限元分析,對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化. 并采用20 節(jié)點(diǎn)體單元SOL ID95 進(jìn)行網(wǎng)格劃分,整機(jī)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(duì)串聯(lián)、開(kāi)口朝下安裝,中間支承也采用7020C 軸承,成對(duì)串聯(lián)、開(kāi)口朝上安裝,設(shè)計(jì)預(yù)緊力為500 N ,后支承采用7018C 軸承,成對(duì)背靠背安裝,設(shè)計(jì)預(yù)緊力為200 N ,軸承布置如圖2 所示.

    對(duì)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(duì)碳鋼進(jìn)行加工,其銑削深度a_p = 20 mm ,銑削寬度a_e = 2 mm ,每齒進(jìn)給量a_f = 0. 01 mm ,轉(zhuǎn)速為3500 r/ min ,假設(shè)工作臺(tái)上的能量沿X 方向的分布,如圖3 所示.

    并假設(shè)被工作臺(tái)吸收的總能量為切削能量的10 %. 根據(jù)這些條件可計(jì)算出熱分析的邊界條件,具體的計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[4 ]. 機(jī)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(shí),XK717 數(shù)控銑床整機(jī)溫度場(chǎng)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(jī)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(yán)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(chǎng)和熱變形場(chǎng)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(guò)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?yàn)?

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

    （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(shí),新設(shè)計(jì)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(gè)原因直接影響到數(shù)控銑床軸承的發(fā)熱量,進(jìn)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(jì)的XK717 數(shù)控銑床熱變形精度明顯沒(méi)有XK510 數(shù)控銑床的精度高. 因此,很有必要對(duì)XK717 數(shù)控銑床采取一些措施,來(lái)減少機(jī)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(yǔ)

    通過(guò)對(duì)新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的XK717 數(shù)控銑床進(jìn)行整機(jī)熱特性分析,并與XK510 數(shù)控銑床的結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果表明XK717 數(shù)控銑床的熱變形精度沒(méi)有原銑床的精度好,并且對(duì)其原因進(jìn)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(yán)重的部件,因此,應(yīng)采取相應(yīng)的措施來(lái)提高主軸和主軸箱部件的熱特性.