基于ANSYS Workbench的树脂混凝土机床床身热变形分析优化.pdf

2 0 1 5 年 2 月 第 4 3卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS F e b ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 3 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 4 6 基于 A N S Y S Wo r k b e n c h的树脂混凝土机床床身热变形分析优化 梁秀霞 ，陈瑶 ，邱爽 1 ．河北工业大学控制科学与工程 学院，天津 3 0 0 0 1 9 ； 2 ．天津大学教育部 陶瓷重点实验室，天津 3 0 0 0 7 2 ． 摘要树脂混凝土一般具有较好的力学性能 ，优秀的热稳定性和优异的吸振性 ，为了探究树脂混凝土的热稳定性，充 分利用虚拟仿真技术和 P 0 ／ E与 A N S Y S Wo r k b e n c h协同仿真方案，建立了某超精密加工 中心床身的实体模型。通过对树脂 混凝土材质以及传统铸铁材质的床身热变形结果的分析。找到了影响机床床身热变形的主要因素，并对机床材料和约束进 行优化。结果证明优化后的机床床身具有很好的热稳定性 。为提高超精密加工中心的热稳定性能提供有用的理论依据。 关键词 树脂混凝 土 ；热稳定性 ；超精密加工 ；热分析 中图分类号 T G 5 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 3 1 7 5 4 Ana l y s i s a n d Op t i mi z a t i o n o f The r ma l De f o r ma t i o n o f Re s i n Co nc r e t e M a c hi ne To o l Be d Ba s e d o n ANS YS W o r k be nc h LI ANG Xi u x i a ，CHEN Ya o。 ，Q I U S h u a n g 1 ． S c h o o l o f c o n t r o l s c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， H e b e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T i a n j i n 3 0 0 0 1 9 ，C h i n a ； 2． Ke y L a b o r a t o r y o f Ad v a n c e d Ce r a mi c s a nd Ma c h i n i n g Te c h no l o gy ，Mi n i s t ry o f Ed u c a t i o n， T i a n j i n U n i v e r s i t y ，T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ，C h i n a Ab s t r a c t Re s i n c o n c r e t e g e n e r a l l y h a s g o o d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，e x c e l l e n t t h e r mal s t a b i l i t y a n d g r e a t v i b r a t i o n r e s i s t a n c e ． T h e mo d e l o f t h e u l t r a p r e c i s i o n ma c h i n i n g c e n t e r b e d w a s e s t a b l i s h e d i n 0 r d e r t o s t u d y t h e t h e r ma l s t a b i l i t y o f t h e r e s i n c o n c r e t e b y f u l l y u s i n g v i rtu al r e ali t y a n d c o l l ab o r a t i v e s i mu l a t i o n s c h e me b a s e d o n P r o ／ E a n d ANS YS W o r k b e n c h ． T h e ma i n f a c t o r s t h a t a f f e c t e d t h e t h e rm al d e f o r ma t i o n o f ma c h i n e t o o l b e d we r e f o u n d t h r o u g h a n aly z i n g t h e t h e rm a l d e f o rm a t i o n r e s u h s o f t r a d i t i o n al c a s t i r o n ma t e r i a l a n d r e s i n c o n c r e t e ． Mo r e o v e r t h e ma t e r i als o f ma c h i n e t o o l a n d r e s t r a i n c o n d i t i o n s w e r e o p t i mi z e d ． T h e r e s u l t s p r o v e t h a t t h e o p t i mi z e d ma c hi ne t o o l b e d h a s g o o d t he rm a l s t a bi l i t y，a n d t h e o r e t i c a l ba s i s i s pr o v i de d t o i mp r o v e t he t h e rm a l s t ab i l i t y o f t he u l t r a p r e c i s i o n ma c hi ni n g c e nt e r s ． Ke y wo r d s R e s i n c o n c r e t e；T h e rm a l s t a b i l i t y；Ul t r a p r e c i s i o n ma c h i n i n g ；T h e rm a l a n aly s i s 0前言 近一个多世纪以来 ，随着现代制造产业的飞速发 展 ，精 密及 超精密加工越来越广泛 的得到应用 ，使得 机械精 度及其相应 的测量技术精度 、仪器精度大幅提 高 ，已经逐步进入微米 、纳米级精 度水 平。机械加工 的精密 水平和质量一定程度上代 表着一个 国家制造领 域 的尖 端技术能力 。也是 当今世界 各 国进行科技乃至 军备竞 争 中衡 量孰强孰弱 的重要标 准 。这就要求超精 密加工机床具有极好的热稳定性 、极高的精度和优异 的动静态稳定性，故而传统的钢体或铸铁机床床身已 经不能满足这些要求 ] 。 机床热变形在精密加工中是影响制造误差的主要 因素 ，占总制造误 差 的 4 0 ％～ 7 0 ％ ] 。数 控加 工 中心 的床身作为机床整体的一个重要基础承载件．对加工 中心工作台以及主轴箱等加工中心关键部件起着支撑 作用 ，它 的热稳定性好 坏直接关系着精密加工 的加工 精度 以及表 面质量 。 树脂混凝土 ，又称 为聚合 物混凝土 ，一般是 由反 应树脂与天然矿 物石料 经一定条件下混合而成 J 。与 传统铸铁 材料 相 比．树 脂混 凝 土具 有更 好 的热稳 定 性 ，对短 时的温度变化 不敏感 以及生产周期短 、抗腐 蚀等一系列优点。特别是采用多级骨料级配时，不仅 机械性能有 了显 著提 升 ，热学 性能 也有较 大改 善 j 。 目前 ，德 国 K E R N公 司产出的 P y r a m i d N a n o 超精密加 工 中心 ．其 以名为 A r m o r i t h的树脂混凝土作为床 身材 料 ，已经可 以达到纳米级加工精度 。对今后 的超精密 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 2 7 基金项 目国家高档数控机床与基础制造装备科技重大科技专项 2 0 1 1 Z X 0 4 0 1 6 一 O l 1 作者简介梁秀霞 1 9 7 2 一 ，女，博士，教授，研究方向为高级过程控制系统的分析、设计以及智能检测技术。E - m a i l qi u 32 33 1 26 ．c on。 1 7 8 机床与液压 第 4 3卷 3 ． 2 ． 2 改变床身的约束方式 由于机床床身是靠地脚螺钉来施加约束，通过改 变地脚螺栓的预紧力来 实现碎 玉机床 热变形 的控 制。 过适 当改变地脚螺栓预紧力 ，使得床身最大变形量下 降至 0 ． 2 9 7 3 I B m，同样 达到 了减 小床 身热 变 形 的 目 的。 4结 论 采 用 A N S Y S Wo r k b e n c h的有 限 元 分析 方 法 ，得 到 了加工 中心在加工过程温度变化过程 中的温度场 以 及热变形 的分 布 ，并进行 了分析 以及优化 ，得到 了如 下结论 1 对机床热特性进行 了有 限元分析 ，预测 了在 加工过程 中由于导轨 升温 导致 的热 变形 的状态 ，为进 一 步提 升机床 热稳定性 提供 了理论基 础。 2 对加 工中心在一定 范围内的热变形规律 进行 了初步研 究 ，并进行 了铸铁 材料 、树脂基混凝 土材料 以及改 良后的树脂混凝土材料 的热稳定性能对 比，树 脂混凝 土材料在热稳定性能方面具有较大优势 。 3 提出了两种优化热特性的方法，一种是选用 热膨胀系数更小 的材料 ．另一种则是适 当改变约束条 件，都能减小床身整体的热变形量，并对超精密加工 中心的改进具有一定的参考意义。 参考文献 [ 1 ]D I K i m， S C J u n g ， J E L e e ． P a r a m e t r i c S t u d y o n D e s i g n o f Co mp o s i t e F o a m Re s i n C o n c r e t e S a n d w i c h S t r u c t u r e s f o r P r e c i s i o n Ma c h i n e T o o l S t r u c t u r e s[ J ] ． C o m p o s i t e S t ruc t u r e s ， 2 0 0 6 ， 7 5 3 4 0 8 4 1 4 ． [ 2 ]K I M H S ， P A R K K Y， L E E D G ． A S t u d y o n t h e E p o x y R e s i n C o n c r e t e f o r t h e U l t r a p r e c i s i o n Ma c h i n e T o o l B e d[ J ] ． J o u r n a l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 1 9 9 5 ， 4 8 1 6 49-65 5． [ 3 ]闫占辉， 于俊一． 机床热变形的研究现状[ J ] ． 吉林工业 大学 自然科学学报 ， 2 0 0 1 ， 3 1 3 9 5 9 7 ． [ 4 ]徐吉存， 高柏宏 ， 李焱， 等． 基于新材料、 新技术的绿色机 床设计[ J ] ． 航空制造技术， 2 0 1 1 ， 5 4 4 4 9 - 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