基于接触热阻的机床热特性研究.pdf

第 1 0期 2 0 1 3年 1 0月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o dul ar M a c hi ne To o l Au t o m a t i c M a nu f a c t ur i ng Te c hni q ue NO ． 1 0 oc t ．2 01 3 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 3 1 0 0 0 0 1 0 6 0 基于接触热阻的机床热特性研究 马雅 丽 ， 李 少龙 ， 申会鹏 大连理 工 大学 机械 工 程 学院 ， 辽 宁 大连 1 1 6 0 2 4 木 摘 要 考 虑机 床 结合 面接 触热 阻利 用有 限 单元 法对机 床整 机 热特 性进 行 了深入 研 究 。 以立式 加 工 中 心 整机 为研 究对 象， 建立 了机床 热边界 条件 ， 并 对机 床整机 模 型在 有 、 无 接 触热 阻两种 情 况 下的 温度 场 分析 结果进 行 比较 ， 论证 了接 触热 阻对整 机 温度 场 分布 的重要 性 。基 于机 床 工 作 空 间 的形 成 ， 选 定 了机床 整机 典 型位 置 工况 ， 利 用典 型位 置 工 况下 的整 机 温 度 场分 析 结 果 ， 并 通过 热 结 构耦 合 分 析 方 法对 整机进 行 热 变形 分析 。 引用 国 家机 床 几何 精 度检 验 标 准 中的 线性 偏 差 与 角度 偏 差 评价 机 床 整机热变形规律 ， 结果表 明机床沿 z坐标方向的热变形较大， 故需对该 向零部件 结构或参数 予以着 重 优 化 改 进 。 关键词 机床 ； 接触热阻； 有限单元法 ； 温度场 ； 热变形 中图分 类号 T H 1 6 ； T G 5 0 2 ． 1 5 文献 标识 码 A Re s e a r c h o n The r mal Pr o pe r t y o f t he M ac hi ne To o l Ba s e d o n The r m a l Co nt a c t Re s i s t a n c e MA Ya - l i ，LI S h a o - l o ng，S HEN Hu i - p e n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，D a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，D a l i a n L i a o n i n g 1 1 6 0 2 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T a k i n g t h e r ma l c o n t a c t r e s i s t a n c e o f j o i n t s u r f a c e i n t o c o n s i d e r a t i o n，t h e t h e r ma l p r o p e r t y o f ma c h i n e t o o l wa s s t u d i e d us i n g Fi ni t e El e me n t M e t h o d i n t hi s pa p e r ．The t he r ma l bo u n d a r y c o n d i t i o n s o f a v e r t i c a l ma c h i n i n g c e n t e r we r e e s t a b l i s h e d．Th e n t he t e mp e r a t u r e fie l d d i s t r i bu t i o n o f ma c hi n e t o o l wa s a l s o a n a l y z e d a n d c o mp a r e d wi t h o r wi t h o ut t h e r ma l c o nt a c t r e s i s t a n c e ． Th e r e s ul t s i n d i c a t e t ha t t h e r ma l c o n t a c t r e s i s t a nc e ha s a n i mp o r t a n t i n f l ue n c e o n t h e t e mp e r a t u r e fie l d d i s t r i b u t i o n o f c o mp l e t e ma c h i n e． Th e t y p i c a l c o n d i t i o n p os i t i o ns we r e d e t e r mi n e d ba s e d o n t h e f o r ma t i on o f wo r k i n g s pa c e o f m a c hi ne t o o 1 ．Th e t he r ma l d e f o r ma t i o ns o f ma c h i n e t o o l we r e r e s e a r c h e d a c c o r d i n g t o t he t e mp e r a t u r e fie l d d i s t r i b u t i o n r e s u l t s o f t y p i c a l c o n di t i o n po s i t i o ns b y t he t h e r ma l s t r u c t u r e c o u pl i n g a na l y s i s me t h o d．Li n e a r a n d a ng u l a r d e v i a t i o n s o f Ge o me t r i c Te s t Cod e f o r M a c h i n e To o l s o f Ch i na we r e c i t e d t o a s s e s s t h e t h e r ma l d e f o r ma t i o n l a w o f c o mp l e t e ma c h i n e ． Th e r e s ul t s s h o w t h a t t h e t he r ma l d e f o r ma t i on o f ma c h i n e t o o l o f Z c o o r d i na t e di r e c t i o n wa s l a r g e r t h a n the o t h e r t wo d i r e c t i o ns ． An d t h e s t r u c t u r e o r p a r a me t e r s o f ma c hi n e t o o l e l e me n t s o f t h i s d i r e c t i o n s h o ul d be o p t i mi z e d a nd i mp r o v e d p a r t i c u l a r l y． Ke y wo r d sma c h i n e t o ol ；t h e r ma l c o n t a c t r e s i s t a n c e；fin i t e e l e me n t me t h o d；t e mpe r a t u r e fie l d；t h e r ma l d e f b r ma t i o n 引言 高速 和 高精 机 床 的 迅 猛 发 展 ， 对 机 床 的 静 态 性 能、 动态性能和热特性提 出了更高的要求 ， 特别是机 床 的热特 性 尤 为 突 出。研 究 表 明 ， 机 床 热 变 形 引 起 的制 造误 差 占总 体 制 造 误 差 的 4 0 ％ ～ 7 0 ％ 。 因 此 ， 热 变形 导 致 的机 床加 工 精 度 下 降 问题 日益 突 出 ， 实际 工程 应用 中迫 切需 要解 决 这一 难题 。 机床 热特 性研 究 首先 要 分 析 机 床整 机 温 度 场 分 布 。而机 床整 机 温度 场 分析 要 解 决 的 主要 问题 是 热 边 界 条件 的建 立 、 机 床 结 合 面热 传 导 特 性 以 及 整 机 构成 等 因 素 。为 此 ， 国 内 外 学 者 进 行 了相 关 研 究 。 J e r z y J e d r z e j e w s k i 等 人 使 用 有 限元 法 分 析 了 机 床 温度场 及热 变 形 ， 同时 对 机 床 结 构 及 参 数 进行 了 优 化 ， 减 小 了 由 机 床 热 变 形 引 起 的 加 工 误 差 。S ． C ． V e l d h u i s 等人 通过 神 经 网络 法 对 五 轴 加 工 中心 热 特 性试 验 中 温度 传 感 器 的 布 置 进 行 了优 化 ， 获 得 整 机 温 度 场 分 布 。管 仁 伟 、 章 秋平 采 用 回归 分 析 法 研 究磨 床温 升 、 最高 温 度 及热 平 衡 时 间等 参 数 ， 并 预 收稿 日期 2 0 1 3 0 22 7； 修回 日期 2 0 1 30 31 8 基金项 目 国家科技重大专项 2 0 1 2 Z X 0 4 0 1 0一O 1 1 作者简介 马雅丽 1 9 6 3 一 ， 女 ， 满族 ， 辽宁鞍山人 ， 大连理工大学机械设计及 理论 副教授 ， 硕士生导师 ， 博 士 ， 主要从事机械 系统创新设计理 论及方法研究等 ， Ema i l m y l d l u t ． e d u ． e n 。 2 组合 机床 与 自动化加 工技 术 第 1 O期 测 机床 热 变形 对 加 工试 件 的影 响 。孙 涛 、 江 云 分 析 了所 有 内热 源 作 用 下 的车 床 热 态 特 性 ， 并 对 整 机 结 构 的热特 性 进 行评 价 。王 德 伦 、 吕妍 菲 利 用 有 限元 方法 对 卧式 加 工 中心 进行 了热 特 性分 析及 试 验 研究。上述研究多是对机床工作空间内单一工况的 热特性分析 ， 忽略了机床零部 件不同位置对热量传 递路径的影响 ， 同时整机结合部热传导性能对温度 场 的影响也 是较 少考 虑 的。 因此 ， 在考虑机床整机结合 面热传 导特性 的前 提下 ， 采用 有 限 单 元 法 对 某 型 号 立 式 加 工 中心 整 机 温度场进行分析。同时， 采用接触单元对机床导轨、 滚动轴承 、 滚珠丝杠及螺栓等结合面进行等效处理 ， 从而分析机床整机热变形规律， 为有效 的控制机床 热变形提供了理论依据。 1 机床结构 以某型号立式加工 中心为研究对 象， 分析机床 整机 的温度场 分 布及 热变 形 规 律 。该 机床 主要 由 主 轴箱 、 立柱、 工作台、 十字滑台和床身等支承件构成 ， 利 用 P r o ／ E软 件 建 立 其 三维 模 型 ， 如 图 1所 示 。其 中， 立柱与床身通过螺栓联结 ； 主轴箱与立柱、 工作 台与十 字滑 台 、 十 字 滑 台 与床 身 之 间 均通 过 滑 动 导 轨 联结 ， 并 由伺服 电机 连 接 滚珠 丝 杠 进行 驱 动 ； 床 身 固定 于 地基上 ， 是 机床 的基础 支承 件 。 工作台 X轴 、 十字 滑 台 Y轴 和 主轴 箱 Z 轴 在其坐标行程范围内的移动构成 了机床实际工 作 空 间 ， 三 者 在 X ／ Y ／ Z 三 向 坐 标 行 程 分 别 为 8 5 0 ／ 51 0 ／5 1 0mm 图 1 立 式 加 工 中心 三 维 模 型 2机床热特性分析方法 机床运转过程始终受到内外热源的作用。由于 各零 部 件 的形 状 、 结 构 、 材 料各 异 ， 加 之 机床 结 合 面 热传 导特 性及 机 床 表 面 传 热 状 态 等 因素 影 响 ， 构 成 了机床复杂温度场 。所 以， 机床 的热特性研究要综 合考 虑 上述 诸 多 影 响 因素 ， 分 析 机 床整 机 温 度 场 分 布和热变形规律， 从 而采取相应 的措施控制机床 热 变形 ， 以提高机 床 的工作 性能 。 目前 ， 确定机床温度场的方法主要有数学解 析 法 、 数值解法和热源法三种。数学解 析法要 同时满 足导热微分方程和单值性条件 ， 求解过程较为复杂 ， 在实际工程中应用很少。数值解法是 以离散数学为 基础 ， 借助计算机工具 的求解方法。常用的数值解 法包 括 有 限差 分 法 和有 限单 元 法 。两 者 均是 用 有 限 个离散点的温度值逼近求解 温度场分布 。热源法 以 一 个 点热 源 在 导热 体 中 瞬 时发 热 后 在任 意 时刻 、 任 意地 点 的温度 公 式 为 基 础 ， 再 通 过 积 分 方 法 求 解 其 他状 态热 源 的导热 问 题 。前 两 种方 法 根 据 传热 学 的 导热规律和机床边界条件分析机床 温度场； 第三种 方法 着重 考虑不 同热 源状 态 下 的导 热 。三 种温 度 场 分析方法各有利弊 ， 综合机床整机热边界条件 、 结合 面热传导 特 性 等 机 床 热 特 性 影 响 因 素 ， 采 用 有 限单 元 法对机 床整 机热 特性进 行分 析研究 。 3机床 整机 温度场分析 3 ． 1 机 床整机 热载 荷计算 机 床在 工 作 过 程 中 的 热 载 荷 主 要 包 括 切 削 热 、 电机发 热 和导轨 副 、 轴承 副 、 滚 珠丝 杠 副 等运 动 副 的 摩擦生热， 同时机床与冷却液、 空气间的对流换热等 也是影 响整 机温 度 场分 布 的 因素 。本 文 旨在 分 析 结 合面热传导特性对机床温度场 的影响及相应的整机 热态性能 ， 故选择机床空载运行状态为分析工况 ， 主 要考 虑各运 动 副 间 的摩 擦 生 热 ， 忽 略 切 削 热 及 电机 发热 等 。 1 导轨 副发 热量 导轨 副 的发 热量 主 要 由导 轨 接触 面 之 间 的运 动 摩擦 而产 生 ， 其 发热 量 Q F 式 中 Q 为 发 热 量 ， w ； 为动 摩 擦 系 数 ； 为 滑 动 速 度 ， m ／ s ； F为作 用 于摩擦 面 的载荷 ， N 。 2 滚动轴承副发热量 滚 动轴 承的发 热量 主 要源 于滚 动体 与 轴 承 内外 圈的摩擦效 应， 且与轴承润滑方式有关 。滚动轴 承 摩擦发 热量 为 日，1 ． 0 471 0一 n M M M o 1 2 式 中 n为轴承 转速 ， r ／ m i n ； M 为摩 擦力 矩 ， N m； M。 为轴承 转速 项 ； 。 为轴 承负 荷项 ； M 为附加 项 。 1 的计算 当 n ≥2 0 0 0时 2 ． M0 1 0 7 f o n 丁 d 当 n 2 0 0 0时 Mo1 6 01 0 7 f0 式 中 ．厂 n 为与轴 承类 型和润 滑方 式有 关 的经验 系数 ； 为在 工作温 度下 润滑 剂 的运 动粘 度 ， mm ／ s ； d 为轴 承 中径 ， m m。 2 ． 的计算 。反 应 弹性 滞 后 和局 部 滑 动 的摩 擦 损 耗 ， 可按 下式计算 M l P1 d 式 中 为与 轴承类 型 和所受 载 荷有 关 的 系数 ； P 为 轴 承摩擦 力矩 的计算 负 荷 ， N。 3 M 的计算 ，属 于附加力 矩 ， 短 圆柱 滚 子 轴 承 同时 承 受 轴 2 0 1 3年 1 0月 马雅 丽 ， 等 基 于接 触热 阻的机床 热特 性研 究 3 向与径向载荷时需要计入附加摩擦力矩。 M 2 F d 式 中 ． 为 与 轴承 结构 有 关 的经 验 系数 ； F 为轴 承 所 受轴 向负荷 ， N。 3 滚珠 丝杠 副 发热 量 滚 珠丝 杠 副 的发 热 原 理 和 滚 动 轴 承 基 本 相 同 ， 滚珠 丝 杠 相 当 于 轴 承 内 圈 ， 丝 杠 螺 母 相 当 于 外 圈 。 滚珠丝杠副发热量不仅要计 入摩擦力矩 和 ． ， 还需 计 算 由丝杠 预 紧力 所产 生 的附加 摩擦 力矩 。 Mp 1_叼 式 中 K 为 预 紧力 系 数 ； P为 预 紧 力 ， N； L为 丝 杠 导 程 ， m m； 卵为滚珠 丝 杠机 械效 率 。 综 上所 述 ， 根 据 机 床 空 载 运 行 工 况 ， 计 算 导 轨 副 、 滚 动 轴 承 副 、 滚 珠 丝 杠 副 等 热 源 的发 热 量 ， 建 立 机 床整 机热 特性 有 限元 分析模 型 的热 载荷 边界 。 3 ． 2 接 触热 阻计 算 机 床各 零 部 件 的形 状 、 结 构 、 材 料 等 各 不 相 同 ， 各 自热 特性 亦 不 同 ， 对 整 机 温 度 场 的分 布 均 有 不 同 程度 的影 响 。 同 时 ， 由于 整 机 中 各 零 部 件 之 间 的 相 互装配关系形成 多种不 同的结合 面， 如导轨与滑 块 接触 面等。而机床结合面 的热传导特性亦直接影响 着热源热量传递与温度变化， 因此 ， 这些结合面的热 传 导特 性对 整 机温 度场 的影 响亦 不容 忽视 。 两个 固体 表面 相互 接 触 ， 由于 表 面 凹凸 不平 ， 实 际接触面积是很小 的。接触表面的空隙充满热导率 很小的介质 如空气等 ， 在接触面有热量传递时， 将 产 生一 定 的温 度 差 ， 引起 这 种 温 度 差 的热 阻就 称 为 接触热阻 ， 用 尺 表示 ， 单位为 i n K ／ W。 接 触热 阻 的大 小 与 接 触 部 位 的温 度 、 接 触 面 的 压 力 、 材料 的 硬 度 及 其 周 围介 质 的 性 质 有 关 。 在 实 际工程中， 结合面接触热阻计算是 比较 困难的 ， 文献 [ 1 0 ] 中给 出 了接 触 热阻 的近 似公 式 Rc Rs R／ 一 式 中 R 为固体接触点间的热量传输热阻 ； R ／ 为接触 点 间介 质 的热 量传 输热 阻 。 若 结合 面 的 接 触 有 效 面 积 为 5 ， 被 流体 填 充 的 平 均 表面 积为 S ， ， 则上 式 可导 出如 下形 式 翻1 l 了 ‘ 亏 ，J 式 中 为 空隙 的平 均厚 度 ， m m； A 、 A 分别 为 两物 体 的导 热 系 数 ， W／ IT I K ； A ， 为 介 质 的 导 热 系 数 ， W／ i n K ； S为 名 义接触 总 面积 ， m m 。 利用接 触热 阻考 虑零 部件结 合 面的热 传导 特 性 ， 是 准确 研究 整机 温度 场 分布 的关 键 因素 之一 。 3 ． 3接触 热 阻对温 度场 的影 晌 接 触热 阻 的存 在导 致 零 部 件结 合 面两 边 温 度 分 布 不 连续 。其 中 靠 近 热 源 的一 面 ， 热 阻 的 阻力 导 致 热量无法传递出去造成温度偏高 ； 相反地 ， 另外一面 由于热阻的阻碍 ， 传递 的热量变少 ， 致使温度偏低 。 因此 ， 通 过分 析 对 比考 虑 接 触 热 阻 和 忽 略接 触 热 阻 影 响 的两种 机 床 整 机 温 度 场 变 化 情 况 ， 说 明结 合 面 接 触热 阻特 性对 机床 整 机 温度 场 分 布 的影 响 并 验证 其 重要 性 。 首 先将 机床 三维 实体模 型 导人 至 A N S Y S有 限元 分 析软件 ； 采 用 S o l i d 9 0热 单元 进 行 机 床 热 态 性 能分 析 ； 结合 面采用 接触 分析 方法 ， 选用 接触单 元 T a r ． g e t l 7 0与 C o n t a c t 1 7 4对 机 床 导 轨 副 、 滚 动 轴 承 副 、 滚 珠 丝杠 副及 螺 栓 等 结 合 面进 行 等 效 处 理 ， 同 时 对 螺 栓施加预紧单元 以模拟螺栓预紧力 。整机有限元模 型 如 图 2所 示 。 图 2机 床 整 机 有 限 元 模 型 其次， 施加机床热源发热量等热边界条件 ， 分别 进 行机 床整 机有 接触 热 阻 和无 接 触 热 阻 的温 度 场 分 析 。设 定分 析 条 件 环 境 温 度 为 1 5 ℃ 、 热 分 析 时 间 1 4 4 0 0 s 、 载 荷 步长 l O O s 。机床 整 机 达 到 热平 衡 后 ， 得 到 有接 触 热 阻 与 无 接 触 热 阻 的 整 机 温 度 场 分 析 结 果 ， 如 图 3 、 图 4所示 。 图 3有接触热 阻的机床 图 4 无接 触 热 阻 的 机 床 温 度 场 机 床整 机 温 度 场 分 析 结 果 显 示 ， 有 接 触 热 阻 与 无接 触 热 阻 的 条 件 下 ， 两 者 最 高 温 度 分 别 为 3 6 ． 8 9 8 o C和 4 0 ． 5 4 0 ℃ 。最 高 温 度 差 达 3 ． 6 4 ℃ 。 同 时 ， 提取 主轴 远离 热 源 位 置 的节 点 温度 ， 比较 有 无 接 触 热 阻两种 情况 的节 点温 度变 化 ， 如 图 5所示 。 从 图 5中可 以直 观 地看 出接 触热 阻在 机 床 运行 过 程 中对温 度场 分 布 的影 响 。综 合 上述 分 析 结 果 比 d 组合 机床 与 自动 化加 工技 术 第 1 O期 较 ， 是否施 加 接 触 热 阻对 机 床 整 机 温 度 场 分 布结 果 有很 大影 响 。 因此 ， 为 得 到 较 准 确 的机 床 热 特 性 分 析 结果 ， 必须 充分考 虑接 触热 阻这一 重要 因素 。 娟 ⋯ ⋯⋯一 f 椭 瞻 神 姆 釉 0 e e曲 0 0删 蝴 一 翁接 触 蛰阻∞ 节点 温 度变 侣} 一 ～ 无接触热阻的节点温度变化l } N ,J I“1／ s 图 5两种分析方式主轴 节点温度 3 ． 4 典型位 置 工况下 的机床 温 度场分 析 机床实 际工 作过 程 中 ， 工作 台 轴 、 十 字滑 台 y轴 及 主轴箱 z轴 在 各坐 标 方 向位 置 的 时刻 变 化 ， 直接影响机床热源的热量传递路径 ， 从 而对机床 整机 温度 场 分 布 产 生 影 响。 因此 ， 机 床 整 机 热 特 性 分析 需 考虑 机 床移 动部 件 在不 同工 作 位 置工 况 下 的 温度 场 。 机床加 工过 程 中三个 移 动 部 件 的位 置在 其 工 作 空间 内连 续 变 化 ， 机 床 的位 置 工况 便 有 无 数 组 。但 在温 度场分 析 时 ， 仅 需 提 取 典 型 位 置 工 况 下 的温 度 变化 情况 即可 满 足 要 求 。基 于 此 ， 在 机 床 工 作 空 间 内 ， 以 i个 移 动 部 件 分 别 处 于 各 自行 程 范 围 中 间位 置 时 坐标轴 的轴 线 交 点 为 中 心 ， 分 别 提 取 三 者 在 各 自行程 范 围 内均 匀 分布 的 1 0个 位 置 为典 型位 置 ， 如 图 6所 示 。其 确定 方 法 是 首 先 固定 两 个 移 动 部 件 ， 选 定 另一个 部 件在 其行 程 范 围 内均 布 的 1 0个 位 置 。 如十 字滑 台与 主轴 箱分 别 置于 】 ， 、 z 向坐标行 程 中间 位置 ， 移动_T作 台 ， 从而得到 ， ，⋯ ， ， 。 位 置 。同理 ， 在机 床工作 空 间 内选 定 3 1 个 位 置工况 。 6机 床 分 析 位 置 工 况 将 3 ． 1 节中计算得出的导轨副、 轴承副、 滚珠丝 杠副等热源生热量作为有 限元热载荷分别施加到机 床工 作 空间 内 3 1个 位 置 工 况 的有 限元 模 型 相 应 的 节点 上 。 同时 ， 根 据滑 动 导轨 结 合 面 、 滚 珠 丝 杠 与 丝 杠螺 母结 合 面 、 滚珠 丝 杠 与 轴承 结 合 面 、 主轴 与 轴 承 结合 面 、 螺栓 与零 件结 合 面 等各 接 触 面材 料 的 不 同 ， 利用 3 ． 2节计 算公式分别计算其接触热阻 的数值， 并 在有 限元分 析 中将 接 触 热阻 作为 接 触单 元 的实 常 数形 式施 加 至各结 合面 处 。 至此 ， 利 用 A N S Y S软 件对 施 加热 边 界 条件 的机 床有限元模 型进行分 析， 得到机床工作空间 内多个 位置 工况下 的整 机 温度 场 分 布 。机 床 中心点 位 置 的 稳态温度场分布如图7所示 ， 表 1 给出了机床中心点 位置各零部件的最高温度值。 警嬲 图 7机 床 工 作 空 间 中心 位 置 温 度 场 表 1 机床 中心点位置各零部件最高温度值 位置 温度 ℃ 位置 温度 ℃ 整机 3 6 ． 9 向丝杠螺母 2 1 ． 0 主轴 3 6 ． 8 Y向丝杠螺母 2 8 ． 3 主轴轴承 3 6 ． 8 z向丝杠螺母 2 4 ． 7 向导轨 1 6 ． 3 向丝杠轴承 1 6 ． 8 Y向导轨 1 6 ． 5 Y向丝杠轴承 2 0 ． 3 z向导轨 1 7 ． 8 z向丝杠轴 承 1 9 ． 7 机 床工 作 空 间 内考 虑 结 合 面 接 触 热 阻 的 3 1个 位 置工 况温 度场 分析 为后 续 整 机 热变 形 分 析奠 定 了 基 础 ， 从 而获 得较 准确 的整机 变形 规律 。 4 机床 整机 热变形分析及评价 机 床运行 过 程 中 ， 各零 部 件 均 会受 热膨 胀 变形 ， 导致机 床 产 生 热 变 形 ， 从 而影 响其 工 作 性 能 。在 分 析整机热变形 的基础上 ， 引用国家机床几何精度检 验标准 中 的偏 差 概 念 ， 更 好 地评 价 机 床 整 机 热 变 形 规律 ， 以采取 适 当的方法 控 制机床 热变 形 。 4 ． 1 机 床整 机热 变形分 析 机 床整 机 热 变 形 采 用 有 限 元 热一 结 构 耦 合 分 析 法 ， 将 有结 合 面 接 触 热 阻 的 机 床 温 度 场 作 为 温 度 载 荷加 载 ， 并施 加地 脚螺 栓约 束 ， 借 助 A N S Y S有 限元 软 件进行 机床 3 1 个 典型位 置工 况 的热 变 形分 析 。 图 8 为机 床坐标 中心 位置 热变 形情况 。 图 8机床工作空间中心位置热变形 4 ． 2 机 床整机 热 变形评 价准 则 机床 检验 通 则 第 1部 分 指 出 在 无 负 荷 或精 加 工 条件下 机 床 的 几何 精度 中华 人 民 共 和 国 国 家标 * “ ““ 嚣 _ 舞墨曩蕊一 2 0 1 3年 1 0月 马 雅 丽 ， 等 基于 接触 热 阻的机 床热 特 性研 究 5 准 G B ／ T 1 7 4 2 ． 1 1 9 9 8 中 ， 一 个 运 动 部 件 的 直 线 运 动 总是包 含 着六 个偏 差 因素 1 在 运 动方 向上 的位 置偏 差 ； 2 运 动部 件上 一 点轨迹 的两个 线性 偏差 ； 3 运 动部 件 的三个 角度 偏 差 。 由 向运动 引起 的偏 差 ， 如 图 9所 示 。 ▲Z l E XX 位 置偏 差 ； EY X 线 性偏 差 ； EZX 线 性 偏 差 E A X 俯仰偏差 ； E B X 偏 摆偏 差 ； EC X 倾斜偏差 图 9 X 向运动部件 引起 的偏 差 将 该 标准 提 出的 6种 偏 差 概 念应 用 于机 床 整 机 热变形评价中。结合机床 X ／ Y ／ Z三个 坐标 方 向， 将 6个 偏 差分 为 向位 移 偏 差 、 l ， 向位 移 偏 差 、 Z 向位 移偏 差及 绕 三 坐 标 轴 的 角 度 偏 差 。所 以 ， 分 别 提 取 工作 台与 主轴 相应 位 置 的相 对 热变 形 1 轴 运 动部 件 和 l ， 轴 运 动 部 件 引 起 的位 移 偏差 ， 均提 取 工作 台 中心 1 0 01 0 0 m m 区域 内所有 节 点平 均位 移值 ； 2 z轴运 动部 件 引起 的位 移 偏 差 ， 提取 主轴 端 节点 平均 位移 值 ； 3 轴运 动部 件 和 l ， 轴 运 动部 件 引 起 的 角 度 偏 差 ， 均 以工作 台为 对象 ， 提取 角 度 变 化方 向 的相 应 位移 值 ； 4 Z轴运 动部 件 引起 的角 度 偏差 ， 以主 轴箱 体 为对象， 提取角度变化方向的相应位移值 。 X ／ Y ／ Z 三 向移 动部 件 引起 的位 移 和角 度 偏差 均 以各位置工况 变形结果最大值 为计 量。如 图 1 0所 示 三 向移 动部 件 引起 的角度 偏 差示 意 图 。 Z a 轴偏 差 b 辑I li倔 蓑 c Z 毒 虫 倔箍 图 l 0 向运 动 部 件 引起 的 角 度 偏 差 4 ． 3 机床 整机 热变 形评 价 根 据 机床 整机 热 变形 评 价 准 则衡 量 机 床 整 机 热 变形 ， 提取工作 台与主轴相应位置的相对热变形 ， 得 到机床工作空 间内 3 1个位置工况下 的整机 向位 移 偏差 、 y向位 移 偏 差 、 z 向 位 移 偏 差 及 绕 三 坐 标 轴 的角度偏差 ， 如图 1 1 、 图 1 2 、 图 1 3所示 ， 图中直观地 反映 出机 床 整 机 在 工 作 空 间 内 的 热 变 形 趋 势 。其 中 ， 向移动部件的 X ／ Y ／ Z三向位移偏差及角度偏 差数 据见 表 2 。 表 2 X 坐 标 方 向各 偏 差 数 据 EXx EY x Ez x E Ax EBx ECx X1 6 ． 2 2 0 ．6 4 2 ． 3 1 1 ． 2 7 1 0 4 0 ． 2 6 X2 4 ． 7 2 0 1 4 2 ． 9 7 0 ． 8 3 0 ． 7 4 O ． 1 3 3 ． 4 3 0 ． 1 8 3 2 8 0 ． 6 1 0 ． 40 O ． 3 2 xa 2 ． 2 5 一O ． 4 3 3 9 0 ． 5 4 0 ． O 6 0 ． 2 4 5 1 ． 2 1 0 ． 5 4 3 ． 4 0 0 4 5 O ． 2 3 O ． O 8 D 0 ． 9 9 一O ． 5 8 3 ． 3 9 0 ． 3 4 0 ． 48 O ． 3 7 O ． 7 7 一O ． 5 3 ． 49 O ． 1 6 O ． 69 O ． 7 2 1 ． 8 3 一O ． 3 3 3 ． 6 2 O ． 0 6 O ． 8 9 O ． 3 3 X8 2 ． 9 7 0 ． 1 2 3 ． 6 9 0 ． 3 5 1 ． 1 O O ． 3 1 x 4 ．2 9 0 ． 2 5 3 6 O 0 ． 7 3 1 ． 2 9 0 ． 2 7 l 0 5 ． 7 7 0 ． 7 9 3 ． 4 8 1 2 0 1 ． 4 9 0 ．1 7 注 线性偏差 ， 单位 m； 角度偏差 ， 单位 i圈 因 图 酉 臻 1 4 ，、藿 0 1 0 0 2 o o 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 O 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 0 1 O O 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 机 灿鳓坐标行程 f I n m a 位移偏差 0 I ∞2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 O 1 0 0 2 o o 3 0 0 4 0 O 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 U J O0 2【 Ⅲ30 0 4 0U ，U U 60 0 7 0 0 80 0 90 0 机床礤ll I坐标行程 n a n b 角度偏差 图 l l 向运动部件引起的偏差 从 图 1 1～1 3中可 以看 出 ， 向移 动 部 件 引 起 的 X ／ Y ／ Z向位 移 偏 差 分 别 为 6 ． 2 2 ／ 0 ． 7 9 ／ 3 ． 6 9 m； Y向 移动 部 件 引 起 的 X ／ Y ／ Z 向 位 移 偏 差 分 别 为 0 ． 2 8 ／ 3 ． 1 0 ／ 3 ． 6 2 m； X ／ Y向 运 动 引 起 的 角 度 偏 差 均 小 于 1 ． 5 ， 几乎 没有俯 仰 、 偏 摆 及 倾 斜 变化 。而 z 向移 动 部件 引起 的 X ／ Y ／ Z向位移 偏差 分别 为 2 7 ． 2 5 ／ 3 9 ． 5 6 ／ 6 组合 机床 与 自动化加 工技 术 第 1 O期 2 7 ． 8 0 m， 且其绕 轴角度偏差为 1 2 ． 5 ” ， 即主轴 z 向热变形较大， 且 y向变形及 轴角度偏差导致主 轴 与 Z轴 轴 线 不平 行 ， 这 就 会 影 响 整个 机 床 的加 工 精度。由计算结果可知机床工作过程 中在 z轴方 向 上 产 生的热 变 形 是 很 大 的 ， 需 要 改 变 装 配 工 艺 参 数 或改 进机床 零部 件结 构形式 进行 变形 补偿 。 3 * j 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 04 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 4 莒 3 ． 2 0 。 5 0 0 5 0 1 0 0 l 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 04 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 -5 0 0 5 0 l O 0 l 5 O 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 04 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 机床硝l 坐标行程 m m a 位移偏差 0 ． 8 ．5 0 0 5 0 l 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 o o 3 5 0 4 0 0 4