重型加工中心横梁部件的热态特性分析

陈水胜， 罗 攀， 华中平， 戴 晨

(1 湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068； 2 武汉国威重型机械制造有限公司， 湖北 武汉 430223)

在XK2535定梁龙门移动式镗铣床中，横梁是支撑滑枕、主轴箱、镗铣头的关键部件．机床在切削工作时，由于横梁与溜板导轨副的滑动摩擦生热会导致横梁受热产生变形，其热变形直接影响到数控机床的定位精度，是影响加工精度的主要因素之一．研究表明，在精密加工过程中，数控机床因热变形导致的加工误差可能占到总误差的40%～70%[1]．因此，横梁的热特性分析对机床精度稳定性和运行可靠性的提高非常重要．本文以XK2535镗铣床加工中心的横梁为研究对象，通过SolidWorks软件建立实体模型，用ABAQUS对其进行热特性分析，利用传热学经典理论对结果进行分析[2]，为进一步提高机床精度提供参考．

1 横梁部件的有限元建模

利用Solid works软件建立横梁部件的实体模型如图1所示，再导入ABAQUS进行计算分析．导入前需要进行模型的相应简化处理，忽略模型中的小特征．

图 1 横梁部件实体模型

由于镗铣头比较复杂，故不对其建模．建模完成后在ABAQUS中将实体模型导入，然后进行网格划分，选定单元C3D10MT(10-node modi fied displacement and temperature tetrahedron with hourglass control)，得到有限元模型(图2)．

图 2 横梁有限元模型

2 热源及各参数的确定

本文主要研究的是滑枕镗铣头以10 m/min高速进给的情况下(溜板沿Y方向运动时)，横梁与溜板之间上下导轨处的摩擦生热．

热传递的方式主要有热传导、对流和辐射等三种．其中电磁辐射可不予考虑[2]，主要考虑前二种热传递方式．在分析横梁的温度场时，设定电机和切削产生的热量所带来的影响忽略不计，横梁的散风方式为自然对流，其换热系数设定h为恒定值,7.25 W/(m2k)．

摩擦生热的计算采用如下公式[3]：

Q=μ·F·ν.

式中：μ为滑动摩擦系数，取0.08；F为摩擦面接触正压力，其与溜板等部件质量有关，其中滑枕部件5 050 kg，溜板4 712 kg，镗铣头6 000 kg．ν为镗铣头移动速度，取10 m/min．生热速率[4]

式中A为接触面积．

横梁的主要参数为：密度ρ，7 200 kg/m3；比热C，510 m2/(s2·k)；弹性模量E，6.6×1010Pa；导热系数λ，45 w/(m·k)；泊松比σ，0.3；热膨胀系数α，1.2×10-5．

3 横梁的热特性分析

3.1 稳态温度场

稳态温度场，即各发热元件和传导元件的温度不再随运行时间的变化而变化，处于一种理想的热平衡状态[5]．

ABAQUS具有强大的热固耦合分析功能，包括：稳态热传导和瞬态热传导分析等,顺序耦合热固分析、摩擦生热等．

应用ABAQUS对横梁有限元模型分析结果如图3所示．

图 3 横梁稳态温度云图

由图可见，横梁上不靠近导轨接触处的大部分温度较低，接近环境温度(即20℃)，表明热对流系数较大，散热性良好．而在滑动导轨副周围的温度较高，最大为50.8℃，最大温差达30.8℃．

建立横梁导轨上部纵向及横梁中部横向两条路径，获取节点位置及温度，得到图4及图5的温度分布图．

图 4 横梁上部导轨位置-温度关系图

由图4可以看出，横梁两侧的温度较低，接近环境温度，在较长的距离内温度几乎不变，在靠近中部时温度逐渐上升，在中部温度最高达到50.8°C；图5的折线不规律，除与参考点选取过少有关外，还与热源分布有关，在靠近热源处温度较高．

图 5 横梁中部横向位置-温度关系图

3.2 横梁的热变形分析

横梁两侧的底部与立柱固定相连接，分析时在底座接触区，施加位移约束ENCASTRE(Ux=Uy=Uz=UR1=UR2=UR3=0)，横梁的热变形场如图6所示.

图 6 横梁热变形云图

由图6可知，横梁热变形量最大达到205 μm，位于横梁导轨副的中部最上端，机床整体的热变形集中在中部，横梁两侧相对较小．在横梁上导轨处建立一条纵向路径，提取节点位置及位移量，得到图7所示的横梁纵向位移分布图，可见，靠近底座接触区，由于施加了位移约束，变形量逐渐最小．

图 7 横梁纵向位置-位移分布图

4 结束语

本文针对XK2535定梁龙门移动式镗铣床的横梁进行热特性分析，在镗铣头以10 m/min运动时，横梁的最高温度为50.8°C，最大热变形为205 μm，这必然使刀具与加工部件之间的相对位置发生变化，影响加工精度，产生误差．

[参考文献]

[1] 张变霞． 数控机床精度及误差补偿技术[D]． 太原: 中北大学图书馆，2008．

[2] 李维特, 黄保海, 毕仲波. 热应力理论分析及应用[M ] . 北京:中国电力出版社, 2004.

[3] 梁允奇. 机械制造中的传热与热变形基础[M ]. 北京: 机械工业出版社, 1982.

[4] 尹 红.基于FEA 的高速龙门加工中心横梁部件的热态特性分析与优化[M].制造技术与机床，2011.

[5] 陈兆年． 机床热态特性学基础[M]． 北京: 机械工业出版社，1989．