基于热特性的大型数控龙门铣床的滑枕结构改进设计*

胡汝凯 ,黄美发,张奎奎,杨武军

(1.桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004；2.桂林机床股份有限公司，广西 桂林 541004)

基于热特性的大型数控龙门铣床的滑枕结构改进设计*

胡汝凯1,黄美发1,张奎奎1,杨武军2

(1.桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004；2.桂林机床股份有限公司，广西 桂林 541004)

滑枕是数控龙门铣床的关键功能零部件，现有滑枕部件主要存在以下缺陷：结构上都是方滑枕，这种结构从热变形的角度上讲不是热对称结构；由于滑枕外部装有电机和减速箱，这使得滑枕部件的重心偏离了滑枕的几何中心。这些缺陷都会增大滑枕的热力耦合变形，进而影响了机床的加工精度。采用热弹性力学理论和有限元方法，建立滑枕部件的热力耦合变形的有限元方程。利用ANSYSworkbench软件对现有的滑枕部件进行热特性分析，根据分析的结果，提出了两种结构改进设计方案。对改进设计后的模型再进行分析，结果表明改进设计后的滑枕热力偶合变形明显减小，为数控龙门铣床的滑枕改进设计提供依据。

大型数控龙门铣床;滑枕;温度场;热力耦合;热变形

0 引言

随着机械加工行业的飞速发展，大型数控龙门铣床的运用范围越来越广泛，同时也对机床的精度提出了更高更严格的要求。滑枕是大型数控龙门铣床的关键功能部件。数控机床工作过程中，在内外热源的共同作用下，形成不均匀的温度场，使数控机床的各零部件产生不同程度的热变形，从而影响数控机床的加工精度。现有研究表明，精密加工中热变形误差占总误差的40%～70%[1]。因而，减小机床热变形对提高机床的加工精度至关紧要。在大型数控龙门铣床中，影响机床热变形的主要因素有滑枕的热变形、刀具的热变形、进给系统的热变形和床身的热变形等。滑枕作为大型数控龙门铣床最重要的零部件之一，其热变形的大小直接决定整机的加工精度[2]。滑枕的热变形主要是由滑枕结构不是热对称结构、滑枕重心偏离其几何中心等结构上的缺陷所引起的。因此，以提高其热特性为目标对滑枕的结构进行改进设计是至关重要。

对国内某机床厂的调研发现，该公司生产的龙门数控钻铣床的热变形对加工精度影响比较大。而且这些影响主要来自于滑枕部件的热变形。经过实验测量，得知滑枕在切削工作时，发生的向后弯曲最大变形值为0.2mm。为了减小滑枕的热变形，用有限元方法对滑枕的温度场和热变形进行分析计算，根据分析结果对滑枕的结构提出两种改进设计方案，分别对改进后的两种结构进行分析计算，发现滑枕的热变形值均有所降低。

1 热力耦合变形的有限元方程

传热问题所遵循的基本方程有两个：第一个是描述特定传热问题的传热方程；第二个就是能量平衡方程。

图1 导热微元体模型

如图1所示，在导热体(滑枕部件)中取一微元体，根据能量守恒定律有[3]：

ΔQd+ΔQv=ΔU

(1)

式中，ΔQd—净热流量

ΔQv—热源产热量

ΔU—内能增量

根据导热傅里叶定律有[4-5]:

(2)

式中，λ—材料导热系数

T—物体的温度函数

x,y,z—笛卡尔坐标的三个方向轴

ΔQv=ρqdxdydz

(3)

式中，ρ—材料密度

q—物体内部体热源强度

(4)

式中，c—材料比热

t—时间

把公式(2)(3)(4)带入到公式(1)中可得到：

(5)

公式(5)便是我们根据能量守恒定律和傅里叶导热定律得到的机械零部件的三维导热微分方程。

通过定义边界条件和初始条件我们可以得到热平衡方程的解。通过热平衡方程[5]推导出热问题的基本有限元方程：

(6)

热力耦合变形的有限元方程为[7]:

(7)

2 边界条件和热源分析计算

2.1 滑枕部件的边界条件

运用有限元方法对数控机床进行热特性分析最重要的就是边界条件的处理。而在本文的研究过程中最主要的就是表面换热即对流。

机床外表面与流体接触,就要发生热交换,这是机床的主要放热形式。根据努谢尔特准则,换热系数α的计算公式为[7]：

α=Nu·λ/L

(8)

式中：Nu为努谢尔特数，λ为流体热传导系数，L为特征尺寸。所以，只需要知道Nu便可以计算出换热系数，而对应于自然对流、强迫对流，努谢尔特数有着相应的计算公式。

2.2 热源分析及计算

(1)滚动轴承摩擦生热

数控龙门铣床在工作时，滚动轴承的摩擦生热是主要热源，从理论上分析，滚动轴承的摩擦热是由滚动体与套圈之间的摩擦力及润滑剂引起的摩擦力产生的，其计算公式为[8]：

Qb=1.047×10-4nM

(9)

式中，n为轴承转速；M为轴承摩擦力矩。

对于本文中的计算，可采用摩擦力矩计算公式：

(10)

式中，μ为摩擦系数；d为轴承内圈直径；F为轴承所受载荷。

在本研究过程中轴承的摩擦发热是以生热率的形式添加的，生热率的计算公式为：

qb=Qb/Vb

(11)

式中，Vb为轴承体积。

经计算得出圆锥滚子轴承和深沟球轴承的发热量和生热率如表1。

表1 轴承的发热量和生热率

(2)电机发热量的计算

电机发热也是数控龙门铣床的热源之一，其计算公式为：

Qm=(1-η)P

(12)

式中，η为电机效率；P为电机输入功率。

电机生热率计算公式为：

qm=Qm/Vm

(13)

式中，Vm为轴承体积。

经计算得出主电机和液压电机的发热量和生热率如表2。

表2 电机的发热量和生热率

3 现有方滑枕模型简化及热力偶和分析

在有限元分析中最理想的模型就是实体模型，所以要尽量提高所建模型的准确性。为此，运用Solidworks对滑枕部件进行详细的实体建模。由于有些结构对结构的热特性分析结果影响很小，因此需要对模型做合理的简化：用相应的约束来代替小的螺钉以及螺纹孔；去掉零部件内部的润滑油管；去掉倒角和小型沟槽。将简化后的模型导入到有限元分析软件ANSYSworkbench中，采用自由网格划分和人工网格划分相结合的方法进行实体模型的网格划分，生成的有限元模型如图2所示。

图2 滑枕部件的有限元模型

将上述表1、表2计算结果施加到滑枕部件的有限元模型中，对流换热系数设定为15(W/m2·℃)，由于辐射对本研究的影响很小，所以在本文中忽略辐射的影响。由于滑枕部件的热变形主要是集中于滑枕上，为了更好地查看分析结果，分析完后将电机、减速箱和液压泵等隐藏，得到的温度场云图如图3所示。从图中可以看出最大温度是83.3℃，发生于主轴前轴承处。最高温升为57.2℃。

图3 滑枕部件的温度场云图

将滑枕部件的温度场分布作为载荷，再加上力载荷和位移约束，进行热力耦合变形分析。为了清晰显示热变形情况，在结果中隐藏其他零件，只显示滑座和滑枕，得到简化模型的变形，如图4所示。从图中可以看出该方滑枕工作时在热力耦合变形的作用下发生向后的弯曲，变形值为0.16mm，分析结果与工厂的实验测量结果吻合。

图4 滑枕的Y向热变形

4 滑枕结构的改进设计

4.1 方案一

4.1.1 方滑枕的结构改进设计

由于现有的方滑枕的上视图如图5所示，从图中可以看出其重心坐标为(0，0)，几何中心坐标为(0，-15)。重心偏离了滑枕的几何中心15mm。

图5 现有方滑枕的上视图

方案一是在不改变方滑枕外部结构的前提下，让滑枕的几何中心和重心重合，改进后的滑枕的上视图如图6所示。从图中可看出重心和几何中心坐标都是(0，-15)。

图6 改进后方滑枕的上视图

4.1.2 方滑枕结构改进后的热特性分析

按照方案一改进设计后滑枕部件内部所用的轴承和电机的型号都无需变换，所以分析时的热源与边界条件都和之前的一样。分析结果如图7、图8所示。

图7 改进后方滑枕部件的温度场云图

图8 改进后方滑枕滑枕的Y向热变形

根据分析结果可得出：①最大温度是81.3℃，最高温升为56℃，发生于主轴前轴承处。这与改进设计前基本相同，主要是因为虽然滑枕的重心位置发生了改变，但是方滑枕的热源和边界条件都没有变化；②方滑枕工作时在热力耦合变形的作用下发生向后的弯曲，变形值为0.127mm。相比于改进前的结构其变形值减小了0.023mm。

4.2 方案二

4.2.1 圆滑枕的结构改进设计

针对现有方滑枕从热变形的角度上讲不是热对称结构；滑枕外部装有电机和减速箱，这使得滑枕部件的重心偏离了滑枕的几何中心。针对此缺陷设计了一种圆滑枕，其优点有：该圆滑枕除去一些小的工艺特征外，在结构上实现了完全的热对称结构；该圆滑枕的内部主轴直接由力矩电机驱动，避免了在滑枕的外部安装电机和减速箱，这将大大减小滑枕部件的总质量，有利于减小滑枕部件工作时的热力偶合变形，提高整机的加工精度。其结构如图9所示。

1.滑枕基体 2.刀具夹套 3.联轴器 4.主轴 5.力矩电机水套 6.力矩电机定子 7.力矩电机转子 8.转子内套 9.液压系统 10.滑枕滑座 11.深沟球轴承 12.角接触球轴承 13.顶杆 14.滑枕盖

图9 圆滑枕的结构示意图

4.2.2 圆滑枕结构的热特性分析

圆滑枕工作时的热源主要由轴承生热和力矩电机生热两部分组成。圆滑枕内部所用的轴承和方滑枕结构所用的轴承型号是相同的，所以轴承的生热率和相应的边界条件与方滑枕相同；圆滑枕采用内置式力矩电机。电动机在实现能量转换过程中,电动机内部产生功率损耗而使电动机定、转子发热.电机的损耗一般分为4类:机械损耗、电损耗、磁损耗和附加损耗,前3类损耗为主要损耗,附加损耗在总的损耗中所占的比例很小,约为额定功率的1%～5%研究发现,在电动机高速运转条件下,有近1/3的电动机发热量是由转子产生的,其余2/3的热量是由定子产生[9-10]。力矩电机的边界条件参数根据相应的计算公式计算结果如表3所示，热特性分析结果如图10、图11所示。

表3 力矩电机边界条件参数

图10 圆滑枕的温度场云图

图11 圆滑枕向后弯曲热变形

根据分析结果可知：圆滑枕的最大温度是42.1℃，最高温升为15℃，发生于主轴前轴承处。圆滑枕工作时在热力耦合变形的作用下发生向后的弯曲，变形值为0.086mm。最高温度、最大温升和向后弯曲的热变形都大幅降低。

5 结论

本文在采用热弹性力学理论和有限元方法，建立滑枕部件的热力耦合变形的有限元方程的基础上，利用ANSYSworkbench软件对现有的滑枕部件进行热特性分析，根据分析结果提出了两种滑枕的结构改进设计方案。三种滑枕结构的热特性分析对比结果如表4所示。

表4 三种滑枕结构的热特性分析结果

从表4中可以看出：对滑枕进行结构改进设计后，圆滑枕的热特性相对于现有方滑枕和按方案一改进设计的方滑枕的热特性提高。

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(编辑 李秀敏)

The Structure Improvement Design of the Ram for Large-Scale Milling Planer Based on the Thermal Characteristics

HU Ru-kai1, HUANG Mei-fa1, ZHANG Kui-kui1, YANG Wu-jun2

(1.School of Mechanical & Electrical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin Guangxi 541004, China；2.Guilin Machine Tool Co.,LTD,Guilin Guangxi 541004,China)

Ram is of great importance to a CNC planer type milling machine. There are two weakpoints to the existing ram. For one thing, all of the ram is squre ram, and it is not a heat symmertrical structure. For another thing, it is equipped with motor and reducer, which makes the center of gravity of the ram parts deviation from the geometric center of the ram. All of these weakpoints will increase the thermal-mechanical coupled deformation of the ram.Then reduce the working accuracy of the machine directly. Establish the finite element equation of deformation caused by thermal-mechanical coupled. Apply theory of thermo elasticity and finite element method to complete the thermal characteristics analysis of the ram. According to the analysis result, put forward two improvement design methods. Analyze the thermal characteristics of the redesigned model. The result shows the thermal-mechanical coupled deformation decrease obviously. Provide theoretical support for the company during the designing of the ram.

large-scale milling planer; ram;temperature field; thermal-mechanical coupled;heat deformation

1001-2265(2014)07-0120-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.035

2013-10-22

2011广西制造系统与先进制造技术重点实验室主任课题：动梁动柱八轴五联动龙门铣床研发关键技术研究(桂科能11-031-12-002)；铣车复合中心(桂科攻1107002-27)

胡汝凯(1986—)男，江西高安人，桂林电子科技大学硕士研究生，研究方向为数控机床热变形机理研究，(E-mail)hrk1128@163.com；黄美发(1962—)男，广西蒙山人，桂林电子科技大学博士生导师，博士，研究方向为数控机床开发及机床精度、新一代GPS理论。

TH132;TG502.3

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