基于ANSYS的高速精密冲床热-结构耦合分析

张庆锋，高 翔

(1.上海市材料工程学校，上海 200231；2.东华大学机械工程学院，上海 201620)



基于ANSYS的高速精密冲床热-结构耦合分析

张庆锋1，高 翔2

(1.上海市材料工程学校，上海 200231；2.东华大学机械工程学院，上海 201620)

基于高速精密冲床的热态特性，对高速精密冲床进行了热源分析与传热机制分析，计算了冲床的热分析的初始条件及边界条件，利用SolidWorks软件建立冲床整机的有限元模型，运用ANSYS软件对冲床进行热-结构耦合分析，求出该高速冲床处于稳态环境下的整机的温度场和变形场，分析冲床的加工误差。对比红外热像仪测得的实际冲床温度值，验证温度场仿真分析结果的可靠性，为冲床的结构优化设计和热平衡设计提供理论依据。

高速精密冲床；温度场；热分析；热变形；有限元

高速精密冲床工作过程中会产生大量的热量，这些热量通过各种传热方式传递到冲床的各个部位。由于冲床各零部件的结构、形状和材料都不尽一样，热特性自然也不一样，又加上零件表面的传热情况不同以及周围环境温度变化等各种因素，使整个冲床形成了一个复杂的温度场。在这个复杂的温度场作用下，冲床各零部件会产生热应力和热应变，冲床产生的热变形势必影响冲床的性能，使冲床的加工精度降低。大量研究表明，精密机床由热变形引起的制造误差一般占加工总误差的40%～70%[1]，不均匀的热变形还会导致机床的磨损，反过来又制约了冲床的速度和精度的提高。因此，对高速精密冲床的热态特性进行分析和研究，并找到能够改善其热态特性的措施，对冲床加工精度的提高具有极大的现实意义。

1 冲床的热源及传热机制

对冲床的结构进行分析，知道其内部热源主要有电机的功率损耗、轴承的摩擦发热、滑子的摩擦发热以及滑块与导轨之间的摩擦发热4类。轴承摩擦发热是高速冲床的最主要热源，分为滑动轴承和滚动轴承两部分。一般说来，轴承摩擦发热的大小与其型号、安装方式、约束情况及润滑方式等因素有关。滑子进行左右往复摩擦运动也是冲床内部的另一热源，滑子产生的热量一部分也是通过热对流的方式由其上油槽间隙的润滑油吸收，另一部分热传导给了滑子支座，最后一部分则是与周围空气发生了强迫对流。滑子的热源强度与滑子接触面摩擦系数、作用力状况和相对速度等因素相关。导轨的摩擦发热分上导柱和下导柱冲压滑块两部分，由于上导柱是采用铜套进行径向定位，热量的传递方式与滑动轴承相同，一部分被润滑冷却油带走，另一部分传递给了反向平衡块[2-3]。

2 冲床关键部件的发热量及热载荷计算

2.1 关键部件的发热量计算

2.1.1 轴承的发热量计算

深沟球轴承的功率计算忽略掉轴承内部具体部件的功率损失， 把轴承作为一个整体进行研究，其发热量计算公式为

(1)

式中:Nf是轴承发热量；n为轴承转速，即为曲轴转速800 r/min；M1为反映弹性滞后和局部差动滑动的负载项;M2反映润滑剂的流体动力速度项。

滑动轴承的发热也是由摩擦损失的功率转变而来，发热量计算公式为

Nf=fPv

(2)

式中,f为摩擦系数，v为相对运动的圆周速度(m/s)，p为轴承所受载荷[4-5]。

2.1.2 滑子的摩擦热计算

分析知滑子与滑子支撑架作平面往复摩擦运动，发热量计算公式为

Nf=kfFV

(3)

式中:k为修正因子，可取0.3；f为该材料平面摩擦系数，取为0.01；F为该瞬时平面正压力，可通过对滑子进行静力学分析求得。

2.2 关键部件的热载荷计算

轴承的热载荷(又叫生热率)计算公式为

(4)

式中，Nf为轴承热源的发热量,V表示热源的体积。

滑子的热载荷(又叫热流密度)计算公式为

(5)

式中，Nf为滑子热源的发热量；S表示热源的面积。

根据公式(1)—(5)计算冲床关键部位的发热量和热载荷，计算结果见表1[6]。

表1 冲床各摩擦面发热量及生热率

3 冲床的温度场及热变形仿真分析

3.1 几何模型的建立

采用SolidWorks进行冲床整机建模，对建立的冲床模型进行简化：去除冲床上对热分析结果无影响的细微结构，如倒角、圆角、油槽、退刀槽、小圆孔等部位；对滚动轴承结构进行等效简化，使简化后的结构与原结构在发热量上相等。简化后的整机模型如图1所示。

图1 简化冲床整机模型

冲床模型采用SOLID7O实体单元进行网格划分，热接触单元采用热接触单元对TARGE170和CONTA174。冲床整机的网格划分采取自由网格划分、扫掠网格划分及映射网格划分相结合的混合网格划分方法，局部进行细化处理。划分好网格的热源部位网格划分模型见图2，冲床整机有限元网格划分模型见图3。

图2 热源部位网格细分模型

图3 冲床整机网格划分模型

3.2 边界条件

3.2.1 计算得出的各表面的对流换热系数如表2所示。

表2 各表面对流换热系数

3.2.2 冲床零部件材料物性参数如表3所示。

3.3 冲床温度场分析

设置高速冲床工作环境温度为25℃，油冷机出油温度为24.7℃，底座与地面接触，温度设为24℃。所有单位采取国际标准单位制SI。利用ANSYS软

表3 冲床零部件材料物性参数

件将计算出的热载荷、边界条件及初始条件施加在冲床热源系统部位及整机上，图4和图5为冲床整机及热源部位的稳态热分析的温度场分布图。从图中可以看到在冲床温度达到稳定时，最高温度出现在曲轴轴瓦上，为42.978℃，这主要是因为该部位相对封闭，冷却油润滑不流畅，同时该处轴瓦与曲轴发生高速相对运转，因此造成热量集中。最低温度出现在底座部位，由于此处与地面接触，故温度接近地面温度为23.99℃。

图4 冲床整机温度分布云图

图5 冲床热源部位温度分布云图

3.4 冲床热变形分析

根据有限元热-结构耦合分析，利用ANSYS Static Structural可以进行热变形和热应力的计算。在主轴转速为800 r/min时，计算得机床的总位移如图6所示，最大变形量为3.9 μm，机床竖直方向位移如图7所示。在竖直方向上，工作台的位移为0.869 μm，冲压滑块的位移为2.658 μm，两者之间相对位移1.789 μm，这就是因为热变形而产生的竖直方向上的加工误差。

图6 冲床总变形量

图7 冲床竖直方向变形量

4 冲床实际温度测量

研究温度场相关问题最基本最可靠的方法还是实验法(也叫测量法)，因为所有分析结果的评定都须进行实验验证，而那些仿真分析的计算公式又大都是通过前人经验不断积累的成果。因此，本高速冲床温度场的计算结果是否具有可靠性，是否具有一定的参考价值，通过利用红外热像仪进行实测温度来进行对比验证。测量曲轴端盖、冲床连杆、中台身、直线导轨、工作台、滑动轴承以及曲轴上某处的温度值，对比温度场仿真分析结果，制作出温度对比图(图8)。

图8 仿真分析结果与实际测量温度对比

5 结论

(1) 通过图8可以看出仿真分析结果与实际测量温度大致吻合，温度梯度分布情况也基本一致。故该仿真分析结果可靠性高，对今后相关的研究工作具有一定的参考价值。

(2) 热变形而产生的竖直方向上的加工误差值较小，证明该高速冲床经过油冷机的冷却后温度已经降低至十分合理的范围，因而产生的热变形非常小，冲床加工精度高。

[1]张同, 袁方. 机械加工中热变形对工艺的影响及其控制方案的应用 [J]. 科技创新与应用，2013(33): 288.

[2]邓小雷, 傅建中, 贺永,等. 精密数控机床主轴系统多物理场耦合热态特性 [J]. 浙江大学学报(工学版)，2013, 47(10): 1863-1870.

[3]周大帅, 伍良生, 李俊. 机床主轴系统热态及变形特性研究进展 [J]. 机械设计与制造，2009(10): 259-260.

[4]马丙辉, 卢泽生. 基于电主轴的高速轴承及其热分析[J]. 机械设计与制造，2008(11): 1-3.

[5]王延忠, 闫涵, 周元子,等. 龙门加工中心主轴系统热态特性分析[J]. 机床与液压. 2008, 36(5): 16-18.

[6]冯丙波,王栓虎,丁旺. 基于ANSYS的高速冲床曲轴热分析 [J]. 煤矿机械，2010, 31(7): 77-79.

[责任编辑：赵 伟]

Thermal-Structure Coupling Analysis for High-speed Precision Press Based on ANSYS

ZHANG Qingfeng1，GAO Xiang2

(1.Shanghai Material Engineering School, Shanghai200231, China;2.College of Mechanical Engineering,Donghua University,Shanghai 201620,China)

Thermal resource analysis and thermal transfer mechanism analysis of high-speed precision press are carried out in detail basing on thermal properties; completed the computation of initial condition and boundary condition of thermal analysis; modeling for the whole machine finite element model is done in Solidworks; thermal-structure coupling analysis of whole machine is done in ANSYS; then a temperature field and stress field of whole machine in steady state environment are built, processing errors are computed. Finally, compared with actual press temperatures measured by infrared thermal imager, the reliability of temperature field simulation analysis is validated, which provides theoretical basis for the structure design and the thermal balance design of the press.

high-speed precision press;temperature field;thermal analysis, thermal deformation, finite element analysis

2016 - 06 - 20

张庆锋(1983—)，男，上海人，上海市材料工程学校讲师，东华大学工程硕士在读，主要从事机械设计及制造等方面的研究。

TH16

A

1008-6811(2016)03-0015-04