基于ANSYS顺序耦合法对导轨热特性模拟仿真研究

李志伟

摘  要：为了准确揭示导轨在工作时，环境溫度对其热变形的影响，有必要建立导轨在工作状态的热结构仿真模型，并通过顺序耦合法分析其热变形状态。模拟仿真结果显示：当导轨工作环境温度从20℃上升至36℃时，导轨的热变形量呈左右对称分布，两端的最大热变形量为0.38mm，最小热变形量为0.35mm，同时随着温度升高变形量继续增加，从而降低机床加工时的整体稳定性。

关键词：顺序耦合法;导轨;环境温度;热特性研究

Abstract： In order to accurately reveal the influence of environmental temperature on the thermal deformation of guide rail， it is necessary to establish a thermal structure simulation model of guide rail in working state， and analyze its thermal deformation state by sequence coupling method. The simulation results show that when the working environment temperature of the guideway rises from 20℃ to 36℃， the thermal deformation of the guideway is symmetrically distributed left and right， the maximum thermal deformation of the two ends is 0.38mm， the minimum thermal deformation is 0.35mm， and the deformation continues to increase with the increase of temperature， so as to reduce the overall stability of the machine tool during processing.

引言

采用顺序耦合法针对实际情况分析，若对机床整体模型进行热结构耦合分析，将耗时耗力，同时在分析过程中各系统易产生相关干涉现象，造成热特性瞬态分析产生误差。由于导轨决定着主轴箱X向的运动，其在工作时易受环境温度的影响，导致精度的降低，因此有必要利用热结构顺序耦合法对机床导轨进行热特性研究。

1 ANSYS实体模型

为真实揭示导轨工况状态下因热量发生变形状况，有必要根据ANSYS热结构耦合模块对导轨进行工作环境下的热误差研究。由于导轨组成复杂、体积大，若按照常规正常分析，利用规则形体进行网格划分，会在分析中产生偏差，导致分析失效。为保证准确使用ANSYS模块中的70号单元形体，根据经验对特殊形状、且体积大的部件使用70号单元形体，在网格划分时效果较好，因此导轨采用上述单元进行网格划分。而且为保证整体质量，需对导轨局部进行调整，以便获得较好的实体模型，便于后续加载分析。

2 导轨工作环境的热-结构顺序耦合研究

设备工作时，导轨的工作温度一般处于室温状态下，且冷却条件不理想，为保证分析的准确性暂不考虑热辐射影响。导轨的热传播形式有两种热传导及热对流，所以应以导轨的热源和对流系数为研究重点，通过分析得到导轨在该条件下的热特性。

2.1 导轨热载荷研究

设备在加工过程中，由于机械运动及润滑条件恶劣，导轨磨损严重，所以功率存在消耗，只有部分功率能转化成驱使主轴X方向移动的有用功率，同时一部分损失的功率以热传导的状态传递给设备其他零件。若假设导轨消耗的功率都能转变为热量，则理论上热量的生成率为：

其中，Vm为导轨相应的计算体积，单位：m3 设机床导轨工作电机的总功率为42kW，有效效率为0.86，通过公式计算得出导轨工作电机的总生成热量为33125w/m3。

2.2 对应导轨温度环境加载计算

（1）导轨工作平面对流换热有效性分析

在工作状态中导轨的表面和空气时刻都进行着热交换，这种方式对导轨的降温效果不明显。因此在实际中为提高效率，普遍会使用强制冷却对导轨进行降温处理，以消除发热产生的热变形。由于导轨表面与空气的对流状态具有多重性，即有对流散热，同时也有热辐射与热传递，针对这种复杂情况，为了保证分析的准确性，需采用理论经验分析公式，计算导轨的热对流交换系数。具体公式为：

（2）对流换热有效性计算

当导轨处于移动时，导轨表面相对于机床的对流换热方式有很大的差异，机床表面的对流换热为自然对流散热，而导轨表面属于强迫式对流散热，基于两种散热方式的本质区别，且导轨在工况时移动相对缓慢，因此根据热传导学原理，对导轨的对流换热计算，通常利用空气纵掠平板的特殊方式进行针对性分析。

层流临界状态换热计算：

3 导轨的热特性模拟仿真分析

将上述分析得到的导轨临界状态条件施加至对应的ANSYS模型，在工况下不考虑机床整体的散热性能对导轨热特性的影响，将环境温度由20℃升高到36℃，研究该温度条件下，导轨的热特性变化，同时得到相应的模拟分析温度场云图。

由研究能够得出，当环境温度增加，导轨整体的温度场也随之产生相应的细微变化，但变化效果并不显著，只有个别部位温度场有明显改变，如导轨与设备连接处，出现这种状况主要是由于导轨移动影响着主轴X向运动与工件表面的相对位置，因为移动频率的增加，产生的热量随之升高。为了能够准确分析导轨的热特性状态，在分析模型内模拟导轨在不同温度时的热变形状态。

分析得出，导轨上端的热变形偏大，底部热变形相对稳定，热变形量呈上大下小的趋势。由于导轨的最大变形发生在上部，发生这种情况的原因，可能是由于主轴箱工作部位一般处于导轨上部较多，导致工作时产生的热量传递至主轴箱上半部分，而导轨下部与十字滑块连接，热量传递较慢，所以引起的热变形较小。通过导轨热变形仿真分析还能够得出，导轨的热变形量随环境温度增加及工作状态持续，热变形将逐渐增大，同时要考虑导轨的散热问题。由于导轨直线度误差是分析机床的可靠性的关键指标，若导轨直线度降低会影响机床工作时的定位准确度。

4 结论

当环境温度从20℃变化到36℃，通过位移云图的颜色可以看出，十字滑块最大的热变形出现在四个边角，热变形最小的部位也是出现在十字滑块底部靠近导轨的部位。从整个热变形图可以得知，十字滑块外圈的热变形量大，越往中心热变形量越小;顶部热变形量大，靠近底部热变形量小。同时，根据分析结果可以得出，导轨的热变形量呈左右对称分布，两端的最大热变形量为0.38mm，最小热变形量为0.35mm，并随着温度升高变形量继续增加，在整个导轨中，有的地方热变形量大，有的热变形量小点，但从整个导轨热变形量看，它们之间的热变形量浮动都相对较小，最大与最小热变形之间相差0.03mm。

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