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高速高精度機(jī)床熱分析與熱設(shè)計(jì)技術(shù)

來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)   作者:機(jī)床世界    發(fā)表時(shí)間:2019-03-27    瀏覽量:10233




1 前言

隨著數(shù)控機(jī)床整機(jī)及零部件設(shè)計(jì)、制造、裝配和材料等相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步,幾何誤差、刀具磨損、伺服等誤差在數(shù)控機(jī)床整體誤差中所占的比例逐漸減小。在高速高精度極端加工條件下,熱變形日益成為影響機(jī)床加工精度的重要因素。大量研究與加工實(shí)踐表明,對(duì)于高速高精度機(jī)床,由熱變形引起的加工制造誤差所占的比例為40%~70%,熱問(wèn)題已成為影響機(jī)床精度的關(guān)鍵因素。為了減小機(jī)床熱變形對(duì)加工精度和精度穩(wěn)定性的影響,需要從設(shè)計(jì)、制造和使用等方面進(jìn)行綜合分析與優(yōu)化。減少機(jī)床熱誤差的主要方法有兩種:一是在設(shè)計(jì)階段提高機(jī)床的熱特性;二是在運(yùn)行階段對(duì)機(jī)床進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償。目前最常用的是在數(shù)控系統(tǒng)中根據(jù)熱變形進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償。熱誤差補(bǔ)償法在一定范圍內(nèi)可提高加工精度,有助于降低設(shè)計(jì)制造成本。但是,它是一種被動(dòng)的和事后補(bǔ)償?shù)姆椒?,其補(bǔ)償范圍和有效性具有一定的限制。當(dāng)一個(gè)機(jī)床的熱特性比較差的時(shí)候,僅靠事后的熱補(bǔ)償是無(wú)法滿足加工精度要求的。要提高機(jī)床的精度和熱性能,必須在設(shè)計(jì)階段,從提高機(jī)床的熱特性、熱剛度入手,實(shí)現(xiàn)機(jī)床的主動(dòng)熱控,從根本上提高機(jī)床的熱性能。雖然人們自20世紀(jì)40年代就已開(kāi)始對(duì)機(jī)床熱特性進(jìn)行研究,但是由于傳統(tǒng)機(jī)床在精度和速度上沒(méi)有現(xiàn)代制造要求的這么高,熱問(wèn)題不嚴(yán)重,且由于機(jī)床及其部件類(lèi)型和負(fù)載的多樣性、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及機(jī)床溫度場(chǎng)和熱變形受多種因素的影響,故其研究一般都是針對(duì)具體機(jī)床,采用實(shí)驗(yàn)研究法或數(shù)值模擬法,分析機(jī)床的各種熱源及其對(duì)機(jī)床溫度場(chǎng)的影響,在機(jī)床熱設(shè)計(jì)方面就形成了“頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”的現(xiàn)象,沒(méi)有形成系統(tǒng)的理論、方法和分析工具,這顯然與當(dāng)前機(jī)床高速高精度發(fā)展的要求不相適應(yīng)。


機(jī)床熱設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)是最大限度地控制溫升,減小熱變形,為部件級(jí)、組件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)提供良好的熱環(huán)境,保證它們?cè)谝欢ǖ臒岘h(huán)境下,按預(yù)定的要求可靠地工作。機(jī)床熱設(shè)計(jì)一般分為兩大類(lèi),一類(lèi)是機(jī)床結(jié)構(gòu)的熱平衡與優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù),另一類(lèi)是機(jī)床高效冷卻技術(shù)。

2 機(jī)床結(jié)構(gòu)的熱平衡與優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

日本東京大學(xué)的佐田登志夫等把機(jī)床熱變形看作是由于溫度變化而引起的機(jī)床結(jié)構(gòu)剛度不足,提出了“熱剛度”的概念,并將機(jī)床的靜剛度、動(dòng)剛度和熱剛度這3個(gè)方面的問(wèn)題統(tǒng)一起來(lái)研究。機(jī)床的熱剛度是機(jī)床達(dá)到熱平衡時(shí)的溫升與熱變形值之比,表示機(jī)床抵抗熱變形的能力,是表征機(jī)床熱特性的特征量。由于不同零件的熱剛度對(duì)整機(jī)熱剛度的影響不同,四川大學(xué)的陽(yáng)紅等在此基礎(chǔ)上提出了機(jī)床重點(diǎn)熱剛度的概念,并提出了一種基于熱誤差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的機(jī)床重點(diǎn)熱剛度辨識(shí)方法,為合理分配機(jī)床熱剛度并為機(jī)床零部件的熱剛度優(yōu)化提供了依據(jù)。機(jī)床所有零部件的熱剛度組成整機(jī)的熱剛度。熱剛度概念的提出統(tǒng)一了傳統(tǒng)力學(xué)的剛度概念,對(duì)于形成統(tǒng)一設(shè)計(jì)理念與方法具有重要的指導(dǎo)意義。依據(jù)熱剛度理念,機(jī)床結(jié)構(gòu)熱平衡設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是以結(jié)構(gòu)尺寸為設(shè)計(jì)變量,以彎曲、扭轉(zhuǎn)等熱變形的位移量為目標(biāo)函數(shù),以提高部件和機(jī)床整體的熱剛度為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。機(jī)床在熱設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)機(jī)床的熱特性從機(jī)床的主要熱變形部分入手,即注重關(guān)鍵發(fā)熱區(qū)域和熱敏感部位,常見(jiàn)的如主軸的熱膨脹、主軸箱的熱變形、滾珠絲杠的熱伸長(zhǎng)以及立柱的熱傾斜等,通過(guò)對(duì)這些關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱平衡設(shè)計(jì),進(jìn)而把握機(jī)床整體的熱變形,再進(jìn)行整體優(yōu)化、均衡結(jié)構(gòu)和對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。日本大隈(OKUMA)公司基于其20年來(lái)對(duì)熱變形處理的研發(fā)經(jīng)驗(yàn),提出了“熱親和”的概念?!盁嵊H和”是指與熱友好共處的構(gòu)思。此前的機(jī)床采取的措施主要針對(duì)如何減少熱的產(chǎn)生量或如何冷卻。“熱親和”的構(gòu)思是在盡量減少熱量產(chǎn)生的同時(shí)接受熱,合理利用熱。雖然預(yù)測(cè)復(fù)雜的熱變形很困難,但是通過(guò)“熱變形單純化”與“溫度分布均勻化”的機(jī)床構(gòu)造,進(jìn)行可預(yù)測(cè)的規(guī)則熱位移,并正確地進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)平衡補(bǔ)償控制,即使沒(méi)有恒溫室等大型的設(shè)備,也可以形成穩(wěn)定的熱結(jié)構(gòu),并維持高精度。“熱親和”思想是合理利用熱,實(shí)現(xiàn)規(guī)則的可控?zé)嶙冃?,它可以使機(jī)床在溫度變化時(shí)保持相同的熱平衡結(jié)構(gòu),將熱變形抑制在最小程度。一般常用的結(jié)構(gòu)是以加工點(diǎn)為中心的“熱對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)”,使構(gòu)成要素形狀簡(jiǎn)化的“箱式組合結(jié)構(gòu)”,以及通過(guò)護(hù)蓋與附屬單元合理布局使溫度分布均勻化的“熱均衡結(jié)構(gòu)”。如主軸采用簡(jiǎn)單熱變形結(jié)構(gòu),應(yīng)用正確的熱位移補(bǔ)償方式,使主軸能在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)中保持熱變形在4μm以內(nèi)。采用合理的熱力學(xué)結(jié)構(gòu),無(wú)論是切削加工、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及構(gòu)件運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的機(jī)床溫度變化,還是切削液、車(chē)間環(huán)境等引起的溫度變化,機(jī)床都會(huì)規(guī)則地按照預(yù)測(cè)的方向與位移量進(jìn)行伸縮,這樣就為合理的熱控奠定了基礎(chǔ)。

吉田嘉太郎在1973年提出了“熱中性軸”的概念,他認(rèn)為主軸熱位移會(huì)因主軸箱內(nèi)熱源和支撐方式的改變而不同,因此應(yīng)該設(shè)法尋求在機(jī)床熱變形狀態(tài)下,保持主軸位置不變,從而提高機(jī)床的熱精度。后來(lái)他將這一概念進(jìn)一步發(fā)展為“熱對(duì)稱(chēng)面”的概念,把最影響加工精度的零件配置在熱對(duì)稱(chēng)面上,大大改善熱變形所引起的加工精度不良的狀況,利用該理論設(shè)計(jì)的雙立柱夾箱式結(jié)構(gòu)就是一個(gè)典型的熱對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),可避免一般單立柱機(jī)床經(jīng)常出現(xiàn)的主軸熱傾斜現(xiàn)象。瑞士在機(jī)床設(shè)計(jì)中也十分重視熱源對(duì)機(jī)床的影響,主張熱源對(duì)稱(chēng)分布。如果一臺(tái)機(jī)床僅在一側(cè)設(shè)置油箱或電機(jī),由于受熱,易使機(jī)床傾斜;若在機(jī)床兩邊對(duì)稱(chēng)配置電機(jī),使其兩邊受熱條件均勻,就不會(huì)產(chǎn)生左右傾斜。作為機(jī)床主要基礎(chǔ)件,立柱、床身、主軸箱的力學(xué)特性和熱學(xué)特性對(duì)機(jī)床的加工精度和精度穩(wěn)定性有較大的影響。在這方面的研究表明,主軸箱變形量的不對(duì)稱(chēng)性會(huì)導(dǎo)致主軸軸線的偏移或產(chǎn)生偏角;增加局部厚度,改變筋板布置形式可在減輕床身重量的同時(shí)改善床身的結(jié)構(gòu)變形。合理選擇立柱結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)可提高其熱剛度,對(duì)基礎(chǔ)件的熱對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)(結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)和熱源分布對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì))是減小有害熱變形的有效措施。

另外,熱容量平衡設(shè)計(jì)也是改善熱變形有效的方法。它是根據(jù)機(jī)床各部件熱容量的不同,對(duì)局部熱容量大的部件采取一定的措施來(lái)控制和減少其溫升,使它與熱容量較小的部位不致產(chǎn)生較大的溫差,盡量達(dá)到它們之間的熱平衡,從而使機(jī)床整體的熱變形減少。合理地設(shè)計(jì)機(jī)床散熱板有利于平衡部件之間的溫度場(chǎng)。

此外,機(jī)床熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)還包括反變形技術(shù),另外,使用花崗巖、陶瓷、混凝土、玻璃鋼等新材料也可以減少熱變形。用反變形來(lái)抵消熱變形的不良影響是一種簡(jiǎn)單易行的有效方法。呼和浩特第三機(jī)床廠以某平面磨床為例,在加工時(shí)主動(dòng)對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌采用中凸結(jié)構(gòu),很好地提高了磨床加工精度的穩(wěn)定性。機(jī)床熱設(shè)計(jì)的另外一種重要方法就是設(shè)計(jì)高效的冷卻系統(tǒng),通過(guò)控制機(jī)床的溫度變化來(lái)提高機(jī)床的精度。

3 機(jī)床冷卻設(shè)計(jì)技術(shù)

先進(jìn)的冷卻系統(tǒng)是提高機(jī)床熱精度的一個(gè)重要手段。冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括高效的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高效冷卻介質(zhì)的選擇和自適應(yīng)的冷卻控制系統(tǒng)。一般由于機(jī)床的發(fā)熱源處在不同的部位,是一個(gè)不均衡體,因此,都是根據(jù)不同的工作狀態(tài),對(duì)主要發(fā)熱的關(guān)鍵零部件進(jìn)行冷卻。

3.1 主軸冷卻技術(shù)

高速、精密數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)多采用電主軸,但高速電主軸的本身結(jié)構(gòu)存在散熱缺陷。這是因?yàn)楦咚匐娭鬏S的電機(jī)內(nèi)置、外殼封閉,使得電機(jī)和軸承產(chǎn)生的大量熱量難以快速排走,且軸承的發(fā)熱量隨主軸轉(zhuǎn)速的升高而增加,導(dǎo)致主軸和軸承均產(chǎn)生變形。因此,控制溫升、減小電主軸熱膨脹是電主軸的主要問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電主軸熱特性進(jìn)行了大量研究,改善主軸熱變形的冷卻措施主要有如下幾個(gè)方面。

(1)改進(jìn)冷卻設(shè)計(jì)。高速主軸傳統(tǒng)的冷卻方式是在主軸殼體螺旋孔道內(nèi)加冷卻油進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流冷卻,并不斷循環(huán)將熱量帶走。但這種方式冷卻效率低,無(wú)法直接帶走主軸軸芯和轉(zhuǎn)子的熱量。為了進(jìn)一步降低電主軸軸芯的熱膨脹,研究人員設(shè)計(jì)了采用軸芯冷卻設(shè)計(jì)的電主軸。由于熱管具有高效的導(dǎo)熱性、溫度的均勻性及結(jié)構(gòu)的多樣性等特性,近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于對(duì)高速電主軸的殼體和軸芯進(jìn)行冷卻。

(2)均衡溫度。對(duì)主軸熱源不易控制的場(chǎng)合,提高熱源附近溫度,使主軸溫度較高位置的熱量盡快傳遞到溫度較低的位置,快速均衡主軸各部位溫度來(lái)減少熱誤差。

軸承是主軸系統(tǒng)的主要熱源,也是機(jī)床的主要失效部件。軸承發(fā)熱主要是由于接觸摩擦生熱,包括滾動(dòng)體與內(nèi)外滾道的滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦、保持架與套圈引導(dǎo)面之間的滑動(dòng)摩擦、滾動(dòng)體與保持架之間的滑動(dòng)摩擦、滾子端面與擋邊之間的滑動(dòng)摩擦以及潤(rùn)滑劑粘性摩擦。如果軸承得不到有效潤(rùn)滑冷卻,隨著熱量的積聚,就會(huì)因內(nèi)部工作溫度過(guò)高而造成軸承失效。低速軸承主要靠潤(rùn)滑液冷卻,高速軸承主要有3種冷卻方式,即噴射潤(rùn)滑、環(huán)下潤(rùn)滑和油霧潤(rùn)滑。其中環(huán)下潤(rùn)滑用油量少,且減小了軸承的攪油功率損耗,冷卻效果較好。隨著對(duì)潤(rùn)滑、冷卻要求的不斷提高,油氣潤(rùn)滑成為更加理想的潤(rùn)滑方式,可對(duì)軸承內(nèi)外圈和滾珠進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流冷卻。現(xiàn)階段軸承冷卻方法有3種方式。

①帶有冷卻室、冷卻水道的軸承座。

②設(shè)計(jì)低溫軸承結(jié)構(gòu)。軸承保持架的導(dǎo)向區(qū)被精確地定位在離心力對(duì)潤(rùn)滑劑作用最大的地方,保證重要摩擦接觸區(qū)域有可靠的潤(rùn)滑劑供應(yīng)。

③改善冷卻油注入方式。將油從均勻分布的管道和噴油口噴出,通過(guò)提高流速和油的利用率讓冷卻油充分到達(dá)轉(zhuǎn)子,形成均勻的油膜,從而降低軸承溫度,提高軸承壽命。

3.2 高速切削刀具冷卻技術(shù)

高速切削時(shí)的切削速度是傳統(tǒng)切削速度的5~10倍,主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)萬(wàn)轉(zhuǎn)甚至十萬(wàn)轉(zhuǎn)每分鐘,切削效率高,且切削力降低,適合加工精密零件。但高速切削會(huì)產(chǎn)生大量切削熱,會(huì)影響刀具壽命和加工精度。影響切削溫度的主要因素有切削參數(shù)(切削速度、切削厚度和刀具前角)、刀具與工件的導(dǎo)熱性能以及刀-屑、刀-工件的摩擦系數(shù)等。切削熱包括切削層金屬的剪切變形熱、切削底層金屬的摩擦擠壓變形熱和已加工表面上的摩擦擠壓變形熱,切屑發(fā)生塑性變形所消耗的功率主要轉(zhuǎn)化為熱量,進(jìn)而形成切屑加工熱。

高速切削過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程,包含彈塑性變形、大變形和高應(yīng)變率以及很高的切削溫度和復(fù)雜的摩擦條件。以彈塑性大變形分析為基礎(chǔ),采用熱-應(yīng)力耦合分析和熱彈塑性分析等有限元數(shù)值模擬方法將會(huì)促進(jìn)對(duì)高速切削過(guò)程熱行為的研究。基于三維的熱有限元建模,針對(duì)不同刀具材料、不同加工方式和冷卻方式的刀具切削性能的分析將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

在刀具冷卻技術(shù)方面,目前提出了先進(jìn)的帶冷卻液通道的刀具。在冷卻液方面,水基液的冷卻效果良好。針對(duì)不同冷卻液有很多研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)改良冷卻液成分,以期得到更佳的冷卻效果。冷卻液的滲透性和加注方位與流量是影響冷卻液冷卻效果的兩個(gè)關(guān)鍵因素。國(guó)內(nèi)外研究了采用超聲波處理等技術(shù)提高冷卻液滲透性來(lái)提高冷卻效果。為了使用最少的冷卻液實(shí)現(xiàn)最佳的冷卻效果,研究了加注方位和流量的影響。

目前,干式切削、液氮冷卻切削、水蒸氣冷卻切削、氣體射流冷卻切削、低溫風(fēng)式冷卻切削以及最小量潤(rùn)滑切削等幾種綠色切削冷卻方式日益受到人們的重視。上述冷卻方式在成本、實(shí)現(xiàn)難易程度上各有不同,多種方式還處于理論機(jī)理研究和實(shí)驗(yàn)研究的階段,應(yīng)用不多。設(shè)計(jì)者應(yīng)權(quán)衡利弊,針對(duì)特定機(jī)床與環(huán)境選擇恰當(dāng)?shù)睦鋮s方式。但總體來(lái)說(shuō),綠色切削技術(shù)可以提高刀具使用壽命及加工質(zhì)量,且對(duì)環(huán)境無(wú)污染,對(duì)人體健康無(wú)害,在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果,是金屬切削加工領(lǐng)域今后的發(fā)展方向。目前,高速(超高速)干式切削技術(shù)和開(kāi)發(fā)無(wú)污染的生態(tài)切削液是綠色切削技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。

3.3 進(jìn)給系統(tǒng)冷卻技術(shù)

滾珠絲杠副處于進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的末級(jí),起到精密傳動(dòng)和定位的作用,是數(shù)控機(jī)床和加工中心的關(guān)鍵部件,它的傳動(dòng)誤差將直接影響到機(jī)床的定位精度。在滾珠絲杠高速化后,由于存在滾珠之間、滾珠與滾道以及兩端支撐軸承和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)多處摩擦作用,滾珠絲杠溫升不可避免。而且滾珠絲杠為細(xì)長(zhǎng)件,溫升會(huì)降低絲杠的軸向剛度并造成絲杠熱伸長(zhǎng),影響定位精度。從設(shè)計(jì)方面改善滾珠絲杠的熱特性主要采用3種方式。

(1)將絲杠預(yù)拉伸,預(yù)拉伸量可略大于熱伸長(zhǎng)量,以提高絲杠的軸向剛度和減小絲杠啟動(dòng)和停止瞬間彈性變形。

(2)加大散熱的強(qiáng)制冷卻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如空心絲杠、螺母冷卻結(jié)構(gòu)和支撐軸承的冷卻結(jié)構(gòu)。

(3)選擇合適黏度指數(shù)的潤(rùn)滑油及充分供油以減小摩擦力矩。

導(dǎo)軌發(fā)熱使導(dǎo)軌產(chǎn)生膨脹變長(zhǎng)和微翹等變形,這將直接導(dǎo)致機(jī)床加工刀具分支的扭轉(zhuǎn)和傾斜,從而影響加工精度。導(dǎo)軌發(fā)熱是因?yàn)閮蓚€(gè)滑塊在導(dǎo)軌上的直線運(yùn)動(dòng)摩擦所致。這兩個(gè)移動(dòng)熱源發(fā)熱量由承載壓力和滑塊移動(dòng)速度決定。傳統(tǒng)導(dǎo)軌的散熱方式主要有兩種方式,即自然對(duì)流(導(dǎo)軌外表面與空氣之間的熱交換)和導(dǎo)軌表面使用潤(rùn)滑脂(油)進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻。近年來(lái),在一些機(jī)床上出現(xiàn)了新的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),導(dǎo)軌內(nèi)部設(shè)計(jì)有冷卻循環(huán)孔道,并產(chǎn)生了導(dǎo)軌鑲注冷卻水管工藝等相關(guān)工藝技術(shù)。

除上述機(jī)床關(guān)鍵零部件冷卻技術(shù)外,對(duì)于整個(gè)機(jī)床或關(guān)鍵部件可采用熱源溫度場(chǎng)平衡技術(shù),利用人工熱源,促使機(jī)床縮短溫升平衡過(guò)程,減少加工過(guò)程中溫升場(chǎng)變化,以達(dá)到穩(wěn)定熱態(tài)加工精度的目的。上述冷卻方式設(shè)計(jì)好以后,基本都是以固定參數(shù)運(yùn)行,實(shí)際上如何根據(jù)環(huán)境與加工工況的溫度變化調(diào)整冷卻工質(zhì)的參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)控制的智能化仍是一個(gè)沒(méi)有解決的問(wèn)題。

4 機(jī)床熱特性分析技術(shù)

機(jī)床熱特性分析技術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)床熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。機(jī)床熱特性分析通常采用實(shí)驗(yàn)研究方法和數(shù)值模擬法。實(shí)驗(yàn)研究方法一般用紅外熱像儀、熱電偶、激光干涉儀和微位移傳感器等精密測(cè)量?jī)x器,進(jìn)行機(jī)床空運(yùn)轉(zhuǎn)綜合試驗(yàn)、分離熱源試驗(yàn)和磨削試驗(yàn)確定主要熱源,并測(cè)量各內(nèi)熱源作用下機(jī)床各部件的溫升、溫度場(chǎng)變化、熱變形和達(dá)到熱平衡的時(shí)間。因?yàn)闄C(jī)床熱誤差并不是僅僅和機(jī)床某一點(diǎn)的溫度變化呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系,而是受到各熱源的綜合作用,并和機(jī)床的整體溫度變化有關(guān),因此,必須在機(jī)床上布置多個(gè)測(cè)點(diǎn),并通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析找到和熱變形相關(guān)性好的重要測(cè)點(diǎn),即熱關(guān)鍵點(diǎn)。如何選擇最少的傳感器和最佳測(cè)量位置,并能最大程度地和機(jī)床的熱變形誤差相對(duì)應(yīng)呢?通常采用兩種實(shí)驗(yàn)方法來(lái)確定機(jī)床的熱關(guān)鍵點(diǎn),一是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算熱變形量與各測(cè)量位置溫度變化之間的相關(guān)系數(shù),去掉相關(guān)系數(shù)小的點(diǎn);二是分析溫度變化曲線,剔除提供重復(fù)信息和處于不敏感位置的測(cè)溫點(diǎn)。機(jī)床各發(fā)熱部件從開(kāi)始工作到達(dá)到熱平衡是一個(gè)溫升過(guò)程,熱學(xué)理論一般將該溫升過(guò)程用指數(shù)函數(shù)描述。無(wú)錫內(nèi)圓磨床研究所管仁偉等采用回歸分析方法得到了機(jī)床溫升與時(shí)間的方程,用此方程可近似求出機(jī)床部件最大溫度、機(jī)床溫升和熱平衡時(shí)間等機(jī)床熱態(tài)特性評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)法通常需要花費(fèi)大量的時(shí)間與經(jīng)費(fèi),而且受實(shí)驗(yàn)條件限制,還往往難以獲得全面的熱誤差信息。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬方法越來(lái)越多地被用于機(jī)床熱誤差的分析。有限元仿真和熱網(wǎng)絡(luò)法是目前主要的機(jī)床熱特性數(shù)值模擬分析方法。有限元熱特性分析的關(guān)鍵所在是建立精確的模型。建立有限元模型包括3個(gè)重要內(nèi)容,即妥善的網(wǎng)格劃分、恰當(dāng)?shù)膯卧x擇和邊界條件的正確施加。然而有限元建模過(guò)程中的不確定因素對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果的影響很大。如有限元建模過(guò)程中存在的離散誤差(單元形式、網(wǎng)格劃分)、形狀誤差(模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化等)、參數(shù)誤差(載荷誤差、物理參數(shù)等)等,特別是有限元邊界條件參數(shù)的設(shè)定往往與實(shí)際不相符,導(dǎo)致機(jī)床的熱特性分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在一定的誤差。為了降低機(jī)床有限元分析的誤差,將實(shí)驗(yàn)方法與有限元分析方法相結(jié)合,可有效提高數(shù)控機(jī)床熱特性分析精度。如有學(xué)者應(yīng)用響應(yīng)面法構(gòu)造電主軸系統(tǒng)的對(duì)流換熱系數(shù)與測(cè)點(diǎn)溫度之間的隱性關(guān)系,以實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度與測(cè)點(diǎn)溫度計(jì)算值的誤差作為尋優(yōu)函數(shù),最終優(yōu)化各對(duì)流換熱系數(shù)。經(jīng)修正后的邊界條件能使得到的溫度場(chǎng)結(jié)果誤差大大減小,與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的機(jī)床有限元仿真能使所建立的模型更加精確。

此外,結(jié)合面問(wèn)題是有限元分析的難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在接觸熱問(wèn)題上做了很多研究,主要從接觸表面形貌和彈塑性接觸機(jī)理入手,結(jié)合分形理論和統(tǒng)計(jì)推理技術(shù)等建立合適的熱接觸分析模型,利用建立的模型計(jì)算結(jié)合面的接觸熱阻,或者采用實(shí)驗(yàn)手段測(cè)定實(shí)際的接觸熱阻。結(jié)合面接觸熱阻影響因素包括接觸體材料類(lèi)型、結(jié)合面壓力、表面加工質(zhì)量和介質(zhì)類(lèi)型等。目前,對(duì)機(jī)床的主軸或電主軸系統(tǒng)、滾珠絲杠系統(tǒng)以及工件裝配部分的有限元數(shù)值模擬均考慮了接觸熱阻的影響,進(jìn)而為機(jī)床整機(jī)精確分析提供了條件。

雖然有限元法具有邊界適應(yīng)性好、計(jì)算準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn),但計(jì)算過(guò)程復(fù)雜,適合于理論研究及需要對(duì)溫度場(chǎng)詳細(xì)了解的場(chǎng)合。熱網(wǎng)絡(luò)法是一種基于熱電比擬原理的集中參數(shù)數(shù)值分析方法,又稱(chēng)熱阻熱容法。相對(duì)于有限元法,熱網(wǎng)絡(luò)分析法的優(yōu)點(diǎn)是物理意義清晰,劃分的節(jié)點(diǎn)能夠反映物理模型的本質(zhì),并能根據(jù)物理模型節(jié)點(diǎn)溫度的變化率確定其溫度變化趨勢(shì),其網(wǎng)格劃分簡(jiǎn)單,易被工程技術(shù)人員掌握。采用熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算復(fù)雜大系統(tǒng)的傳熱問(wèn)題,具有簡(jiǎn)單可行、邊界條件易于處理等優(yōu)點(diǎn)。尤其是對(duì)于包含潤(rùn)滑冷卻液、油氣混合物、固體結(jié)構(gòu)件等多相傳熱介質(zhì)的復(fù)雜系統(tǒng)熱分析以及薄壁介質(zhì)問(wèn)題的處理而言,熱網(wǎng)絡(luò)法要優(yōu)于有限元法。運(yùn)用熱網(wǎng)絡(luò)法可以方便、快捷地實(shí)現(xiàn)機(jī)床系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì),量化分析改變材料類(lèi)型、結(jié)構(gòu)尺寸和接觸狀況對(duì)機(jī)床溫度場(chǎng)的影響。采用熱網(wǎng)絡(luò)法對(duì)機(jī)床熱關(guān)鍵部件,如主軸系統(tǒng)、立柱、軸承等展開(kāi)熱特性研究是機(jī)床熱特性分析的又一個(gè)重要手段。

5 結(jié)語(yǔ)

“熱剛度”、“熱親和”和“熱對(duì)稱(chēng)”的概念都是試圖通過(guò)設(shè)計(jì)合理的機(jī)床結(jié)構(gòu),根據(jù)機(jī)床的熱特性,實(shí)現(xiàn)機(jī)床的熱平衡,從而提高機(jī)床的熱精度。但是,目前在機(jī)床熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論方面,尚未形成完整的理論體系。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)對(duì)機(jī)床高速高精度加工的工藝要求,需要總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn),綜合應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù),將傳熱學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助工程(CAD/CAE)、有限元方法、熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算、測(cè)量等多學(xué)科交叉融合,從系統(tǒng)的角度結(jié)合機(jī)床工作熱特性,將事后熱補(bǔ)償與主動(dòng)熱平衡思想有機(jī)融合,研究機(jī)床整體系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)和冷卻問(wèn)題,形成系統(tǒng)化的熱設(shè)計(jì)理論方法和工具。通過(guò)建立機(jī)床熱特性、熱結(jié)構(gòu)與冷卻設(shè)計(jì)技術(shù)的知識(shí)方法庫(kù),以滿足現(xiàn)代高速高精度機(jī)床的熱設(shè)計(jì)要求。


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