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       摘要: 通過(guò)建立高精密數(shù)控立式靜壓圓臺(tái)磨床的有限元模型，進(jìn)行了磨床的熱源分析及計(jì)算，并采用ANSYS Workbench進(jìn)行了有限元溫度場(chǎng)分析求解，得到了立式磨床的溫度分布。進(jìn)而搭建了機(jī)床溫升實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了臥磨頭磨削平面時(shí)的機(jī)床溫升實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)有限元理論分析求解與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，證明了有限元分析模型及方法的可靠性，為磨床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及誤差補(bǔ)償提供了依據(jù)。

     0 前言

     我國(guó)所產(chǎn)數(shù)控機(jī)床中經(jīng)濟(jì)型、中檔與高檔之比約為70∶ 29∶ 1，而2010 年中國(guó)消費(fèi)占全球機(jī)床消費(fèi)額的45. 6%; 其中高檔機(jī)床產(chǎn)量高檔數(shù)控機(jī)床約占我國(guó)市場(chǎng)年消費(fèi)量20% 以上。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)矛盾突出，中高端數(shù)控機(jī)床及其數(shù)控系統(tǒng)等關(guān)鍵功能件主要依賴進(jìn)口，依賴度約達(dá)90%。作為高性能數(shù)控機(jī)床的精密數(shù)控立式圓臺(tái)磨床在國(guó)內(nèi)的發(fā)展嚴(yán)重不足，在很多方面上都受到了國(guó)外的限制。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，對(duì)相關(guān)產(chǎn)品零件精度等級(jí)要求不斷提高。在“十二五”以及更長(zhǎng)時(shí)期，我國(guó)都將進(jìn)行大范圍和深層次的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，這將給機(jī)床行業(yè)尤其高端數(shù)控機(jī)床帶來(lái)巨大機(jī)會(huì) 。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)精密數(shù)控立式圓臺(tái)磨床的需求，在軍工、飛機(jī)制造、風(fēng)電、大型精密軸承、汽車、高檔機(jī)床等領(lǐng)域均呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，而目前這部分機(jī)床的需求主要依賴進(jìn)口，產(chǎn)品還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求 。

      為了提高數(shù)控立式圓臺(tái)磨床的精度等級(jí)，降低機(jī)床因剛性傳動(dòng)帶來(lái)的振動(dòng)及變形，減小機(jī)床溫升及熱變形對(duì)精度的影響，采用“中間止推動(dòng)靜壓油膜軸承”和“三面靜壓閉式導(dǎo)軌自驅(qū)式圓轉(zhuǎn)臺(tái)”等關(guān)鍵功能部件，并在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行溫度場(chǎng)有限元分析優(yōu)化設(shè)計(jì)，控制溫度方法研究; 在試制階段搭建機(jī)床試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)溫度及熱變形試驗(yàn)建立機(jī)床動(dòng)態(tài)模型，對(duì)機(jī)床溫度、熱變形及誤差進(jìn)行分析，并進(jìn)行熱誤差在線檢測(cè)補(bǔ)償研究等，使機(jī)床加工精度可以達(dá)到亞微米級(jí)。

      1 、有限元熱分析

      對(duì)數(shù)控立式圓臺(tái)磨床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，根據(jù)運(yùn)動(dòng)切削等工作狀況，建立機(jī)床發(fā)熱、傳熱的溫度場(chǎng)模型，分析機(jī)床的熱誤差和熱變形，確定機(jī)床的熱敏感區(qū)域。

      在熱源分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算磨床在加工過(guò)程中熱分析邊界條件，將計(jì)算得到的熱邊界條件加載到有限元穩(wěn)態(tài)熱分析模塊中對(duì)整機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，得到整機(jī)溫度分布圖及熱變形，將分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)模型及參數(shù)進(jìn)行修正，得到可靠的溫度場(chǎng)分析結(jié)果。

      文中以北京廣宇大成數(shù)控機(jī)床有限公司研發(fā)的高精度數(shù)控閉式靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)立式磨床MGK28120 為研究對(duì)象，建立整機(jī)熱特性分析有限元模型，如圖1 所示。

       
      圖1 整機(jī)有限元模型

      1. 1 熱源分析與熱載荷計(jì)算

      數(shù)控立式圓臺(tái)磨床熱源主要有: 主軸電機(jī)、進(jìn)給電機(jī)、液壓裝置、軸承摩擦熱、導(dǎo)軌摩擦熱以及磨削熱等。當(dāng)磨床工作參數(shù)如表1 所示時(shí)，各熱源發(fā)熱量計(jì)算結(jié)果如表2—5 所示。

      表1 磨床加工參數(shù)

      表2 電機(jī)及帶傳動(dòng)發(fā)熱量

      表3 液壓裝置發(fā)熱量

      表4 軸承發(fā)熱量
     

      表5 磨削熱傳散量

      磨削過(guò)程中熱量交換主要以熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流方式為主。在整機(jī)熱穩(wěn)態(tài)計(jì)算過(guò)程中，磨床初始溫度為室溫8. 5 ℃ ( 北方冬天室內(nèi)溫度) 。床身、立柱、滑鞍材料是鑄鐵HT200，導(dǎo)軌絲杠材料是GCr15，主軸材料是38CrMoAl。根據(jù)各零件材料在模型中進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的相應(yīng)設(shè)置。

      磨削加工過(guò)程中使用充足的冷卻液，其對(duì)流換熱系數(shù)如表6 所示 。
 

      表6 對(duì)流換熱系數(shù)

      1. 2 溫度場(chǎng)分析

      將以上計(jì)算得到的電機(jī)、V 帶、滾動(dòng)軸承、液壓裝置等熱載荷均采用恒定熱流率加載于接觸面上，磨削熱為移動(dòng)載荷，采用ANSYS 的APDL 語(yǔ)言，通過(guò)循環(huán)語(yǔ)句在砂輪與工件的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行加載。在接觸弧長(zhǎng)、砂輪寬度形成的接觸面上進(jìn)行磨削熱流率加載，進(jìn)行溫度求解，然后消除上一次載荷，將上一次計(jì)算結(jié)果作為初始值在下一接觸面上加載，并在下一接觸面上加載磨削熱流率，如此循環(huán)加載求解，模擬移動(dòng)熱源 。導(dǎo)軌滑塊、絲杠螺母等運(yùn)動(dòng)副的熱載荷均采用移動(dòng)熱源進(jìn)行加載。在有限元模型上設(shè)置相應(yīng)的材料屬性，結(jié)合面設(shè)置為Bonded，只考慮熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流，不考慮熱輻射，得到數(shù)控圓臺(tái)式立式磨床在臥磨頭工作時(shí)穩(wěn)定工作狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)熱分析仿真結(jié)果如圖2 所示。從圖中可以看出，溫度最高的位置為臥磨頭電機(jī)，機(jī)床臥磨頭電機(jī)上最高溫度為30. 3 ℃，臥磨頭主軸上溫度為20. 6 ℃，皮帶輪溫度為18. 9℃，臥磨頭W 軸電機(jī)處溫度為16 ℃，臥磨頭U 軸電機(jī)溫度21 ℃左右。

      圖2 磨床穩(wěn)態(tài)熱分析

      2 、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

      2. 1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

     在磨削加工中，影響磨削溫度的主要因素包括磨削加工參數(shù)、磨削方式、砂輪磨粒特性和工件材料等 。由于影響因素比較復(fù)雜，所以，理論計(jì)算不準(zhǔn)確，通過(guò)采用激光溫度測(cè)量?jī)x( 如圖3 所示) 測(cè)出磨床臥磨頭加工平面時(shí)的溫度分布，該儀器可以通過(guò)調(diào)節(jié)焦距測(cè)量一定范圍內(nèi)的物體表面溫度，并且可以準(zhǔn)確知道圖片內(nèi)任何一點(diǎn)的溫度值。此外，采用32 通道溫度巡檢儀及pt100 熱敏電阻進(jìn)行機(jī)床熱敏感點(diǎn)表面溫度采樣 ，測(cè)點(diǎn)分布如圖4 所示。

      圖3 立式圓臺(tái)磨床臥磨頭磨削時(shí)機(jī)床溫度測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

        圖4 測(cè)點(diǎn)分布圖

      2. 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

     測(cè)量結(jié)果如圖5 ( a) — ( e) 所示，最低溫度為環(huán)境溫度8. 5 ℃ ( 由于實(shí)驗(yàn)是在冬季測(cè)量，所以環(huán)境溫度較低) 。

  
               圖5 高精密數(shù)控立磨磨頭工作時(shí)溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

       圖5 ( a) 為臥磨頭電機(jī)溫度測(cè)量結(jié)果圖，其中M1 為32. 1 ℃，M2 為33. 6 ℃; 圖5 ( b) 主軸箱上兩點(diǎn)溫度M1 為19. 6 ℃，M2 為20. 1 ℃; 圖5 ( c)為皮帶輪的溫度實(shí)驗(yàn)，M 點(diǎn)溫度為19. 0 ℃。圖5 ( d) 為臥磨頭Z 軸進(jìn)給電機(jī)溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，M 點(diǎn)溫度為17. 0 ℃; 圖5 ( e) 為磨頭溫度實(shí)驗(yàn)，M 點(diǎn)溫度為9. 8 ℃。從圖中可以看出，臥磨頭主軸電機(jī)座最高溫升為21. 8 ℃; 其次，臥磨頭主軸溫升達(dá)到12 ℃，帶輪處溫升為10 ℃ 左右，Z 向進(jìn)給電機(jī)溫升為7. 5℃左右，砂輪的溫升為1. 8 ℃。實(shí)驗(yàn)與仿真關(guān)鍵點(diǎn)溫度對(duì)比如表7 所示。

      由表7 可知，磨床主要部件的溫度實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果是一致的，且其溫升在正常范圍內(nèi)，所以溫度載荷與熱特性仿真的結(jié)果是可靠的，可以進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)床熱變形分析，并進(jìn)行熱誤差分析及補(bǔ)償。

      表7 磨床臥磨頭工作時(shí)溫度實(shí)驗(yàn)與仿真的對(duì)比

       3 、結(jié)論

      由于臥磨頭主要用于平面磨削，在磨削平面時(shí)X、Z 向變形基本不影響零件加工尺寸，Y 向砂輪與工件變形會(huì)影響工件加工尺寸。磨削主要用于表面精加工，一般采取多道工序磨削。若在工序間反復(fù)測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行磨削量的控制，可減小熱變形對(duì)磨削尺寸精度的影響，否則磨削熱變形對(duì)零件加工尺寸精度影響較大。此外，由于各方向變形的不均勻，可能會(huì)造成工件的平面度誤差，因此，磨床的熱變形必須給予足夠的重視。