重型数控机床长导轨热特性仿真及误差补偿方法的探讨

肖明月　娄朝辉　孙志良

摘要：数控机床工作过程中，其导轨与工作台之间的摩擦生热会导致导轨在高温下产生热形变而影响机床加工精度。本文通过ANSYS软件对机床导轨进行有限元建模，并对其运行过程中的热特性进行仿真，进而分析了影响热变形的主要因素，最后提出了对其热误差补偿的针对措施。

关键词：数控机床；导轨；热特性；有限元仿真

现代科技的发展越来越快，工件加工精度和效率的标准也越来越高，所以要求装备制造产品的拥有更高的精度和水准。在数控机床的进给速度提高的同时，各零部件接触面间会因摩擦产生大量热量，使得零部件出现热变形而影响数控机床的加工精度。而在其中，导轨与工作台之间的摩擦生热会致使导轨在高温下发生变形，由热变形而引起的后果，导轨偏移、定位误差及导轨面隆起等会改变工件与刀具之间的相对位置，进而影响数控机床的加工精度[1]。本文通过ANSYS软件对机床导轨运行过程中的热特性进行仿真，提出了对其热误差补偿的方案探讨。

本文的研究对象为XK2535数控龙门铣床，床身长15m，宽为1.5m，材料为HT300，其上承受立柱、横梁、滑枕和溜板等部件重量。

1 基于ANSYS的导轨热特性建模

1.1 导轨几何建模简化及参数設置

导轨和工作台之间为铸铁面间的润滑，将模型中动摩擦系数取为0.08，将导轨面和工作台之间相对运动平均速度设置为6m/min[2]，从而将摩擦发热量计算得出为2384W/m，模型中水平壁对流换热的系数是1.712W/m·K，竖直壁是1.882W /m·K。其中，导轨材料性能参数如表1所示。

建模时，在尽可能确保零件原始结构保持不变的基础上，可以针对模型中对精度影响不大的零件进行适当简化 [3]：

1）省去螺钉和螺栓孔，并通过相应的约束进行代替。由于模型中螺钉、螺栓孔结构小且数量多但对模型整体影响不大。

2）省去模型中的小台阶、倒角等对模型的实际分析计算结果影响很小的结构。

3）忽略模型中的滚珠丝杠和轴承系统，它们在导轨摩擦生热的热源中占比很小，可以忽略。

1.2 导轨热分析有限元建模

ANSYS对复杂的实体模型进行建模时，其性能效率不如CAD/CAM软件。因此先通过Pro/E构建导轨的实体模型，然后利用ANSYS从数据接口读入，并对导轨模型进行网格划分及分析计算。选用的ANSYS四面体耦合场实体单元SOLID98，每个节点有6个自由度，对模型简化后进行网格划分，最终建立的导轨有限元模型。

2 仿真结果及热变形因素分析

仿真前对导轨进行适当假设以简化计算过程： 1）单位时间内，导轨和工作台的摩擦生热与流入导轨面的热量恒定；

2）对流换热系数为常数；3）导轨吸收摩擦产生的一半热量；4）切屑热对导轨的影响忽略不计。

根据确定的参数及边界条件，通过ANSYS仿真得到导轨运行30分钟后的结果。由导轨温度分布图可知，导轨左右面的温度分布不均，右导轨面温度高于导轨左面，温度最高为215° C，其中最大温差约1°C。由于温度分布不均，可以看出导轨两端在Y方向上产生较大热变形，其中最大热变形量为9.25μm。由于导轨在Z向产生的热变形很小，所以忽略其影响。

3 导轨热变形补偿

根据前文得到的数据，对M关键点的温度与热误差进行ANSYS建模分析，并结合PLC的运算功能以及数控机床控制系统的误差补偿模块，可以对机床的热形变误差进行补偿。其可实现的方案有几下几类：

1）建立导轨热误差补偿方程并导入可编程控制器PLC中作为热误差补偿所用的计算器，根据PLC中计算的补偿值结合数控系统的控制功能对机床的零点位置进行实时改变，实现热误差的实时补偿。

2）采用强制对流散热方式。该方式只能在一定程度上控制动导轨温升。

3）导轨材料可采用热膨胀系数较小的材料。

4）控制润滑油膜的温度，减少承载面油膜温升对导轨的热影响。

5）避免导轨承载部分做高速的变加速运动。采用快速伺服刀架，通过刀架的微量进给，代替动高速变加速运动。

4 结语

研究数控机床导轨的热性能及误差补偿对于学习机械理论及实际应用都有非常重要的意义。通过ANSYS软件对机床导轨在运行过程中的热特性进行仿真，并分析了影响热变形的主要因素，得到了导轨在工作时的温度场和热变形，最后对数控机床热误差补偿的方案进行了探讨，提出一些方案可行的建议，为其热误差补偿提供了一定的思路。

参考文献：

[1]李书和，等.加工中心热误差补偿研究.制造技术与机床，2007（6）：1619.

[2]刘国庆，杨庆东.ANSYS工程应用教程机械篇.中国铁道出版社，2003.

[3]应济，陈子辰.重型机床的热变形控制研究[J].机械科学与技术，2003，17（4）：7579.

作者简介：肖明月（1988），女，硕士，研究方向：动力机械发明专利实质审查；娄朝辉（1988），男，硕士，研究方向：动力机械发明专利实质审查；孙志良（1987），男，硕士，研究方向：动力机械发明专利实质审查。