铣车复合加工中心热特性研究

张彬

摘要：本文以铣车复合加工中心整机为研究对象，采用有限元分析方法，在对整机热载荷和边界条件分析的基础上，建立了整机的有限元热分析模型，并对整机温度场进行了仿真模拟。研究结果表明：主轴系统的温升最高，为56.526℃，且出现在主轴转子处;进给系统中，Z向进给系统温升最高;基础部件中床身、立柱等基本保持室温，横梁两端有一定温升。

关键词：复合加工中心;热特性;温度场;有限元分析

0  引言

现代制造技术正朝着高效率、高精度方向发展[1]，随之机床工业也朝着高速、精密方向发展。在先进制造领域，影响机床加工精度的两个主要因素是机床热误差（约占70%）和振动误差（约占30%）[2]。因此熱误差已经成为精密加工中影响加工误差的主要因素。1933年，瑞士学者首先开始了对机床热变形的研究[3]，随后德国学者提出了机床热变形的机理。近年来，有大量学者从事机床热误差的研究。本文以某企业生产的铣车复合加工中心为对象，通过对其热源及传热机制的分析，计算出了主要发热部件的发热量及其传热特性边界条件，利用有限元分析软件ANSYS Workbench建立其热分析有限元模型，并对加工中心温度场进行了仿真模拟，研究结果为机床热误差分析提供了参考依据。

1  有限元模型的建立

在Pro/E环境下，考虑到细小特征对温度场影响不大，但会致使模型网格数量过大，影响计算速度的因素，将细小特征进行简化，建立加工中心几何模型。在ANSYS Workbench环境下对几何模型进行网格划分，采取自由网格划分方式，并对局部细小区域进行细化，得到铣车复合加工中心的有限元模型如图1所示。

2  发热量和边界条件的计算

2.1 主要部件发热量的计算

影响加工中心温度场的热源可分为内部热源和外部热源，相对而言，内部热源是产生热误差的主要因素。经过对铣车复合加工中心主要生热部件的分析，确定其主要的热源包含三个部分：主轴系统、进给系统、回转工作台。主轴系统是加工中心核心部件，也是最大的热源，主要包含电机发热和轴承发热。进给系统发热来源于三个方向的滚珠丝杠系统的发热，主要包含滚珠丝杠螺母副、支撑轴承、驱动电机等。转台采用直驱技术，主要包含电机定转子发热、支撑轴承发热等。

3  温度场的计算

在ANSYS Workbench环境下，选定分析类型为稳态热分析，设定环境温度为20℃，将上述计算的生热率、热流密度、对流换热系数作为热边界条件加载到有限元模型上进行求解，得到加工中心整机的稳态温度场如图2所示。

由图2可知：主轴系统的温升最高，为56.526℃，且出现在电主轴转子处，主轴高速旋转，热源集中，发热量大，致使温升最高。同时，右侧刀架温升也较高，是由于摆头驱动电机发热传递到刀架上。

进给系统中，Z向丝杠温升比X、Y向丝杠温升高，主要是由于Z向丝杠承受的载荷大，导致丝杠螺母副发热量大。回转工作台中心处温度较高，且向边缘温度依次递减，主要是由于转台电机定、转子产生的热量传递到工作台上。基础部件中床身、立柱等温升较低，而横梁两端由于丝杠驱动电机、轴承的热量产生热传导而具有一定温升。

4  结论

本文以铣车复合加工中心为研究对象，建立其有限元热分析模型，并对其温度场进行了模拟，得出以下结论：主轴系统的温升最高，为56.526℃，且出现在主轴转子处。进给系统中，Z向进给系统温升最高。床身、立柱等基础部件基本保持室温，横梁两端有一定温升。上述研究结果为加工中心热误差的研究提供了参考依据。

参考文献：

[1]机电在线.国产高档数控机床开始进入国家重点发展领域和国防军工建设领域[J].机床与液压，2013（20）：19.

[2]Kim D H， Song J Y. Development of thermal deformation compensation device and CNC based real-time compensation for advanced manufacturing. International Journal of Automotive Technology， 2013， 14（3）： 423-428.

[3]张伯霖.第四讲  机床热变形（上）[J].机床，1979（01）：34-41.

[4]苏妍颖.螺母旋转驱动型滚珠丝杠副热特性分析[D].济南：山东大学硕士学位论文，2012，28-33.

[5]邬田华，等.工程传热学[M].武汉市：华中科技大学出版社，2011，1-4.