GTM500200車銑加工中心滑枕的關鍵技術分析
3.1滑枕體熱變形補償裝置從金屬熱膨脹原理知道，當金屬部件溫度均勻上升，沿長度方向的熱膨脹也是均勻 的。如果金屬部件受熱不均勻，兩側溫度上升不一致，當上側溫度高于下側時，金屬部 件上側的膨脹量大于下側的膨脹量，從而使金屬部件向上彎曲，產生了熱變形。熱變形 的規律是：溫度高的一側向外凸出，溫度低的一側向內凹進，即“熱凸內凹” [5]。因此，雖然滑枕體在多種熱源的共同作用下，而且在不同工況下，這些熱源不是恒 定的。但是，由于本滑枕總成結構的分布成對稱性，熱源和冷卻設備也成線性分布，從 優化過的滑枕總成結構使滑枕體的溫度場從復雜多變形性簡化成了一個接近線性的溫 度場。在這樣的溫度場作用下，滑枕總成產生的熱應力和熱位移可近似看成線性。這樣 滑枕的熱變形量發生在滑枕軸向方向，減小了滑枕由于熱變形產生扭曲。所以只需要增 加能夠補償滑枕熱伸長的裝置，就可以提高機床加工質量。3.1.1滑枕熱變形熱源分析滑枕的熱量來源分別為：滑枕體導軌外表面與滑枕外殼靜壓導軌油摩擦產生的摩擦熱。此部分的熱量一部分 隨液壓油流回液壓站，一部分熱傳遞到滑枕體內部，是滑枕熱變形最主要的熱源。滑枕內部的電主軸。切削電主軸在運轉過程中會產生大量的熱能，雖然通過從冷卻 裝置的冷卻水會傳遞走大部分的熱量，但是還是有很大一部分熱量傳遞到了滑枕體中。滑枕內部的減速機。減速機為行星輪減速機，也就是說存在齒輪結構，傳遞動力的 過程中，齒輪與齒輪之間就會產生熱量，雖然齒輪是在有冷卻裝置循環的油浴中，但是 產生的熱量還是有一部分會傳遞到滑枕體中。主軸軸承等運轉部件。當電主軸轉動傳遞扭矩及動力時，連接的傳動軸的軸承，內 圈和外圈在旋轉過程中，同樣會產生大量的摩擦熱，熱量同樣會傳遞到滑枕體。由于刀具是安裝在附件頭上，所以刀具在切削過程中產生的熱量是幾乎無法傳遞到 滑枕體的。綜上所述，滑枕體在加工過程中還是得到了相當大的熱量，最終發生熱膨脹，導致 滑枕體整體伸長，影響加工精度。本滑枕通過增加了 一套熱變形補償裝置，大大降低了這種影響。3.1.2熱變形改進方案_鋁與鋼的熱膨脹系數比約為2: 1。依靠下面設計的結構可抵消滑枕的熱變形。物體由于溫度改變而有脹縮現象。其變化能力以等壓(P—定)下，單位溫度變化所 導致的體積變化，即用熱膨脹系數表示。Thermal expansion coefficient熱膨脹系數有線膨脹系數a、面膨脹系數p和體膨脹系數Y。線膨脹系數a=AL/(L*AT)，面膨脹系數P=AS/(S*AT)，體膨脹系數Y=AV/(V*AT),式中AL為所給長度變化AT下物體溫度的改變，L為初始長度；AS為所給面積變 化AT下物體溫度的改變，S為初始面積；AV為所給體積變化AT下物體溫度的改變， V為初始體積；嚴格說來，上式只是溫度變化范圍不大時的微分定義式的差分近似；準確定義要求 AV與AT無限微小，這也意味著，熱膨脹系數在較大的溫度區間內通常不是常量。溫度變化不是很大時，a就成了常量，利用它，可以把固體和液體體積膨脹表示如 下：Yt=V0(l+3aAT),而對理想氣體，Vt=V0(l+0.00367AT)；Vt、V0分別為物體末態和初態的體積對于可近似看做一維的物體，長度就是衡量其體積的決定因素，這時的熱膨脹系數 可簡化定義為：單位溫度改變下長度的增加量與的原長度的比值，這就是線膨脹系數。對于三維的具有各向異性的物質，有線膨脹系數和體膨脹系數之分。如石墨結構具 有顯著的各向異性，因而石墨纖維線膨脹系數也呈現出各向異性，表現為平行于層面方 向的熱膨脹系數遠小于垂直于層面方向[6]。宏觀熱膨脹系數與各軸向膨脹系數的關系式有多個，普遍認可的有Mrozowski算 式：a=Aac+(l-A)aaaa,ac分別為a軸和c軸方向的熱膨脹率，A被稱為“結構端面”參數。測定溫度條件及單位：20°C，（單位10E-6/K或10E-6/°C)表3.1鋁和鋼的熱膨脹系數Tab. 3.1 The thermal expansion coefficient of aluminium and steel 金屬名稱 溫度范圍 線性熱膨脹系數 鋁 A1 23.6 鋼 20-100 11.8 由上表3.1可以看出鋁的熱膨脹系數是鋼的2倍。因此在滑枕里加工出一個通孔， 里面安裝一根鋁管，在鋁管的里面套一根鋼棒，鋼棒與鋁管的底部用銷子固定在一起， 鋁管的上部與滑枕的上部固定在一起，鋼棒的上部與測量裝置固定，這樣當滑枕溫度升 高，相對于滑枕的底面，即加工刀具的部位與測量裝置之間的距離是不變的。消除了熱 變形現象。顯著特點：(1)利用了鋁的熱膨脹系數是鋼的兩倍性能。材料只是鋼和鋁，材料為常用材料， 成本低。(2)材料鋁和鋼有良好的加工性能。(3)通過鋁的熱膨脹系數是鋼的兩倍性能消除了滑枕的熱變形現象。鋼、鋁熱膨脹系數不同消除滑枕熱變形的裝置如圖3.1所示。主要包括滑枕套件（1 號套件）、銷釘（2號套件）、鋁管（3號套件）、鋼棒（4號套件）、測量裝置（5號 套件）、固定套件（6號套件）。通過固定套件將鋁管的后端固定在滑枕的后端；通過 銷釘將鋁管前段與鋼棒前端固定；將測量裝置固定在鋼棒的后端。滑枕熱變形過程示意圖1，如圖3.2所示。通過銷釘（1號套件）固定鋼棒和鋁管， 通過固定套件（2號套件）將鋁管固定在滑枕上。用于實現鋼鋁的熱膨長度不同，消除 整體變形量。利用鋼、鋁熱膨脹系數不同消除滑枕熱變形原理示意圖2,如圖3.3.所示。表明滑 枕前端刀具（1號套件）與測量裝置（2號套件）在熱量作用下，滑枕是鋼件設定滑枕 熱伸長1個單位；鋼棒同樣材質是鋼，設定滑枕熱伸長1個單位；因此鋼材是熱伸長總 長為2個單位。鋁管的材質為鋁，可根據：鋼的熱膨脹系數(1/°C):每升溫1度.單位毫 米0.0000118;鋁的熱膨脹系數(1/°C):每升溫1度.單位毫米0.0000236,設定鋁的熱伸 長2個單位，由于是反方向伸長，這樣就消除了鋼材所產生的熱變形。綜上所述，本發明利用鋼、鋁熱膨脹系數不同消除滑枕熱變形的裝置即消除了滑枕 熱變形所導致的加工精度降低，又降低了成本，采用常用的材料。3.1.3熱變形改進方案二由于滑枕體的材料是38CrM〇AlA，其熱膨脹系數近似于45號鋼，在不同溫度下是存 在不同的熱變形的。本方案為增加一根殷瓦合金棒，一端固定于滑枕下部端面，一端為 浮動式安裝，在浮動式安裝端固定滑枕Z軸測量光柵尺的光柵尺測頭，而光柵尺尺身安 裝在滑枕外殼的支架上，如圖3. 4所示。因此光柵尺測量的讀數為殷瓦合金測量桿得到 的沒有熱變形的滑枕伸出長度。殷瓦合金屬于鐵基高鎳合金，通常含有32%-36%的鎳，還含有少量的S、P、C等 元素，其余為60%左右的Fe，由于鎳為擴大奧氏體元素，故高鎳使奧氏體轉為馬氏體 的相變降至室溫以下，一 100?一120°C，因而經退火后，殷瓦合金在室溫及室溫以下一 定溫度范圍內，均具有面心晶格結構的奧氏體組織，也是鎳溶于丫-Fe中形成的固溶體， 因而因瓦合金具有以下性能。(1)膨脹系數小殷瓦合金也叫不脹鋼，其平均膨脹系數一般為1.5xlO-6°C，含鎳在36%是達到1.8 xlO-8°C，且在室溫一80°C —+100°C時均不發生變化。(2)強度、硬度不高殷瓦合金含碳量小于0.05%，硬度和強度不高，抗拉強度在517Mpa左右，屈服強 度在276Mpa左右，維氏硬度在160左右，一般可以通過冷變形來提高強度，在強度提 高的同時仍具有良好的塑性。(3)導熱系數低殷瓦合金的導熱系數為0.026?0.032〇31/〇11別(^(：,僅為45鋼導熱系數的1/3-1/4。(4)塑性、韌性高殷瓦合金的延伸率和斷面收縮率以及沖擊韌性都很髙，延伸率3=25-35%,沖擊靭 性aK=18-33公斤•米/厘米[7]主要用來制造標準尺、測溫計、測距儀、鐘表擺輪、塊規、微波設備的諧振腔、重 力儀構件、熱雙金屬組元材料，光學儀器零件等。熔融法制造。