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2017年5月19日

數控機床熱特性分析技術 - 加工中心

精工機床熱特性分析技術是實現機床熱設計的基礎。精工機床熱特性分析通常采用實驗研究方法和數值模擬法。實驗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量儀器，進行機床空運轉綜合實驗、分離熱源實驗和磨削試驗確定主要熱源，并測量各內熱源作用下精工機床各部件的溫升、溫度場變化、熱變形和達到熱平衡的時間。因為機床熱誤差并不是僅僅和機床某一點的溫度變化呈現性對應關系，而是受到各熱源的綜合作用，并和機床的整體溫度變化有關，因此，必須在機床上布置多個測點，并通過數據處理分析找到和熱變形相關性好的重要測點，即熱關鍵點。如何選擇最少的傳感器和最佳測量位置，并能最大程度地和機床的熱變形誤差相對應呢？通常采用兩種實驗方法來確定機床的熱關鍵點，一是根據實驗數據計算熱變形量與各測量位置溫度變化之間的相關系數，去掉相關系數小的點；二是分析溫度變化曲線，剔除提供重復信息和處于不敏感位置的測溫點。機床各發熱部件從開始工作到達熱平衡是一個溫升過程，熱學理論一般將溫升過程用指數函數描述。無錫內圓磨床研究所管仁偉等采用回歸分析方法得到了機床溫升與時間的方程，用此方程可近似求出機床部件最大溫度、機床溫升和熱平衡時間等機床熱態特性評價指標參數。實驗法通常需要花費大量的時間與經費，而且受實驗條件限制，還往往難以獲得全面的熱誤差信息。隨著計算機技術的發展，數值模擬方法越來越多地被用于精工機床熱誤差的分析。有限元仿真和熱網絡法是目前主要的精工機床熱特性數值模擬分析方法。有限元熱特性分析的關鍵所在是建立精確地模型。建立有限元模型包括3各重要內容，即妥善的網絡劃分、恰當的單元選擇和邊界條件的正確施加。然而有限元建模過程中的不確定因素對有限元計算結果的影響很大。如有限元建模過程中存在的離散誤差（單元形式、網格劃分）、形狀誤差（模型結構簡化等）、參數誤差（載荷誤差、物理參數等）等，特別是有限元邊界條件參數的設定往往與實際不相符，導致機床的熱特性分析結果與實際結果存在一定的誤差。為了降低機床有限元分析的誤差，將實驗方法與有限元分析方法相結合，可有效提高精工機床熱特性分析精度。如有學者應用響應面法構造電主軸系統的對流換熱系數與測點溫度之間的隱性關系，以實驗測得的溫度與測點溫度計算值的誤差作為尋優函數，最終優化各對流換熱系數。經修正后的邊界條件能使得到的溫度場結果誤差大大減小，與實驗相結合的精工機床有限元仿真能使所建立的模型更加精確。此外，結合面問題是有限元分析的難點。國內外學者已經在接觸熱問題上做了很多研究，主要從接觸表面形貌和彈塑性接觸機理入手，結合分形理論和統計推理技術等建立合適的熱接觸分析模型，利用建立的模型計算結合面的接觸熱阻，或者采用實驗手段測定實際的接觸熱阻。結合面接觸熱阻影響因素包括接觸體材料類型、結合面壓力、表面加工質量和介質類型等。目前，對機床的主軸或電主軸系統、滾珠絲杠系統以及工件裝配部分的有限元數值模擬均考慮了接觸熱阻的影響，進而為機床整機精確分析提供了條件。雖然有限元法具有邊界適應性好、計算準確度高等優點，但計算過程復雜，適合于理論研究及需要對溫度場詳細了解的場合。熱網絡法是一種基于熱電比擬原理的集中參數數值分析方法，又稱熱阻熱容法。相對于有限元法，熱網絡分析法的優點是物理意義清晰，劃分的節點能夠反映物理模型的本質，并能根據物理模型節點溫度的變化率確定其溫度變化趨勢，其網格劃分簡單，易被工程技術人員掌握。采用熱網絡計算復雜大系統的傳熱問題，具有簡單可行、邊界條件易于處理等優點。尤其是對于包含潤滑冷卻液、油氣混合物、固體結構件等多相傳熱介質的復雜系統熱分析以及薄壁介質問題的處理而言，熱網絡法要優于有限元法。運用熱網絡法可以方便、快捷地實現機床系統的熱設計，量化分析改變材料類型、結構尺寸和接觸狀況對機床溫度場的影響。采用熱網絡法對機床熱關鍵部件，如主軸系統、立柱、軸承等展開熱特性研究是機床熱特性分析的又一個重要手段。