摘要: 通過建立高精密數（shù）控立式靜壓圓台磨床的有限元模型，進行了磨床的熱源分析及計算，並采用ANSYS Workbench進行了有（yǒu）限元溫度場分析求解，得到了立式磨床的溫度分布。進而（ér）搭建了機床溫升實驗平台，進行了（le）臥磨頭磨削平麵時的機床溫升實驗。通過對有限元理論分析（xī）求解與實驗結果對（duì）比（bǐ），證明了有限元分析模型及方法的可靠性，為磨床的結（jié）構優化及誤差補償提供了依據。

     0 前言

     我國所產數控機床中（zhōng）經濟型、中檔與（yǔ）高檔之比約為70∶ 29∶ 1，而2010 年（nián）中國消費占全球機床消費額的45. 6%; 其中高檔機床產量高檔數控機（jī）床約占我國市場年消費（fèi）量20% 以上。產（chǎn）品結構矛盾突出，中高端數控機床及其數控係統等關鍵功能件主要依賴進口，依賴度約（yuē）達90%。作為高性能數控機（jī）床（chuáng）的精密數控立（lì）式圓台磨床在國內的發展嚴重不足，在很多（duō）方麵（miàn）上都受到了國外（wài）的限製。隨著國民經濟（jì）的持續發展，新技術的不斷（duàn）出現，對相關產品零件精度等級要（yào）求不斷提高（gāo）。在“十二五”以（yǐ）及更長時期，我國都將進行大範（fàn）圍和深層次的產業結構調整，這將給機（jī）床行（háng）業尤其高端數控機床帶來（lái）巨大機會 。國內市場對精密（mì）數控立式圓台磨床（chuáng）的需（xū）求，在（zài）軍（jun1）工、飛機製造、風電、大型精密軸承、汽車、高檔（dàng）機床（chuáng）等領域均（jun1）呈現持續增長趨勢，而目前（qián）這部分機床的需求主要依賴進口，產品還遠遠不能滿足國內（nèi）市場的需求 。

      為了（le）提高數控立式圓台磨床（chuáng）的精度等級，降低機床因剛性傳動帶來的振動及變形，減小機床溫升及熱變（biàn）形對精度（dù）的影響（xiǎng），采用“中間止推動靜壓油膜軸（zhóu）承（chéng）”和“三麵靜壓（yā）閉式導軌（guǐ）自驅式圓轉台”等關鍵功能部件，並在設計階段進（jìn）行溫度場有限元分析優化設計，控製溫（wēn）度方法研（yán）究; 在試（shì）製階段搭建機床試驗平（píng）台，通過溫度及（jí）熱變形試驗建立機床動態模型，對機床溫度、熱變形及誤差進行分析，並進行熱誤差在線檢測補償研究等（děng），使機（jī）床加工精度可以達到亞微（wēi）米級。

      1 、有限元熱分析

      對數控（kòng）立式圓台磨床的結構進行有限元建模，根據運動切削等工作狀況，建立機床發熱、傳熱的（de）溫度場模型（xíng），分析機床的熱誤差和熱變形，確定機床的熱敏感區（qū）域。

      在熱源（yuán）分析（xī）的基礎上，計算磨床在加工過程中熱分析（xī）邊界條件，將計算得到的熱邊（biān）界（jiè）條件加（jiā）載到（dào）有限元穩態（tài）熱（rè）分析模塊（kuài）中對整機進行（háng）穩態熱分析，得到整機溫度分布圖及熱變形，將（jiāng）分析結果與實驗數據進行對比，對模型及參數進行修（xiū）正，得到可靠的溫度場分析結果。

      文中以北京廣（guǎng）宇大成數控機床有限公司研發的高精度數控閉式靜（jìng）壓轉（zhuǎn）台立（lì）式磨床（chuáng）MGK28120 為研究對（duì）象，建立整機熱特性分（fèn）析有限元模型，如圖1 所示。

       
      圖1 整機有限元模型

      1. 1 熱源（yuán）分析與熱載（zǎi）荷計算

      數控立式圓台磨床熱源主要有: 主軸電機、進給電機、液壓裝置（zhì）、軸承摩擦熱、導軌（guǐ）摩擦熱以及磨削熱等。當磨床工作參數如表1 所示時，各熱源發（fā）熱量計算結果如表2—5 所示。

      表1 磨床加工參數

      表2 電機及（jí）帶（dài）傳動發熱量

      表3 液壓裝置發熱量

      表4 軸（zhóu）承發熱量
     

      表（biǎo）5 磨削熱傳散量

      磨削過程中熱量交換主要以熱傳導（dǎo）與熱對流方（fāng）式為主。在整機熱穩態計算過程中，磨床初始溫度為室溫（wēn）8. 5 ℃ ( 北（běi）方冬天室內溫度) 。床身、立柱、滑鞍材料是鑄（zhù）鐵HT200，導軌絲杠材料是GCr15，主軸材料是38CrMoAl。根據各零（líng）件材料在模型中進行導熱係數的相應設置。

      磨削加工過程（chéng）中使（shǐ）用充（chōng）足的冷卻液，其對流換熱係數如表6 所示 。
 

      表6 對流（liú）換熱係數

      1. 2 溫度場分析

      將以上計算得到的電機、V 帶、滾動軸承、液壓裝置等熱載荷均采用（yòng）恒定熱流率加載於接觸麵（miàn）上，磨削熱為移（yí）動載（zǎi）荷，采（cǎi）用ANSYS 的APDL 語言，通過循環語句在砂（shā）輪與工件的節（jiē）點上進行加載。在接（jiē）觸弧長、砂輪寬度形成的接觸麵上進行磨削熱（rè）流率加載（zǎi），進行溫度求解（jiě），然後消除上一次載荷，將上一次計（jì）算（suàn）結果作為初始（shǐ）值在下一（yī）接觸麵上加（jiā）載，並在下一接觸麵上加載磨削熱流率，如此循環加載求解，模擬移動（dòng）熱源 。導軌滑塊、絲杠螺母等運動副的熱載荷均采用移（yí）動熱源進（jìn）行加載。在有限元模型上設置（zhì）相（xiàng）應的材料屬性（xìng），結合麵設（shè）置為Bonded，隻考慮熱傳導（dǎo）與熱對流，不考（kǎo）慮熱輻射，得到數控（kòng）圓台式立式磨床在臥磨頭（tóu）工作時（shí）穩定工作狀態下穩態熱分析仿真（zhēn）結果如圖2 所示。從圖中可以看（kàn）出（chū），溫度最高的位（wèi）置為臥磨頭電機，機床臥磨頭電機上最高溫度（dù）為30. 3 ℃，臥磨頭主軸上溫度為20. 6 ℃，皮帶（dài）輪溫度為（wéi）18. 9℃，臥磨頭W 軸電機處溫度為16 ℃，臥磨頭U 軸電機溫度21 ℃左右。

      圖2 磨床穩態熱分析

      2 、實驗驗證

      2. 1 實驗平台

     在磨削加工中，影響（xiǎng）磨削溫度的（de）主要因素包括磨削加工參數、磨削方式、砂輪磨粒（lì）特（tè）性和工件材料等 。由於影響因素比較複雜，所以，理論計算不準確，通過采用激光溫度測量儀( 如圖（tú）3 所（suǒ）示) 測出磨床（chuáng）臥磨（mó）頭加工平麵（miàn）時的溫度分布（bù），該儀器可（kě）以通過調節焦距測量一定範圍內的物體表麵（miàn）溫度，並且可（kě）以準確知道圖片（piàn）內任何一點的溫度值。此外，采用32 通道溫度巡檢儀及pt100 熱敏電阻進行機床熱敏感點表麵溫度采樣 ，測點分布如圖4 所示。

      圖3 立式（shì）圓台磨床臥磨頭磨削時機床溫度測量現場

        圖（tú）4 測點分布圖

      2. 2 實驗結果

     測量結果如圖（tú）5 ( a) — ( e) 所示（shì），最低溫度（dù）為環境溫度8. 5 ℃ ( 由於實驗是在冬季（jì）測量，所（suǒ）以環境溫度較低) 。

  
               圖5 高精密（mì）數控（kòng）立（lì）磨磨頭工（gōng）作時溫度場實驗

       圖5 ( a) 為臥磨頭電機溫度測量結果圖，其中M1 為32. 1 ℃，M2 為（wéi）33. 6 ℃; 圖5 ( b) 主軸箱上兩點溫（wēn）度M1 為19. 6 ℃，M2 為20. 1 ℃; 圖5 ( c)為皮帶輪（lún）的溫度實驗，M 點溫度為19. 0 ℃。圖5 ( d) 為臥（wò）磨頭Z 軸進給電機溫度實驗結果，M 點溫度為（wéi）17. 0 ℃; 圖5 ( e) 為磨頭溫度實驗（yàn），M 點溫（wēn）度為9. 8 ℃。從圖中可以看出，臥磨頭主軸電機座（zuò）最高溫升為21. 8 ℃; 其（qí）次，臥磨頭主（zhǔ）軸溫升達（dá）到12 ℃，帶（dài）輪處（chù）溫升（shēng）為10 ℃ 左右，Z 向進給電機溫升為7. 5℃左（zuǒ）右，砂輪的溫（wēn）升為1. 8 ℃。實驗與（yǔ）仿真關鍵點溫度對比如表7 所示。

      由表7 可知（zhī），磨床主要部件的溫度（dù）實（shí）驗與仿真結果是一致的，且其溫升在正常範圍內，所以溫度載荷與熱特性仿真的結果是可靠的，可（kě）以（yǐ）進一步進行機（jī）床熱變形分析，並進行熱誤差分析及補償。

      表7 磨床臥磨頭工作（zuò）時溫度實驗與仿真的對比

       3 、結論

      由於臥磨頭主要用於平麵（miàn）磨（mó）削，在磨削平麵時X、Z 向變形基本不（bú）影響零件加（jiā）工尺寸，Y 向砂輪與工（gōng）件變形會影響工件加工（gōng）尺寸。磨削（xuē）主要用於（yú）表麵精（jīng）加工，一般采取多道工序（xù）磨削。若（ruò）在工序間反複測量，根據測量結果進行磨削量的控（kòng）製，可減小熱變（biàn）形對磨削尺寸精度的影響，否則磨削熱變形對零件加工尺寸精（jīng）度影（yǐng）響較大。此外，由於各方向變形的不均勻，可能會造成工件的平麵度誤差（chà），因此，磨床的熱變形必須給予足夠的重視。