輕質鋁橫梁熱變形淺析

何承義

（江蘇金方圓數控機床有限公司，江蘇揚州225009）

0 引言

鋁橫梁是筆者公司開發的數控激光切割機高速運動的重要部件之一。隨著數控激光切割機的快速發展，其空運行速度多數達到了100 m/min以上。當機床高速切割時，為了達到較好的軌跡精度，要求橫梁質量輕且精度穩定性好。本文對鋁橫梁在實際應用時發生的熱變形進行了分析探討。

1 橫梁的結構

橫梁在激光切割機上，通過兩端的直線導軌導向，雙伺服電機帶動減速箱，通過齒輪齒條驅動，沿X軸方向運動。由圖1及圖2可以看出，橫梁側面的導軌及上部的齒條驅動Y軸運動部件，完成軌跡運動。

圖1 橫梁3D圖

圖2 橫梁截面圖

2 發現問題及解決方法

2.1 發現問題

在夏季高溫試制過程中，我們發現在生產現場將鋼質直線滾珠導軌及齒條與鋁質橫梁裝配后，現場用大理石直尺檢查全程直線度為0.05 mm，移到計量室放置8 h后，檢查全程直線度為0.11 mm。而類似結構的鋼質橫梁則沒有此現象。將鋁橫梁移到計量室后，檢測發現直線度向有導軌的方向變凸。鋁橫梁重新回到車間現場放置一個晚上，復測直線度，又恢復到0.05 mm/全程。

2.2 分析問題

該鋁橫梁部件在不同的環境溫度下產生彎曲變形。由材料力學的溫度變形公式可知：ΔL＝α·Δt·L。

式中：ΔL為溫度變形（伸長），mm；α為材料的線性膨脹系數，在20℃～100℃溫度范圍內，碳鋼的 α＝（10.6～12.2）×10-6℃-1，鋁合金的 α＝（22.0～24.0）×10-6℃-1；Δt為溫度變化，℃；L為梁的長度，mm。

夏季車間與計量室的溫度差取高溫期的平均值約Δt＝15℃，橫梁長度L1＝2710 mm。假設鋁橫梁本體與鋼質直線導軌分別自由伸縮，則鋁橫梁的ΔL1＝（22.0～24.0）×10-6×15.2710＝0.92～0.98 mm；鋼導軌的 ΔL2＝（10.6～12.2）×10-6×15.2710＝0.43～0.50 mm。

但導軌與鋁橫梁是用高強度螺釘緊密組裝到一起，在環境溫度變化時，相互約束平衡，類似于雙金屬片考慮。這樣，當從高溫的車間進入計量室，冷卻均勻后，鋁合金的橫梁收縮大于鋼質導軌，其本身處于受拉伸狀態。而相對來講，鋼質導軌收縮較少處于受壓縮狀態。根據材料力學的受力變形公式：ΔL＝RL/（E·A）及作用力與反作用力定律可知，在受力的結合面上，相互作用力R相同；變形量ΔL近似相同；彈性模量E及截面積A則各自不同。在實際約束狀態下，達到動態平衡狀態。圖3為橫梁縱向受力簡圖。

根據圖3，對鋁橫梁本身而言，作用力R在橫梁的側面，作用力R的方向與橫梁的中心層還有120mm的力臂，彎矩是導致橫梁導軌安裝面向外凸的主要原因。而鋼質導軌的橫截面，比橫梁的小，對彎曲變形的影響可以忽略。

圖3 橫梁縱向受力簡圖

2.3 解決方法

根據TRIZ理論的矛盾矩陣表，被惡化的通用工程參數為形狀（12），被改善的通用工程參數為溫度（17），查矛盾矩陣表為（22、14、19、32）。根據40個發明原理及說明，22為變害為利。其中B項說明：將兩項有害要素疊加以消除危害。結合橫梁結構及受力特點，將兩根導軌由同一側面布置改到對角對稱布置，疊加消除彎曲變形。

根據TRIZ理論的矛盾矩陣表，被惡化的通用工程參數為穩定性（13），被改善的通用工程參數為溫度（17），查矛盾矩陣表為（1、35、32）。根據40個發明原理及說明，1為分割。將安裝在橫梁上的導軌及齒條分割成四段，同樣也可起到弱化該類變形的作用。

35為物理或化學參數的改變。將不同材質改成相同材質。

根據發明問題解決理論（TRIZ）的提示方法，我們首先將導軌及齒條進行分割，安裝到橫梁上，經再次驗證，直線度達到公司的內控標準，但增加了裝配工作量。同時，在改進設計時，我們將導軌安裝位置，改成了對稱結構，經實踐驗證效果良好。

3 結語

鋁橫梁在不同的環境溫度條件下，與鋼質導軌熱脹冷縮不同導致變形。工程技術人員，在新產品開發中，可以在已有工程知識的基礎上利用發明問題解決理論（TRIZ）的提示，對暴露的問題進行分析，能快速找到問題的解決辦法，加速新產品的開發進程。

［1］ 成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2002.

［2］ 劉鴻文.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，1996.

［3］ 趙萍萍.發明問題解決理論（TRIZ）培訓教材［M］.南京：江蘇科學技術出版社，2011.

［4］ 檀潤華.創新設計——TRIZ：發明問題解決理論［M］.北京：機械工業出版社，2002.