銑車復合加工中心熱變形研究

摘要：本文以銑車復合加工中心為研究對象，對其進行了熱—結構耦合有限元分析，利用熱態信息鏈法定量計算出了各零部件對主軸軸端熱位移影響的大小和方向。研究結果表明：①加工中心最大熱變形量為108μm，且出現在主軸后軸承處;②主軸系統和刀架對加工中心軸端熱位移影響最大。刀架主要影響徑向熱誤差，使得軸端向X向產生-18.52μm熱位移，向Y向產生26.74μm熱位移。主軸系統主要影響軸向熱誤差，使得軸端向Z向產生-55.48μm熱位移。研究結果為減小機床熱變形提供理論依據。

Abstract： This paper takes the compound machining center of milling car as the research object， conducts the analysis of the thermal-structure coupled finite element， and uses the thermal state information chain method to quantitatively calculate the size and direction of the influence of each part on the thermal displacement of the spindle end. The results show that： ① The maximum thermal deformation of the machining center is 108 μm and occurs at the back bearing of the spindle; ② The spindle system and tool rest have the greatest influence on the thermal displacement of the shaft end of the machining center. The radial thermal error is mainly affected by the tool holder， resulting in a thermal displacement of -18.52 μm towards X direction and 26.74 μm towards Y direction. The axial thermal error is mainly affected by the spindle system， resulting in a thermal displacement of -55.48μm in the Z direction of the axial end. The results provide theoretical basis for reducing thermal deformation of machine tools.

關鍵詞：熱變形;有限元分析;熱態信息鏈

Key words： thermal deformation;finite element analysis;hot state information chain

中圖分類號：TG65? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）20-0095-02

0? 引言

機床在加工時，受到內部熱源和外部熱源的共同影響使得各個零部件產生不同程度的溫升，進而在零部件內部產生不同程度的熱應力，熱應力就會驅使零部件產生不同程度的熱變形，受裝配約束關系的限制，會導致刀尖與工件的原始相對位置發生偏移，最終引起熱誤差[1]。研究表明：在先進制造領域，由機床熱變形引起的誤差已經占到了機床總誤差的70%左右[2]。因此，對機床熱變形的研究對減少機床加工誤差尤為重要。

本文以某企業生產的銑車復合加工中心為研究對象，對其進行熱—結構耦合有限分析，文章《銑車復合加工中心熱特性研究》中已對加工中心的溫度場進行了有限元分析[3]，本文將溫度場計算結果作為載荷施加到結構分析中，求解加工中心熱變形場。同時，以加工中心熱—結構耦合有限元模型作為載體，利用熱態信息鏈法挖掘各部件對加工中心軸端熱位移的影響大小。

1? 加工中心熱—結構耦合有限元分析

將加工中心溫度場作為載荷，同時施加約束條件，進行熱—結構耦合有限元分析，得到加工中心熱變形云圖如圖1所示。

從圖1可知，最大熱變形點出現在主軸后承軸處，為108μm。床身基本保持不變，立柱上端有一定熱變形，橫梁呈端部變形量大中間變形量小趨勢，刀架右端受擺頭力矩電機發熱產生變形的影響，導致其變形大于刀架左端，轉臺中間變形量大，邊緣變形量小，表現為向上凸起。主軸殼體熱變形表現為前端變形量大，后端變形量小。

2? 加工中心熱態信息鏈

加工中心熱誤差是由所有零部件受熱變形綜合影響而造成的，零部件受熱變形主要表現為拉伸、扭曲、彎曲等，而這些變形受整體裝配約束關系會在零件之間進行疊加、抵消等，最終會反映到主軸前端部造成熱誤差。因此，主軸前端部的熱位移包含主軸自身熱變形造成的熱位移和其他零件熱變形按裝配關系傳遞到軸端造成的熱位移兩部分。

從加工中心熱變形云圖可以知道所有零部件熱變形綜合作用下的軸端熱位移大小，但是無法知道每個零部件影響軸端熱位移的大小，無法有針對性的減小熱誤差。因此，本文將建立銑車復合加工中心的熱態信息鏈來探究各零部件影響軸端熱位移的大小。

2.1 熱態信息拓撲結構

將每個零部件作為一個處理熱流量和熱位移的節點，每個節點接收上一個節的熱信息并通過自身處理，將新的熱信息傳遞到下一個節點，最終傳遞到主軸端部，表現為軸端熱位移。將加工中心拆分成基礎部件：床身、立柱、橫梁，進給系統：X向、Y向、Z向，主軸系統及刀架，然后按照裝配約束關系組合，得到整機熱態信息拓撲結構如圖2所示。

2.2 熱態信息挖掘方法

將整機熱—結構耦合有限元模型作為加工中心熱態信息鏈的載體，通過在ANSYSWorkbench中設定部分零部件的熱膨脹系數為0，使其熱變形為0，那么就可以認為軸端熱位移是由未設定膨脹系數為0的那部分零部件的熱變形通過裝配約束關系疊加而來。

3  各零部件對軸端熱位移影響大小計算

上文將整機按結構拆為8個零部件，即為8個熱態信息節點，令每個節點單獨作用時產生的軸端熱位移為ei（ i=1，2，…，8）。

①令n=i（ i=1，2，…，8），計算節點i單獨作用下軸端熱位移ei;

②在ANSYS Workbench中添加新材料，設置熱膨脹系數為0，材料其余屬性不變;

③用新材料代替剩余節點零部件材料;

④計算第i節點單獨作用下加工中心熱位移場，并提取主軸下斷面中心一處的熱位移ei作為i節點零部件單獨作用下的軸端熱位移。

按照以上方法，分別計算e1-e8，得到各零部件對軸端熱位移的影響大小如表1所示。

從圖1的加工中心熱變形云圖中提取主軸前端面處一點熱位移（X，Y，Z）為（-7.74，，31.45，-56.22），而此時的軸端熱位移由所有零部件共同引起，將此數據與表1合計欄數據（-6.89，29.73，-54.30）進行對比發現，計算誤差為（-0.85，-1.72，-1.92），可知該種方法計算精度較高，最大誤差為1.92μm。

為了直觀對比，將表1中數據繪制成柱狀圖如圖3所示。

結合表1和圖3可知：主軸系統和刀架對加工中心軸端熱位移影響最大。其中：刀架主要影響徑向熱誤差，使得軸端向X向產生-18.52μm熱位移，向Y向產生26.74μm熱位移;主軸系統主要影響軸向熱誤差，使得軸端向Z向產生-55.48μm熱位移。

4? 結語

本文以銑車復合加工中心為研究對象，求解出了加工中心的熱變形云圖，同時，以加工中心熱—結構耦合有限元模型作為載體，利用熱態信息鏈法對各部件影響加工中心軸端熱位移大小進行了挖掘。得出以下結論：主軸系統和刀架對加工中心軸端熱位移影響最大，且刀架主要影響徑向熱誤差，主軸主要影響軸向熱誤差。

參考文獻：

[1]郝國慶，張麗娟，劉勝民.機床的熱誤差產生及補償方法[J]. 民營科技，2014（01）：43-115.

[2]邵靈芝.五軸聯動龍門加工中心熱變形分析及結構優化[D].東南大學，2017.

[3]張彬，金瑩，王丹紅.銑車復合加工中心熱特性研究[J].內燃機與配件，2020（18）：104-105.