（机械制造及其自动化专业论文）gq1070龙门加工中心热特性分析.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b n l i t t e dt oz h e ji a n gu n i v e r s i t yo f1 e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e e0 fm a s t e r t h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so fg q 10 7 0 g a n t r ym a c h i n i n g c e n t e r c a n d i d a t e ：n c h e n a d v i s o r ：z e y u w b n g c o l l e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e ji a n gu n i v e r s i t yo f7 i e c h n o l o g y n o v2 0 1 2 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：尸享弄足日期：幻f z 每z 月2 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密瓯 ( 请在以上相应方框内打“v ，) 作者签名：聪他日期：加f 2 年f z 月2 p 日 刷噬轹辆l 寻言醐p j 彩 浙江工业大学硕士学位论文 g q l 0 7 0 龙门加工中心热特性分析 摘要 龙门加工中心在运行过程中由于受到自身工艺系统发热、切削热及环境温度变化等 因素的影响，其各部位会产生不同程度的温升，进而导致各零部件不同幅度的热变形， 这会影响到加工中心的加工精度。为了提高加工中心精度，保证产品的质量，需要对加 工中心的热特性进行分析。本文中针对g q l 0 7 0 龙门加工中心进行了研究，分析了其温 度场与热变形的变化规律。 本文主要内容如下： ( 1 ) 总结了机床的误差种类及热误差的防治方法，概括了机床热特性的研究背景及 国内外研究现状。 ( 2 ) 基于传热学基本理论，通过对机床工艺系统传热方式及热源的研究，建立了温 度场的数学模型，对其边界条件进行了讨论，并对温度场的求解方法做了分析。 ( 3 ) 根据g q l 0 7 0 龙门加工中心的结构参数及运行情况，给出了加工中心热源和边界 条件的数学模型，利用a n s y s 建立了加工中心的有限元模型。 ( 4 ) 研究了g q l 0 7 0 龙门加工中心在不同主轴转速下空运行、干铣削及加切削液铣削 时的整机热特性，分析了其温度场及热变形的特点：该加工中心空运行时各部位温度并 非全都是随转速提高而上升，干铣削和加切削液铣削时各部位温度则均是随转速提高而 上升，加工中心热变形大小主要与温度场分布的均匀程度有关。 ( 5 ) 对g q l 0 7 0 龙门加工中心在不同工况下温度随时间的变化进行了实测，将试验得 到的数据与有限元求解得到的计算值进行了比较，验证了有限元分析的准确性。 关键词：龙门加工中心，热特性，温度场，热变形，a n s y s a b s t r a c t t h et h e r m a i 。c h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so f g q l 0 7 0g a n t r ym l a c h i n i n g c e n t e r a b s t r a c t b e c a u s eo ft h eh e a to ft h e i ro w ，1 1p r o c e s ss y s t e 地c u t t i i 培h e a ta n de n v i r o 衄e n t a l t e r n p e r a t u r ec h a n g ei 1 1t h e i rw o r kp r o c e s s ，d i 伍醯e n tp a r t so ft h eg a n t 巧m a c h i n i i l gc e n t e rw i l l h a v ed i 妇f e r e n td e g r e e so ft e r i 】p e r a l 眦er i s e ，w r h i c hw i l l l e a dt ot h e r i i l a ld e 南m a t i o no f v a r i o u sc o h 】p o n e n t sa i l dh a v ea ne 虢c to nt h e1 1 1 a c h i l l i i l ga c c u r a c yo fr m c h i i l i i l gc e n t e r i n o r d e rt oi i i l p r o v et h ea c c u r a c yo fm a c h i l l i i l gc e n t e ra n dg u 绷m t e et h eq u a l i t yo fi t sp r o d u c t s ， w es h o u l dt o a i l a l y z et h et h e n n a lc h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i l l i n gc e n t e r i nt h i sp 印e r t h e g q 10 7 0g 锄t 巧m a c h i i l i i l gc e n t e rh a sb e e nr e s e a r c h e df o r t h ec h a n g em l eo fi t st e m p e r a t l l r e f i e l da r l dt h e n n a lc h a r a c t e r i s t i c s t h em a i l lc o n t e n to ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： ( 1 ) s 眦盥a r i z et h ee r r o rt y p e sa n dt h ec o n t r o lm e t h o do ft h e r m a le r r o ro f1 1 1 a c h i l l i n g c e n t e r ，锄i r o d u c et h er e s e a r c hb a c k 铲o u n da 1 1 dt h ep r e s e n ts i t u a t i o no f1 1 1 a c h i l l i i l gc e n t e r t h e r n l a lc h a r a c t e r i s t i c s ( 2 ) b a s e do n am a t h e m a t i c a lm o d e lo f t e r n p e r a t u r ef i e l dc a l c u l a t i o i l ，t h r o u g hd i s c u s st h e b o u i l d a r yc o n d i t i o n so fm a c h i n i i l gc e m e r ，a n a l 、y ，z et h ei i l e t h o do fc a l c u l a t i i l gt h et e i l l p e r a t u r e f i e l db a s e do nh e a t 仃a i l s f e rt h e o 巧k n o w l e d g ea n dt h ew a yo f h e a tt r a n s 衙a n dh e a ts o u r c eo f m a c h i i l i i l gc e n t e rp r o c e s ss y s t e m ( 3 ) e s t a b l i s ht h ef i l l i t ee l e m e n tm o d e lo fg q 10 7 0m a c h i l l i i l gc e n t e rb yt h es o 胁a r e a n s y sa n dg i v et h em a t h e i m t i c a lm o d e lo ft h em a c h i i l i i l gc e n t e rh e a ts o u r c ea n dt h e b o u i l d a r yc o n d i t i o na c c o r d i i l g t ot h es t m c t u r ep a r 锄e t e r sa 1 1 dw o r k i r 培c o n d i t i o l l so f m a c h i n i n gc e n t e r ( 4 ) a n a l y z et h et h e m l a lp r o p e r t i e sa td i 旧f e r e n ts p i n d l es p e e do f t h eg q l 0 7 0m a c h i n i i l g c e n t e ri i lt h ee m p t yo p e r a t i 0 玛d r ym i l l i i l gc o n d i t i o na n di n j l l i l l gw i t hc 眦i i l gn u i dc o n d i t i o nt o g e ta i l da n a l y z et h ec h a n g em l eo ft e i l l p e r a t l l r e 毹l da n dt h e m l a ld e f o r m a t i o n t h er e s u h s s h o w e dt h a tt h et e m p e r a t u r e so fv a r i o u sp a r t so ft h ei i l a c h i n i i l gc e n t e ra r en o ta ur i s ew i t ht h e i i 浙江工业大学硕士学位论文 s p e e di 1 1 c r e a s ei 1 1e m p t yo p e r a t i o l l ，b ma u r i s ew “ht h es p e e di 1 1 c r e a s ei 1 1d r ) ，m i l l i i l gc o n d i t i o n a n di i l i l l 崦w i t hc u t t 吨n u i dc o n d i t i o l l t h es i z e so ft h e1 1 1 a c h i l l 啦c e n t e rt h 咖a l d e f o m a t i o na r em a i l l l yr e l a t e dt ot h ed e 伊e eo f u n i f o m l i t yo f t h et e m p e r a t l l r ed i s t 同) u t i o n ( 5 ) h a v et h et e m p e r a t u r et e s to nm a c h i n i l l gc e n t e ra 1 1 dc o i n p a r et 1 1 ec a l c u l a t i o n 1 u eg o t b yt h ef m i t ee l e i n e n tm e t h o dw i t ht h ed a t ao b t a i l l e db yt e s t b yt h i sw a y ，t h ea c c u r a c yo f t h e c a l c u l a t i o nr e s u ni sp r o v e d k e yw o r d s ：g a n t r y1 1 1 a c h i n i i l gc e n t e r t h e m a lc h a r a c t 嘶s t i c s ，t e m p e r a t u r e & l d ，t h e m a l d e 南m a t i o 玛a n s y s i u 符号说明 一_ 符号说明 a 一导热系数 口一对流放热系数 p 一材料密度 g 一物体内部的热源密度 c 一材料比热 ，一物体的温度 f 一经历的时间 v 一拉普拉斯运算符号 c 一切削力 v 一切削速度 c 一进给力 一工件转速 一决定于被加工金属和切削条件的系数 口p 一背吃刀量 厂一进给量 1 ，一切削速度 如一背吃刀量的指数 k 一进给量的指数 一切削速度的指数 k 一不同切削条件时的修正系数 i v 浙江工业大学硕士学位论文 h 电机在一定输出扭矩和转速下的功率 卵一电机的机械效率 m 一工作时的输出力矩 刀一电机工作时的转速 厶一与轴承类型及润滑方式有关的系数 万一轴承转速 y 一在工作温度下润滑剂的运动粘度 叱一轴承节圆直径 石一与轴承类型及其所受载荷有关的系数 兄一用来确定轴承摩擦力矩的计算负荷 磊一轴承的当量静载荷 c 0 一基本额定静载荷( n ) c 一轴承的轴向载荷 p 一径向载荷 必一径向载荷系数 殆一是轴向载荷系数 三特征尺寸 p r 一普朗特数 函一格拉晓夫准数 r e 一雷诺数 v 目录 目录 摘| 要i a b s t r a c t 符号说明 第1 章绪论1 1 1 选题的目的和意义1 1 2 机床误差分析及热误差防治2 1 3 国内外机床热态特性的研究现状及发展趋势5 1 4 本论文主要研究内容9 1 5 本章小结9 第2 章机床热特性理论1 0 2 1 传热学基本理论l o 2 2 机床热传递方式1 1 2 3 机床工艺系统热源1 3 2 4 温度场的数学模型及边界条件1 4 2 4 1 温度场简介1 4 2 4 2 导热微分方程1 4 2 4 3 温度场的求解方法1 8 2 5 本章小结2 0 第3 章机床热特性分析方法与过程。2 1 3 1a n s y s 分析过程2 1 3 2 机床有限元模型的建立2 2 3 2 1 有限元实体模型的建立2 2 3 2 2 单元的选择与材料属性的设定2 4 3 2 3 网格的划分2 5 3 3 施加载荷并求解2 7 3 4 机床边界条件分析2 7 3 5 本章小结3 4 第4 章g q l 0 7 0 龙门加工中心整机热特性分析3 5 4 1g q l 0 7 0 龙门加工中心整机有限元模型3 5 4 1 1g 0 1 0 7 0 龙门加工中心简介3 5 4 1 2g 0 1 0 7 0 龙门加工中心有限元模型的建立3 5 4 2g q l 0 7 0 龙门加工中心有限元模型热边界条件3 8 4 2 1g q l 0 7 0 龙门加工中心有限元模型工况的设置3 8 v i 浙江工业大学硕士学位论文 4 2 2g q l 0 7 0 龙门加工中心有限元模型热边界的确定3 9 4 3g q l 0 7 0 龙门加工中心温度场分析4 1 4 3 1 加工中心空运行温度场及温升过程分析4 1 4 3 2 加工中心干铣削工况下温度场及温升过程分析4 7 4 3 3 加工中心加切削液铣削工况下温度场及温升过程分析5 2 4 4g q l 0 7 0 龙门加工中心热变形分析5 7 4 4 1 热变形的有限元分析5 7 4 4 2 加工中心热变形分析5 9 4 5 结论6 5 4 6 本章小结6 6 第5 章g q l 0 7 0 龙门加工中心热特性的试验研究6 7 5 1 试验方案6 7 5 1 1g q l 0 7 0 龙门加工中心试验工况设置6 7 5 1 2 测量方法及仪器6 7 5 1 3 测温点6 9 5 2 试验结果与分析7 1 5 2 1 加工中心空运行试验结果与分析7 1 5 2 2 加工中心铣削试验结果与分析7 4 5 3 结论7 6 5 4 本章小结7 6 第6 章结论与展望7 8 6 1 结论7 8 6 2 展望7 9 参考文献8 0 蓟【谢8 4 攻读学位期间参加的科研项目和成果8 5 v 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的目的和意义 在市场经济迅猛发展的当今，企业与企业、国家与国家之间的竞争愈演愈烈，想要 赢得竞争，就要以市场为导向，以用户为中心，实时响应市场的要求，快速满足用户的 需要，而这在很大程度上依赖于机械制造业的发展。机械制造业是为国家各工业部门提 供所需技术装备的基础行业，在整个国民经济体系乃至国防体系中都拥有着不容置疑的 重要性。数控加工是实现多品种、中小批量生产自动化的最有效的方式，是现代制造业 中的主力军，而在数控加工中，数控机床，特别是各种高效多功能的加工中心，因其生 产上的高柔性、高精度、高速度、高效率及高可靠性等优点，己成为机械制造加工领域 中占据主导地位的加工设备，被广泛应用于车辆、航空、船舶、军工、仪器仪表等领域。 一些新兴的高科技项目，如微电子器件、数字通讯技术、现代医药产业及机电一体化产 品等，也都需要先进的加工中心来提供相应的支持。加工中心的制造精度和控制精度可 以说直接决定了整个国家机械制造加工业的整体水平。 相比于一般的加工中心，龙门加工中心有着独特的结构特性与工作性能。利用自动 换刀和自动更换附件头功能，龙门加工中心在一次安装中即能在曲面体和箱体的各个面 上进行钻、扩、铰、镗、铣、攻丝和螺纹加工等多工序、多工位的加工，故能够在保持 很高的加工精度、位置精度及表面质量的情况下连续地按设定程序完成曲面体或箱形五 面体等复杂零件的加工，其中，在对长形复杂多面类零件的加工上更有着得天独厚优势。 一台龙门加工中心的加工效率基本相当于两台三轴普通机床，甚至由于省去了某些大型 自动化生产线，还大大节约了占地空间及不同制造单元之间的周转运输时间与费用。正 是由于龙门加工中心所具有的极高的生产效率和极佳的经济性能，如今，龙门加工中心 已越来越广泛地被应用于汽车、航空航天、军工、铁路、桥梁、能源等行业。因此，研 究龙门加工中心的相关技术，进一步提高其加工效率与精度，对整个机械制造业有着非 常重要意义。 加工中心在工作过程中由于受到摩擦热、切削热和室温变化等多种热源扰动的影响， 第l 章绪论 其各部位会产生不同程度的温度变化，进而形成非均匀的温度场，使得加工中心各零部 件只有通过产生变形来平衡热应力的作用。这便导致了加工中心各零部件不同幅值的热 位移，进而会引起拉、压、弯、扭等多种热变形，并将因此改变加工中心系统中各零部 件的相对位置，破坏其相对运动的正确性，使得加工尺寸发生变化，最终影响零件的加 工精度。现有的大量研究表明【1 2 ，精密加工中的热变形已成为影响系统加工精度稳定性 的关键因素，由其所引起的加工误差在总误差中所占的比例通常在5 0 以上，有时甚至 可达到接近7 0 的程度【3 4 】。由此可见，如何深入研究加工中心热特性，减小加工中心热 变形，是提高加工中心精度中至关重要的问题。 我国加工中心的整体水平与国外同等加工中心相比依旧有相当差距，现在国内大部 分企业仍习惯于通过严格控制生产制造环境、增大加工中心零部件及整体刚度、提高制 造和装配精度等传统措施来保证加工中心精度，这明显已不能满足正处于从制造大国向 制造强国方向发展关键时期的我国对加工中心的质量、精度及技术含量日益提高的要 求。在这种情况下，加强对加工中心温度场及热变形规律的探索，通过控制加工中心的 热误差来提高其加工精度，无疑是改善我国加工中心现状的一个行之有效的研究方向。 1 2 机床误差分析及热误差防治 由于制造、安装过程的不精确及工作中必然会产生的磨损、变形等原因，任何机床 都存在着误差。误差现象的普遍存在严重影响着机床的制造精度和控制精度，故误差问 题一直受到人们的广泛关注，并被大量的研列5 1 。机床的主要误差来源有： ( 1 ) 几何误差：是由于机床原始制造、装配的不精确等所造成的机床固有误差，其大 小反映了机床在空载条件下，不运动或运动速度较低时各主要部件的形状及相互位置的 精确程度，如导轨的直线度，主轴的径向跳动及轴向窜动，主轴中心线相对滑台移动方 向的平行度或垂直度误差等。几何误差可以直接测量，但是测量结果常常会包含其它误 差比如说热误差等。 ( 2 ) 运动误差：指机床的定位部件运动到指定位置的误差，反应了机床达到准确位置 的能力，通常也称为定位误差。进给控制系统的精度、刚度以及其动态特性，数控插补 算法的精度等都会影响定位误差，而实际工作时机床运动件的速度、质量、摩擦力等也 是产生定位误差的重要因素。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 载荷变形误差：机床因受到各种力( 包括切削力、重力、装卡力及振动力等) 而引 起的变形所造成的误差，主要与主轴部件刚度，滑枕部件刚度，横梁部件刚度等机床的 结构刚度有关，故通常也称为刚度误差。 ( 4 ) 热变形误差：由生产过程中的各热源引起机床温度变化造成各组件热变形所造成 的机床误差，如主轴热伸长、热膨胀、热倾斜、热漂移，导轨的中凸或翘曲等。热变形 误差往往具有复杂的非线性特性，直接测量较困难。在精密加工时热变形误差的影响很 大，极易导致工件的尺寸误差和形状误差。 ( 5 ) 其它误差：如机床各个传动链之间产生的传动误差，检测系统的性能、测量精度 限制等造成的检测误差，刀具等零部件磨损产生的磨损误差，外界干扰所造成的随机误 差等。 在这些误差中，几何误差、载荷变形误差与热变形误差对机床精度的影响较明显， 而随着对机床结构研究的日趋成熟，现代机床的精度和刚度一般都比较高，同时，在精 密加工过程中，随着主轴转速和零件表面加工质量的提高，切削深度与走刀量普遍都比 较小，刀具的切削性能却随着相关技术的发展在不断提升，故切削力及其产生的变形自 然也随之变小。所以说，在精密加工中，机床热变形对其加工精度的影响相比与工艺系 统几何误差、载荷变形误差正显得越来越突出，对其的研究不容懈怠。 在现有的研究中，要减小机床热误差，提高机床加工精度有两种基本方法【6 ，7 】：误差 预防法和误差控制法。误差预防法是一种“硬技术”，是通过合理的设计、改进机床结构， 以提高制造精度来消除或减少可能的热误差源，同时严格控制加工环境和使用条件，从 而达到抑制热变形产生的目的。一般设计机床时要求结构和热源分布对称，使得对称方 向上的温度差、热倾斜减小到最低程度；要尽可能使机床热变形发生在非误差敏感方向 上，并尽量减小热变形有效长度，以减小热变形总量。此外，还应将主要热源从机床本 体中分离出去，并完善部件结构，安装冷却装置，以达到减小热源强度的目的。从机床 的热刚度着手进行机床热态特性优化设计也是一种常用方法，例如改换低热膨胀系数的 构件材料等。控制环境温度对提高加工精度同样也很关键，机床周围的环境温度以及阳 光、灯光和取暖设备的热辐射对机床精度的影响不容忽视。实行季节性调温，可以减小 环境温度变化对机床的影响。误差预防法能从根本上保障机床的加工精度，但其有很大 的局限性，由于加工环境的非线性、时变性和复杂性，实施效果常常并不十分理想，且 第l 章绪论 随着加工精度的提高，技术上的实现变得越来越困难，经济上的代价也会越来越昂贵。 误差控制法可分为温度调节法及误差补偿法两种。温度调节法主要是通过温升控制 来保持机床工作精度，其常用方法为：( 1 ) 强制冷却。机床整机设计定型后，经由对内热 源进行强制冷却，使其温升始终处于精度允许范围内。主轴部分常采用水或润滑油循环 冷却方法，即如果主轴的润滑油温度超过规定值，则启动制冷机进行强制冷却。这种方 法能有效控制主轴轴承的温升，并可缩短主轴达到热平衡的时间。此外，一些发达国家 己开发了热管技术，能有目的地传递热量以均衡机床温升或向外排出热量。( 2 ) 设置辅助 热源。利用人工热源，缩短机床达到热平衡的时间、减少加工中温度场变化，从而达到 均衡温度场，稳定热态加工精度的目的。由于结构设计和制造等方面的原因，机床的主 要内热源往往不能得到快速、充分的冷却，尤其是大型机床，整体温度梯度较大，所以 通常需要综合使用强制冷却和辅助热源两种方法来均衡机床温度场。强制冷却和辅助热 源法的优点在于它较少改动原机床结构，易于实现，成本较低而见效快，且能在不降低 静、动态性能的前提下达到改善机床热态精度的目的。 误差补偿法是通过分析影响加工精度的不同误差来源，建立机床空间热误差模型， 结合测量现场所得的温度值来实时地预测热误差，在补偿模型输出热误差预测值的基础 上人为地造出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差。误差补偿法不需要对机床 的结构和制造做重大调整，是一种既有效又经济的提高机床加工精度的“软技术”。采用 误差补偿技术可以在不提高机床本身加工精度的条件下，比较容易地达到“硬技术”要花 费很大代价才能达到的精度水平，其加工精度甚至可超越母机。然而，热误差补偿技术 的现状是机床热态特性的检测和辨识时间过长，正确且便捷的热误差模型建立方法及提 高模型鲁棒性的手段仍在不断的探索与完善中。在生产领域中使用的机床种类繁多，而 不同类型的机床往往不能用统一的数学模型来描述变形规律，浪费了大量的重复开发费 用；对于不同机床要重新确定最佳温度测点，就是同台机床不同的时间、切削条件也需 要重新确定测点采集数据，极大地削弱了补偿技术的通用型引。所以现今机床的热误差 补偿技术大多数还停留在实验室的范围内【9 ，在实际生产中难以大规模、长时间的应用。 要减小机床的热误差，其前提条件是必须要掌握机床热误差的产生与其变化趋 势。本文拟通过对龙门加工中心进行整机热特性分析来研究加工中心运行过程中温度 场及热变形量的变化规律，这对误差预防法和误差控制法的深入研究与实际运用都有 4 浙江工业大学硕士学位论文 很大帮助。 1 3国内外机床热态特性的研究现状及发展趋势 最早发现机床热变形现象并对其进行研究的国家是瑞士。1 9 3 3 年，瑞士通过对坐标 镗床进行测量分析后发现机床热变形是影响定位精度的主要因素。其后，在2 0 世纪3 0 、 4 0 年代，各国相关学者对机床热变形的研究主要集中于对机床热特性的实用性改进。大 约在5 0 年代，开始了对机床的误差补偿，如用螺距校正尺刚性补偿丝杠螺距误差等。国 际上对机床热变形较系统的理论研究始于6 0 年代，从那时起研究者们就机床热性能进行 了大量的分析。研究的初期阶段主要是利用热力学理论知识研究机床热变形问题，初步 建立了温度场与热变形之间的定性关系，直到7 0 年代初，由于计算机等高效分析工具和 远红外热像仪、激光全息照相等测试技术在热变形研究中的有效应用，才使机床热变形 研究进入了定量分析的新阶段。1 9 7 5 年，o l ( u s h i m a 【l o 】等提出用线形、单变量数学模型 来确定立式铣床某些敏感点温度的变化和主轴热伸长之间的定量关系，由此开启了热变 形的定量研究工作。之后研究人员开始利用有限差分法及有限元法来计算复杂的机床基 础件的瞬态、稳态温度场及热膨胀、热变形等【1 1 1 ，并在此基础上尝试着对机床进行优化 设计 1 2 14 1 。7 0 年代后期，出现了机床热变形的数控补偿技术。到了8 0 年代初期，误差补 偿技术已成功地用于坐标测量机上【15 1 。同期，v e n u g o p a lr 【1 6 1 指出，尽管热变形对机床 精度的影响极其复杂，其所造成的误差却是显著的、可预见的，故能够通过分析加工中 心温度场、热变形来提高加工中心加工精度。经过几十年不懈的探索，直至今日已有大 批的专家学者在加工中心热变形这一问题上进行了大量的研究分析，发表了许多相关文 章，并取得了相当的成绩。 在国外，研究机床热误差方面比较有影响的有美国的密西根大学、国家标准和技术 所( n i s t ) ，日本的东京大学、日立精机，德国的阿亨大学、柏林工业大学等【1 7 】。如美国 密西根大学就曾在1 9 9 6 年与美国s m s 公司共同研制和开发了集热误差、几何误差和切削 力误差为一体的误差补偿系统，并成功地实施于该公司生产的双主轴数控车床上【1 8 】，在 1 9 9 7 年则成功地将热误差补偿技术应用于通用( g m ) 公司下属一家离合器制造厂的1 0 0 多台类型及规格基本相同车削中心上，使其加工精度提高1 倍以上【l 9 1 。 美国密西根大学的j 堍x i ay u a n 【2 0 等人研究了包括机床几何误差、热误差，切削力 第1 章绪论 引起的误差及工件热误差等误差在内的实时误差补偿技术，并对实现实时误差补偿的一 般方法、误差综合模型的建立、热误差模态的确定、传感器位置的优化问题等进行了深 入的探索，得到了较好的解决方法。他们的误差补偿技术可用于大、中、小各型的车削 机床及加工中心等多种设备，能大幅提高设备的加工精度。 加拿大肯高迪亚大学的m h 从i a 和s f r a s e r 【2 1 】基于真实加工过程与简化动态模型 间的数学相似性，采用有限元方法分析了机床整体的瞬态温度场，利用广义建模方法对 机床进行了间接补偿。他们将温度场划分为多个较规则单元，通过温度场仿真与相关性 选择，预测了温度测点的最优布点数量和最佳识别位置，并通过合理地筛选随机温度误 差作为源数据改善了对热变形的预测。这种方法可以应用于各种机床而不受到机床结构 变化的影响，有很强的实用性。 英国哥伦比亚大学的i s m a i ll a z o g l u 【2 2 】对稳态连续的切削加工过程和随时间变化的 断续铣削加工过程中产生的剪切发热、摩擦发热及刀具与切屑间的热量分配进行了研 究，并运用有限差分法建立了两种加工的数值模型，以此对两种加工情况下刀具与切屑 的温度场进行了预测，其结果与实验实测温度数据相当符合。 韩国的k i m s k 【2 3 。4 】等采用有限元方法建立了机床滚珠丝杠系统的温度场，并在 此基础上研究了施加轴向预负载的滚珠丝杠在不同转速、停顿位置及运行时间下的温度 场变化规律。通过与将实验实时测量的温度作为输入量建立的热误差时变动态模型间的 对照，他们发现采用有限元方法进行建模，可以很好地预测出丝杠的稳态温度场，但对 动态温度场的预测效果却不是很理想。所以，他们又利用罚函数对滚珠丝杠的动态误差 模型进行了修正，最终得到了较好的动态温度场的预测效果。 韩国的血k y u n gc h o i 等【2 5 1 对高速轴及轴承系统进行了有限元仿真，对其热特性进 行了研究，得到了理论上可能发生的热变形，同时还根据仿真结果实际制造出了一个轴 和轴承的原型系统。将通过在原型系统上进行热误差测量实验所得的数据与仿真做了对 比后，数据间的微小误差表明有限元方法在分析轴和轴承系统热特性上是比较准确的。 新加坡国立大学的r r a m e s h 与m a m a 姗a n 等【2 6 】研究了不同工作条件( 主轴转速、 丝杠进给速度、工作台载荷等) 对机床热特性的影响，并通过不同的工作条件下机床体 现出的热特征对工作条件进行了分组，每组所对应的温度场表达式各不相同。在此基础 上，他们在进行预测时首先将机床的工作条件归类到相应的组中，之后再应用人工神经 浙江工业大学硕士学位论文 网络对各组中机床工作时的温度场进行预测，经实验验证分组后的预测数据比未分组时 有更高的准确性。 相关的研究还有诸如：美国辛辛那提大学的d i e g oa m u r i o 【27 】运用分数类型线性扩 散方程，通过一维半无限导热体上某些测点的瞬态温度数据逆向求解了导热体的边界温 度和热流密度；与d i e g oa m u r i o 同一学校的s h y h c h o u rh u a n g f 2 8 】贝0 选择热源的关键点 ( 前轴承，螺母，后轴承) 作为分析模型的独立变量，将多重衰退的方法应用于分析滚珠 丝杠进给系统的热变形，较好地了预测滚珠丝杠随着旋转速度的变化时的热变形；c h e n 等人 2 9 】提出了适用于非刚体条件的运动学模型，且通过齐次变换方法建立了几何与热误 差的模型，该模型考虑了3 2 项误差；r a h m a n 【3 0 】等人基于齐次坐标矩阵建立起了包含几 何误差、回转轴误差、热误差及弹性变形误差的多轴数控机床准静态误差综合空间误差 模型；美国西拉斐特珀杜大学的b e m db o s s m a n s 等【3 l 】用有限差分热态建模的方法对高速 电主轴进行了应力场、热传导和热漂移分析等等。 国内在机床热特性研究上起步较晚，在2 0 世纪5 0 年代才开始对机床的热变形进行初 步研究，当时大连工学院在一台内圆磨床上定程磨削了一批零件并进行了测量，应用统 计法对零件尺寸误差进行了分析，结果发现机床热变形是引起这批零件加工误差的主要 原因。在2 0 世纪6 0 至7 0 年代，北京机床研究所、上海机床厂等单位也对热变形做了大量 的研究工作，而浙江大学等院校、科研单位则对机床的热态几何精度超差问题进行了攻 关。2 0 世纪8 0 年代，上海交通大学通过对机床热特性的测定、分析，得到了机床温度场 分布图，并进行了一系列误差补偿研究工作，逐步将误差实时补偿技术应用于工厂企业； 浙江大学根据热弹性理论推导了刀具的热变形计算公式【3 2 1 ，对车刀热变形误差进行了微 机补偿，并在9 0 年代提出了“热敏感度”和“热耦合度”的概念，描述了复杂的机床热系统， 为在机床上温度测点的选取和热误差建模提供了重要依据【3 3 1 。此后，天津大学、华中科 技大学、清华大学、哈尔滨大学、南京航空航天大学、东南大学、上海交通大学、浙江 工业大学等学院的许多学者都在热变形方面做过较深入的研究【3 4 1 。 东南大学的缪亚雄【3 5 】基于弹性力学、热变形基本方程和有限元理论建立了滚珠丝杠 的三维温度场及热变形数学模型，并在系统分析了滚珠丝杠热源模型、边界条件及结合 面的热传导系数的基础上，建立了滚珠丝杠温度场的有限元模型，且利用试验数据对其 进行了修正与验证。之后又以温度场为载荷，对机床滚珠丝杠的热变形进行了详细的分 第1 章绪论 析，得到了滚珠丝杠在单独运行及组装在整机中运行两种情况下的热变形及其对机床加 工精度的影响程度，并用有限元法对比分析了滚珠丝杠的三种常用支承方式对其温升及 热变形的影响，在此基础上对滚珠丝杠进行了结构优化。 华中科技大学的夏军勇、吴波等【3 6 以传热学理论为基础，通过叠加法求解了电机功 率损耗产生的发热、丝杠两端轴承摩擦发热、丝杠与丝杠螺母摩擦发热等多变化热源作 用下滚珠丝杠的温度场函数，研究了滚珠丝杠受周期变化的端热源影响而产生的温度响 应，得出了滚珠丝杠在其行程内热误差的动态变化规律，并通过有限元仿真，进一步验 证了理论结果的正确性，得到了滚珠丝杠在行程内热误差动态变化的曲线图。 浙江大学的姚永琪【3 7 】结合前人的研究工作，在分析切削加工剪切面热源时，对h a l l l l 模型进行了改进，引入了假想热源的概念，考虑了半无限介质中移动带热源对切削区域 温度分布的影响；在研究摩擦热源时，对j a e g e r 处理热源的方法做了一定的修改；之后 综合考虑两种热源，得到了切屑、刀具和工件上温度场的分布情况。同时，其还应用 a b a q u s 设置了切削边界条件，定义了适当的分离准则，建立了模拟加工过程的简单有 限元切削模型，比较了不同的切削条件下各个部件应力场和温度场分布的差异。 中正大学的j e n q s h y o n gc h e n 【3 8 - 3 9 1 对比研究了空运行与实际切削状态下机床温度与 热变形的变化，指出实际切削情况下机床的热特性与空运行时有许多不同之处。实验中 着重分析了主轴转速、丝杠进给速度、冷却开启与否、切削深度等因素对两种工作状态 下机床热特性的影响，并运用多变量回归分析与人工神经网络误差模型对各工况下机床 热误差进行了预测。研究表明，用空运行时测得的数据预估实际切削时的热误差会有较 大偏差，而用空运行与实际切削的混合数据来预估则有较高的精度。 浙江大学的钱华芳等人【4 0 】采用有限元分析方法和模态分析方法研究了主轴模型温 度场和热变形的动态特性，从时域和频域两方面对其热误差进行了分析，在热变形模态 与振动模态相似性的基础上获得了二维与三维模型的测温传感器最佳布置位置，并对传 感器在机床上的多维优化布置进行了探索。通过在数控机床上进行的传感器优化布置与 热误差建模表明此方法在大大减少了温度变量的同时仍保持了较高的预测精度。 除了以上研究之外，刘兴业、殷国富等人【4 1 也在a n s y s 中求解了滚珠丝杠的温度 场和热变形并获得了丝杠表面温度场的分布趋势及丝杠进给方向上热变形的变化情况， 胡艳艳 4 2 贝0 在结合理论分析和加工试验的基础上应用数值模拟方法研究了高速切削过 浙江工业大学硕士学位论文 程中温度场的变化规律等等。而与本人同一实验室的王金生【4 3 】还基于热传导和热弹塑性 理论知识，对数控铣床热源及热边界条件的数学模型进行了研究，利用a n s y s 建立了铣 床主轴、主轴箱及整机的有限元模型，并借此对铣床主轴系统与整机热特性进行了热特 性分析，为数控铣床的优化设计提供了理论依据。 综上所述，根据以上的国内外研究现状我们可以看出，机床温度场及热变形的变 化规律问题在近几十年中已有了较系统的研究，应用有限元方法建立机床模型并对其 进行热特性分析已成为研究机床热特性问题的较为成熟的方法之一。但是，现有的文 献中大量的研究主要集中在对主轴温度场、热变形的分析上，对机床进行整机分析的 研究较少。同时，目前大部分的研究都是针对机床空运行情况下进行的，对其在实际 工作过程中的热特性研究的很少。 本文拟利用大型通用有限元分析软件a n s y s 建立加工中心在空运行及铣削工况 下的整机有限元模型，并对其整机温度场及热变形进行分析，以期能得到正确的温度 场及热变形的变化规律，为加工中心结构的参数化设计及热特性方面的优化提供依据。 1 4 本论文主要研究内容 本文根据国内外机床热特性的研究现状和发展趋势，针对g q l 0 7 0 龙门加工中心进 行了以下几方面的研究： ( 1 ) 确定g q l 0 7 0 龙门加工中心在各种工况下的热源及边界条件的数学模型，建立加 工中心的有限元模型，这是对加工中心进行热分析的基础。 ( 2 ) 对加工中心在不同主轴转速下进行空运行、干铣削及加切削液铣削时的热特性进 行分析，研