（机械制造及其自动化专业论文）高速精密数控冲床的热平衡设计与仿真研究.pdf

摘要高速精密数控冲床的 f i i i iii ii i 1 111 11 1 111111 y 1919 2 7 8 摘要 随着高速精密数控冲床向高速、精密方向的发展，冲床的热态特性以及由此带 来的热变形问题成为迫切解决的课题之一。论文以国家科技重大专项“高档数控机 床与基础制造装备 项目“高速精密数控冲床”为背景，以某型高速冲床为研究对 象做以下研究。 首先，通过研究冲床的热源、受力状况、传热机制，运用m a t l a b 软件求解 了冲床的曲轴的受力，计算了冲床的传热系数，为冲床的热分析提供参考依据。 其次，利用s o l i d w o r k s 建立了曲轴系统、导轨系统以及冲床整机的三维模型， 运用a n s y s 软件分别对曲轴系统、导轨系统以及整机进行热结构耦合分析，求解 了温度场和应力场，验证了有限元模型的正确性，分析了各因素对冲床热变形的影 响，提出了提高冲床加工精度的有效措施。 再次，研究了冲床冷却系统的热平衡设计过程，并设计了冲床的热平衡冷却系 统，对冷却系统各部件进行了认真的选型和计算，然后从控制的角度分析了冲床冷 却系统的热平衡控制流程。 最后，运用s o l i d w o r k s 对冷却系统的油路进行建模，使用f u l e n t 软件对冷却 油路进行仿真分析，验证了冷却系统设计的正确性。分析了冷却油量对冷却系统出 口温度的影响，分析表明在冷却油量为3 4 6 l m i n 时冲床的温度场和热变形能够得 到最佳改善。 关键词：高速精密数控冲床，热变形，a n s y s ，f u l e n t ，冷却系统 a b s t r a c t 高速精密数控冲床的热平衡设计与仿真研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i 曲- s p e e dp r e c i s i o np r e s si nh i g h e rs p e e da n dh i g h e r p r e c i s i o n ，t h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i co fh i g h s p e e dp r e c i s i o np r e s sa n di t st h e r m a l d e f o r m a t i o na r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h ef o l l w i n ga s p e c t sh a v eb e e n s t u d i e di nt h i st h e s i s 嘶n l1 1 i 曲一e n dc n cm a c h i n et o o l sa n db a s i cm a n u f a c t u r i n g e q u i p m e n to fm a j o rn a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c t s f i r s t l y , t h em e c h a n i s mi nh e a tt r a n s m i s s i o n ，h e a ts o u r c e sa n dl o a dc o n d i t i o n so f m g h s p e e dp r e c i s i o np r e s sa r es t u d i e db e f o r et h es t r e s so fc r a n k s h a f ti sa n a l y z e db yt h e m a t l a bs o f t w a r e ，a n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti sa l s oc a l c u l a t e d ，w h i c hm a k eb a s i cf o r t h et h e r m a la n a l y s i so f h i g h - s p e e dp r e c i s i o np r e s s s e c o n d l y , t h ec r a n k s h a f ts y s t e mm o d e l ，t h eg u i d es y s t e mm o d e la n dt h ew h o l e m a c h i n em o d e la r eb u i l ti ns o l i d w o k sa n da n a l y z e db yu s i n ga n s y s ，t h ec o r r e c t n e s so f t h em o d e li sp r o v e d 晰t 1 1t h er e s u l t so ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h ed e f o r m a t i o no ft h e p u n c h i sa n a l y s i z e du n d e rt h ee f f e c to ft h ev a r i o u sk e yf a c t o r s t h i r d l y , t h eh e a tb a l a n c eo ft h ec o o l i n gs y s t e mt h e o r yi sd e s c r i b e da n dt h ec o o l i n g s y s t e mi sd e s i g n e d , w h i c hi n c l u d e st h es e l e c t i o na n dc a l c u l a t i o no fc o m p o n e n t so ft h e c o o l i n gs y s t e m f i n a l l y , t h ep u n c ho f h e a tb a l a n c ec o n t r o li si n t r o d u c e d l a s t l y , t h em o d e lo ft h eo i lc o o l i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e db ya p p l y i n gs o l i d w o r k s a n da n a l y z e dw i t hf u l e n t , t h ev a l i d i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n m o d e la r ev e r i f i e d b ya n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo fc o o l i n go i lo u t l e tt e m p e r a t u r eo ft h e c o o l i n gs y s t e m ，t h ep u n c h i n gp r e c i s i o nc a nb ei m p r o v e db yi n c r e a s i n gc o o l i n go i l t o 3 4 6 l m i n k e yw o r d s ：h i g h s p e e dp r e c i s i o np r e s s ，t h e r m a ld e f o r m a t i o n ，a n s y s ，f u l e n t , c o o l i n gs y s t e m 硕士论文高速精密数控冲床的热平衡设计与仿真研究 1 绪论 1 1 论文的研究背景 一个国家的装备制造业的整体实力和发展水平决定该国家的经济实力、国防实 力、综合国力，决定着国家现代化和民族复兴进程。我国“十一五”规划把振兴装备 制造业放在重要位置，高速精密数控冲床是国家“高档数控机床与基础制造装备” 重大专项的关键设备之一。与普通压力机相比，它具有高速、精密、高刚度和智能 化四个基本特征，可以完成板料的自动输送和板料的高效率精密加工，是为保证经 济和国防安全而必须自主研发的重大装备之一。随着大规模集成电路和电器元件、 计算机、通信、船舶和微芯片等高新技术的进一步发展，更加有力的推动了高速精 密数控冲压技术的发展势头。 闭式双点高速精密数控冲床是近年来开发出来的新型冲压设备，已广泛应用于 家电、电子、通讯、计算机及汽车等行业。尤其是大台面闭式双点高速精密冲床由 于刚性好、抗偏载能力强、精度高等优点已成为国际公认的最佳结构，代表了目前 高速精密冲床的发展方向。目前，国外代表高速精密冲床技术水平的主要是瑞士布 鲁德勒、美国m 矾s t e r 、日本a i d a 、y a m a d ad o b b y 、德国r a s t e r 等公司 的产品。这些公司研制的产品性能已达到了相当高的水平【1 1 。 随着高速精密数控冲床向高速、精密方向的发展，冲床的热态特性以及由此带 来的热变形问题成为迫切解决的课题之一。然而，高速精密数控冲床的高速必然带 来高能耗，继而产生更多的热量，引起冲床的不均匀变形。冲床的不均匀变形反过 来又制约了冲床速度和精度的提高，因此冲床的热态特性以及由此带来的热变形问 题成为迫切解决的课题之一。深入研究热变形问题，提高各类冲床的性能也是当今 机床研究的热点之一。 论文的研究背景来源于国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”项 目“高速精密数控冲床”( 编号：2 0 0 9 z x 0 4 0 0 4 0 4 1 ) 。论文对冲床热变形及相关问题 进行较深入的研究，旨在进一步提高高速精密数控冲床的加工精度，提升国内高速 精密数控冲床的技术水平，改变精密冲压设备依赖于进口的状态。 1 2 国内外高速冲床的发展现状和趋势 1 2 1 国内外冲床的发展现状 在国外，高速冲床的研制和生产比较早。早在2 0 世纪初，美国的 h e n r y & w r c h t 制造出了世界上第一台高速压力机。在2 0 世纪5 0 年代，瑞士的 1 绪论 硕士学位论文 b r u d e r e r 公司根据金属冲压行业的生产需要，研制出了世界上第一台高速精密 新概念冲床。进入2 0 世纪九十年代以后，瑞士布鲁德勒( b r u d e r e r ) 公司研制开发 的b s t a 系列高速精密数控冲床采用诸多新机构，如多连杆传动机构、柱式导轨导 向机构以及完全的平衡装置，这些新机构使得整个机床造型别致、运行平稳，旗下 生产的b s t a 型2 5 0 k n 超高速精密数控冲床的速度达到了1 5 0 0 次m i n 。美国明斯 特公司生产的p u l s a r 系列高速精密数控冲床虽然采用传统的曲柄传动机构，但是它 运用液力静压轴承导向和液压离合器砩0 动器新机构，旗下研制的p u l s a r 2 0 型2 0 0 k n 的高速精密数控冲床的滑块行程也达到了2 0 0 0 次m i n ，下死点精度可以控制在 0 01m m i s , 6 , 8 】。 国内高速精密冲床起始于济南铸造锻压机械研究所“六五”期间承担的原机 械部“6 0 吨闭式高速精密冲床研制 ，随后扬州锻压、通辽锻压等企业相继开发了 开式、闭式、单点、双点等各种高速精密冲床，高速精密冲床科研成果的不断推出， 然而大部分厂家都是生产开式床身6 0 0 k n 以下高速冲床，对大吨位、高速度的高速 精密冲床的研究和产品开发相对滞后1 2 1 3 1 。在国内，目前能独立开发8 0 0 k n 以上闭 式双点高速精密冲床仅有扬少1 1 锻压、徐州锻压等为数不多的几家，能独立开发8 0 0 k n 以上闭式双点高速精密冲床速度又能达6 0 0 r a i n 1 国内仅有扬州锻压。我国的高速精 密数控冲床与国际先进水平相比，还存在一定的差距，主要表现在以下几个方面： 首先是产品品种和规格较为单一。其次是产品的性能比较低，生产规模小，监测、 调试、控制和试验手段落后。三是创新力不足，缺乏自主研发的数控系统等。 1 2 2 高速冲床的发展趋势 。 高速冲床的发展趋势可以总结为以下几个方面： l 、) 高速高精度化，性能柔性化； 2 ) 加工过程实行无人干预的冲压( 或复合) 中心； 3 ) 速度不断提高，同时采用开放、可靠的工控机控制，即速度、吨位、惯性力平 衡、导向以及控制、噪声等全方位的协调发展【l 】【8 】。 1 3 高速冲床热变形问题以及研究现状 在国外，早在1 9 3 3 年瑞士与就开始对坐标镗床的热变形进行测量分析，这是最 早对机床热变形的研究。从2 0 世纪7 0 年代开始，英国b r i m i n g h a m 大学的j p e k l e n i k 教授、德国a a c h e n 工业大学的h b r a u n i n g 教授以及俄罗斯莫斯科自动化工程研究 所a v p u s h 教授和日本京都大学垣野义昭教授等多位学者陆续通过大量实验研究 与调查分析，研究了热变形对机床精度的影响。他们的研究表明温度尤其是由温度 带来的热变形对机床的加工精度影响很大。随着对加工精度的提高，温度的影响越 2 硕士论文 高速精密数控冲床的热平衡设计与仿真研究 来越受重视。在早期的热变形研究中，j p e k l e n i k 教授调查分析后认为热变形误差一 般占加工总误差的4 0 - 7 0 桫j 。7 e d r z ej e w s k i 等人使用有限元法计算了机床温度 场的分布，而后导出机床的位移和热变形，通过在产生热的那些元素以及热源处等 测试相关点温度的大小，然后根据结果优化结构参数，主要目标是减少由于热变形 引起的加工误差n 扣。a v p u s h 教授经过调查和测试之后认为热变形引起的热误差可 能占到总加工误差的2 5 , - , 7 5 t 1 1 】。德国柏林工业大学借助有限元计算机床部件以 及整机的温度场和变形场，然后运用计算机控制，对数控机床产生的误差实施实时 补偿嫡儿朝。德国的h b r a u n i n g 教授研究分析认为，热误差一般约占加工总误差的 5 0 t l o t 2 2 1 。韩国的s k k i m 等人利用有限元建立了滚珠丝杠的温度场，以期分析温 度对加工误差的影响口钉。m o r i w a k i 等人通过实验和有限元方法研究由于环境温度变 化引起的热变形对加工中心的影响n 劓。 在国内，台湾的国立台湾大学、浙江大学、上海交通大学、清华大学、北京机 床研究所、华中科技大学、南京理工大学等科研院所对机床热变形的研究比较深入， 并且取得了不错的学术成果。其中台湾的国立台湾大学研究和开发了机床的热变形 补偿控制技术，将机床的加工误差由5 0um 降至1 0um ，效果比较明显。浙江大学 提出了机床热误差f u z z y 前馈补偿控制策略，其原理是根据热误差变化规律的模 糊、非线性特性，运用f u z z y 理论设计前馈补偿控制器，仿真研究表明此项研究取 得了比较好的效果【4 8 】。华中科技大学提出了“基于神经网络辨识影响机床热特性的 关键点布置新方法”，在误差补偿作用中起到了良好的效果【6 】【4 8 1 。周顺生等人应用 有限元分析软件a n s y s 计算分析，模拟数控机床加工运行状况，不仅指出了机床 的温度敏感区域得到了不同热误差情况的大小，而且效率较高，节约了试验时间。 他们还通过实验验证了其正确性，指出了机床的温度敏感区，但是由于机床的热源 的多样性，因此温度最高的区域并不一定是温度敏感区【1 6 】。龚伟等人为了得到床身 的热变形规律，运用三维软件p r o e n g i n e e r 中的有限元分析模块对床身建模并进行 热变形仿真分析，仿真分析结果与实验结果非常吻合，证实了仿真分析的可靠性。 该仿真分析解法对优化床身的结构设计，同时为分析由热变形引起的加工精度问题 提供了非常有效的手段【1 7 1 。周芝庭，冯建芬利用有限元分析软件a n s y s ，在建立整 机c a d 及c a e 模型的基础上，实现对机床热特性的分析，并给出了机床热源和发热 量的计算，但是没有对整个系统的综合分析【】引。上海交通大学通过借鉴气体流动传 热学理论模拟并计算了机床主轴表面热交换系数，并且对机床主轴温度场和热误差 进行了有限元分析，进而得出了机床鲁棒建模的关键点，并对以上研究在数控加工 中心进行了模拟验证【19 】【4 们。 综上可以看出，国内外研究机床热变形的历史比较早，研究的领域和内容也比 较多，但是研究的对象多是机床上某一零件或组件的研究，对于机床整体的热变形 3 l 绪论硕士学位论文 研究比较少。尤其是对闭式双点高速精密数控冲床的整机热变形研究鲜有之；对于 减少机床热变形的研究措施很多，目前大多采用热误差补偿的方式降低机床的热变 形，也有采用设计新的结构、采用新材料的方式，但是以上措施成本较大。论文通 过设计全稀油润滑油冷却系统来减少由冲床的热变形带来的加工误差。 研究高速冲床的热变形主要是分析计算整个冲床的热源、温度场和热位移场。 主要的研究方法有理论分析和试验法。理论分析法即是仿真法，是直接由冲床的工 况以及各热源分布及其热功率等边界条件进行传热计算，得到整个机床的温度场分 布情况，进而通过热结构耦合得到机床变形位移情况。理论分析会使机床内部传热 规律比较清晰，能够从事物的本质出发解决问题，但由于机床传热过程很复杂，边 界条件很难准确把握，这大大限制了仿真理论分析的精确度。试验法是通过大量试 验直接测得机床温度场和变形位移场。试验法的优势是能得到真实的温度及变形位 移，缺点有两个：一是由于实际条件等诸多因素的限制，它不可能得到机床整体的 温度场及变形位移场情况，因此在哪些点上布置传感器将会影响试验法建立的热误 差模型精度：二是试验法的成本也比仿真分析的成本高得多【1 9 】【2 5 1 。考虑到实际情况， 本课题采用仿真分析的方法进行分析。 随着计算机技术和通信技术的发展和应用，在众多的求解方法中，有限元法是 常用的数值求解方法，这也是本文采取有限元法分析的原因之一。本课题通过冲床 热态特性的研究可以提高机床的精度，满足高速精密数控冲床的设计要求，探讨冲 床热变形对加工精度的影响规律，并给出相应的改善措施，为进一步改善冲床的热 特性和加工精度提供必要的理论依据。 1 4 论文的研究内容 论文以扬州锻压集团有限公司生产的某型高速冲床为研究目标，以实现高速冲 床的高速、精密为目标，重点研究冲床的热态特性以及由此带来的热变形问题。论 文主要从高速冲床的热特性和热平衡设计方面利用有限元进行分析研究，主要研究 内容如下： 1 ) 研究分析高速冲床的关键结构，确定影响冲床温度场和热变形的主要热源，并 详细计算各处热源的发热量； 2 ) 分析热源在冲床工作时的传热过程，准确计算冲床各表面的换热系数，为冲床 的有限元分析提供边界条件； 3 ) 建立冲床曲轴系统、导轨系统以及整机的三维模型，运用有限元a n s y s 分析 软件分别对模型进行温度场和应力场的求解。通过仿真分析，研究润滑油粘度、 空气流量以及润滑油流量等各因素对冲床温度场和热变形的影响，提出改善冲+ ： 床热变形的措施；0 、。m z ： 硕士论文高速精密数控冲床的热平衡设计与仿真研究 4 ) 通过设计冲床的全稀油润滑冷却系统来减少冲床的热变形。以热源体连杆等的 温度为基准，通过控制从热源体流出的润滑油的温度，设计全稀油强制润滑循 环系统，对各关键部件进行热平衡设计，实现高速精密数控冲床的热平衡。 1 5 论文的组织结构 根据论文的研究内容，本文的组织结构安排如下： 1 ) 分析冲床的研究背景、研究现状以及课题所研究冲床的结构参数； 2 ) 研究分析影响冲床热变形的关键部件的结构、受力和热源情况； 3 ) 研究分析冲床热变形的机理以及冲床的传热机制； 4 ) 通过建立冲床以及各关键部件的有限元模型，利用a n s y s 计算导轨系统、曲 轴系统以及整机系统模型的温度场以及热变形情况。通过温度场和热变形，研 究了润滑油粘度、空气流量及冷却油量等因素对冲床热变形的影响，提出了一 些改进冲床精度、减少热变形的措施； 5 ) 分析冲床的全稀油润滑冷却系统的热平衡设计，并运用f u l e n t 软件对冷却系 统的油路进行仿真分析，验证了冷却系统设计和模型的正确性，为系统的热设 计提供理论依据； 6 ) 总结了本文研究内容的相关成果，提出了课题研究下一步需要解决的问题以及 解决问题的建议。 2 高速冲床的关键结构及热态特性硕士学位论文 2 高速冲床的关键结构及热态特性 2 0 l 高速冲床的结构和工作原理 如图2 1 所示为常见高速冲床的外形图，高速冲床根据床身的结构可分为开式 冲床和闭式冲床两种。其中前者的床身呈c 型，这种床身便于模具的安装但是刚度 差；后者的床身的结构总体为框架式，这种结构的床身不方便模具的安装和调试， 但是刚度特别好，因此精度比较高。高速冲床根据冲床的连杆数目又可以分为单点 冲床、双点冲床以及四点冲床。冲床的连杆数目越多，即点数越多，抗偏载能力也 越好。本课题研究的是闭式双点高速精密数控冲床，图2 2 为高速精密数控冲床的 原理结构图。 高速精密冲床的结构一般主要包含以下几个单元： 留姐， 某型半开式冲床 某型闭式双点商逮 中床生产线 图2 1 常见高速精密数控冲床外形图图2 2 某型高速冲床的结构简图 主传动系统单元 主传动系统单元主要包括工作单元、传动单元和操纵单元。工作单元机构通常 由曲轴、连杆、导轨和滑块等零件组成，功能是把曲轴系统的回转运动转化为导轨 系统的往复直线运动；传动单元一般是皮带、齿轮等传动机构，功能是把动力源的 能量传递给工作单元；操纵单元主要是离合器、制动器以及相配套的电器元件等构 件，其功能是控制工作单元的运动状态，满足工艺设计的需求。 能源系统 这部分主要由电机和飞轮等组成。冲床工作时，电机提供动力源，飞轮的功能 6 ， 硕士论文高速精密数控冲床的热平衡设计与仿真研究 是在冲床冲压时为冲床提供能量，在冲床间歇时储存能量。 控制单元 冲床的控制单元一般由p c 机控制，用户可以根据需要选择冲床的工作状态和 工艺步骤，可实现寸动、连续、单次等多种工艺，从而实现冲床的自动化【2 0 】。 辅助单元 辅助单元一般由支撑部分和其他辅助装置组成。床身、横梁、拉杆、工作台和 紧固件都属于冲床的支撑部分，其功能是把冲床各部件连接成一个整体；其他辅助 装置如动平衡装置、冷却润滑系统、过载保护装置等。 下面结合冲床的结构以及图2 2 详细说明研究对象的工作工作原理。 动力源电机通过皮带把运动传递给齿轮，齿轮经过各级传动之后进一步传递给 曲轴6 ，曲轴6 带动连杆5 、导轨4 和上滑块3 做往复直线运动，安装在上滑块3 的模具在滑块的带动下完成工件的冲压工作。冲床在一个工作周期内有载荷的时间 很短，因此为了更好的利用能量，在带轮上一般安装有飞轮。当冲床冲压时，飞轮 释放能量；冲床空程时，飞轮储存能量。 2 2 冲床关键部件的结构和参数 为了更好的研究冲床的热源和热变形，需要对研究对象的关键部件的结构和参 数进行研究。影响冲床热变形的关键部件有曲轴系统、床身和横梁，下面分别讨论。 2 2 1 冲床的主要技术参数 。 本课题的研究对象为扬州锻压机床有限公司某型高速精密数控冲床，其主要技 。 术参数如表2 1 所示。 表2 1 某型高速冲床主要参数 1 名称转速公称压力行程电机功率 l 数值 8 0 0 n m i n8 0 0 k n3 0 m m2 2 k w 2 2 2 曲轴系统结构 曲轴系统是高速冲床的重要组成部分，曲轴系统中轴承的发热也是冲床的重要 热源所在，因此曲轴系统的发热和热变形对整个冲床的加工精度有着十分重要的影 响。曲轴系统的装配和结构简图如图2 3 所示，其主要部件的技术参数如表2 2 所示。 2 2 3 床身和横梁 + 床身和横梁是冲床的重要支撑部件，其结构的合理与否直接影响冲床的热变形。 合理的床身和横梁结构有利于减少由热变形带来的影响，因此研究冲床床身和横梁 2 高速冲床的关键结构及热态特性硕士学位论文 的受热对加工精度的影响显得尤为重要。如图2 4 所示为床身和横梁的三维模型图， 床身和横梁的主要材料参数见表2 2 卫生豆旦上 l 、3 滚动鞋季；2 、4 ，骨动地承；5 盐圭圭 6 平衡莲秆；7 连轩；8 导轨；9 、上垮块 图2 3 曲轴系统的结构简图 8 9 图2 4 床身和横梁结构简图 表2 2 冲床系统主要部件结构参数 名称材料密度比热容弹性模量导热系数泊松膨胀 ( k g m 3 )( j k g k ) ( n m 2 )( w m k )比系数 连杆合金钢 7 7 0 04 6 02 i x l 0 j l 5 00 2 8i 3 e 5 曲轴 合金钢7 7 0 04 6 02 i x l o l l5 0o 2 81 3 e 5 平衡连杆 q t s 0 0 7 2 0 05 0 01 4 5 x 1 0 l l4 5o 31 1 e 5 上滑块 铸铁 7 2 0 05 l o6 6 x 10 1 04 50 2 71 2 e 5 床身a 3 7 8 5 04 4 02 1 x 1 0 l l4 30 2 81 3 e 5 横梁 a 37 8 5 04 4 02 1 x 1 0 1 14 30 2 81 3 e 5 2 3 高速冲床的热特性 2 3 1 高速冲床的热变形机理 图2 5 描述了高速冲床热变形的机理。冲床在工作时，由于电机的能耗、曲轴 轴承之间的相互摩擦以及导轨部件之间的相对运动等因素会产生大量的热，这些热 量通过一定的传热方式传递到冲床的各个部位，由于冲床各零部件的材料、结构、 形状都不尽样，热特性自然也不一样，又加之零部件之间的结合面热阻、零件表 面的传热情况不同以及周围环境温度变化等各种因素，使整个冲床形成了一个复杂 的温度场。在这个复杂的温度场作用下，冲床各零部件会产生热位移、热应力。冲 床产生的热变形势必影响冲床的性能，使冲床的加工降低，这就是冲床的热变形机 理。由于热位移场和热应力场随着零部件材料物理特性、结构形状、连接状态等因 硕士论文高速精密数控冲床的热平衡设计与仿真研究 素的变化而不同，从而使冲床热变形问题变得更加复杂。 翠 圣妇 函 e 匾主蜀 l j 嗽匀潼霞绣 l , r t 饲嬲 工 备宣易分雹 蹙，移 i 馆耐位曩 加工辐麓下落- 图2 5 冲床热变形机理 2 3 2 高速冲床的热源及散热 在冲压过程中，影响冲床精度的热源可分为内热源和外热源两大类，其热源类 型如图2 6 所示。冲床热变形是导致热误差的直接原因，而根本原因来源于冲床的 热源。冲床内部的轴承、电机及导轨间的摩擦都会产生大量的热量，使机床内部热 平衡被打破，不断变化的温度场引起机床内部产生热应力，致使机床部件只有通过 变形来平衡热应力的作用。 冲床的热变形主要是由热源引起的，冲床的热源主要是以下三部分构成：一是 电机的发热，二是轴承的发热，三是导轨与连杆，连杆与曲轴之间等存在相对运动 的摩擦生热。冲床曲轴轴承的热源强度越大，引起冲床热变形的可能性也越大，冲 床系统的加工精度也就越低。曲轴轴承的热源强度与轴承的型号、预紧和配置、传 动方式、系统的结构以及润滑方式等有密切的关系。此外，曲轴转速、轴承受力情 况、轴承约束以及运转时间不同，曲轴轴承的热源强度也尽不相同。导轨与连杆， 连杆与曲轴等存在相对运动之间的摩擦生热也是冲床的热源之一，其热源强度与相 对速度、受力情况、摩擦系数等因素相关。 在传热学中有三种热量传递方式，分别是热传导、热对流和热辐射。所谓热对 流是冲床的表面和与其相接触的流体之间由于温差引起的热交换；相互接触的两个 物体或同一求解体的不同部分之间由于温度梯度引起的能量交换是热交换；任何有 有温度的物体发射的电磁能并被求解体吸收热转变为热的热交换过程就是热辐射， 9 2 高速冲床的关键结构及热态特性 硕士学位论文 热辐射过程是一个交互的过程【3 4 】【4 2 1 。在这三种传热方式的作用下，冲床内各部件与 周围环境进行热交换。 图2 6 冲床的热源 电机发热产生的热量绝大部分通过热传导散发到周围的大气中，仅有一小部分 通过热辐射的方式传递给冲床，对冲床的影响很小，因此可以忽略电机的影响。 轴承的发热是冲床重要的热源之一，冲床轴承摩擦产生的热量一部分通过热对 流的方式由全稀油润滑冷却系统的冷却油吸收并带走，一部分通过热传导传递给轴 承和曲轴，还有一部分热量与周围的空气发生热交换。 导轨间摩擦产生的热量一部分与床身、连杆等零件进行热传递，一部分热量通 过润滑冷却油带走。 另外，高速冲床的各表面与周围的大气的传热方式主要是热传导。 2 4 本章小结 本章在详细介绍高速精密数控冲床的主要结构和工作原理的基础上，给出了影 响冲床热变形的关键零部件的结构和技术参数，为第三章冲床的受力分析奠定基础； 在此基础上分析了冲床的热变形的机理以及热源，通过对冲床热源的散热分析，并 进一步明确了冲床受热的关键部件。 t 0 硕士论文高速精密数控冲床的热平衡设计与仿真研究 3 高速冲床的热计算 冲床的发热主要是由运动引起的，而其根本原因在于冲床在工作时，冲床零部 件由于相对运动存在摩擦导致了热源的产生，因此十分有必要对冲床的运动过程进 行研究，分析冲床各运动副之间的关系，进一步求解冲床的受力，从而得到求解冲 床热源发热所需要的力的基本条件。 3 1 高速冲床运动学分析 曲肘式高速精密数控冲床主传动结构简图如图3 1 所示。杆a c 为曲轴，0 点为 其转轴投影点，杆a b 为连杆，质量块b 为压力机滑块，这三部分组成高速冲床结 构中的核心部分曲柄滑块机构。杆c d 为平衡连杆，质量块d 为反向平衡滑块， 这两部分组成压力机的反向平衡装置。连杆o a 、a b 、o c 和c d 的长度分别为厶、 乞、厶和厶。 d b 图3 1 曲轴式高速压力机运动平面内结构筒图 以点0 为原点建立运动坐标系o x y ，坐标轴的方向如图3 1 所示。设连杆 o a 、a b 、o c 和c d 的角位移分别为仍、t p 2 、仍和吼。其中，仍为已知输入变量 曲轴输入角位移，且有 识= q l 萌= 0 ( 3 1 ) 仍= 讫尢j ， 由于丽+ 万：丽，即 ， ， - t 一- 4 1 l 3 高速冲床的热计算 硕士学位论文 c o s a p + 2 c o s ( p = = x s2 0 s m 卿+ 乞s i n ( p = = y b = 一s ( 3 2 ) ( 3 3 ) 其中s 表示滑块行程。 由式( 3 2 ) 可以得到连杆角位移仍 仍乏驴一s c o s 仍) 4 ， 将式( 3 4 ) 代入式( 3 3 ) 得到滑块位移s s = s i n p , + 学一芽c o s 2 仍 ( 3 5 ) 同理，由于丽+ 面：丽，即 毛c o s + c o s 钆= x d = 0 ( 3 6 ) 毛s i n ( p 3 + s i n ( p 4 = 蜘 ( 3 7 ) 由式( 3 6 ) 可以得到平衡连杆角位移吼 钆= a r c c 。s ( 一吾c 。s 仍 = a r c c 。s ( 每c o s 仍 c 3 8 ， 将式( 3 8 ) 代入式( 3 7 ) 得到平衡滑块位移 y d = 一毛s i n ( p , + 碍一譬c o s 2 仍 ( 3 9 ) e h 上述分析可见，高速冲床的滑块、平衡滑块的位移都是曲轴角位移的函数， 在一个循环周期内，其速度是在不断变化的。因此，必然会产生不平衡的惯性力， 它将直接影响曲轴轴承支撑点处的支反力和滑块与导轨之间的摩擦力的大小，而支 反力、摩擦力越大，轴承、导轨处产生的热量也就越多，机床的热变形也就越明显。 f h 式( 3 9 ) 可知，当厶变大时，平衡滑块的位移蜘将会减小，由此产生的惯性力 也会减少。因此，为了减少惯性力，在平衡机构设计时应当增大的长度，以便使毛 取得合适的大小。 3 2 高速冲床惯性力的计算 具有一定转速的转动件，由于材料组织不均匀、零件外形的误差、装配误差以 及结构形状局部不对称等因素，使转子重心的主惯性轴线与旋转轴线不重合，因而 转动件在旋转时会产生不平衡惯性力岛。本课题研究的冲床是闭式双点结构，曲轴 有四个支撑点，其执行机构结构也可以简化为曲柄滑块机构，如图3 2 所示为曲柄 滑块结构简图。 q 2：j ： 硕士论文 高速精密数控冲床的热平衡设计与仿真研究 图3 2 中，曲柄的长度为灭，连杆的长度为，b o 为滑块的下死点，从b 点到 b o 点位滑块的行程s ，c o 为曲轴的角速度。根据文献 2 0 可知滑块的位移s 与转角 之间的关系式为 s = ( r + 1 ) - ( r c o s a + l c o s 3 ) ( 3 1 0 ) 惯性力p o 可以等效为作用在曲柄滑块机构支撑点上的惯性力e 、只，和以及导 轨作用在连杆上的力c ，如图3 3 所示为曲柄滑块机构受力简图。 9 _ r l r 厂 ；乱 ，q 广 ， f 一 ) 沙塔 c 弋 _ h + 叱 b 缍 岂 b o 李： ， 弗 图3 2 曲柄滑块机构简图 支 氏厂 l p x k 、 ， o f1 嘏 、j j 一一 蕊 爿b m ( g + 岛) 图3 3 曲柄滑块机构受力简图 图3 3 中，m l ，m 2 , m 3 分别为曲柄、连杆、滑块的质- j ，批为机构外加力矩，e 、 e 和表示等效在曲柄和滑块机构上的惯性力。 分别对连杆和曲柄进行受力分析并整理公式可得 e = 口o + 6 0c o s a + c oc o s 2 a 一哦c o s 3 a - - e 0c o s 4 ai e = f os i n a g os i n 2 a 一s i n 3 a + 乇s i n 4 a + s i n 5 a ( 3 1 1 ) = s i n a + l os i n 2 a + m o s i n 3 a i 式中2 ( 确+ m 2 + 鸭) g 九2 乇2 + 专a 2m + 鸭) ( 2 9 z r c 0 2 ) ； = 卜鲁+ 鸭等( 训k c o = 陋，2 一等肛2 ： 3 高速冲床竺垫茎兰 堡主堂垡笙奎 - - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ - _ - - _ _ _ - 一一 反2 去砌2m + 鸭) ； = 丢砌2 ( + 鸭) ； 五= 卜鲁一扣( 孚卅) 一扣志 一九( 聊：等) ( 上r c 0 2 一 剐卜 岛= 丢 ( 鸭+ 鸭一，吃等) 九2 + 2 r 2 ； = * 聊：晰撇2 埘寺) 甲1a 缈耐： 乇= 吉( + ，吩一鸭争 a 3 r 2 ； 矗= 吉( 鸭+ ，殇一他等) a 4 r 2 ； = 三( ，+ ，坞一m 。l ，d ) ( l r 2 g 一九) 一聊：妥( 一冬) a r 2 ； 乇= 三( ，吃+ ，吩一等) a r 2 ； = 三( 鸭+ 鸭一等) 九2 尺2 ； a 为连杆系数，九= 芋。 i兰f毫。薹sinc。as三g主篡sicn。2sa2口 c 3 1 2sin as i n2 a ， e = 一； ( ) = k + i 1 4 硕士论文 高速精密数控冲床的热平衡设计与仿真研究 = ( + 鸭+ 鲁) 肼； = ( + r n 3 ) a r c 0 2 ； 名= 卜鲁一鸭喀一a 她丽1 电训寺p ； 或= 三允耐； 弼= ( 鸭等) 寺一钟钟耐； = 丢( 聊：+ ，一等) a 尺2 。 运用m a t l a b 软件对式( 3 1 2 ) 进行求解，可以得到曲轴支撑处的水平受力c 、 竖直方向的受力c 、导轨的受力以及驱动力矩m n 分别为1 9 1 3 1 0 、1 7 2 x 1 0 4 n 、7 1 6 9 x1 0 3 n 和1 3 9 8 1 0 3n m 。 作用在曲轴上的总惯性力p o 的大小为昂= 0 可干可= 1 4 1 7 k n 。 3 3 曲轴的受力计算 作用在曲轴上的力有惯性力岛、冲床的公称力8 0 0 k n 、由电机来的驱动力矩丁、 皮带的张力昂以及各支承处的支反力等，如图3 4 所示。其中曲轴上的惯性力n 已在3 2 节求出。曲轴的结构和受力简图如图3 4 所示，对于曲轴与连杆处的受力大 小乃和n ，包含两部分，即工作力p = 8 0 k n 以及惯性力p d ，假设曲轴受力的支点 位于轴承的正中间。 图3 4曲轴结构与受力示意图 1 5 3 高速冲床的熟计算硕士学位论文 对于皮带作用在曲轴上的力，根据2 3 节冲床工作原理得知，电机带动带轮运 转，而带轮带动曲轴转动。带轮结构如图3 5 所示， 图3 5 带轮结构与参数示意图 对于v 带传动，既能够保证传递动力又不出现打滑时带的张力 f ：5 0 0 ( 2 5 - k o ) k a e 魄+ g ，2 ( 3 1 3 ) k 。删 式中k a 为工作情况系数，根据冲床工作条件取系数1 4 ：k a 是包角不等于1 8 0 0 时的包角系数，取为0 9 1 ；z 为v 带的根数，此处取为3 ；p 电机是主电机额定功率 2 2 k w ；q 为皮带单位长度的质量，对于c 型带0 3 0 k g m ；，为带的传动速度，m s 。 传动速度可以用下式求出 v ：型垡!( 3 1 4 ) v = 兰一 ij i4j 6 0 x 1 0 0 0 式中幽为带的中经d , t = 6 3 0 m m ；n 为转速8 0 0 r m i n ； 那么作用在曲轴上的力昂，带轮包角a l = 1 4 5 0 = 1 3 x 2 z f , s i n 导 ( 3 1 5 ) 二 作用在曲轴上的扭矩为 d t = 9 5 5 0 r 电a ( 3 1 6 ) 万 通过式( 3 1 3 ) 一( 3 1 6 ) 可以求出皮带作用在曲轴上的力e 以及作用在曲轴 上的扭矩r 的大小。 如图3 4 所示曲轴约束为四支点支撑，属于力的超静定求解问题。对于超静定 硕士论文 高速精密数控冲床的热平衡设计与仿真研究 问题，常用的方法有连续梁法和简支梁法两种方法。简支梁法是以通过曲轴曲拐颈 中心并垂直于曲轴中心线的平面把曲轴分成若干个曲拐，然后把每一个曲拐看作是 一个简支梁，从而利用简支梁的方式求解，如图3 6 a 为其计算模型。连续梁法是把 曲轴简化为多支撑的连续的静不定梁，并假定多支撑的形式为铰链支撑，然后利用 三弯矩或五弯矩方程解之，本课题就采用此法求解曲轴的受力情况【2 1 】【2 6 1 ，如图3 6 b 所示。一般来说，连续梁法是假设曲轴的以铰链的支撑形式作用于主轴颈的中点， 计算时假设在轴径上的载荷为分布载荷，曲轴上力的分布沿轴线为按二次抛物线分 布，沿周向方向的分布为1 2 0 0 呈余弦分布【2 1 】【2 7 】。如图3 7 所示为曲轴径上载荷分布 规律示意图。空间坐标系如图3 8 所示，并令沿曲轴轴向的压力曲线方程为 f ( 矽= a ，+ b x 十c( 3 1 7 ) 式中a , b , c 为待定系数；目纠为沿曲轴轴向的分布压力。 a 简支架法计算简田 、厂一以 图3 6 简支梁和连续梁计算简图 。 麓垒m 0乡、 图3 7 曲轴径上载荷分布规律示意图 又令曲轴轴向受力长度为b ，把x = b 2 和x = b 2 代入上式得 口( ) 2 + 6 詈o 口( 一) 2 + 6 孚o ( 3 1 8 ) 3 高速冲床的热计算 硕士学位论文 当x - - 0 时，f 俐= r 蟠，即c = e 蛾，代入式( 3 1 7 ) 可得 口：兰肇 b 。 b = 0 c = k ( 3 1 9 ) m ) - _ 争x 2 + 民积 ( 3 2 0 ) 由于分布力沿周向1 2 0 0 角的范围内按余弦规律分布，所以作用在轴上的总载荷 f 可表示为 ，= 4 皆r f ( x ) c 。s ( 3 p 出 = 4 驴rf ( x ) c o s ( 3 ) 号加出 ( 3 2 1 ) = 竿乎k 出 式中，d 为轴的直径，凼= d a 那么， f = 詈。皆( t 一可4x 2 卜一4 yf 。, d b ( 3 2 2 ) 根据式( 3 2 2 ) 可得 瓦“= 面9 f ( 3 2 3 ) 整理后， 尺x ) = 面- 9 f x 2 十面9 f ( 3 2 4 ) 得到轴颈上载荷的分布函数为 蹴= ( 盖 盖) c o s ( 3 ) 枷鲫。 2 5 ， 现使用三弯矩梁法求解曲轴的受力，分解后如图3 8 所示。 对于左侧轴承i 所受的弯矩( 如图3 8 a ) m = c 木厶 ( 3 2 6 ) 对于左侧轴承2 列三弯矩方程( 如图3 8 b ) j 毗圳+ 攀厶掣邺厶坞= “ 耦+ - 砰- 7 爿 2 7 ， 硕士论文高速精密数控冲床的热平衡设计与仿真研究 对于右侧轴承2 列三弯矩方程( 如图3 8 c ) 2 鸠厶+ 2 ( 厶+ 厶+ 2 厶) 鸠+ 2 ( 厶+ 厶) 坂= 一l 2 ( 三l 2 2 2 + p 2 面+ 华 ( 3 2 8 ) 对于右侧轴承3 ( 如图3 8 d )