（机械电子工程专业论文）高速切削时机床的热变形与补偿技术.pdf

摘要 摘要 热变形误差是影响高速高精密机床加工精度的主要因素，误差补偿技术是 一项消除机床误差的有效手段，它具有补偿精度高、鲁棒性强、可靠性好、经 济效益优、易于操作等优点，然而有效的误差补偿主要依赖于建立准确的补偿 模型。本文首先对国内外数控机床关于热补偿方面的研究现状做了简要概述， 在此基础上，以c x 8 0 7 5 车铣复合加工中心为例，对热误差补偿的关键技术进行 分析与研究，研究的主要技术包括：整机及关键零部件稳态温度场与热变形的 分析与计算，温度测点的选择与优化，热误差模型的建立与优化，并与实验相 结合进行分析与验证，结果证实本研究可以显著地提高机床的加工精度。论文 的主要研究内容和成果概括如下： ( 1 ) 建立了c x 8 0 7 5 车铣复合加工中心的三维有限元模型，并在分析热源 与热边界条件的基础上，分析了整机及关键零部件的稳态温度场和热变形量， 为热变形误差补偿提供了强有力的理论依据。 ( 2 ) 针对复合加工中心稳态温度场分布，合理地确定了机床上热关键点的 位置。在保证热误差模型精度的条件下，对热关键点进行优化，找到最佳测温 点，从而实现了温度传感器得优化布置，提高了热误差模型的鲁棒性。 ( 3 ) 运用m a t l a b 中的r e g r e s s 函数对变量进行分组，找出典型变量，用最 4 - 乘法和聚类线性回归法相结合的方法，针对该复合加工中心，选择三种方 案分别建立了系统的热误差补偿模型，并通过试验反馈结果，选择补偿效果最 好的一组方案作为最终模型，从而大大地提高了加工精度，最后通过实际生产 使用情况论证该方法的正确性。 ( 4 ) 运用神经网络法对系统进行建模，并和聚类回归与最小二乘法建立的 模型进行对比，最终选择补偿效果最好的建模方法。 关键词：热变形误差补偿测温点优化神经网络建模 a b s t r a c t a b s t r a c t n 抢e r r o r so ft h e r m a ld e f o r m a t i o ni n d u c e dt h e a c c u r a c yo fh i g h - s p e e da n d h i g h - a c c u r a c y m a c h i n et o o li st h em o s t i m p o r t a n tf a c t o r , a n d t h ee r r o r c o m p e n s a t i o n - t e c h n i q u ei sa l le f f e c t i v ew a y t oi m p r o v et h em a n u f a c t u r i n ga c c u r a c y o fm a c h i n et o o l ，i th a st h ea d v a n t a g eo fh i g h - p r e c i s i o nc o m p e n s a t i o n , s t r o n g r o b u s t n e s s ，h i g hr e l i a b i l i t y , o p t i m a le c o n o m i cb e n e f i t , e a s yo p e r a t i o na n ds oo i l e f f e c t i v e e r r o r - c o m p e n s a t i o nm a i n l y r e l i e so ne s t a b l i s h m e n to fa c c u r a t e c o m p e n s a t i o n - m o d e l t h i sp a p e rb r i e f l ys u m m a r i z e st h er e s e a r c hs t a t u so fd o m e s t i c a n df o r e i g nm a c h i n et o o l so nt h e r m a lc o m p e n s a t i o n o nt h i sb a s i s ，t a k i n gt h e c x 8 0 7 5v e r t i c a lm a c h i n i n gc e n t e r 鹪e x a m p l e , s t u d i e da n da n a l y z e dt h ek e y t e c h n o l o g i e si nt h e r m a le r r o rc o m p e n s a t i o n t h em a i nt e c h n i q u e si n c l u d e ：a n a l y z e d a n dc a l c u l a t e dt h es t e a d y - s t a t et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ld e f o r m a t i o no ft h e m a c h i n ea n dk e yc o m p o n e n t s ，s e l e c t e da n do p t i m i z e dt h et e m p e r a t u r em e a s u r i n g p o i n t s ，e s t a b l i s h e da n do p t i m i z e dt h et h e r m a le r r o rm o d e l ，a n a l y z e da n dv e r i f i e dt h e r e s u l tw i t ht h e e x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e s e a r c hc a nd r a m a t i c a l l y i m p r o v et h ea c c u r a c y t h em a i nc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es h o w na sf o l l o w s ： ( 1 ) e s t a b l i s h e dt h et h r e e - d i m e n s i o n a l f i n i t ed e m e n tm o d e lo fc x 8 0 7 5v e r t i c a l m a c h i n i n gc e n t e r , a n do i lt h eb a s i so ft h eh e a ts o u r c ea n dt h eb a s i so ft h e r m a l b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，a n a l y z e d t h e s t e a d y - s t a t et e m p e r a t u r ef i e l d a n dt h e r m a l d e f o r m a t i o no ft h em a c h i n ea n dk e yc o m p o n e n t s ，w h i c hp r o v i d e sas t r o n gt h e o r e t i c a l b a s i sf o r t h ee r r o rc o m p e n s a t i o no f t h e r m a ld e f o r m a t i o n ( 2 ) i na l l u s i o nt ot h ed i s t r i b u t i o no fs t e a d y - s t a t et e m p e r a t u r ef i e l d ，d e t e r m i n e dt h e t h e r m a lk e yp o i n t sr e a s o n a b l y , i nt h ec o n d i t i o no ft h e r m a le r r o rm o d e la c c u r a c y , o p t i m i z e dt h et h e r m a lk e yp o i n t s ，f o u n dt h eb e s tt e m p e r a t u r em e a s u r i n gp o i n t s ，s oa s t or e a l i z ea r r a n g e m e n to ft e m p e r a t u r es e n s o ra n di m p r o v et h et h e r m a le l t o rm o d e l r o b u s t n e s s ( 3 ) g r o u p i n gv a r i a b l eq u a n t i t y 谢mt h er e g r e s sf u n c t i o no fm a t l a b ，f o u n dt h et y p i c a l h 一一 垒堕塑垡 一一一一 - _ _ - _ _ - _ _ - _ i - _ _ - _ _ _ _ - _ _ - _ i - _ _ _ _ - _ _ - - _ _ - - - _ _ _ - - _ - 一 一 v a r i a b l e i na l l u s i o nt ov e r t i c a lm a c h i n i n gc e n t e r , c o m b i n i n gl e a s ts q u a r em e t h o dw i t h m u l t i v a r i a t el i n e a rr e g r e s s i o n ，w ec h o o s et h r e ew a y st oe s t a b l i s ht h es y s t e m st h e r m a l r i o tc o m p e n s a t i o nm o d e l sr e s p e c t i v e l y , a n df e e d b a c kt o t h er e s u l t st h r o u g h e x p e r i m e n t ，a f t e rt h a ts e l e c tt h eb e s to n e 晒t h e f i n a lm o d e l ，w h i c hc a l li m p r o v et h e m a c h i n i n ga c c u r a c y f i n a l l y , w ec a r ld e m o n s t r a t e t h ev a l i d i t yo ft h i sm e t h o dt h r o u g h p r o d u c t s ( 4 ) e s t a b l i s h e dt h et h e r m a le r r o rm o d e lw i t hl l e u r a ln e t w o r k , a n dc o m p a r e dw i t ht h em o d e lo f c o m b i n i n gl e a s ts q u a r em e t h o dw i t hm u l t i v a r i a t el i n e a rr e g r e s s i o n f i n a l l yc h o o s et h e b e s tm o d e l i n gm e t h o d k e yw o r d s ：t h e r m a ld e f o r m a t i o ne r r o r c o m p e n s a t i o nt e m p e r a t u r em e a s u r i n g p o i n t0 p t i m i z e n e u r a ln e t w o r km o d e l i n g i i i l 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的意义 在普通速度切削加工过程中，机床不可避免地产生振动、热变形、刀具磨 损、噪声等现象，从而影响机床的加工精度和可靠性。对于高速切削机床，高 速切削系统是比普通速度切削过程更加复杂的动态系统，上述现象更是不可避 免地产生，但是普通切削速度下的机床隔振减振设计技术、防止热变形措施和 技术、机床检测监控技术、机床可靠性技术等，在高速条件下已不完全成立或 适应。传统的机械加工技术主要是把精力放在减少加工过程的辅助时间方面， 正如大家所知，传统的机械加工7 0 9 6 的时间都用于调整机床、换刀、上下料等。 以数控机床为基础的柔性自动化技术的应用，大大地缩短了机械加工的辅助时 间，提高了生产效率。加工中心是数控机床的进一步发展，它解决了自动换刀、 自动装卸工件等问题，提高了加工的自动化水平。由于机械加工的辅助时间大 幅度降低，切削所占用的时间比例就变得越来越大，因此，为了更进一步的提 高企业生产效益，最主要的就是减少切削时间，这就意味着要不断提高切削速 度，其中包括提高主轴转速和进给速度，高速切削随之而生。 高速切削( h i g hs p e e dc u t t i n g ) 简称h s c ，是指在比常规切削速度高出很多 的速度下进行的切削加工，也可称为超高速切削n 1 。它是近十几年发展特别迅速 的一项先进制造技术。高速切削加工具有效率高、精度高、切削阻力小等优点， 而且还可以使零件的表面加工质量和加工精度达到较高水平。因此，近年来伴 随着国外许多著名公司加工中心的引进，高速加工被广泛应用于我国的模具、 工具制造、以及航天工业中复杂曲面、薄壁零件的加工等领域。 从理论上来讲，对于每一种工件材料，在常规的切削速度范围内，切削温 度随着切削速度的增大而升高，但当切削速度达到相当高的区域时，即高速切 削时，切削力下降，工件的温升较低，热变形较小，刀具的耐用度提高等。这 是因为在高速切削的条件下，材料的切削机理将发生变化，塑性材料的切屑形 态将从带状、片状向碎屑不断演变，切削过程变得比常规切切削速度下更容易。 目前，高速切削技术的思想理论和方法已经逐渐成熟，并在航空航天、汽车、 摩托车、模具制造和其他制造业方面得到了越来越广泛的应用，对于这些行业 1 绪论 具有重大的经济效益和实际意义。 近十几年来，随着科学技术的发展，制造业对机床产品与设备的要求也越 来越高，人们对高速高精度机床的研究也不断深入。高速高精密机床不仅要有 高的主轴转速和进给速度，而且还要尽可能的减少主轴热变形，并对热变形引 起的误差进行实时补偿。然而，展望新世纪，高速切削技术应该向着更高速、 更精确、更自动化和智能化的方向发展，这就要求对机床的切削速度、热变形 补偿技术，刀具耐用度等进行更深一步的研究。例如，如何迸一步对机床的热 变形进行补偿，以达到更高的加工精度；如何进行电主轴单元精度和刀具状态 的检测和监测，以达到提高刀具的定量分析精度等。由于机床热变形会严重影 响加工精度，所以世界各国的机床生产厂家都希望在机床产品上能够较好地解 决热变形问题。许多研究机构和大学也在研究这一课题。但是由于机床问题的 复杂性，使得研究工作一直没有显著的进展。因此，高速加工理论研究仍是摆 在我们面前的一项重要而艰巨的任务嗍。 1 2 热变形及补偿技术的研究现状 热变形是金属变形的一种，是金属在再结晶温度以上的塑性变形。热变形 的规律是温度高的一侧向外凸出，温度低的一侧向内凹进，即当金属部件温度 均匀上升时，在长度方向上的热膨胀也是均匀的。但是如果金属部件受热不均 匀，两侧温度上升的速度就不一致，当上侧温度高于下侧时，金属部件上侧的 膨胀量就会大于下侧的膨胀量，从而使金属部件向上弯曲，产生了热变形，也 可称为“热凸内凹 。 高速切削加工具有效率高、精度高、切削阻力小等优点，而且还可以使零 件的表面加工质量和加工精度达到较高水平。可是，在实际应用和实验研究方 面，现代机械工业的发展对机床的加工精度提出了越来越高的要求，就我们与 国外同行相比还有很大差距，还有许多问题、现象和经验值得分析、研究和交 流。例如：切削热和切削温度的研究、切削加工表面残余应力计算的研究、切 削过程的研究、切屑形成机理研究等方面。现代机械工业的发展对机床的加工 精度提出了越来越高的要求，就高速高精度数控机床而言，由于转速高、精度 高、切削速度快等特点，要求其加工中心主轴变形满足径跳和端跳均不得超过 2 岬。大量的研究表明，影响高速机床加工精度的最主要因素之一就是由热变形 2 1 绪论 引起的热误差，它可以占到全部误差的4 0 - 7 0 。因此，如何有效地减小因切 削而产生的热量并及时对由热变形引起的误差进行补偿成为当前研究的重要内 容之一。 热变形是引起高速机床加工精度的主要原因，因此，减小控制热误差的影 响是提高机床加工精度的重要措施。目前减小热误差的方法主要有三种：温度 控制、热稳定性设计和热误差补偿。温度控制难度较大，这是因为要想控制温 度首先要知道温度的变化情况，即温度控制总是滞后于温升的，只有温度变化 以后，温度控制机构才会发生作用，例如改善机床的冷却系统，利用引入附加 冷却热源的方法使温度得到控制，从而减小温度变化引起的误差。这类方法对 减小机床复杂变形具有良好的效果，但机床线性膨胀问题不能解决，环境温度 变化的影响也较难以补偿，对机床结构也要进行改动。热稳定性设计通常又称 为误差防止法或硬补偿，它通过采用新型材料，改进设计方法和制造工艺，提 高机床的精度和刚度以降低加工误差。这类方法本身具有较大的局限性：首先， 当加工精度要求较高时，经济成本会明显增高：其次，即使高精度的机床在使 用一段时间后，精度也会降低，难以保证始终如一的高精度嘲。而热误差补偿则 不需要改变机床结构设计，采用补偿控制器加上软件编程来抵消机床自身的热 变形误差，所以又称为控制热误差的软技术。误差补偿法是指人为产生一种信 号去抵消或大大减弱机床自身产生的热变形原始误差，尽量使人为产生的信号 和原始误差两者的数值相等、方向相反，达到相互抵消的目的，从而减少加工 误差，提高被加工零件尺寸精度，显然误差补偿法采用的是“软技术， 与前 两种方法相比较，其投入的费用要低得多，补偿的效果却好的多h 1 。因此，误差 补偿技术是一项具有显著经济价值并十分有效的提高机床精度的手段。 目前，世界各国的机床生产厂家都希望在机床产品上能够较好地解决热变 形问题，传统的减小热变形的方法隔离热源、浇注冷却液和适当改变刀具的角 度等已经不能完全满足现代高速高精密机床的要求。研究表明热误差补偿是减 小和消除机床热变形对机床精度影响的有效经济的方法。但是如何准确可靠地 测量机床的热变形量，并建立热误差与机床热温度场之间的关系，是实现热误 差补偿的关键嘲。 1 3 本文研究的内容 1 绪论 本课题“c x 系列立式车铣复合加工中心”属于国家科技重大专项“高速、精 密、复合数控金切机床 项目课题之一( 项目号：2 0 0 9 z x 0 4 0 0 1 - 0 3 3 ) ，其中子课 题“c x 系列立式车铣复合加工中心高速条件下机床性能研究( 铣削主轴最高 转速1 2 0 0 0 r m i n ；车削主轴最高转速：8 0 0 r m i n ( 由8 0 0 m ) ，5 0 0 r m i n ( 巾 1 0 0 0 m m ) ；快速移动速度( x y z 轴) 6 0 m m i n ) ，针对高速条件下机床性能开展 应用基础研究，为立式车铣复合加工中心的设计、监测监控、精度补偿和可靠 性等提供支持。热变形误差主要是由机床内部温度场分布的变化引起的，因此 它的主要研究内容包括以下几个方面：热变形理论分析与研究、测温点优化与 设置、热误差补偿变量提取、补偿建模和热误差补偿实施五大部分。 本论文完成的工作主要有以下几点： ( 1 ) 基于s o l i d w o r k s 建立c x 系列立式车铣复合加工中心的相关模型，利用 a n s y s 有限元法对立式车铣复合加工中心主轴系统，床鞍等移动部件进行有限元 热特性建模，并计算主轴的热变形。建立加工中心整机温度场有限元模型并分 析稳态温度场。 ( 2 ) 应用温度传感器优化布置理论对加工中心热关键点进行优化与建模， 选择合适的温度测点布置温度传感器，建立温度在线测量系统，以确定用于建 模的温度变量，并应用红外测微仪测量主轴端部三个方向的位移量。 ( 3 ) 建立关键点的温度变化与机床热误差之间的关系模型，并通过实验对 所建立的模型进行验证和完善。 ( 4 ) 由上述热误差数学模型获得的信号，通过放大器进行放大，控制器加 以转换，给数控系统发出相应的补偿信号，最终将热误差送给数控系统进行校 正及实时补偿，从而提高机床精度。 本课题的研究成功将在重大关键技术上取得突破，并培养一支高水平、高 素质的科技创新型团队，为c x 系列立式车铣复合加工中心开发并形成产业化， 奠定坚实的人才、应用技术基础；对其他相关项目在研发平台建设、制造平台 建设、研发团队建设等方面起到相互促进作用。 4 2 高速条件下机床的热变形研究 2 高速条件下机床的热变形研究 2 1 引言 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有 限元分析软件。它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如 p r 0 e n 西n e a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a e i 具之一。a n s y s 有 限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流 体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、 汽车工业、生物医学、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统等【6 一】。 一般地，一个完整的a n s y s 结构分析过程包括下面一些基本步骤和环节： ( 1 ) 前处理模块 前处理模块是整个分析过程的开始阶段，其目的是建立一个符合实际情况 的结构有限单元分析模型，一般分为如下的几个操作环节：分析环境设置，定 义单元以及材料类型，建立几何模型，进行网格的划分，定义边界及约束条件。 ( 2 ) 分析计算模块 分析计算模块的目的在于为分析定义载荷，指定分析类型以及各种求解控 制参数，一般分为如下几个实际操作环节：定义载荷信息，指定分析类型和分 析选项，执行求解计算。分析计算模块可模拟多种物理介质的相互作用，具有 灵敏度分析及优化分析能力。 ( 3 ) 后处理模块 后处理模块是对计算的结果数据进行可视化处理和相关的分析飞，可以利 用a n s y s 的通用后处理器p o s t i 和时间历程后处理器p o s t 2 6 完成，一般包括如 下操作环节：进入后处理器并读入计算结果，进行后处理操作，输出后处理操 作的结果。后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、 粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可 将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 a n s y s 软件提供的分析类型包括结构静力分析、结构动力学分析、结构非 线性分析、热分析等等，其中热分析包括三种，分别为热传导、热对流和热辐 射。热分析的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析，热分析还具 2 高速条件下机床的热变形研究 有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的 热一结构耦合分析能力【7 1 。 2 2 整机的温度场分析 我国汽车、航空航天、军工、电子等国民经济重要领域急需的高速数控车 床及车削中心亟待研发。其中，高速数控车床及车削中心需求的主要参数：回 转直径多4 0 0 - - 6 3 0 m m 、主轴转速4 0 0 0 - - 一8 0 0 0 r m i n 、进给速度4 5 m m i n 。符合上 述技术指标的机床已成为本次国家重点支持的关键课题之一。 2 2 1 整机有限元模型的建立 本课题研发的立式车铣复合加工中心系列产品，以c x 8 0 7 5 为基本机型， c x l l o l 0 0 为扩展型，在立式加工中心的基础上，增加了车削装置，综合了车铣 工艺，具有车、镗、铣、钻、铰、攻丝等功能；五轴联动可以实现对零件的完 整加工，同时机床通过高转速、小进给量进行加工，保证了较高的被加工零件 精度和表面质量，适用于军工、航天、汽车、医疗机械等领域，主要是为了满 足具有复杂型面和高精度要求的零件加工( 如叶轮、叶片、齿轮、模具、汽车 零部件等) ，可实现车、镗、钻、铣等多种工序复合的加工要求，还可满足五 轴五面加工等功能，满足个性化的加工需求。本机床具有高速、高精度的特点， 比较适合中小批量、多品种、高精度的零件加工。机床采用主机全防护，机、 电、液集中布局的结构形式，主要由床身及y 向移动、横梁及x 向移动、z 向移动 及铣头滑鞍、摆动铣头、回转工作台、工作台、上料装置及工作台交换装置、 操纵台、自动排屑机、温度控制冷却装置、自动润滑、液压系统、刀库、防护、 电控系统及电箱等部件组成。 ( 1 ) 床身及y 向移动 机床的床身由底座、y 向移动和自动输屑机构组成，功能集中，结构紧凑； 底座采用米汉纳抗震铸铁，箱体式对称布置整体床身，3 点支撑设计，床身刚性 高、热变形对精度影响小、安装调试方便快速。y 向移动采用直线导轨，滚珠丝 杠，伺服电机驱动结构设计，运动摩擦小，动作灵敏；滚珠丝杠通过无间隙联 轴器与伺服电机直联，传动误差小，刚性高；y 向运动整体响应快速，移动速度 可达6 0 m r a i n 。y 向移动导轨护板采用3 5 度倾角设计，防止持续切屑堆积，尤 6 2 高速条件下机床的热变形研究 其适合油雾润滑和干加工。自动输屑机构对称设在机床底座本体两侧，接屑分 布合理，占用机床空间小，切削液不宜外漏。 ( 2 ) 横梁及x 向移动 机床横梁固定在床身后端，为x 向、z 向移动提供支承，为了结构紧凑，提 高整体刚度，减小热变形对精度影响，横梁设计同床身设计原理一样，将横梁 与x 向移动设计为一体，采用米汉纳抗震铸铁，箱体式对称布置整体横梁。x 向 移动结构设计同y 向移动一样，采用直线导轨、滚珠丝杠、伺服电机驱动结构 设计，移动速度可达6 0 n y m m ，但为了确保z 轴全行程的刚性一致，x 向移动导 轨采用三根滚柱导轨结构。 ( 3 ) z 向移动及铣头滑鞍 z 向移动支承部件由z 向移动座体和铣头滑鞍组成，z 向移动座体固定在x 向移动导轨滑块上，提供铣头x 向移动，铣头滑鞍固定在z 向移动导轨滑块上， 提供铣头z 向移动；z 向运动结构采用x 、y 向移动直线导轨、滚珠丝杠、伺服 电机驱动结构型式，移动速度也可达6 0 n 岫；为了提高快速响应特性，铣头滑 鞍采用最小质量优化设计，液压平衡，减轻移动负载，增加静止质量，提高机 床动态性能。 ( 4 ) 摆动铣头 摆动铣头，安装于铣头滑鞍上，用于5 面加工和5 轴联动铣削，设计形成 系列化、模块化。初期开发设计b 轴摆动铣头要求： b 轴功率：1 1k w b 轴额定转速：5 0r n 1 i n b 轴主轴头回转： 一3 0 - + 1 8 0 。 铣削主轴最高转速： 1 2 0 0 0r n 1 i n 铣削主轴功率( 额定4 0 e d ) ：3 2 4 4k w 铣削主轴扭矩( 额定4 0 e d ) ：1 8 7 2 2 8n m 摆动铣削头设有液体冷却电主轴和刀具内冷装置，适合于先进材料的切削。 ( 5 ) 回转工作台 回转工作台设计，直接安装于y 向移动直线导轨滑块上，减少了中间安装 环节，缩小机床空间，减小y 向移动移动惯量。回转工作台采用主轴双主电机 消隙，保证了分度准确。回转工作最高转速8 0 0r n f i n ( 妒8 0 0m m ) ，5 0 0r n f i n ( 少 1 1 0 0m m ) ；回转工作输出扭矩( 连续3 0 分钟) 2 0 5 0 3 0 0 0 ( 多8 0 0m m ) ， 7 2 高速条件下机床的热变形研究 5 4 0 0 6 2 0 0 ( 咖1 1 0 0n 吼) ；回转工作c 轴最高转速1 0 0r m i n ，最小单位0 0 0 1 。 ( 6 ) 工作台 工作台两个，用于安装加工工件，一个工作台安装于回转工作台上，可随 回转工作回转，用于工件车削和五面加工，另一个工作台安装于上料装置上， 用于装卸工件，使装卸工件与加工工件可同时进行；加工工位工作台与装卸工 位工作台，可通过工作台交换装置进行自动交换。 ( 7 ) 上料装置及工作台交换装置 上料装置及工作台交换装置，安装于床身底座前端，用于工作台交换和停 放上下工件待加工工作台。本装置设计能够满足工件体积咖8 0 0 m m x 6 3 0 m m ， 多1 1 0 0 m i n x 8 0 0 r a m ，最大承重1 2 0 0 k g ，当为1 5 0 0 k g 时，要求转位平稳可靠。 ( 8 ) 操纵台 操纵台安装于机床底座前端，上料装置及工作台交换装置下部，采用铰链 结构，操纵灵活，造型自然美观，移动范围大。 ( 9 ) 自动排屑机 自动排屑机安装于床身底座后端，用于接收床身自动输屑机构排出的切屑 和切削液体，并将切屑与液体分离，排出切屑到切屑收集器中，液体经过滤装 置过滤，进行切削冷却循环，保证冷却管道畅通，加工冷却充足、充分。 ( 1 0 ) 温度控制冷却装置 温度控制冷却装置分体安装于床身底座后端，自动排屑机外侧，用于提供 温度恒定的冷却液，冷却回转工作台和摆动铣头电机，使之处于良好工作温度， 保证机床精度。 ( 1 1 ) 自动润滑 机床润滑采用集中自动润滑，安装于机床前端左侧，用于保证各润滑点供 油合理、均匀、充分可靠；保证运动部件工作状态良好，精度稳定，寿命达到 设计要求。 ( 1 2 ) 液压系统 液压系统中的液压站，分体安装于机床后端右侧，用于提供交换工作台抬 起落下及铣头滑板平衡缸的压力油，保证交换工作台抬起落下及铣头滑板移动 平稳。 ( 1 3 ) 刀库 刀库安装于机床横梁左端，用于提供摆动铣头车、镗、铣、钻、铰、攻丝 2 高速条件卜机床的热变形研究 等工艺的用刀具。刀库设计刀具容量3 2 6 0 把，刀柄采用h s k 形式，最大刀具 重量( 含刀夹、卡套) 1 8 k g ，最大刀具长度( 含刀夹、卡套) 3 0 0 m m ，满刀最 大刀具直径1 2 0 m m ，邻空刀最大刀具直径2 0 0 m m ，刀对刀换刀时间3 8 s 。 ( 1 4 ) 防护 机床配置全封闭防护，提供高安全工作环境，大开度的工作门和宽大视窗， 实现最佳的人体工程学效果。 ( 1 5 ) 电气、电箱设计 数控系统采用s i m e n s 8 4 0 ds o l u t i o n l i n e p o w e r l i n e 和国产华中五轴联动系统， 具有快速网络连接、硬盘数据处理、大型程序的快速编辑、简单、可视化编程、 广泛刀具管理、最简单的交互式编程、h p c ( 铣头精度控制) 和t p c ( 工作台精度控 制) 功能，可选配d e c k e lm a h o a t c 功能。多层互锁式安全保护，能充分地 保护机床免受碰撞；动态监控和工作区域的最佳利用，为操作人员减轻工作压 力。 c x 8 0 7 5 车铣复合加工中心铣削电主轴的最高转速1 2 0 0 0 r m i m 车削主轴 最高转速：8 0 0 r m i n ( 砂8 0 0 m m ) ，5 0 0 r m i n ( 庐1 0 0 0 m m ) ；快移速度( x v z 轴) 6 0 m m i n 。c x 8 0 7 5 车铣加工中心整机三维模型如图2 1 所示。利用a n s y s 有限元 法对复合加工中心的电主轴系统、床鞍等移动部件与整机进行热特性建模与分 析，分析其热变形特点，并在此基础上对加工中心进行热补偿，提高机床精度”。 在热变形分析过程中，将交换工作台、交换工作台底座、回转支架等部件简化 ( 因为这些部件对机床的热分析影响不大) ，简化后的加工中心整机三维模型如 图2 2 示。 图2 1c x 8 0 7 5 车铣加工中心整机三维模型 9 2 高速条件下机床的热变形研究 图2 2 简化后的加工中心整机三维模型 c x 8 0 7 5 车铣复合加工中心整机包括主轴系统、机床床身、进给系统、导轨、 拖板等主要部件，首先通过s 0 1 i d w b r k s 2 0 0 8 三维实体软件建立模型，调入a n s y s ， 然后进行网格划分。网格划分前，首先需要定义单元类型，有限元模型由一些 简单形状的单元组成，单元之问通过节点连接，并承受一定的载荷”。其中， 单元是由一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述。节点是空间中的坐标 位置，具有一定自由度和存在相互物理作用。信息是通过单元之间的公共节点 传递的，自由度用于描述一个物理场的响应特性。有限元分析仅仅是求解节点 处的自由度值。在对该加工中心的热特性进行模拟仿真中，进行温度场计算时 单元的自由度是温度，进行变形计算时单元的自由度是位移。 有限元网格模型的建立是采用有限元法求解问题的先决条件。该加工中心 整机的有限元模型网格划分后如图2 3 所示。 图2 3 整机有限元网格划分模型 1 0 2 高速条件下机床的热变形研究 2 2 2 整机热源分析 在影响机床加工精度的诸多因素中，热误差、几何误差和切削力误差的影 响较大瞄制。而随着机床定位精度和刀具切削性能的不断提高，几何误差和切削 力误差在一定程度上已经得到了较好的解决，而热误差逐渐成为影响机床加工 精度的最主要因素。机床内部的电机发热以及轴承、导轨副和丝杠等部件的摩 擦都会产生大量的热量，使机床的热平衡状态被打破，致使其温度场发生变化， 从而引起热应力的变化，热应力的变化最终以热变形的形式来显现出来，并产 生热误差，对机床的热分析包括机床稳态温度场分析和热变形分析两个方面。 根据机床热误差与热源位置的关系，可以将热误差分为两类：与热源位置相关 的热误差和与热源位置不相关的热误差，前者不仅与热源温度有关也与热源所 在的位置有关，如丝杠与丝杠螺母之间相对运动所产生的热源，后者只与热源 温度有关，与热源所在的位置无关，如液压油等流体热源。 热源分布直接影响加工中心整机温度场的分布和变化，所以首先要对加工 中心的内外热源进行分析瞄洲。影响机床加工精度的主要热源有电主轴轴承发热、 电机的发热、切屑热和环境温度变化等。其中机床的两个轴承与轴接触，在高 速旋转时产生大量的热，这是机床产生热误差的主要来源；电机温度变化比较 大，对机床整体产生的热变形最终会叠加到主轴上，产生热误差；切削热使得 切削温度升高，这将直接影响刀具前刀面上的摩擦系数、刀具的磨耗和工件的 加工表面质量等；环境温度对机床的加工精度也会有一定的影响，因此也应考 虑在内。 2 2 2 1 电主轴轴承发热 轴承在高速运转条件下，存在着较为复杂的摩擦现象，会产生大量的热量， 直接影响其热变形，同时电机发热也会传递给轴承，使轴承温升更高，严重时 可导致轴承失效，从而影响加工的精度。轴承发热计算在后面将做主要说明。 2 2 2 2 电机发热 在加工过程中，电机输出功率是它在空转时消耗的功率与切屑时消耗的功 率总和。由于切屑热大部分被切屑和切削液带走，所以高速加工中，加工中心 空转消耗功率转化的热成为其主要热源。电机的发热来源于电机的损耗。在高 速电机中，电损耗是电机发热的主要来源，机械损耗主要是转子零部件高速旋 2 高速条件下机床的热变形研究 转与空气的摩擦损耗，磁损耗与主要磁通对铁芯的周期性反复磁化有关，附加 损耗在总损耗中所占比例很小。 ( 1 ) 电机铜耗的计算 根据焦耳楞次定律，各绕组铜耗总和为 = ( 最戤) ( 2 1 ) 式中，厶为绕组中的电流；峨为基准工作温度绕组的电阻。 ( 2 ) 电机铁耗的计算 单位质量的铁耗为 = 昂，。( 厂5 0 尸 ( 2 2 ) 式中，为铁耗系数；系数随硅钢片的含硅量增高而减小，其数值范围 为1 2 1 6 ；吃单位为t ；单位为w 姆。 2 2 2 3 切肖u 热 在切削加工过程中，由于被切削材料层的变形、分离及刀具和被切削材料 间的摩擦而产生的热量称为切削热，其中由于弹性和塑性变形而耗费的功，是 切削热的主要来源，此外，切削与前刀面、工件和后刀面之间的摩擦也要耗功， 也产生出大量的热量【1 0 1 。因此，切削时共有三个发热区域，即剪切面、切屑与 前刀面接触区、后刀面与过渡表面接触区。所以，切削热的来源就是切削变形 功和前、后刀面的摩擦功。 对磨损量较小的刀具，后刀面与工件之间的摩擦较小，所以在计算切削热 时，如果将后刀面的摩擦功所转化的热量忽略不计，则切削时所做的功，可按 下式计算： 己= 疋1 ，( 2 3 ) 式中，r 为每秒钟内所产生的切削热( j s ) ；足切削力( n ) ，1 ，为切削速度 ( m s ) 。切削区域的热量被切屑、工件、刀具和周围介质传出，向周围介质直接 传出的热量，在干切削时，所占比例在1 以下，故在分析和计算时可以忽略不 计。 2 2 2 4 环境温度 本：j h - r 中心假设环境温度为常温2 5 c 。 1 2 2 高速条件下机床的热变形研究 2 2 3 整机温度场分析 在综合考虑整机的热源后，整机的热源主要是横梁上三个导轨副和底座上 的两个导轨副，具体数据如前所述。对立式车铣复合加工中心整机的稳态温度 场计算，得到整机的温度场分布，如图2 4 所示。 图2 4 整机的温度分布图 由于试验条件以及个人能力限制，在对整机的温度场进行分析时，本文仅 对由底座、横梁、床鞍和导轨等组装后的部件进行了分析，通过温度分布图可 以看出，整机的发热点主要分布在横梁上的三个横向导轨和底座的两个纵向导 轨上。通过分析，我们可以确定整机的热源来源及热关键点，为下一步测温点 的选取与优化以及热误差模型的建立和补偿奠定基础。 2 3 机床各部件的热变形分析 在对加工中心各部件进行热分析过程中，考虑到机床上的其他微小零部件 对热分析影响不大，因此本文主要分析的部件为电主轴系统、床鞍系统、横梁 部件、底座部件和回转台体等部件。 2 3 1 主轴系统的热变形分析 c x 8 0 7 5 车铣复合加工中心铣削电主轴的最高转速1 2 0 0 0 r m i n ；车削主轴 最高转速：8 0 0r m i n ( 巾8 0 0 m m ) ，5 0 0r m i n ( 巾1 0 0 0 m m ) 。该主轴系统主要包括主 2 高速条件下机床的热变形研究 轴、轴承和轴承端盖等主要部件。首先通过s o l i d w o r k s 2 0 0 8 三维实体软件建立 模型，然后由s o l i d w r o r k s 输出转换文件，导入a n s y s 分析软件。由于此处分析 主轴的热变形，为热结构耦合场分析。热结构耦合场分析可以采用直接耦合 法和间接耦合法，直接耦合法的耦合单元需要具有热和结构自由度，采用直接 耦合法仅通过一次求解就能得出耦合场的分析结果，比如温度分布以及机构变 形；间接耦合法又称顺序耦合法，是将第一次分析的结果作为第二次分析的载 荷来实现两种场的耦合，比如此处的热结构耦合分析可以将热分析得到的节点 温度作为载荷施加在后续的结构分析中，实现热结构耦合分析。本分析中采用 直接耦合法对电主轴进行热结构耦合分析，在a n s y s 中采用s o l i d 2 2 7 单元对 电主轴划分网格，在定义s o l i d 2 2 7 单元的属性时选取t e m p ，u x ，u y ，u z 四个 自由度，使该单元可以用于直接的热一结构耦合分析。在主轴的有限元模型中简 化两端的轴承，在轴承安装部位设置结构自由度和热载荷，以等效轴承，该有 限元模型如图2 5 所示。 i 坼e 嘲覆， y ，l 口互善m 图2 5c x 8 0 7 5 主轴系统的有限元模型 电主轴热边界条件的确定，考虑在高转速下承受轴向载荷因素，主轴轴承 采用压力角为2 5 。的角接触球轴承，根据理论公式，轴承的发热量为： q = 1 0 4 7 1 0 。n m( 2 4 ) 式中，n 为轴承转速，m 为轴承摩擦力矩。摩擦力矩m = m 。+ m 。，其中， m 。为速度项，它由润滑剂的粘度和用量，轴承转速有关，由p a l m g r e n 提出的经 验算法公式： 1 4 2 高速条件下机床的热变形研究 m o = 1 0 - 7 厶似) 2 n 如3 m 2 0 0 0 x l o _ 6 m 2 可1 r - m i n - 1 m o = 1 6 0 x 1 0 - 7 r o d = 3 珊 ，6 0 m m i n 。考虑到床 鞍上的孔、倒角等细小结构对床鞍的整体热分析影响不大，为了方便分析，本 文把床鞍上的孔、倒角等细小结构进行适当简化，导入a n s y s 系统，并采用 s o l i d 2 2 7 耦合单元进行网格划分【1 6 】，得到床鞍系统的有限元模型如图2 9 所示。 2 高速条件下机床的热变形研究 图2 9 床鞍系统有限元模型 对床鞍的温度场进行分析如下： ( 1 ) 发热量的分析 床鞍在工作过程中，产生热量的主要来源为滑动摩擦生热和滚动摩擦生热。 本例中，床鞍与横梁间的导轨滑块的摩擦( 共6 处) 、床鞍与铣头间的导轨滑块 的摩擦( 共4 处) 、床鞍与x 向丝杠间的摩擦( 共2 处) 均为滑动摩擦，床鞍与 z 向滚珠丝杠问的摩擦为滚动摩擦。由摩擦生热公式得 q = a f s ( 2 1 2 ) p = f 1 ， 式中，q 为发热量，f 为摩擦系数，