【正文】 , temperature, steadystate analysis 3 第一章 緒論 研究的目的和意義 加工技術(shù)具有極其古老的歷史，它伴隨著人類的誕生而出現(xiàn)，伴隨著人類的進步而發(fā)展。尤其是在當代， 機床工業(yè)是國家基礎(chǔ)工業(yè)的基礎(chǔ)，它直接影響到國家各個工業(yè)部門的裝備自動化水平，勞動生產(chǎn)率的提高和國防現(xiàn)代化的實現(xiàn)。 隨著生產(chǎn)和科技的迅速發(fā)展，機床向高速，高效，高精度和自動化的方向發(fā)展。但目前 我國由于機床開發(fā)理念落后，較少考慮熱態(tài)和動態(tài)，設(shè)計出的機床不僅性能差，結(jié)構(gòu)笨重，精度不高，自動化水平低，而且設(shè)計周期長，制造成本高，更新?lián)Q代慢，使得我國生產(chǎn)的高速精密數(shù)控機床無法與國外相抗衡。為此，我國數(shù)控加工機床制造企業(yè)必須盡快將動態(tài)和熱態(tài)的先進設(shè)計理念應(yīng)用到高檔高速數(shù)控機床開發(fā)中去，快速開發(fā)出結(jié)構(gòu)合理、加工精度高、自動化水平高、低成本的高速精密數(shù)控機床，積極參與國際競爭。 提高國家的整體水平 [1]。 隨著加工零件 精度要求的提高和產(chǎn)品產(chǎn)量的迅速增長，要求機床產(chǎn)品不斷向高精度、高剛度、高速度 ，自動化的 方向發(fā)展 ， 所以因此 對機床動態(tài)性能的要求也越來越高， 在這眾多因素中， 機床的熱性能 表現(xiàn)的越來越重要，它已成為影響數(shù)控 機床性能的主要因素之一。 據(jù)研究表明 ，機床熱變形對加工精度的影響是十分重要的因素之一。就機械加工而言，尤其是在現(xiàn)代高速切削機床中，隨著機床轉(zhuǎn)速和零件表面加工質(zhì)量的提高，切削深度與走刀量一般都比較小，而切削力也不大，所以工藝系統(tǒng)受力變形對加 工精度的影響與熱變形相比處于次要的地位。因此，減少機床的熱變形就成為提高機械加工精度的重要手段。機床在工作過程中，在各種熱源的作用下， 形成的 溫度場， 導(dǎo)致加工部位 發(fā)生不同程度 的熱變形，影響工件與刀具間的相對位移造成加工誤差。大量的研究表明，主軸系統(tǒng)運行中所產(chǎn)生的熱量是整機熱源中最重要的來源之一，由此在引起的機床熱變形誤差的諸多因素中主軸系統(tǒng)的熱變形誤差更 突出、更明顯， 主軸系統(tǒng)的熱變形對機床的加工精度、表面粗糙度和生產(chǎn)率影響是直接的，已成為進一步提高機床性能的主要制約因素。 目前，機床的主軸系統(tǒng)有兩類，一類主軸系統(tǒng)的高速回轉(zhuǎn)部分由自帶冷卻系統(tǒng)的電主軸提供，如高架橋式高速五坐標龍門加工中心，該加工中心主軸系統(tǒng)控制主軸繞 X 和 Y 旋轉(zhuǎn)，其自身的熱誤差對加工精度有影響；另一類主軸系統(tǒng)的高4 速回轉(zhuǎn)部分由沒有冷卻系統(tǒng)的主軸等部件組成，如 CK1416數(shù)控車床，該數(shù)控車床主軸高速旋轉(zhuǎn)，在機床運行中產(chǎn)生很多熱量，是機床主要熱源之一，其產(chǎn)生的熱變形對加工精度有重要影響。因此，本論文應(yīng)用有限元法建立兩類機床有限元模型，對其熱特性進行分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以提高高速精密數(shù)控的加工精度。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國際上對機床熱變形的理論研究始于 20 世紀 60 年代 ,陸續(xù)發(fā)表了一些有關(guān)機床熱變形理論方面的文章。開始階段是利用熱工學(xué)理論知識研究機床熱變形問題 ,初步建立了溫度場與熱變形之間的定性關(guān)系。直到 70 年代初 ,由于計算機等分析工具和遠紅外熱像儀、激光全息照相等測試技術(shù)在熱變形研究中的有效應(yīng)用 ,使機床熱變形研究進入了定量分析的新階段 ,開始利用有限差分法和有限元法計算復(fù)雜的機床基礎(chǔ)件的瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)溫度場和熱變形。 在近 20年來，特別是 90年代以來，隨著商品經(jīng)濟的發(fā)展，市場競爭越來越激烈，數(shù)控 切削技術(shù)應(yīng)運 而生。隨著數(shù)控加工機理、數(shù)控主軸單元、高加（減）直線進給電機及高性能控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)控加工技術(shù)在制造領(lǐng)域的成功應(yīng)用提供了基本條件。德國切削物理學(xué)家薩洛蒙（ ） 就對數(shù)控切削技術(shù)進行了研究。薩洛蒙發(fā)現(xiàn)，當切削速度超過某一數(shù)值時，隨切削速度增大，切削溫度不升反降，這與常規(guī)速度切削現(xiàn)象相反，而且這一臨界速度值與工件材料的特性有關(guān)。美國相關(guān)機構(gòu) 在上世紀 70 年代進行了高速切削實驗，結(jié)果表明：切削力下降，表面質(zhì)量提高，加工效率提高 3倍左右。其它西方發(fā)達國家也在高速加工技術(shù)方面做了許多 工作，尤其德國，在高速數(shù)控加工機床、刀具、控制系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)方面，均走在世界的前列。日本對于高速加工的機理研究也比較早，并積極地將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于制造領(lǐng)域， 90年代以來，日本已成為世界上為數(shù)不多的主要高速數(shù)控機床的供應(yīng)者之一。 我國在 20 世紀 50 年代就開始了機床熱變形的研究，當時大連工學(xué)院在一臺內(nèi)圓磨床上定程磨削一批零件并進行測量，應(yīng)用統(tǒng)計法對零件尺寸誤差進行分析，發(fā)現(xiàn)機床熱變形是引起零件加工誤差的主要原因。 20 世紀 60－ 70 年代，北京機床研究所，上海機床廠等單位對熱變形做了大量的研究工作，浙江大學(xué)等院 校、科研單位對機床熱態(tài)幾何精度超差問題進行了攻關(guān)。此后，許多學(xué)者在熱變形方面做過較深入的研究 ，如清華大學(xué)的高賽、曾理江等人提出使用三路單光束干涉儀對機床主軸熱誤差進行非接觸式5 的實時測量，實驗結(jié)果表明，該方法快速、準確，測量誤差可達到 m。東南大學(xué)的郭策博士利用有限元法建立了主軸系統(tǒng)的三維溫度場模型，對其進行了詳細的熱性能分析，在獲得主軸系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)溫度場的基礎(chǔ)上，進一步計算出主軸系統(tǒng)在熱 力結(jié)構(gòu)耦合條件下的變形。我國在熱設(shè)計方面雖然取得一些成果，但與國外相比仍有較大差距。 目前減少熱誤差，提高機床加工精 度有兩種基本方法，第一種是誤差預(yù)防法，這是一種“硬技術(shù)”，其通過改進設(shè)計和制造途徑消除或減少可能的熱誤差源，提高制造精度，或者控制溫度來滿足加工精度要求；第二種是誤差補償技術(shù)，人為地造出一種新的誤差去抵消當前成為問題的原始誤差，是一種既有效又經(jīng)濟的提高機床加工精度的手段。本文采用誤差預(yù)防法對機床主軸系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其散熱特性好，提高其加工精度。 主要研究內(nèi)容 本論文研究的目的是結(jié)合國內(nèi)市場急需的若干種高速精密數(shù)控機床的開發(fā)，以機床主軸系統(tǒng)熱態(tài)和動態(tài)特性的提高為目標，為我國機床制造業(yè)上水平提供理論和技術(shù)支持。論文以 CK1416 數(shù)控機床主軸系統(tǒng)作為研究對象。建立機床主軸溫度場的有限元分析模型。基于有限元對機床主軸溫度進行了詳細的分析，為CK1416 數(shù)控機床主軸的熱變形奠定了基礎(chǔ)。論文著重研究主軸 3D 建模、溫度場有限元分析及基于穩(wěn)態(tài)的熱變形分析 。所得結(jié)果是理論上的最優(yōu)解，所研究的主軸系統(tǒng)具有良好的熱態(tài)特性。 為高精度、高效率、自動化數(shù)控機床的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。 6 第二章 Pro/E 及 3D 建模 Pro/E 簡介 Pro/Engineer 操作 軟件 是美國參數(shù)技術(shù)公司（ PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一體化的三維軟件。 Pro/Engineer 軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位， Pro/Engineer 作為當今世界機械 CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE 軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域占據(jù)重要位置 。 Pro/E 第一個提出了 參數(shù)化設(shè)計 的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān)性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進行選擇，而不必安裝所有模塊。 Pro/E 的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設(shè)計。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機上 。 Pro/E 采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計、鈑金設(shè)計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用 。 1． 參 數(shù)化設(shè)計 相對于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復(fù)雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念 。 2． 基于 特征建模 Pro/E 是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計人員采用具有智能特性的基特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計者提供了 在設(shè)計上從未有過的簡易和靈活 。 3． 單一數(shù)據(jù)庫（全相關(guān) ） Pro/Engineer 是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設(shè)計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變， NC（數(shù)控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應(yīng)在整個三維模型上。這種獨特的 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 與7 工程設(shè)計的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)合起來。這一優(yōu)點，使得設(shè)計更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜 [2]。 CK1416 數(shù)控車床主軸 3D 建模 查閱相關(guān)資料 [3]可得出 CK6140 數(shù)控車床主軸的尺寸大小，一來可以形象生動的顯示主軸的三維圖形，了解主軸軸承對主軸的受力的簡單示意圖，而來為后期的 ANSYS 的溫度場分析做基礎(chǔ)。三維圖如圖 21所示 ： 圖 21 CK6140車床主軸 通過對主軸 三維圖形的繪制，加深了 對 Pro/E 的熟悉程度，同時對車床主軸在機器中的定位有了一個大概的了解，它是由３個軸承支撐，為前支撐 A、中間支撐 B和后支撐 C。如圖 22 所示。 圖 22 軸承支撐區(qū)域 8 第三章 ANSYS 簡介及 機床主軸熱特性有限元建模 ANSYS 簡介 ANSYS 有限元 軟件 包是一個多用途的有限元法計算機設(shè)計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、 微機電系統(tǒng) 、運動器械等 。 軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊 。 前處理模塊提供了一個強大的實體建模及 網(wǎng)格 劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型 ； 分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力 ； 后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、 曲線 形式顯示或輸出 [4]。 ANSYS 熱分析類型 a) 相變 （融化及凝固），即金屬合金在溫度變化時的相變，如鐵合金中馬氏體與奧氏體的轉(zhuǎn)變。 b) 內(nèi)熱源 (例如電阻發(fā)熱 )，存在熱源問題，例如在加熱爐中試件進行加熱。 c) 熱傳導(dǎo)，是熱傳遞的一種方式，當相接處的兩物體存在溫度差時發(fā)生。 d) 熱對流，是熱傳遞的一種方式，當存在流體，氣體和溫度時發(fā)生。 e) 熱輻射，是熱傳遞的一種方式，只要存在溫度差時九發(fā)生，可以在真空中進行。 有限元熱分析基礎(chǔ) 傳熱學(xué)經(jīng)典理論 熱分析遵循熱應(yīng)力學(xué)第一定律，即能量守恒定律：對于一個封閉的系統(tǒng)（沒9 有質(zhì)量的流入或流出） PEKEUWQ ??