【正文】 模量、泊松比、密度、熱膨脹系數(shù) [8]。根據(jù)不同的應(yīng)用，材料屬性可以是線性或非線性。返回到單元類型對(duì)話框，單擊“ Close”按鈕，關(guān)閉單元類型對(duì)話框，結(jié)束單元類型設(shè)置。在對(duì)話框右邊的列表中選擇 Solid70 選項(xiàng)。如圖 37示。 圖 36 SOLID70的節(jié)點(diǎn)分布 為了避免網(wǎng)格錯(cuò)誤較多，且模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在本文中最終采用自由網(wǎng)格劃分的形式。 該單元存在一個(gè)選項(xiàng)，即允許完成實(shí)現(xiàn)流體流經(jīng)多孔介質(zhì)的非線性靜態(tài)分析。假如模型包括實(shí)體傳遞結(jié)構(gòu)單元，那么也可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，此單元能夠用等效的結(jié)構(gòu)單元代替（如 SOLID45 單元） 。該單元有 8個(gè)節(jié)點(diǎn)且每個(gè)節(jié)點(diǎn)上只有一個(gè)溫度自由度，可以用于三維靜態(tài)或瞬態(tài)的熱分析。確定選擇 SOLID70 單元。 在對(duì)機(jī)床主軸熱特性的分析中，計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)單元的自由度是溫度，而在計(jì)算熱變形時(shí)需要將熱分析單元轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)分析單元，其自由度為位移。 如圖 35 所示。 13 圖 34 【修改標(biāo)題】對(duì)話框 4） 從實(shí)用菜單中選擇 Utility Menu: Plot → Replot 命令，指定的標(biāo)題“ shaft analysis”將顯示在圖形窗口左下角。 3） 從實(shí)用菜單中選擇 Utility Menu: File → Change Title 命令，將打開 Change Title（修改標(biāo)題） 對(duì)話框，如圖 34。 設(shè)定分析作業(yè)名和標(biāo)題 1） 從實(shí)用菜單中選擇 Utility Menu: File→ Change Jobname 命令，將打開 Change Jobname(修改文件名 )對(duì)話框，如圖 33示 。 熱流密度與對(duì)流可以施加在同一外表面，但 ANSYS 將讀取最后施加的面載荷進(jìn)行計(jì)算 [6]。若輸入值為正，則表示熱流流過單元；反之，則表示熱流流出單元。熱流密度是一種面載荷，表示通過單位面積的熱流率。它可以施加在有限元模型的節(jié)點(diǎn)及單元上，也可以施加在實(shí)體模型的線段和面上。 當(dāng)溫度和熱流率同時(shí)施加在某一節(jié)點(diǎn)上，則 ANSYS 讀取溫度值進(jìn)行計(jì)算。 溫度：作為第一類邊界條件可以施加在有限元模型的節(jié)點(diǎn)上，也可以施加在實(shí)體模型的關(guān)鍵點(diǎn)、線段及面上。 b) 初始條件 初始條件是指?jìng)鳠徇^程開始時(shí)物體在整個(gè)區(qū)域中所具有的溫度為已知值，用公式表示為： ),(| 0 yxT t ??? ),( yx? 為已知溫度函數(shù)。 （ 3） 第三類邊界條件 與物體相接觸的流體介質(zhì)的溫度和換熱系數(shù)已知，用公式表示為： ?? ????? |)(| fTTnTk ? fT 為流體介質(zhì)的溫度， ? 為換熱系數(shù)。 a) 三類邊界條件： （ 1） 第一類邊界條件 物體邊界上的溫度函數(shù)已知，用公式表示為： 0| TT ?? ； ),(| tzyxfT ?? ? 為物體邊界， 0T 為已知溫度， ),( tzyxf 為已知溫度函數(shù)。 熱分析材料基本屬性 與熱分析直接相關(guān)的材料屬性包括：熱傳導(dǎo)率（ Thermal Conductivity），比熱容（ Specific Heat）、對(duì)流換熱系數(shù)（ Convection film coefficient）、焓（ Enthalpy）、輻射系數(shù)（ Emissivity）、生熱率（ Heat generation rate）。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流都需要傳熱介質(zhì)，而熱輻射無需任何介質(zhì)。 c) 熱輻射 熱輻射是指物體發(fā)生電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒崃拷粨Q過程。39。 圖 32 對(duì)流示意圖 熱對(duì)流可分為兩類：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。高溫物體（如暖氣片）表面常常發(fā)生對(duì)流現(xiàn)象，這是因?yàn)楦邷匚矬w表面附近的空氣因受熱而膨脹，密度降低并向上流動(dòng)。 圖 31 熱傳導(dǎo)示意圖 10 上式所表達(dá)的即為傅里葉定律，又稱為熱傳導(dǎo)基本定律。這種熱量傳遞的方式稱為熱傳導(dǎo)。 對(duì)于大多數(shù)工程傳熱問題： Δ KE=Δ PE=0； 通?？紤]沒有做功， W=0，則： Q=Δ U； 對(duì)于熱穩(wěn)態(tài)分析： Q=Δ U=0，即流入系統(tǒng)的熱量等于流出的熱量； 對(duì)于瞬態(tài)熱分析： dtdUq? ，即流入或流出的熱傳遞速率 q等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化。 e) 熱輻射，是熱傳遞的一種方式，只要存在溫度差時(shí)九發(fā)生，可以在真空中進(jìn)行。 c) 熱傳導(dǎo)，是熱傳遞的一種方式，當(dāng)相接處的兩物體存在溫度差時(shí)發(fā)生。 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(shí)的相變，如鐵合金中馬氏體與奧氏體的轉(zhuǎn)變。 軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊 。 圖 22 軸承支撐區(qū)域 8 第三章 ANSYS 簡(jiǎn)介及 機(jī)床主軸熱特性有限元建模 ANSYS 簡(jiǎn)介 ANSYS 有限元 軟件 包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問題。三維圖如圖 21所示 ： 圖 21 CK6140車床主軸 通過對(duì)主軸 三維圖形的繪制，加深了 對(duì) Pro/E 的熟悉程度，同時(shí)對(duì)車床主軸在機(jī)器中的定位有了一個(gè)大概的了解，它是由３個(gè)軸承支撐，為前支撐 A、中間支撐 B和后支撐 C。這一優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場(chǎng)，價(jià)格也更便宜 [2]。例如，一旦工程詳圖有改變， NC（數(shù)控）工具路徑也會(huì)自動(dòng)更新；組裝工程圖如有任何變動(dòng)，也完全同樣反應(yīng)在整個(gè)三維模型上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個(gè)庫，使得每一個(gè)獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個(gè)部門的。這一功能特性給工程設(shè)計(jì)者提供了 在設(shè)計(jì)上從未有過的簡(jiǎn)易和靈活 。 1． 參 數(shù)化設(shè)計(jì) 相對(duì)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 。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)上 。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不必安裝所有模塊。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE 軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置 。 6 第二章 Pro/E 及 3D 建模 Pro/E 簡(jiǎn)介 Pro/Engineer 操作 軟件 是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（ PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一體化的三維軟件。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?；谟邢拊獙?duì)機(jī)床主軸溫度進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為CK1416 數(shù)控機(jī)床主軸的熱變形奠定了基礎(chǔ)。論文以 CK1416 數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)作為研究對(duì)象。本文采用誤差預(yù)防法對(duì)機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其散熱特性好，提高其加工精度。我國(guó)在熱設(shè)計(jì)方面雖然取得一些成果，但與國(guó)外相比仍有較大差距。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(duì)機(jī)床主軸熱誤差進(jìn)行非接觸式5 的實(shí)時(shí)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法快速、準(zhǔn)確，測(cè)量誤差可達(dá)到 m。 我國(guó)在 20 世紀(jì) 50 年代就開始了機(jī)床熱變形的研究，當(dāng)時(shí)大連工學(xué)院在一臺(tái)內(nèi)圓磨床上定程磨削一批零件并進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)法對(duì)零件尺寸誤差進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)床熱變形是引起零件加工誤差的主要原因。其它西方發(fā)達(dá)國(guó)家也在高速加工技術(shù)方面做了許多 工作，尤其德國(guó)，在高速數(shù)控加工機(jī)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。薩洛蒙發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削速度超過某一數(shù)值時(shí)，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)。隨著數(shù)控加工機(jī)理、數(shù)控主軸單元、高加（減）直線進(jìn)給電機(jī)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。直到 70 年代初 ,由于計(jì)算機(jī)等分析工具和遠(yuǎn)紅外熱像儀、激光全息照相等測(cè)試技術(shù)在熱變形研究中的有效應(yīng)用 ,使機(jī)床熱變形研究進(jìn)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(jì)算復(fù)雜的機(jī)床基礎(chǔ)件的瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和熱變形。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)際上對(duì)機(jī)床熱變形的理論研究始于 20 世紀(jì) 60 年代 ,陸續(xù)發(fā)表了一些有關(guān)機(jī)床熱變形理論方面的文章。 目前，機(jī)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(biāo)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(duì)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(jī)床運(yùn)行中產(chǎn)生很多熱量，是機(jī)床主要熱源之一，其產(chǎn)生的熱變形對(duì)加工精度有重要影響。機(jī)床在工作過程中，在各種熱源的作用下， 形成的 溫度場(chǎng)， 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(duì)位移造成加工誤差。就機(jī)械加工而言，尤其是在現(xiàn)代高速切削機(jī)床中，隨著機(jī)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(duì)加 工精度的影響與熱變形相比處于次要的地位。 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(zhǎng)，要求機(jī)床產(chǎn)品不斷向高精度、高剛度、高速度 ，自動(dòng)化的 方向發(fā)展 ， 所以因此 對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的要求也越來越高， 在這眾多因素中， 機(jī)床的熱性能 表現(xiàn)的越來越重要，它已成為影響數(shù)控 機(jī)床性能的主要因素之一。為此，我國(guó)數(shù)控加工機(jī)床制造企業(yè)必須盡快將動(dòng)態(tài)和熱態(tài)的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到高檔高速數(shù)控機(jī)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(dòng)化水平高、低成本的高速精密數(shù)控機(jī)床，積極參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。 隨著生產(chǎn)和科技的迅速發(fā)展，機(jī)床向高速，高效，高精度和自動(dòng)化的方向發(fā)展。 關(guān)鍵詞：數(shù)控車床，建模，有限元分析，溫度場(chǎng)， 穩(wěn) 態(tài)分析 2 ABSTRACT Modern machinery develop toward high efficiency, high speed, high quality and high precision, CNC lathe processing industry has bee the development direction, and also bee the key technology of improving international petitiveness. Improving the precision of machining is an important part of quality control. Among them, the thermal deformation of machine tool spindle of machining accuracy is one of the main spindle systems so the machine design, thermal design occupies an important position, domestic and