摘（zhāi）要: 通過建立高精密數控立式（shì）靜壓圓台磨床的有限元模型，進行了（le）磨床的（de）熱源分（fèn）析及計算，並采用ANSYS Workbench進行了有限元溫（wēn）度場分析求（qiú）解，得到了立式磨床的（de）溫度分布（bù）。進（jìn）而搭建了機床溫升（shēng）實驗平台，進行了臥磨頭磨削平麵時的機床溫升實驗。通過對（duì）有限元理論分析求解與（yǔ）實驗結果對比，證明了有限元分析模型及方法的可靠性，為磨床的（de）結構優化及誤差補償提供了依據（jù）。

     0 前言

     我國所產數控機床中經濟型（xíng）、中檔與高檔之比約為70∶ 29∶ 1，而2010 年（nián）中國消費占（zhàn）全球機床消費額的45. 6%; 其中高檔機床產量高檔（dàng）數控機床約占我國市場年消費（fèi）量20% 以（yǐ）上。產品（pǐn）結構矛盾突出，中高端數控機床及其數控係統等關鍵功能件主要（yào）依賴進口，依賴度約達90%。作為高性能數控機床的精密數控立式圓台磨床在國內的發展嚴重（chóng）不足，在（zài）很多方麵上都（dōu）受到了（le）國外的限製。隨著國民經濟的持續（xù）發展，新技術的不斷出現（xiàn），對相關產品零件精度等級（jí）要求不斷提高。在“十二五”以及更長時期，我國都將進行大範圍和深層次的產業結構調整，這將給機床（chuáng）行業尤其高端數控機床帶來巨大機會 。國內市場對精密數控立式圓台磨床的需求，在軍工、飛（fēi）機製造、風（fēng）電、大型精密軸承、汽車、高檔機床等領域均呈現持續增長趨勢，而目前這部分機床的需求主（zhǔ）要依賴進口，產品還遠遠不能滿足國（guó）內市場（chǎng）的需求 。

      為了提高數控立式圓台磨（mó）床的精度等級，降低機床因剛性傳動帶（dài）來的振動（dòng）及變（biàn）形，減小機床溫升及（jí）熱變形（xíng）對精度的影響，采用“中（zhōng）間止推動靜壓油膜軸承”和“三麵靜壓（yā）閉式導軌自驅（qū）式圓轉台”等關鍵（jiàn）功能部（bù）件，並在設計階段進行溫度場有限元分析優化設計，控製溫（wēn）度（dù）方法（fǎ）研究; 在試（shì）製階段搭建機床試驗（yàn）平台，通過溫度及熱變形試驗建立機（jī）床動（dòng）態模型，對機床溫（wēn）度（dù）、熱變形及誤（wù）差進行分析，並進行熱誤差在線檢測補償研究等，使機床加工精（jīng）度可以達到亞微米級（jí）。

      1 、有限元熱分析

      對（duì）數控立式圓台磨床的結構進行有限元建模（mó），根據（jù）運（yùn）動切削等工作狀況，建（jiàn）立機床發熱、傳熱的溫度場模型，分析機床的（de）熱誤差（chà）和熱變形，確定機床的熱敏感區域。

      在（zài）熱（rè）源分析的基礎上，計算磨（mó）床在加（jiā）工過程中熱分析邊界條件，將計算得到的熱邊（biān）界條件加載（zǎi）到有限元穩態熱分析（xī）模塊（kuài）中對整機進行穩態熱分析，得到整（zhěng）機溫度分布圖及（jí）熱變形，將分（fèn）析結果與實驗數據進行對比，對模型及（jí）參數進行（háng）修正（zhèng），得到可（kě）靠的溫度場分析結果。

      文中以（yǐ）北京廣宇大成數控機床有限公司研發的高精度數（shù）控閉式靜壓轉台立式（shì）磨床MGK28120 為研究對象，建立整機熱特（tè）性分析（xī）有限元模型，如圖1 所示。

       
      圖1 整機有限元模型

      1. 1 熱源分析與熱載荷計算

      數控立（lì）式圓（yuán）台磨床熱源主要有: 主軸電機、進（jìn）給電機、液壓裝置、軸（zhóu）承（chéng）摩（mó）擦熱、導軌摩擦熱以（yǐ）及（jí）磨削熱等。當磨床工作參數（shù）如表1 所示時，各熱源發熱量計算結果如表2—5 所示。

      表1 磨床加工參數

      表2 電機及（jí）帶傳動發熱量

      表3 液壓裝置發熱量

      表4 軸承發熱量
     

      表5 磨削熱傳（chuán）散量

      磨削過程中熱量交換主要以熱傳導與熱對流方式為主（zhǔ）。在整機熱穩態計算（suàn）過程中，磨床初始溫度為室溫8. 5 ℃ ( 北方冬天室（shì）內溫度) 。床（chuáng）身、立柱、滑鞍材料是（shì）鑄鐵（tiě）HT200，導軌絲杠材料是GCr15，主軸材（cái）料是38CrMoAl。根據各零件（jiàn）材料（liào）在模型中進行導熱係數的（de）相（xiàng）應設置。

      磨（mó）削加工過程中使用充足的冷卻液，其對流換熱係數如表6 所示 。
 

      表6 對流換（huàn）熱係數

      1. 2 溫（wēn）度場（chǎng）分（fèn）析

      將（jiāng）以上計算得（dé）到的電機、V 帶、滾動（dòng）軸承、液壓裝置等熱載荷均采用恒定熱流率加載於接觸麵上，磨削熱為移動載荷，采用ANSYS 的APDL 語言，通過（guò）循環語句在砂輪與工件的節點上進行（háng）加載。在接觸弧長、砂輪寬度形成的接觸麵上（shàng）進行（háng）磨削熱流率加載，進行溫度求解，然後消除上一（yī）次載荷，將（jiāng）上一次計算（suàn）結（jié）果作為初始（shǐ）值在下一接觸麵上加載，並在下一接觸麵上（shàng）加（jiā）載磨削熱流（liú）率，如此循環加載（zǎi）求解（jiě），模擬（nǐ）移（yí）動熱（rè）源（yuán） 。導軌滑塊、絲杠螺母等（děng）運（yùn）動副的熱（rè）載荷均采（cǎi）用移動熱源進行加載。在有限元模型上設置相應的材料（liào）屬性，結（jié）合麵設置為Bonded，隻考慮熱傳（chuán）導與熱對流，不考（kǎo）慮熱輻射，得到數控圓台式立式磨床在（zài）臥磨頭工作時（shí）穩定工作狀（zhuàng）態下穩態熱（rè）分析仿真結果如圖2 所（suǒ）示。從（cóng）圖中可以看出，溫度最高的位置為臥磨頭電機，機床臥磨頭電機上最高溫度（dù）為30. 3 ℃，臥磨頭（tóu）主軸上溫度（dù）為20. 6 ℃，皮帶輪溫（wēn）度為18. 9℃，臥（wò）磨頭（tóu）W 軸電機處溫（wēn）度為16 ℃，臥磨頭U 軸電機溫度21 ℃左右。

      圖2 磨床穩態熱分析

      2 、實驗（yàn）驗（yàn）證

      2. 1 實驗平台

     在（zài）磨削（xuē）加工中，影（yǐng）響磨削溫度的主要因素包括磨削加工參數、磨削方式（shì）、砂輪磨粒特性和工件材料等 。由（yóu）於影響因素比較複雜，所以，理（lǐ）論計（jì）算不準確，通過采用激（jī）光溫度測量儀( 如圖3 所（suǒ）示) 測出磨床臥磨頭加工平麵時的溫度分布，該儀器可以通過調節焦距測量一定範（fàn）圍內的物體表麵溫（wēn）度，並且可（kě）以準確知道圖片內任何一點的溫度值。此外，采用32 通（tōng）道溫度巡檢儀及pt100 熱敏電阻進行機床熱敏（mǐn）感點表麵溫度采樣 ，測點（diǎn）分布如圖4 所示。

      圖3 立式圓台磨床（chuáng）臥磨頭磨削時機床溫度測量現場

        圖4 測點（diǎn）分布圖

      2. 2 實驗（yàn）結果

     測量結（jié）果如圖5 ( a) — ( e) 所示，最（zuì）低（dī）溫度為環境溫度8. 5 ℃ ( 由（yóu）於（yú）實驗是在冬（dōng）季測量，所以環境溫度較（jiào）低) 。

  
               圖5 高精密數控立磨磨頭工作時溫度場實驗（yàn）

       圖（tú）5 ( a) 為臥（wò）磨頭電機溫度測（cè）量（liàng）結果圖，其中M1 為32. 1 ℃，M2 為33. 6 ℃; 圖5 ( b) 主軸箱上兩點溫度M1 為19. 6 ℃，M2 為20. 1 ℃; 圖5 ( c)為皮帶輪的溫度實驗，M 點溫度為（wéi）19. 0 ℃。圖5 ( d) 為臥磨頭Z 軸進（jìn）給電機溫度（dù）實驗結果，M 點溫度（dù）為17. 0 ℃; 圖5 ( e) 為磨頭（tóu）溫度實驗，M 點溫度為9. 8 ℃。從圖中可以看出，臥磨頭主軸電機座最高溫（wēn）升為21. 8 ℃; 其次，臥磨頭主軸溫升達到12 ℃，帶輪處溫升為10 ℃ 左右，Z 向進給電機溫（wēn）升為7. 5℃左右，砂輪（lún）的溫升為1. 8 ℃。實驗與仿真關鍵點溫（wēn）度對比如表7 所示。

      由表7 可知，磨床主要部件的（de）溫度實驗與仿真結果是一致（zhì）的，且其（qí）溫升在正常範圍內，所以溫度載（zǎi）荷（hé）與熱特性仿真的結果是可靠的，可以進一步進行機床熱變形分析，並進行熱誤差分析及補（bǔ）償。

      表7 磨床臥磨頭工作時溫度實驗與仿真的對比

       3 、結論

      由於臥磨頭主要用於平（píng）麵磨削，在磨削平麵時X、Z 向變形基本不影響零件加工尺寸，Y 向砂輪（lún）與工件變形會影響工件加工尺寸。磨削主要用於表麵精加工，一般采取（qǔ）多道工序磨削。若（ruò）在工序間反複測量，根據測量結果進行磨（mó）削量的控製，可減小熱變形對磨削尺（chǐ）寸精度的影響（xiǎng），否則磨削熱變形對零件加工尺寸精（jīng）度影響較大。此外，由於各方向變形的不均勻，可能會造成工件（jiàn）的平（píng）麵（miàn）度誤差，因此，磨床的熱變形必須給予足夠的重視。