轻质铝横梁热变形浅析

何承义

（江苏金方圆数控机床有限公司，江苏扬州225009）

0 引言

铝横梁是笔者公司开发的数控激光切割机高速运动的重要部件之一。随着数控激光切割机的快速发展，其空运行速度多数达到了100 m/min以上。当机床高速切割时，为了达到较好的轨迹精度，要求横梁质量轻且精度稳定性好。本文对铝横梁在实际应用时发生的热变形进行了分析探讨。

1 横梁的结构

横梁在激光切割机上，通过两端的直线导轨导向，双伺服电机带动减速箱，通过齿轮齿条驱动，沿X轴方向运动。由图1及图2可以看出，横梁侧面的导轨及上部的齿条驱动Y轴运动部件，完成轨迹运动。

图1 横梁3D图

图2 横梁截面图

2 发现问题及解决方法

2.1 发现问题

在夏季高温试制过程中，我们发现在生产现场将钢质直线滚珠导轨及齿条与铝质横梁装配后，现场用大理石直尺检查全程直线度为0.05 mm，移到计量室放置8 h后，检查全程直线度为0.11 mm。而类似结构的钢质横梁则没有此现象。将铝横梁移到计量室后，检测发现直线度向有导轨的方向变凸。铝横梁重新回到车间现场放置一个晚上，复测直线度，又恢复到0.05 mm/全程。

2.2 分析问题

该铝横梁部件在不同的环境温度下产生弯曲变形。由材料力学的温度变形公式可知：ΔL＝α·Δt·L。

式中：ΔL为温度变形（伸长），mm；α为材料的线性膨胀系数，在20℃～100℃温度范围内，碳钢的 α＝（10.6～12.2）×10-6℃-1，铝合金的 α＝（22.0～24.0）×10-6℃-1；Δt为温度变化，℃；L为梁的长度，mm。

夏季车间与计量室的温度差取高温期的平均值约Δt＝15℃，横梁长度L1＝2710 mm。假设铝横梁本体与钢质直线导轨分别自由伸缩，则铝横梁的ΔL1＝（22.0～24.0）×10-6×15.2710＝0.92～0.98 mm；钢导轨的 ΔL2＝（10.6～12.2）×10-6×15.2710＝0.43～0.50 mm。

但导轨与铝横梁是用高强度螺钉紧密组装到一起，在环境温度变化时，相互约束平衡，类似于双金属片考虑。这样，当从高温的车间进入计量室，冷却均匀后，铝合金的横梁收缩大于钢质导轨，其本身处于受拉伸状态。而相对来讲，钢质导轨收缩较少处于受压缩状态。根据材料力学的受力变形公式：ΔL＝RL/（E·A）及作用力与反作用力定律可知，在受力的结合面上，相互作用力R相同；变形量ΔL近似相同；弹性模量E及截面积A则各自不同。在实际约束状态下，达到动态平衡状态。图3为横梁纵向受力简图。

根据图3，对铝横梁本身而言，作用力R在横梁的侧面，作用力R的方向与横梁的中心层还有120mm的力臂，弯矩是导致横梁导轨安装面向外凸的主要原因。而钢质导轨的横截面，比横梁的小，对弯曲变形的影响可以忽略。

图3 横梁纵向受力简图

2.3 解决方法

根据TRIZ理论的矛盾矩阵表，被恶化的通用工程参数为形状（12），被改善的通用工程参数为温度（17），查矛盾矩阵表为（22、14、19、32）。根据40个发明原理及说明，22为变害为利。其中B项说明：将两项有害要素叠加以消除危害。结合横梁结构及受力特点，将两根导轨由同一侧面布置改到对角对称布置，叠加消除弯曲变形。

根据TRIZ理论的矛盾矩阵表，被恶化的通用工程参数为稳定性（13），被改善的通用工程参数为温度（17），查矛盾矩阵表为（1、35、32）。根据40个发明原理及说明，1为分割。将安装在横梁上的导轨及齿条分割成四段，同样也可起到弱化该类变形的作用。

35为物理或化学参数的改变。将不同材质改成相同材质。

根据发明问题解决理论（TRIZ）的提示方法，我们首先将导轨及齿条进行分割，安装到横梁上，经再次验证，直线度达到公司的内控标准，但增加了装配工作量。同时，在改进设计时，我们将导轨安装位置，改成了对称结构，经实践验证效果良好。

3 结语

铝横梁在不同的环境温度条件下，与钢质导轨热胀冷缩不同导致变形。工程技术人员，在新产品开发中，可以在已有工程知识的基础上利用发明问题解决理论（TRIZ）的提示，对暴露的问题进行分析，能快速找到问题的解决办法，加速新产品的开发进程。

［1］ 成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［2］ 刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，1996.

［3］ 赵萍萍.发明问题解决理论（TRIZ）培训教材［M］.南京：江苏科学技术出版社，2011.

［4］ 檀润华.创新设计——TRIZ：发明问题解决理论［M］.北京：机械工业出版社，2002.