龙门钻铣床滑枕热结构改进研究*

张奎奎，黄美发，郑素娟，张政泼

（1.桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004；2.桂林广陆数字测控股份有限公司，广西桂林 541004）

龙门钻铣床滑枕热结构改进研究*

张奎奎1，黄美发1，郑素娟1，张政泼2

（1.桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004；2.桂林广陆数字测控股份有限公司，广西桂林 541004）

主轴滑枕是龙门机床的关键零部件，亦是影响机床工作性能的薄弱环节。由于滑枕结构不合理导致其在工作时产生热变形，进而影响机床整机的加工精度。针对滑枕在Z向进给过程中Y向变形较大达到20μm的问题，提出了滑枕的改进结构设计并运用热结构耦合的有限元分析方法对改进前后的滑枕结构进行了分析，得到各自的热结构耦合变形结果。分析得出改进后Z向进给时，滑枕结构的Y向变形与改进前相比较小，能够满足加工要求。研究结果对机床结构改进和提高机床热稳定性提供了参考和技术支持。

龙门钻铣床；滑枕；热变形；结构改进

0 引言

龙门钻铣床作为工业生产制造的基础设备在能源、冶金、矿山、航空航天、汽车、发电设备、国防等行业的机械加工方面均扮演着不可替代的角色。滑枕是龙门机床的关键功能部件，其工作性能直接影响到机床的加工精度和表面质量。数控机床工作过程中，在内外热源的共同作用下形成非对称温度场，使机床各部件产生不同程度变形。2000年RAMESH R曾发现，在精密加工中由于热变形引起的制造误差占总误差的40%～70%［1］。Bo Tan等人在研究外部热源对机床精度影响时发现无论是在机床工作还是非工作状况下，变化的环境温度都会引发机床结构内部的热量流动，并最终造成机床的非线性变形［2］。国内外学者的研究主要集中于用软件补偿方法解决类似热变形问题，但是其对非线性弯曲变形问题解决不是很好。

本文研究了以主轴轴承摩擦热为主要热源引起的不同结构滑枕热变形，重点关注由于结构非对称引起的滑枕在Z轴进给不同位置时，刀具端头最终的变形。运用了有限元方法对滑枕进行热结构耦合分析，计算出滑枕在Z向进给不同位置时直角坐标系下Y向的变形量。对比结果显示改进的滑枕结构在Y向变形较小，滑枕的热稳定性好。

1 滑枕几何结构

该类龙门机床主轴滑枕采用箱式结构，分为两种；①原滑枕结构；②改进滑枕结构。

原滑枕结构从主轴中心X-Y截面结构分析，滑枕关于主轴中心Y轴是对称布置（L），但是关于X轴是非对称布置（H1≠H2），如图1a为原结构滑枕X-Y截面结构。从主轴中心Y-Z截面结构分析，滑枕在正面开有工艺孔，但是在相应的背面没有工艺孔，同时在工作状态下滑枕背面受到滑鞍的约束，如图2为原结构主轴滑枕中心Y-Z截面结构。

实际工作时，原滑枕常常发生X-Z面上的弯曲变形，考虑上述非对称结构问题，提出以下改进滑枕结构设计以期减少该变形量。

改进滑枕结构从主轴中心X-Y截面结构分析，滑枕关于主轴中心Y轴是对称布置（L），同时关于X轴亦是对称布置（H），如图1b为改进结构滑枕X-Y截面结构。从主轴中心Y-Z截面结构分析，滑枕在正面和背面均开有工艺孔，同时在工作状态下滑枕两面都受到滑鞍的约束，如图3为改进结构主轴滑枕中心Y-Z截面结构。

图1 滑枕X-Y截面结构

图2 原结构主轴滑枕中心Y-Z截面结构

图3 改进结构主轴滑枕中心Y-Z截面结构

2 热源分析

主轴滑枕热源主要有；电机发热、主轴切削热和轴承摩擦热，其中轴承摩擦发热量最大。机床滑枕传热的方式有三种；热传导、对流、辐射，其中热传导为主要传热方式［3］，如图4为主轴滑枕热源及传热情况。

图4 主轴滑枕热源及传热情况

轴承发热主要与摩擦力矩有关系，摩擦力矩越大，产生的摩擦热越多。根据Palmgren公式推导，轴承摩擦力矩主要有；润滑剂粘性摩擦力矩和与速度无关的载荷作用产生的摩擦力矩。公式如下［4］；

式中；μ为摩擦系数；d为轴承内圈直径；F为轴承所受载荷。

轴承摩擦生热为；

式中；n为轴承转速。

计算得到有关主轴轴承发热量。

3 温度场描述

根据傅里叶关于物体的温度变化与通过物体所传递的热量之间存在的关系［5-6］，即

式中；q为热流密度；λ为材料热导率；T为温度；n为法向向量。

将热力学第一定律和傅里叶定律结合，建立导热微分方程，全面描述温度场情况。物体内部有热源，其强度为F（x，y，z，t）时，相应的热传导方程为；

式中；c为材料比热容；ρ为材料密度；T为滑枕结构温度场；t为时间；K为材料传热系数（常数）；▽2为操作算子，（直角坐标系下）。

该滑枕模型的热工况为已知任一点的法向热流密度，因此适用于第二类热边界条件，即

据此我们得到温度场函数。

4 热结构耦合有限元方程

滑枕零件在自由状态下时其自身的热变形量可通过下面公式进行近似估算

式中；L为零件变形后的长度；L0为零件原来长度；α为零件材料热变形系数；Δt为温度差。

由于自身几何结构布置形式、滑枕材料均一性和外部约束条件等因素，滑枕在实际受热条件下的变形相比自由状态下的变形要复杂。其热结构耦合的有限元方程为［7］；

5 计算条件设定

主轴滑枕从Z1=450mm位置开始沿Z正方向滑移。滑移范围ΔZ，具体参数见表1滑枕滑移参数。在初始位置，计算相关参数，之后每移动50mm计算一次，直至滑移到Z30=1950mm位置。其中相关参数包括整体温度分布T，最高最低温度点值Tmax、Tmin，刀具端头综合变形及在直角坐标系中各向变形Dtotal、Dx、Dy、Dz。如图5为龙门机床结构简图。

表1 滑枕滑移参数

图5 龙门机床结构简图

6 计算结果及分析

从图6刀具端头Y向变形对比曲线看，原滑枕结构Z向的不同进给位置对于刀具端头Y向变形量影响较大。从Z1=450mm到Z30=1950mm位置，变形量Dy呈现波浪曲线变动，最大变形量 Dymax= 32.223μm、最小变形量Dymin=10.257μm，变动幅值为21.967μm，变形值很大与试验结果（20μm）基本一致。分析原因有；①原滑枕前后结构不对称；②主轴中心与滑枕几何形心不重合；③在滑枕背面有滑鞍的约束作用而在滑枕正面没有。Y向变形除了有线性的也存在非线性的弯曲变形，这类变形对于软件补偿方法来讲有困难，是结构预防变形的重点。

改进后的滑枕结构在Y向变形预防上有很大提高，最大变形量由21.967μm降低到11μm，降幅达10.967μm。

图6 刀具端头Y向变形对比曲线

7 结论

本文运用热结构耦合的有限元分析方法分析了滑枕改进前后的热变形问题。其中重点针对滑枕在Z向进给过程中Y向变形较大这一问题，提出了热结构对称的滑枕设计方案。

滑枕的受热变形与其自身的结构有密切关系，由于原滑枕是左右对称前后不对称的结构以及这种非对称结构在Z向伸长时的一个放大作用造成了变形进一步放大。改进后的滑枕结构改善了上述情况，此研究为提高方形滑枕的热刚度提供了一定参考，对于龙门机床的结构改进有借鉴价值。

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［2］Bo Tan，Xin-yong Mao，Hong-qi Liu，et al.A thermal error model for large machine tools that considers environmental thermal hysteresis effects，International Journal of Machine Tools&Manufacture［EB/OL］.http；//dx.doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2014.03.002.

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［12］胡汝凯，黄美发，张奎奎，等.基于热特性的大型数控龙门铣床的滑枕结构改进设计［J］.组合机床与自动化加工技术，2014（7）；120-123.

（编辑 李秀敏）

Research on Improvement for Thermal Structure of Gantry Milling Machine Ram

ZHANG Kui-kui1，HUANG Mei-fa1，ZHENG Su-juan1，ZHANG Zheng-po2
（1.School of Mechanical&Electrical Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China；2.Guilin Guanglu Measuring Instrument Co.，Ltd，Guilin Guangxi541004，China）

；Ram is a key parts of the spindle gantry machine，also the weak links affecting the performance of the machine.Ram irrational structure leads to its thermal deformation during operation，and consequently affects the machine tool precision.Aiming at the problem of Y to large deformation in the process of Z to feed，using the finite element analysis method to analyze the slippery pillow structure before and after improvement，their thermal structure coupling deformation results are obtained.Analysis it is concluded that the improved when Z to feed，the structure of the slippery pillow Y to deformation is more smaller than before，which can satisfy the processing requirements.The results for the machine tool structure to improve and enhance the thermal stability of the machine provides a reference and technical support.

；gantry machine；ram heat deformation；structural improvements

TH122；TG502.3

A

1001-2265（2015）05-0127-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.036

2014-08-15

国家自然科学基金（51365009）；广西科学研究与技术开发计划项（桂科能1355012-5）；广西硕士研究生科研创新项（YCSZ2014134）

张奎奎（1988—），男，河北邯郸人，桂林电子科技大学硕士研究生，研究方向为机床精度保持性研究，（E-mail）snailzkk@163.com。