重型数控机床床身热变形分析及优化

徐妍妍 夏梓秋 陈 昳 赵明

（武重集团武汉武重机床有限公司，湖北 武汉 430000）

高端重型机床是装备制造业的重要组成部分，在提升中国制造业整体水平上具有至关重要的作用。随着重型机床向高速、高精的方向发展，机床热误差越来越受到研究人员的重视。机床因热变形产生的误差占总加工误差的40%～70%[1-2]。作为重型数控机床的基础部件，床身在工作过程中受运动、摩擦、切削和室温等影响而发热，致使床身导轨精度变化大，且精度难以保持[3]。一般为恢复导轨精度，会定期重调床身和机床基础上的垫铁。但重调床身技术难度高、工作量大及停机时间长，严重影响了企业生产的正常开展，降低了生产效率[4]。因此，开展床身热变形控制技术的研究显得尤为重要。

针对床身热变形对加工精度的影响，众多专家学者进行了大量的研究工作。唐开勇[3]运用几种不同的方法建立了导轨热变形的数学模型，既可方便数控编程，又可保证和提高工件的加工质量。乔雪涛等[5]利用ANSYS Workbench 对人造花岗岩复合材料磨床床身进行瞬态热应力分析，根据床身热变形及温度场分布情况，提出了降低床身热变形的方法。徐化文[6]运用 Pro/Mechanical 对床身进行热变形有限元分析，依据分析结果，对床身的内部结构进行优化并增添外部冷却装置，经过优化设计的床身热变形量明显减小。梁秀霞等[7]对树脂混凝土及传统铸铁材质的床身进行热变形分析对比，并对机床材料和约束进行优化，结果证明优化后的机床床身具有很好的热稳定性。

本文针对重型数控机床床身在自然环境温度下的瞬态热变形进行研究，对床身-基础系统展开温度场测量，利用ANSYS 建立床身-基础有限元模型，利用实测温度数据修正床身-基础的温度场，进而获得可靠的床身的瞬态热变形数据。根据床身的热态特性研究提出降低床身热变形的方法，并利用修正的仿真模型进行分析和效果验证。

1 床身温度场测量

以重型落地铣镗床TK6920C 为试验对象，在混凝土基础和床身上布置温度传感器，通过测量关键点的温度，得到机床基础和床身的温度场分布，为床身热变形有限元分析提供数据基础。

1.1 测量系统组成

温度场测量系统如图1 所示。由温度传感器、温度变送器、无纸记录仪和24 V 电源组成。为了实时测量并采集数据，选用PT100 铂电阻温度传感器，三线制A 级精度，量程为-50～100 ℃。

图1 温度场测量系统

1.2 传感器布置方案

在机床基础、床身及环境处共布置了38 个温度传感器。为了方便安装和实时测量，基础在灌浆时留预制孔，埋入常规型温度传感器，在床身周围的5 个基础检测板处各取3 个测点，在2 m 深度的预制孔内沿竖直方向平均分布，共计15 个测点，标记为T1～T15，如图2 所示。床身上采用螺纹安装型温度传感器，沿床身长度方向取4 个截面，每个截面放置5 个温度传感器，共布置20 个温度测点，标记为T16～T35，如图3 所示。在床身左右两侧和采集终端出共放置3 个温度传感器。图4 为床身-基础系统温度场实时监控试验台局部照片。

图2 机床基础温度测点分布

图3 床身温度测点分布

图4 床身-基础系统温度场实时监控试验台

1.3 测量数据分析

取一天24 h 内测点温度数据进行分析，图5 为床身同一截面不同测点的温度变化曲线。图6 表示基础同一位置不同深度温度分布规律，可以看出越靠近基础地面，温度波动越大，随着深度的增加，基础在该深度处的温度变化幅度逐渐减小。基础上下表面的温差将导致基础产生热变形。

图5 床身同一截面5 个测点温度变化曲线

图6 机床基础同一位置温度垂直分布曲线

2 床身热-结构耦合分析

2.1 分析模型的建立

床身通过地脚螺栓安装在调整垫铁上，调整垫铁通过混凝土固定在机床基础上。由于机床基础上下表面存在的温差将导致基础产生热变形，研究床身热变形时考虑机床基础的影响，建立床身-基础有限元分析模型，图7 为重型数控铣镗床床身三维模型，该床身全长8 000 mm，图8 为床身-基础装配模型。

图7 重型数控铣镗床床身模型剖切视图

图8 床身-基础装配模型

针对热特性分析要求，在建模时保持有限元模型的尺寸与实际情况相同，对其三维模型进行简化，在不影响有限元分析结果的条件下，略去影响不大的次要细节结构：螺栓孔、小的结构圆角、倒角以及凸台等，在保证精度的条件下使得有限元模型可以顺利划分网格求解。

2.2 材料属性和边界条件

床身材料采用HT300，机床基础采用C30 混凝土，材料属性如表1 所示。床身放置在基础上，床身和基础表面裸露在空气中，与空气之间形成自然对流，根据实际工况，对床身-基础施加测得的环境温度和环境对流条件，进行瞬态热-结构耦合分析，得到24 h 内床身温度场和变形场分布情况。

表1 机床基础和床身材料特性

2.3 实测温度结果对仿真进行修正

在实际情况中，机床的热平衡状态为一个动态平衡的过程，不同于软件分析得出的稳定的、不再随时间的变化而改变的温度场分布的结果，因此，对床身-基础进行了瞬态热分析。

取某时刻未修改模型与实测温度进行对比，如表2 所示。

表2 某时刻未修改模型与实测温度对比

初步计算得到的温度模型与实际的温度模型差异较大，需要使用实测数据进行修正，在此基础上进行优化设计才能保证其实际有效性。

实际实用的机床床身由于放置于低于地面地基中，表面覆盖防护罩，床身各面环境均有差异，不同位置与环境对流换热系数差异较大。经仿真对比后，将对流换热系数进行调整，温度模型与实测模型基本一致。

床身内部对流换热系数：10 W/m2·℃；床身外侧及两端对流换热系数：20 W/m2·℃；床身内侧对流换热系数：15 W/m2·℃。

图9 为修正后的床身-基础温度场分布云图。

图9 床身-基础温度场分布

图10 为床身测点处温度与仿真模型温度随时间变化曲线。可以看出，仿真模型温度变化趋势与实测结果基本一致，温度值最大误差仅4.8%。修正后的仿真模型可以作为基础进一步开展变形分析和优化分析。

图10 床身测点处温度与仿真模型温度随时间变化对比曲线

2.4 床身热变形

当物体受到热源的影响，温度发生改变，将随着温度的改变出现膨胀或者收缩的现象。将修正后的瞬态温度场的节点温度作为载荷施加到有限元模型中，得到床身-基础系统的变形场。图11 所示为床身-基础整体沿Y方向的变形云图。取床身主导轨侧边在Y向的最大、最小变形值之差Δy作为主导轨直线度，得到床身导轨直线度随时间变化曲线如图12 所示，可以看出，床身导轨直线度在16 h处达到最大值0.151 mm。

图11 床身-基础Y 向热变形云图

图12 床身主导轨直线度随时间变化曲线

3 床身热稳定性优化

3.1 优化方法

不均匀的温度场是导致床身热变形的直接原因，过大的变形量会直接影响床身导轨的直线度[8]。根据上述分析，在重型数控机床床身的设计过程中，可以通过以下方式来改善床身热变形：

（1）优化床身材料，选择热稳定性更优越的材料。

（2）优化床身结构，根据床身热特性以及机床设计目标，寻求散热迅速、温度场均匀对称、热平衡时间短的机床系统设计方法。

（3）采用热容平衡技术，对局部热容量大的部件采取一定的措施来控制和减少其温升，使它与热容量较小的部分不致产生较大的温差，尽量达到它们之间的热平衡，从而使机床整体的热应力变形减少。

3.2 材料优化效果验证

人造花岗岩，又称为树脂混凝土，是一种以树脂粘结剂和不同尺寸天然矿石为主要成分的复合材料，与灰铸铁材料相比具有更好的热稳定性[9]。将床身材料由HT300 改为人造花岗岩进行瞬态热-结构耦合分析，材料属性如表3 所示。

表3 人造花岗岩材料属性

经过热-结构耦合分析，得到人造花岗岩床身温度场和热变形数据，图13 为人造花岗岩床身-基础温度场分布云图，图14 为人造花岗岩床身-基础整体沿Y方向的变形云图。

图13 人造花岗岩床身-基础温度场分布云图

图14 人造花岗岩床身-基础Y 向热变形云图

取床身主导轨侧边在Y向的最大、最小变形值之差Δy作为主导轨直线度，得到HT300 和人造花岗岩两种材料的床身导轨直线度变化曲线，如图15所示。可见，两种材料的床身导轨直线度均在16 h左右达到最大值，HT300 床身导轨的直线度最大可达0.151 mm，而人造花岗岩床身导轨直线度最大为0.103 mm，相较于HT300 减少了31.8%。

图15 两种材料床身Y 向直线度对比

4 结语

针对重型数控机床床身在自然环境温度下的瞬态热变形进行研究，采用ANSYS 对床身-基础系统进行有限元分析，获得了床身-基础温度场和热变形的分布，提出了减小床身热变形的方法并进行了有限元分析验证。主要工作内容如下：

（1）搭建了重型数控机床床身-基础系统温度场实时监控试验台。通过温度传感器测得了床身-基础关键点温度数据，为后续床身热变形研究提供了数据支撑。

（2）利用ANSYS 建立床身有限元模型，根据实测温度数据计算和修正床身的温度场，使所建床身有限元模型能够较真实的反应床身热变形的实际情况，进而获得床身的瞬态热变形数据。

（3）根据床身的热态特性研究提出了3 种降低床身热变形的方法：改变结构件材料、优化结构、采用热容平衡技术。对其中优化材料的方法进行热变形有限元分析和效果验证，结果表明人造花岗岩材料相较于传统的铸铁材料HT300 热稳定性更优越，可消除床身因热变形引起的直线度误差高达31.8%。