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航空機(jī)匣加工中心熱分析及熱結(jié)構(gòu)
閱讀：110 發(fā)布時(shí)間：2020-8-120 引言
大多數(shù)的航空零件依賴數(shù)控加工完成，高難度、高精度的零件的完成一直是數(shù)控技術(shù)和新型數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要原動(dòng)力［1］。作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件 － 機(jī)匣，其高精度的要求對(duì)加工中心的要求更加苛刻。機(jī)床在正常工作時(shí)，其主軸、絲杠副、軸承等處產(chǎn)生大量的摩擦熱［2］。并通過熱傳導(dǎo)、熱輻射等方式傳給機(jī)床的各個(gè)部件將在整個(gè)機(jī)床形成一個(gè)復(fù)雜多變的溫度場(chǎng)。由于零件材料、結(jié)構(gòu)的不一致，引起整機(jī)的不均勻熱變形，這樣造成主軸、工作臺(tái)、刀具等部件發(fā)生一定的相對(duì)位移，從而影響加工精度［3］。研究表明，在精密加工中，熱變形引起的加工誤差占到總誤差 40% ～70%［4］。熱結(jié)構(gòu)的研究就是在機(jī)床設(shè)計(jì)階段排除機(jī)床由熱產(chǎn)生的熱變形而影響的加工精度。
近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)加工中心熱分析以及熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量的研究與應(yīng)用，還有做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)的研究。OKAFOＲ 等［5］建立了某三軸立式加工中心的體積誤差模型，經(jīng)濟(jì)有效地對(duì)機(jī)床的幾何誤差和熱誤差實(shí)施了誤差補(bǔ)償; 鄭州大學(xué)的李杰［6］以 CX8275 車鐵復(fù)合加工中心為例，進(jìn)行了整機(jī)及其關(guān)鍵部件的熱分析計(jì)算，溫度測(cè)點(diǎn)的選擇與優(yōu)化，建立了系統(tǒng)的熱誤差補(bǔ)償模型。這些分析與研究對(duì)提高加工中心的加工精度有著重要意義。
本文以“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備"科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目的航空機(jī)匣零件加工中心為研究對(duì)象，建立整機(jī)有限元模型，計(jì)算熱分析邊界條件。利用 AN-
SYS Workbench 對(duì)整機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行熱 － 結(jié)構(gòu)耦合分析，求其溫度分布及熱變形規(guī)律。設(shè)計(jì)了加工中心的溫度實(shí)驗(yàn)，為了得到真實(shí)的的溫度數(shù)據(jù)，提出在關(guān)鍵熱源部位采用鑲嵌方式安裝訂制的pt-100 溫度傳感。理論的熱分析與溫度實(shí)驗(yàn)的測(cè)試， 為加工中心的熱變形實(shí)驗(yàn)及設(shè)計(jì)提供熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。
1 加工中心的建模及熱邊界分析
1． 1 加工中心的建模
加工中心整機(jī)的三維幾何模型在 SolidWorks2013 中建立，如圖 1 所示。為不影響有限元分析的結(jié)果和計(jì)算時(shí)計(jì)算時(shí)間，可以去掉螺釘螺紋孔小孔或小臺(tái)階等特征［5］。有限元模型建立之后，網(wǎng)格劃分后機(jī)匣整機(jī)的網(wǎng)絡(luò)模型，如圖 2 所示。