孫　軍，秦顯軍，錢(qián)彬彬，黃　圓

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng)　110168)

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鏜銑加工中心進(jìn)給系統(tǒng)熱特性分析與實(shí)驗(yàn)研究*

孫軍，秦顯軍，錢(qián)彬彬，黃圓

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng)110168)

摘要：對(duì)于精密機(jī)床，隨著制造水平的提高，削弱了幾何誤差對(duì)加工精度產(chǎn)生的影響，但機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的熱變形對(duì)加工誤差的影響越來(lái)越大，因此研究進(jìn)給系統(tǒng)熱特性具有深遠(yuǎn)的意義。以TX1600G數(shù)控鏜銑加工中心銑削部分的進(jìn)給系統(tǒng)為研究對(duì)象。首先，利用ANSYS建立進(jìn)給系統(tǒng)的簡(jiǎn)化三維模型，通過(guò)施加移動(dòng)熱源來(lái)模擬實(shí)際的加工條件，得到滾珠絲杠在5m/min的轉(zhuǎn)速下的溫度場(chǎng)分布。再次，并設(shè)計(jì)滾珠絲杠溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方案，開(kāi)發(fā)了溫度測(cè)量系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。最后，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)仿真結(jié)果的可靠性和精度進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)為熱誤差模型建立，提供必要的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：溫度場(chǎng)；移動(dòng)熱源；實(shí)驗(yàn)方案；溫度采集系統(tǒng)

0引言

滾珠絲杠副是TX1600G數(shù)控鏜銑加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，具有傳動(dòng)效率高、剛度和精度高、運(yùn)行平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器中都得到了廣泛的應(yīng)用[1]但是其熱變形嚴(yán)重影響機(jī)床的加工精度。為了保證機(jī)床的加工精度，需要對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償。利用ANSYS對(duì)在實(shí)際工況下的滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行熱仿真分析，為滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)建立熱誤差補(bǔ)償模型，提供理論依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外已對(duì)滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)熱分析進(jìn)行很多相關(guān)的研究：Won Soo Yun[2]等研究滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，關(guān)鍵部件分為滾珠絲杠和導(dǎo)軌兩部分，并把每一部分單獨(dú)求解，估算由熱膨脹引起滾珠絲杠的位置誤差。通過(guò)使用修正集總電容方法(MLCM)和天才教育算法(GEA)分析確定滾珠絲杠的線性定位誤差；應(yīng)用有限元計(jì)算方法對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行熱特性，使用激光干涉儀證明了模型的有效性。楊建國(guó)2006年他對(duì)灰色理論做進(jìn)一步的分析研究，利用灰色系統(tǒng)中的GM(1,1)模型[3]建立熱誤差補(bǔ)償模型，并將免疫算法引入數(shù)控機(jī)床的熱誤差建模的研究中，提高了建模型的預(yù)測(cè)精度。天津大學(xué)岳紅新[4]基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法辨識(shí)熱變形誤差參數(shù)，建立了滾珠絲杠熱誤差模。同時(shí)研發(fā)了在線檢測(cè)軟件，可以有效的檢測(cè)絲杠熱誤差。在XHFA2420龍門(mén)加工中心和MAKNIO立式加工中心上進(jìn)行試驗(yàn)并取得了滿(mǎn)意的效果。浙江工業(yè)大學(xué)王金生[5]等人運(yùn)用ANSYS軟件分析數(shù)控銑床整機(jī)的熱特性，研究冷卻水的流量、預(yù)緊力的大小和水箱設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)主軸軸承溫升的影響規(guī)律，為數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)尤其是冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了理論依據(jù)基礎(chǔ)。

1滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)熱分析模型

在TX1600G數(shù)控鏜銑加工中心的銑削部分的進(jìn)給系統(tǒng)中，滾珠絲杠是需要用床身上的前后軸承以及其支架固定。電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與滾珠絲杠聯(lián)接，帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)；滾珠絲杠和螺母形成絲杠螺母副，從而驅(qū)使?jié)L珠絲杠上的螺母運(yùn)動(dòng)；絲杠螺母與工作臺(tái)連接，同時(shí)工作臺(tái)與導(dǎo)軌上的滑塊聯(lián)接，螺母帶動(dòng)工作臺(tái)沿滾珠絲杠的軸向方向運(yùn)動(dòng)。

滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)中主要有三個(gè)熱源[6]：其一，滾珠絲杠與螺母的摩擦生熱；其二，滾珠絲杠與兩端軸承結(jié)合面的摩擦熱；其三為去電機(jī)的功率損耗生熱。但是還有一部分熱源是切削熱，在機(jī)床進(jìn)行工作時(shí)，切削熱能夠及時(shí)被切削和冷卻液帶走。此外滾珠絲杠與外界環(huán)境還存在熱交換以及熱對(duì)流，對(duì)滾珠絲杠的熱特性產(chǎn)生影響。根據(jù)傳熱學(xué)理論[7]，輻射散熱的熱量較少，故一般只考慮熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流。

1.1滾珠絲杠螺母發(fā)熱量的計(jì)算

絲杠螺母的發(fā)熱與摩擦力矩、轉(zhuǎn)速成正比，公式為：

Q1=0.12πnM

(1)

式中：Q1-滾珠絲杠單位時(shí)間的發(fā)熱量，單位為W；

M-螺母的摩擦力矩，單位為N·m；

n-絲杠轉(zhuǎn)速，單位為r/min;

由于絲杠軸與螺母間的摩擦熱量分配于滾珠、螺母和絲杠軸，其中摩擦熱量43%是經(jīng)過(guò)滾道面?zhèn)鲗?dǎo)到絲杠軸上，那么熱流密度q2可由下式計(jì)算得到：

(2)

1.2絲杠與軸承間的熱源分析

滾動(dòng)軸承的摩擦熱[8]主要是在摩擦力矩作用下生成的，那么發(fā)熱量計(jì)算公式為：

Q2=nM/9550

(3)

式中：Q2-單位時(shí)間內(nèi)軸承發(fā)熱量，單位為W；

M-摩擦力矩，單位為N·m；n-軸承轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

發(fā)熱量Q2是無(wú)法直接加載到有限元模型上，必須轉(zhuǎn)換成熱流密度形式，其計(jì)算公式如下：

(4)

其中，S-熱源面積，mm2。

1.3滾珠絲杠副的對(duì)流換熱

滾珠絲杠副表面與流體接觸的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生熱量的交換。對(duì)流換熱是滾珠絲杠副的主要的散熱形式。流體介質(zhì)流動(dòng)主要分為兩類(lèi)，一種是由于流體內(nèi)部的密度差，稱(chēng)為自然對(duì)流換熱，例如絲杠停止旋轉(zhuǎn)時(shí)空氣冷卻。另外一種是由于外部動(dòng)力源所引起的，稱(chēng)為強(qiáng)制對(duì)流換熱，例如冷卻液流經(jīng)中空絲杠。

牛頓冷卻公式是表達(dá)對(duì)流換熱現(xiàn)象的基本計(jì)算式，公式如下：

q=h(Mw-Mf)

(5)

式中：h-對(duì)流換熱系數(shù)，單位為W/(m2·K)；Mw-絲杠的避免溫度，單位為℃；Mf-穩(wěn)定流體溫度，單位為℃。

牛頓冷卻公式只不過(guò)解釋了對(duì)流換熱系數(shù)，未說(shuō)明對(duì)流換熱系數(shù)與相關(guān)物理量之間的內(nèi)在關(guān)系。所以在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出努謝爾特準(zhǔn)則：

(6)

式中，Nu-努謝爾特?cái)?shù)，k-流體的熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m2·k)；L-特征長(zhǎng)度，mm。

(1) 自然對(duì)流換熱[9]

對(duì)于進(jìn)給系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，機(jī)床固定表面屬于自然對(duì)流換熱，其標(biāo)準(zhǔn)方程式為：

(7)

式中，C，n—常數(shù)，根據(jù)熱源以及流體選取，Gr—格拉曉夫準(zhǔn)數(shù)；Pr—普朗特?cái)?shù)。

(2) 強(qiáng)迫對(duì)流換熱

滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)周?chē)諝饧铀龠\(yùn)動(dòng)，從而形成強(qiáng)迫對(duì)流換熱。此時(shí)努謝爾特準(zhǔn)則方程為[10]：

(8)

(9)

式中，Re為空氣的雷諾系數(shù)；ω為絲杠軸的角速度，rad/s；d0為絲杠軸的公稱(chēng)直徑，mm。

2滾珠絲杠副有限元模型及熱性分析

2.1滾珠絲杠副建模及網(wǎng)格劃分

TX1600G數(shù)控鏜銑加工中心是在現(xiàn)有龍門(mén)式鏜銑加工中心技術(shù)和臥式鏜銑加工中心技術(shù)為基礎(chǔ)之上，面向箱體類(lèi)零件加工的一臺(tái)精密加工設(shè)備。在總體結(jié)構(gòu)上，根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式與精度特點(diǎn)，將整機(jī)結(jié)構(gòu)可視為單龍門(mén)立臥式結(jié)構(gòu)組成，可劃分為銑削加工部分和鏜削加工部分。銑削部分采用高速電主軸，用于面向以鋁合金為代表的有色金屬高速加工。機(jī)床的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采用Solidworks軟件繪制TX1600G鏜銑加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的實(shí)體模型，并導(dǎo)入到ANSYS軟件中。由于進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若直接導(dǎo)入到ANSYS中，往往容易導(dǎo)致出現(xiàn)各種錯(cuò)誤，無(wú)法創(chuàng)建正確的有限元模型，所以需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。在不對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生影響的前提下需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，本文中模型的簡(jiǎn)化應(yīng)遵循有如下幾點(diǎn)準(zhǔn)則：

(1) 對(duì)于滾珠絲杠而言，把絲杠上的螺紋、退刀槽、倒角等細(xì)小模型特征去掉從而簡(jiǎn)化為光桿；去掉一些對(duì)絲杠溫度場(chǎng)分析影響很細(xì)小的結(jié)構(gòu)，如絲杠端部的螺栓孔、與螺母聯(lián)接用的螺紋等，以便利于模型網(wǎng)格劃分，提高運(yùn)算速度。

(2) 在絲杠螺母副和前后軸承座，去掉一些不必要的孔、倒角。

(3) 軸承簡(jiǎn)化為套圈，其尺寸與內(nèi)外徑以及寬度與實(shí)際軸承尺寸相同。

(4) 本文進(jìn)給系統(tǒng)是為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，只需創(chuàng)建1/2模型進(jìn)行分析。

1.臥式鏜床2.鏜床立柱3.刀庫(kù)4.鏜軸箱5.工作臺(tái)6.工作臺(tái)支座

本節(jié)采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元SOLID90進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其等效結(jié)構(gòu)單元類(lèi)型為SOLID186。

2.2滾珠絲杠副的移動(dòng)熱載荷

滾珠絲杠副是通過(guò)螺母在絲杠上往復(fù)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和力的傳遞。在實(shí)際的工作中，滾珠絲杠螺母處于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，不能一直保持在某一位置，會(huì)造成絲杠上熱源也隨著移動(dòng)，因此施加在絲杠表面的熱載荷應(yīng)為移動(dòng)熱載荷。應(yīng)該將螺母流入絲杠的熱流密度作為移動(dòng)載荷施加，它可以通過(guò)ANSYS中的APDL語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在ANSYS中通過(guò)APDL語(yǔ)言，采用ANSYS中DO循環(huán)實(shí)現(xiàn)絲杠螺母(熱源載荷)的移動(dòng)，用IF語(yǔ)句判斷絲杠螺母是否到達(dá)絲杠有效行程的一端而進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)嵌套的DO循環(huán)語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)絲杠螺母在絲杠上的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。對(duì)流系數(shù)與熱流密度同時(shí)加載在同一位置時(shí)只默認(rèn)讀取最后施加的邊界條件。通過(guò)絲杠的轉(zhuǎn)速，計(jì)算出熱源的移動(dòng)速度和螺母副在絲杠上運(yùn)行一個(gè)絲杠工作行程所需要的時(shí)間。每次施加一個(gè)載荷步，每一個(gè)載荷步都走一個(gè)螺母長(zhǎng)度(300mm)，每走一步，都應(yīng)該先刪除絲杠螺母與絲杠、軸承與絲杠接觸處的對(duì)流系數(shù)，然后將熱流密度施加到絲杠上進(jìn)行求解。

2.3滾珠絲杠熱特性分析

本文研究的是TX1600G數(shù)控鏜銑加工銑削部分進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠絲杠，模擬絲杠空運(yùn)行的加工條件，當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)速為250r/min，即螺母的移動(dòng)速度為5m/min時(shí)，絲杠的有效工作行程為1600mm，因此往復(fù)運(yùn)動(dòng)一個(gè)有效工作行程的時(shí)間為38.4s，根據(jù)公式計(jì)算出對(duì)流換熱系數(shù)和熱流密度，基于上述邊界條件對(duì)滾珠絲杠表面溫度場(chǎng)和進(jìn)給方向熱變形情況進(jìn)行分析。

圖2　滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)溫度分布

圖3　進(jìn)給系統(tǒng)的溫升曲線

由圖2和圖3可知，在未通冷卻液的情況下，進(jìn)給系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為250r/min,滾珠絲杠熱平衡時(shí)間是3000s，熱平衡溫度是25.8 ℃。由圖3可以看出滾珠絲杠螺母副在絲杠上循環(huán)移動(dòng)溫度隨時(shí)間的變化情況。在前2000s時(shí)溫度變化較快，呈快速上升趨勢(shì)。此后，溫度變化趨勢(shì)較為緩慢，可以認(rèn)定為基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)。也可以得到前后軸承上的節(jié)點(diǎn)溫度，前軸承熱平衡時(shí)間是2800s，在前1500s溫度變化比較大，其平衡溫度是26.4 ℃。后軸承熱平衡時(shí)間是2500s，后軸承其平衡溫度是28.4 ℃。

整個(gè)絲杠在工作時(shí)將會(huì)受三個(gè)熱源的作用，分別是左右兩端軸承處和絲杠螺母在絲杠有效行程的表面。其中后軸承的溫升是最大的，這是由于后軸承內(nèi)圈和絲杠的接觸面積大，產(chǎn)生的熱流密度多。但絲杠的有效工作行程處溫度分布比較均勻，可以看出左右兩端的升溫不一樣，這是由于兩端軸承結(jié)構(gòu)決定的。

3滾珠絲杠溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

本文的研究對(duì)象是TX1600G數(shù)控鏜銑加工中心。但是其中的Y向滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性較為復(fù)雜，針對(duì)滾珠絲杠有限元分析，所以設(shè)計(jì)絲杠的熱特性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集滾珠絲杠的熱特性數(shù)據(jù)。對(duì)TX1600G數(shù)控鏜銑加工中心進(jìn)行溫度場(chǎng)與熱變形實(shí)驗(yàn)，主要目的：實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性。

3.2進(jìn)給系統(tǒng)溫度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.2.1溫度測(cè)量系統(tǒng)

TX1600G數(shù)控鏜銑加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)采集是通過(guò)溫度測(cè)量系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。溫度測(cè)量系統(tǒng)是由溫度傳感器，溫度變送器以及溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

(1) 溫度傳感器

本文中采用是STT-F系列溫度傳感器，溫度傳感器方便取下且重復(fù)利用，其型號(hào)：

STT-F-A1-B1-E4F2G1H1-L2-PA-T2-W0-S0，采用表面測(cè)量方式，傳感器類(lèi)型為PT100，具體參數(shù)如下表1所示。

表1　傳感器參數(shù)

(2) 溫度采集系統(tǒng)

打開(kāi)溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面需要設(shè)置以下步驟才能實(shí)現(xiàn)溫度的采集，那么溫度采集系統(tǒng)界面如圖4所示。

第一步：在溫度監(jiān)測(cè)的主頁(yè)面下的溫度值及安裝位置，設(shè)置溫度采集通道及初始值。

第二步：打開(kāi)軟件，在設(shè)置中進(jìn)入溫度采集配置頁(yè)面。

第三步：在溫度采集配置中，將溫度硬件采集設(shè)定為有線數(shù)字485SP-D，在串口配置中VISA資源名稱(chēng)中設(shè)置為COM9，其他參數(shù)值為默認(rèn)值。并點(diǎn)擊測(cè)試，測(cè)試通過(guò)后點(diǎn)擊確定。

第四步：設(shè)置溫度數(shù)據(jù)保存位置以及文件名，點(diǎn)擊開(kāi)始采集，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集。

圖4　溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面

3.2.2溫度傳感器安裝

在本實(shí)驗(yàn)中，綜合上章ANSYS仿真結(jié)果、工程經(jīng)驗(yàn)得到的機(jī)床溫度場(chǎng)分布，確定基本的熱源位置。此方案中使用了6個(gè)溫度傳感器，分別用于測(cè)量絲杠螺母端面(T1)、后軸承座(T2)、前軸承座(T3)、床身底座(T4)、右導(dǎo)軌上表面(T5)、左導(dǎo)軌上表面和(T6)。在加工過(guò)程中，僅考慮進(jìn)給方向(Y向)熱誤差，測(cè)量Y向熱變形。傳感器安裝位置如下表2所示。施工現(xiàn)場(chǎng)溫度采集現(xiàn)場(chǎng)布局圖，如圖5所示。

圖5　溫度采集現(xiàn)場(chǎng)

溫度測(cè)點(diǎn)編號(hào)位置功能T1絲杠螺母端面測(cè)量螺母溫度T2后軸承座測(cè)量后軸承溫度T3前軸承座測(cè)量前軸承溫度T4下導(dǎo)軌表面測(cè)量下導(dǎo)軌溫度T5上導(dǎo)軌表面測(cè)量上導(dǎo)軌溫度T6機(jī)床床身表面測(cè)量室溫

3.3溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，所以本文的?shí)驗(yàn)方案是滾珠絲杠在空載荷的狀態(tài)下，絲杠螺母以5的進(jìn)給速度運(yùn)動(dòng)來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，絲杠在空載的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，每隔7s采集一次。所得溫度曲線見(jiàn)圖6。

圖6　Y軸測(cè)溫點(diǎn)溫度變化圖

圖7　仿真與實(shí)驗(yàn)溫度場(chǎng)對(duì)比圖

如圖所示，在Y軸進(jìn)給系統(tǒng)中上導(dǎo)軌表面T4，下導(dǎo)軌表面T5以及機(jī)床T6的溫度變化趨勢(shì)類(lèi)似，進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)4個(gè)小時(shí)后，其溫度變化緩慢，變化量?jī)H為1.5 ℃，可認(rèn)為其達(dá)到了熱平衡狀態(tài)。但是絲杠螺母T1，前軸承T3以及后軸承T2的溫度變化量較大，其中前軸承的溫升是最大的，熱平衡的溫度是27.22 ℃，從測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化圖可以看出：在機(jī)床的運(yùn)行過(guò)程中，在一開(kāi)始各個(gè)熱敏感點(diǎn)的溫度上升較快，在機(jī)床運(yùn)行大約3小時(shí)之后，機(jī)床的溫度趨于穩(wěn)定，各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化較小。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)曲線可知，Y軸進(jìn)給系統(tǒng)中導(dǎo)軌上下表面和機(jī)床的溫度變化不明顯，所以選取T1，T2以及T3的溫度測(cè)點(diǎn)測(cè)量值與仿真值的進(jìn)行對(duì)比。從圖7可知，測(cè)溫點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化與仿真值的變化趨勢(shì)一致，前軸承和后軸承的實(shí)驗(yàn)數(shù)值略高于仿真數(shù)據(jù)，但是實(shí)驗(yàn)中絲杠熱平衡時(shí)間比仿真中的熱平衡時(shí)間長(zhǎng)。分析造成誤差的原因，有以下幾點(diǎn)：

(1) 使用ANSYS進(jìn)行仿真模擬時(shí)，對(duì)流換熱只考慮滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)引起的空氣換熱，但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，空氣的自熱流動(dòng)也產(chǎn)生對(duì)熱換熱，帶走其中一部分的熱量；

(2) 溫度傳感器只能貼在絲杠螺母，前軸承以及后軸承的外表面，未能測(cè)量到內(nèi)部熱源的溫度值，出現(xiàn)偏差；同時(shí)溫度傳感器受到環(huán)境的影響比較大，造成測(cè)量結(jié)果精度受到影響；

(3) 在仿真計(jì)算中，為了提高運(yùn)算速度，對(duì)滾珠絲杠副進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并與實(shí)際的模型存在差異，影響了進(jìn)給系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布。

4結(jié)論

本文的實(shí)驗(yàn)對(duì)象是TX1600G數(shù)控鏜銑加工中心進(jìn)給系統(tǒng)，使用溫度采集系統(tǒng)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)進(jìn)給系統(tǒng)的溫度場(chǎng)，合理的布置溫度傳感器。設(shè)定了進(jìn)給速度為5 m/min的工況下，得到隨時(shí)間變化的銑削部分進(jìn)給系統(tǒng)測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化曲線，對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析研究。并得到以下結(jié)論：

(1) 通過(guò)滾珠絲杠的溫度場(chǎng)和熱變形的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)有限元模型分析的理論正確性。

(2) 整個(gè)絲杠在工作時(shí)主要受三個(gè)熱源的作用，分別是左右兩端軸承處和絲杠螺母在絲杠有效行程的表面，其中每個(gè)部位的溫升不同。

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(編輯趙蓉)

The Thermal Characteristics Analysis and Experiment Research of Feed System of CNC Boring and Milling Machining Center

SUN Jun,QIN Xian-jun,QIAN Bin-bin,HUANG Yuan

(College of Mechanical Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110168，China)

Abstract：For precision machine tools, with the improvement of manufacturing level, weaken the impact of the geometric error on machining precision, but the influence of the thermal deformation of machine tool feed system to processing error become more bigger, so the thermal characteristics of feed system has far-reaching significance. Taking the feed system milling machining center of TX1600G milling boring as the research object. First of all, using ANSYS to establish a simplified three-dimensional model of the feed system, by applying moving heat source to simulate the actual processing conditions, get the ball screw temperature field distribution under the speed of 5m/min. Again,design ball screw temperature field experiment and scheme of temperature measuring system to collection the temperature field data. Finally, the experimental results compared with the finite element results, to verify the the reliability and accuracy of simulation results. For thermal error model was established, at the same time provide the necessary data to support.

Key words：temperature field; moving heat source; experimental scheme;temperature acquisition system

文章編號(hào)：1001-2265(2016)05-0046-05

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.013

收稿日期：2015-11-18；修回日期：2015-12-17

*基金項(xiàng)目：遼寧省自然科學(xué)基金(2013020035)；遼寧省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013220017)

作者簡(jiǎn)介：孫軍(1963—)，男，遼寧大連人，沈陽(yáng)建筑大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)數(shù)控理論與應(yīng)用技術(shù)，數(shù)字化制造應(yīng)用技術(shù)，(E-mail)sunjun589@126.com。

中圖分類(lèi)號(hào)：TH16；TG65

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A