第11期 2016年11月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2016)11005703
D0I:10. 13462/j. cnki. mmtamt. 2016. 11. 016
No.11 Nov.2016
激光熔覆滚珠丝杠进给系统热特性有限元分析
路华伟，李虎
（东北大学机械工程与自动化学院，沈阳101819）
摘要：伴随着激光快速成型技术的快速发展，在精密加工过程中，研究进给系统的热特性能够确保加工产品的表面质量。文章以激光熔覆进给系统的滚珠丝杠为研究对象，在ANSYS中使用的移动热源模拟实际过程中的摩擦热，结合外界环境的温升过程，激光热源和空气对流的影响，对滚珠丝杠做了间接热一结构耦合分析，得出了在不同时刻下的温度场分布和热变形。结果表明滚珠丝杠在加工过程中所受温度和应力做相似的变化，即滚珠丝杠的温度和应力变化都呈现出波浪式上升的规律。关键词：激光熔覆；滚珠丝杠；有限元法；温度场；热特性
中图分类号：TH164；TG659
文献标识码：A
Study on Thermal Characteristics of Ball Screw in Laser Cladding Feed System
LU Hua-wei ,LI Hu
(School of Mechanical Engineering and Automation,Northeastern University, Shenyang 110819, China) Abstract : The laser rapid prototyping develops rapidly, The study of feed system dynamic behavior contrib utes greatly to improve the surface quality of processed in the process of precision machining. In this paper, the ball screw of laser cladding feed system as the research object The friction heat in real process was simu-lated by a moved heat resource accompanied with the system in the software of ANSYS, and temperature rise of the external environment was taken into consideration. Within the influence of heat source and air convection mentioned above, the thermal-structural coupling analysis was did for the guide rail, and ac-quired the temperature field distribution and thermal deformation in different time. The result shows that the ball screw do similar changes in the machining process about the temperature and stress ,the law of the change is that the change of the temperature and stress present wave-like increasing tendency,
Key words: laser cladding; ball screw; finite element method(FEM) ;temperature filed; thermal deforma-tion
0引言
伴随着激光快速成型技术的快速发展，对其要达到的加工精度的要求越来越高，然而在激光成型过程中会产生大量的热量，进给系统受到这些热量的影响导致温度上升，产生热变形，从而影响了激光快速成型的加工精度]。大部分国内外学者从研究金属材料的性质出发，通过研究熔池特点来控制表面加工质量。但对于高精密加工来说，尤其是制造加工精度很高的军工产品，不仅要从表面塌陷这一方面来提高加工零件的表面质量，还要考虑机器本身在运功过程中产生的变形对加工工件质量的影响。
通过查阅文献资料了解了激光熔覆加工过程中的外界环境的温度变化，根据传热学知识确定了进给系统的热边界条件，考虑了运动过程中摩擦热的移动过程，本文采用有限元方法，在ANSYS中使用的移动热源模拟实际过程中的摩擦热，考虑了外界温度环境的温升过程，通过以上两处的热源和空气对流的影响，对
滚珠丝杠的温度场和应力场进行分析。所得结果对激光熔覆进给机构误差补偿具有一定的参考价值。
热特性分析的理论基础 1
1.1导热基本定律
傅里叶导热定律的文字表述：在导热过程中，单位时间内通过给定截面的热量，正比于垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向却与温度升高的方向相反2]，即：
%
其中：
(1)
-入 +入,，+ an
30
(2)
式中：q是热流密度，W/m；比例常数入是导热系数， W/（m·℃）；t是物体的温度，℃；n是等温面法向；入，a,，a.是材料沿方向x，y，上的导热系数；n，n,，n 是等温面沿x，y,z方向上的分量；x,y，2是笛卡尔坐标
收稿日期：2016-01-10
*基金项目：教育部项目种子基金（N130403007）；辽宁省科技项目（L2012076）
作者简务务数据990—），男，河南周口人，东北大学硕士研究生，研究方向为增材制造，（E-mail）luhuawei189@126.com。