数事线本与率用
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基于有限元方法的数控铣床整机热特性分析
张碧清
(福建林业职业技术学院福建南平353000)
摘要:基于有限元方法分析数控镜床整机热特性,不仅为数据铣床整机的冷却系统补充了相关的理论依据，并且具有重要的指导意义。对数控铁床进行热特性分析是为了提高加工精确度尽可能因为热变形导致加工工艺不符合现实的要求。本文主要围绕数控镜床整机的主要组成部分概述,数控统床的工作原理简速,基于有限元方法的数控铣床整机热特性分析等三个方面的内容阐速。
关键词：有限元方法数控统床整机热特性分析
中图分类号：TP206
文献标识码:A
文章编号:1007-9416(2013)07-0199-02
在机械器件的加工过程中，长期处于运转状态的数控铣床，由于摩擦生热，切削产热，高温下作业，热能辐射等因素影响着工艺系统，使得作业区域温度较高，机床夹具等机械工具因为温度过高导致形状变异，加工器件与刀具的相对位移受到了影响，形成加工成品存在着较大的误差，影响到了加工的准确度。据有关调查数据显示，在零件的精确加工过程中，因为热能导致器件变形形成的误差占到总误差在0.4到0.7之间。所以由于温度过高造成加工精度不准确，数控机床整机的主要部件变形，从而降低了加工效益，是目前机床设计过程中吨需解决的问题。下面将对有限元方法的数控铁床整机热特性作进一步阐释：
1数控铣床整机的主要组成部分概述
数控铁床主要应用于各箱子形状类和板状类零件的加工，基础
结构主要包含夹具和刀具，夹具的选用主要是以生产零件批量的大小为原则。刀具主要是根据加工零件的材质，形状，以及自身的切削性能为原则选用。除了以上基础结构以外，它的机概结构还包括主传动系统以及进给传动系统，主要是为了实现工件可以顺利回转、定位，有助于特定部件的运行和辅助功能的实现，辅助功能系统主要包含液压系统，气动系统，冷却系统和一些特殊装置系统，例如排屑防护庄装置。在刀具的破损监督，精确度检测，和监督控制等装置，都是为了完成数控铣床的各类自动反馈功能的有效使用。数控铣床根据主轴的布置形式可以分为数控立式铣床，数控卧式铣床和数控龙门铣床三类。立式铣床的加工原理是进行三坐标联动的，在数控立式铣床中占大部分，其主要特征是主轴与机床的工作面呈垂直状，使于工件装夹，有利于加工过程的监视，但是排屑不那么顺畅，一般情况下，工作台是不移动的，没有升降装置，通过主轴箱进行上下运动，平衡主轴箱的质量，控制主轴中心线与柜面的距离来保证机床的刚性。卧式数控铣床则使主轴轴线平行于工作台面，此款铣床与立式的相反，加工过程中不便于观察，排屑非常顺畅，此款铣床基本上都会配备回转工作台以及万能数控转盘，使得加工零件的侧面的连接性的轮廊都可以很好的呈现，并且可以在一次安装过程中实现。数控龙门铣床是大尺寸的数控铣床，它是左右呈对称状的双立柱结构，这种结构可以保证机床整体的刚强性，数控龙门铣床包含工作台移动和龙门架移动两种类型，主要是依据各类零件的尺寸的大小设计的。
2数控铣床的工作原理简述
数控铁床主要包含以下三个大的部分，下面将对其数控铣床的工作原理进行简要的分析：
首先，数控系统是数控铣床的核心部分，它是实现自动加工功能的主要控制系统，主要是对位置、角度、速度的机械承载量进行控制包括对数据计算的控制以及时间的逻辑顺序进行控。插补模块是置于主控制器内的，根据接收到的零件程序，通过一系列解码之后，反馈各类信息。
其次是伺服驱动和位置检测系统，它是连接数控装置和机床本身的主要装置系统。何服电动机的动力系统是驱动控制装置，伺服驱动接收到数控系统的指令之后，与位置装置反馈的信息进行比较，经过驱动控制系统放大之后，驱动电动机开始运转，如果发生偏差，会通过指令将信息输出
最后是辅助装置。辅助装置主要包含自动换刀，工件的固定装置，液压控制体系以及润滑装置等。数控铣床的主体部分是机床本体，它主要包含床身，工作台以及主轴箱等部分。数控铣床的主要特
征是自动化，不需要对其进行人工调整以及补给。 3基于有限元方法的数控铣床整机热特性分析
3.1数控镜床整机有限元模型
在前面详细闸述了数控铣床的类型以及工作原理，因为其结构以及原理的复杂性，基于有限元的热特性分析需要建立模型，简化其复杂的结构，主要的简化方式便是对20节点体单元划分网格。通过有限元的方法对整机进行热特性分析主要是处理边界条件，在处理过程中。主要考虑热源和对流换热两种类型的情况。热源主要包含的是因为主轴承与其他轴承之闻的障操擦生热，对流的形式主要包括主轴箱体表面的自然对流，主轴冷却装置的强迫对流。在设置基于有限元方法的对流边界条件是，务必要时刻监控对流换热的实时系数以及机床周围的环境温度，对于整机以及外表面涞水，环境温度是保持不变的，那么对于整机冷却部分来说冷却水的温度便是流体温度，这个温度是随着时间的变化面变化的。对于数控铁床整机的热特性分析实际上是对主轴的热特性分析，因为主轴是数控铣床整机中的主要部件。
3.2数控镜床整机的热特性分析条件
数控铣床的主要作用是针对零件进行铣前工艺，主要是依靠高速钢材质的立铣刀，它的直径一般为10或6毫米，齿数为6或3，加工碳钢材质的零件时，其铣削的深度和宽度分别为20毫米和2毫米，每一个齿数的供给量是0.01毫米，转动速度为每分钟3500转。假设机床工作台上的能量沿着与某一个方向的区域分布，并且假设切削产生的总能量其中的十分之一被工作台吸收，根据以上已知条件可以计算出数控铣床整机的热特性的边界条件，数控铣床整机材料特性的相关数值：主轴以及主轴钢套的导热系数是48.15，其他材质的为39.2，密度分别是469和480千克每立方米
3.3数控镜床整机热特性结果分析
当数控铣床主轴转速在3500转每分钟时，铁床的温度较高的部分主要集中在主轴的前支承部位，前支承中支承和后支承的温度分别为62摄氏度，57摄氏度和45摄氏度左右，在此温度是数控铣床的主轴部分便出现不同程度的变形，变形比较严重的部分是在主轴箱前面，变形量在0.143毫米，直接影机床加工精度。在另一个转速条件下。主轴的前中后端出现温度会有变化，进而影响变形量。首先是因为数控铣床轴承个数的不同导致变形量的不同，其次还有数控铣床主轴直径的不同，以上两个原因直接作用于轴承的发热量。进
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