基于ProMECHANICA的磨床床身有限元热变形分析及优化

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3.0 陈辉 2024-11-19 11 4 4.44MB 63 页 15积分
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摘 要
卧轴矩台平面磨床在国内平面磨床中所占的比例很高，而床身热变形是造成
该类型磨床加工精度差的主要原因。因此如何减小床身热变形，提高磨床加工精
度成为本文研究的重点。由于床身热变形是一种复杂的变形过程，加之床身结构
复杂，采用传统的热力学计算的方法几乎无法完成分析。目前，国内关于热变形
的相关研究多以中小部件做为对象，而以床身这类大型复杂部件的热变形作为研
究对象的相关文献在公开刊物上则发表的很少。本文以卧轴矩台平面磨床床身的
热变形作为研究对象,预测了其加工误差,并给出了有效减小床身热变形的优化方
案。本文为今后解决同类型部件的热变形问题提供了一种新的思路。
本论文运用 Pro/E 软件对床身进行三维几何建模，在其 Pro/MECHANICA 模
块下设置边界条件,进行热分析，得出了和实际测量结果相同的床身温度分布。在
热分析的基础上,对床身有限元模型进行刚度分析，同样得到了和实测结果相同的
床身导轨变形，表明床身有限元模型和实际模型具有很好的一致性。本文在预测
磨床加工误差的同时，通过两种优化方案来减小磨床的加工误差。第一种方案，
通过调整床身垫铁支撑位置来减小磨床前后方向上由于床身热变形产生的加工误
差；第二种方案，通过调整油箱位置改变床身的温度场分布，减小床身的热变形，
进而减小磨床左右方向上由于床身热变形产生的加工误差。通过上述两种优化方
案，本文达到了减小磨床加工误差的目的。通过优化后，工件在前后、左右方向
上加工中由于热变形产生的最大加工误差从优化前的 0.0303mm、0.0318mm 减小
到优化后的 0.008mm、0.0028mm,使磨床的加工精度达到厂家的设计要求。而且，
按照该优化方案设计制造出的磨床有效地克服了过去由于热变形而引起的加工精
度差的情况，得到了厂家的好评。
关键词：床身热变形 热变形仿真 优化 加工误差
ABSTRACT
Surface griding machines with horizontal grinding wheel spindle and
reciprocating table take a high proportion of domestic horizontal grinder, and the main
that make the poor machining accuracy of this kind of grinder is the bed thermal
deformation. So the focus of the study is how to reduce the bed thermal deformation
and improve machining accuracy. The thermodynamic calculation using traditional
methods is almost impossible to complete the analysis because the bed thermal
deformation is a complex deformation process and the complex structure of the bed in
addition. At present, the relevant research on the thermal deformation is targeted at
small parts, the literatures about the analysis of the thermal deformation research on
the large and complex parts such as bed are rarely published in the open publications.
This paper research the thermal deformation of the surface grinding. Forecast its
processing error, and gives an effect programme to decrease the thermal deformation.
This new method can be used to solve the same type of problem in the future.
In this paper, we use the Pro/E software for 3D geometric modeling and set
boundary conditions to make thermal analysis in its Pro/MECHANICA module, we get
the same body temperature distribution with the model in the actual working
conditions. And then to go on the bed static mechanical analysis on the basis of the
thermal analysis, and also get the same deformation of guides with the actual results. It
can validate the consistency between the finite element modle and the actual modle.
This paper forecast the error of the grinder and use two methods to decrease the error.
First, adjust the position of the sizing block to reduce the error in the direction of
before and after. Second, adjust the position of the fuel tank to change the bed
temperature distribution, and reduce the error in the direction of about. Through the
above two methods to achieve the purpose of reducing the processing error of the
grinder. Before the optimization, The largest processing errors in the direction of
before and after and in the direction of about are 0.0303mm, 0.0318mm. After
optimization, the errors reduce to 0.008mm, 0.0028mm. The precision of grinder meet
the design requirements of manufacturers. The grinder which using the optimization to
design and manufacture can aviod the errror and take the praises of the manufacture.
Key Word: Bed thermal deformation ，Simulation of deformation
Optimization，Processing Error.
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ....................................................... 5
§1.1 引言 ........................................................ 5
§1.2 热分析的发展历程 ............................................ 4
§1.3 矩台平面磨床有限元热分析及优化在国内外发展的现状 ............ 5
§1.4 课题研究的主要内容和意义 .................................... 7
§1.4.1 课题研究的主要内容 ...................................... 7
§1.4.2 课题研究的意义 .......................................... 8
第二章 卧轴矩台平面磨床有限元热分析理论基础 ........................ 8
§2.1 有限元理论 .................................................. 8
§2.1.1 有限元分析基本概念 ...................................... 8
§2.1.2 有限元计算方法 .......................................... 9
§2.1.3 有限元模型的建立 ....................................... 10
§2.1.4 有限元热分析的基本理论 ................................. 11
§2.1.5 有限元分析系统的发展现状与展望 ......................... 11
§2.2 Pro/MECHANICA 有限元分析软件概述 ........................... 14
§2.2.1 Pro/MECHANICA 软件的发展过程，现状 ..................... 14
§2.2.2 Pro/MECHANICA 软件的主要模块及研究内容 ................. 15
§2.2.3 Pro/MECHANICA 软件有限元软件的技术特点及分析工作流程 ... 16
§2.2.4 Pro/MECHANICA 软件有限元优化特点 ....................... 17
§2.3 Pro/MECHANICA 软件有限元热分析过程 ......................... 18
§2.4 卧轴矩台平面磨床优化思路 ................................... 18
§2.5 本章小结 ................................................... 19
第三章 卧轴矩台平面磨床床身计算机建模与热分析 ..................... 21
§3.1 卧轴矩台平面磨床床身模型 ................................... 21
§3.2 卧轴矩台平面磨床工作条件下概况 ............................. 21
§3.2.1 卧轴矩台平面磨床所处工作环境 ........................... 21
§3.2.2 卧轴矩台平面磨床支撑方式 ............................... 22
§3.2.3 卧轴矩台平面磨床油箱位置 ............................... 22
§3.2.4 卧轴矩台平面磨床常温下导轨变形情况 ..................... 22
§3.2.5 卧轴矩台平面磨床达到热平衡后床身导轨变形情况 ........... 24
§3.2.6 工作前后导轨变形情况对比结论 ........................... 26
§3.2.7 卧轴矩台平面磨床达到热平衡后床身表面温度 ............... 27
§3.3 达到热平衡后温度仿真过程 ................................... 28
§3.3.1 定义床身材料 ........................................... 28
§3.3.2 施加热源 ............................................... 28
§3.3.3 施加表面对流系数 ....................................... 29
§3.3.4 温度仿真分析结果与实际测量结果验证比较 ................. 31
§3.3.5 结论 ................................................... 34
§3.4 床身变形仿真过程 ........................................... 34
§3.4.1 在温度仿真模型基础上设定受力条件和环境温度 ............. 34
§3.4.2 设定床身支撑方式 ....................................... 34
§3.4.3 对床身进行单元格划分 ................................... 35
§3.4.4 床身导轨变形仿真结果与实际测量结果验证比较 ............. 36
§3.4.5 结论 ................................................... 37
§3.5 常温下床身变形仿真分析 ..................................... 38
§3.6 本章小结 ................................................... 39
第四章 矩台平面磨床工件加工误差分析 ............................... 40
§4.1 卧轴矩台平面磨床加工工件过程 ............................... 40
§4.2 卧轴矩台平面磨床加工误差 ................................... 42
§4.3 本章小节 ................................................... 45
第五章 卧轴矩台平面磨床优化及结论 ................................. 46
§5.1 调整垫铁支撑位置 ........................................... 46
§5.2 调整床身油箱位置 ........................................... 49
§5.2.1 床身油箱向上提高 80mm ...................................49
§5.2.2 床身油箱向上提高 120mm ..................................50
§5.2.3 床身油箱向上提高 180mm ..................................51
§5.2.4 液压床身油箱向上提高 230mm ..............................52
§5.2.5 液压床身油箱向上提高 330mm ..............................53
§5.3 床身油箱提高小节 ........................................... 54
§5.4 床身油箱提高 230mm 时加工工件误差分析 ....................... 54
§5.5 结论 ....................................................... 55
第六章 总结与展望 ................................................. 57
§6.1 对卧轴矩台平面磨床优化的总结 ............................... 57
§6.2 对卧轴矩台平面磨床优化的展望 ............................... 57
参考文献 .......................................................... 58
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 60
致 谢 ............................................................ 61
第一章 绪 论
§1.1 引言
基于 Pro/MECHANICA 的磨床床身有限元热变形分析及优化
2
磨床是以磨料磨具（砂轮、砂瓦、砂带、油石等）为工具对工件进行切削加
工的金属切削机床。一般在车、铣、刨、钻等机床上不能加工的淬硬材料和难加
工材料均可在磨床上进行加工，且加工精度和工件的表面光洁度均比其他种类机
床好。近年来，随着高速高效磨削技术的发展和新磨料的出现，磨床已从精加工
领域扩大到粗加工领域，磨床在国民经济中起到了越来越重要的地位。
磨床一般分为外圆磨床（包括万能磨床、无心磨床）、平面磨床（包括双端
面磨床、矩台磨床）、工具磨床和其他磨床（包括内圆、螺纹、坐标磨床等）四
类，从广义上讲，还包括研磨机、珩磨床、砂轮机、超精加工机床、抛光机和粗
磨机等。
卧轴矩台平面磨床[1]
（Surface grinding machines with horizontal grinding wheel
spindle and reciprocating table）是砂轮主轴水平放置，矩形工作台往复运动的平面
磨床。卧轴矩台平面磨床示意图如图 1-1 所示。
图1-1 卧轴矩台平面磨床
本文中所研究的卧轴矩台平面磨床型号为 MA7130/H,是上海某机床厂销售最
好的磨床类型之一。该磨床相对精度等级为精密级，绝对精度等级为Ⅲ级。
磨床在机床中的构成比大小，在一定程度上反映了机械加工的水平。如表 1-1
所示。
表1-1 各国磨床拥有量及构成比[2]
国别
磨床
磨床（广义上）
机床
拥有量（台）
构成比（％）
拥有量（台）
构成比（％）
拥有量（台）
构成比（％）
美国
377993
16.0
633859
26.8
2362203
100
第一章 绪论
3
日本
125350
17.1
134442
18.3
733086
100
英国
105970
16.9
626333
100
法国
55000
10.0
124800
22.1
556300
100
发达资本主义国家除了拥有庞大数量的磨床以外，更重要的是其所生产和拥
有的磨床设备的质量。各国均有相当数量的生产型、高效、自动化机床，例如在
美国平面磨床的拥有量中，包括双端面磨床在内的端面平面磨床比例高达平面磨
床的 30％，在外圆磨床拥有量中，外圆型要占 2/3,而万能型仅占 1/3，而国内却
生产大量的普通矩台平面磨床和万能外圆磨床，与其相比，构成显得极不合理。
我国机械行业中装备的磨床，绝大部分是国内制造的，极少一部分是引进国
外或国内生产的较先进的磨床，这些磨床一半左右是役龄十几年以上急待更新改
造的老设备。虽然我国磨床行业建国以来有了很大的发展，从无到有，从一般磨
床到开始制造大型、精密、高效磨床，特别是近些年出现了一批生产高精密磨床
的厂家，如：上海磨床厂、杭州磨床厂、大连磨床厂等等，产品已远销海外。但
就目前整体行业拥有的磨床而言，还是处在效率低、精度差、品种少、寿命低、
性能差、自动化程度低的状态中，急待加以改变。
床身精化改造作为磨床设计改造的一项及其重要的内容，一直是各大机床生
产厂家关注的重点，床身精化改造因涉及到工程力学、工业设计、人机工程学、
材料学、电子学、自动控制、环境学、机械学、制造工艺学、化工等领域，设计
过程复杂，管理协调困难。
国外在 1962 年开始应用计算机辅助设计（CAD），它将设计所需的大量公式、
数据、参数、表格存入计算机，建立数据库，由计算机进行检索和高速运算，然
后将图形显示，由设计人员通过人机对话，用光笔对图形进行修改，自动绘成正
式图形，CAD 在七十年代得到了迅速发展和广泛的应用，到了八十年代随着有限
元算法的推广，可以对床身、立柱、拖板、工作台的静刚度、动刚度和热刚度进
行更为精确的计算，特别是近些年三维绘图分析软件的普及，如 Pro/e,CATIA,UG
等，通过这些软件可以直接绘制出三维模型，使得设计人员可以更加直观的对床
体有整体认知，并可以通过软件自带的分析模块对床身各部分进行仿真分析，直
接仿真实际工作状况，不必向以前那样要用实体进行试验，在根据分析结果直接
在所建模型上进行修改，在进行分析，这样设计人员对磨床各部分进行优化就简
单了很多。这大大缩短了磨床的研发设计周期。
国内现有磨床主要存在几下几项缺陷：
1.磨床效率低。
2.磨床的精度和精度保持性差。
摘要：

摘要卧轴矩台平面磨床在国内平面磨床中所占的比例很高，而床身热变形是造成该类型磨床加工精度差的主要原因。因此如何减小床身热变形，提高磨床加工精度成为本文研究的重点。由于床身热变形是一种复杂的变形过程，加之床身结构复杂，采用传统的热力学计算的方法几乎无法完成分析。目前，国内关于热变形的相关研究多以中小部件做为对象，而以床身这类大型复杂部件的热变形作为研究对象的相关文献在公开刊物上则发表的很少。本文以卧轴矩台平面磨床床身的热变形作为研究对象,预测了其加工误差,并给出了有效减小床身热变形的优化方案。本文为今后解决同类型部件的热变形问题提供了一种新的思路。本论文运用Pro/E软件对床身进行三维几何建模，...

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