摘要：热变形是影响数控工艺系统变形的重要因数，其难以测量，不具备规律性，故很难定量控制。本课题依托数控车削具体加工实例，分析系统主要热源，利用ANSYS workbench对数控加工工艺系统进行热、力耦合分析，探究切削力及热源对加工精度的影响，定性的完成了部分改良方案的验证，对数控加工精度的进一步研究有一定的参考意义。
关键词：热变形 切削热 温度分布 有限元分析 最大变形量
0.引言：
近年来，国内外在机械加工精度控制领域做了大量的研究，笔者认为，热力耦合变形是工艺系统变形的主要表现方式，按照目前国内外关于轴承发热规律、切削热分布等较为完备的研究，结合工艺系统受力变形规律，可以较为可靠的反映出一般切削过程中的误差变形情况，结合温度场及切削参数的合理调整，可以寻求更为合理的切削加工方案[1]。
本课题，从工艺系统热源分析着手，确定一种数控车削加工过程的热边界条件，依托ANSYS Workbench分析模块，结合机械加工切削力、冷却条件等因数进行热力耦合分析，寻求改善零件加工精度的方法。
1.模型的建立和实验条件的确定
根据切削加工原理，切削热与切削速度呈正相关，而切削速度高，主轴转速较高，轴承发热也较为严重，因此精加工时发热较粗加工严重。本例主要对直径为30mm的短光轴（铝制）精加工工序的热力变形进行研究，其工序工艺参数如表1-1所示
表1-1 精加工工序工艺参数
2.数控车削加工热源分析及热力耦合边界条件的确立
2.1热源分析及其对加工精度的影响
工艺系统中，内部热源对工艺系统热变形影响较大，其主要来自于主轴箱轴承发热及切削热；轴承的发热取决于轴承的工作转速和润滑条件，轴承发热和切削热是重点研究热源。本例，结合精加工工艺参数条件，结合滚动轴承润滑状态，估算轴承工作温度，结合切削区工作温度进行耦合计算，探究温度场分布及热力耦合变形。
2.2 轴承热量分析计算
滚动轴承的摩擦热是由滚动体与套圈之间的摩擦力及润滑剂引起的摩擦力产生的，其理论计算公式为[2]：
（1）
式中:M为摩擦力矩；n为轴承转速。对于近似的计算,可以取摩擦力矩公式
（2）
式中:为摩擦系数；d为轴承内径；F为轴承所受负载。
对于较准确的计算,可根据 Palmgren试验结果,得出的摩擦力经验公式,其总摩擦力矩公式[3]
式中:n为轴承转速；v为润滑剂运动粘度；D为轴承节圆直径；P1为综合载荷；f1为与轴承类型和所受载荷有关的系数；f为与轴承类型和润滑方式有关的系数[4]。
本例主轴选用轴承型号为6030，结合切削条件，轴承滚道面积可估算轴承滚道温度约为；
2.3 切削热分析计算
一般对于车削而言，切削热由切屑、刀具、工件和周围介质大致如下：50%-86%由切屑带走，40%-10%由车刀带走，9%-3%传入工件，1%传入介质。
经查阅切削手册，根据切削热计算经验公式[5]：
（6）
其中： 为实验条件影响系数； ，，为切削参数温度影响系数。
考虑到切削液的影响，实际参与工艺系统热传导的温度
2.4 切削力分析计算
根据切削条件，结合切削力指数经验公式，切削力估算如下：
（7）
其中：为金属材料系数；为背吃刀量影响系数；为进给量影响系数；为切削速度影响系数；为条件修正系数
经查阅切削手册，铝材加工以主切削力为主，精加工工序切削力
3.建模及有限元热变形仿真分析
3.1分析模型的建立
将某型号数控车床部分CAD模型并导入ANSYS workbench模块进行热力耦合分析，并对模型进行了适当的简化。
分析模型如图3-1所示，局部处理后的网格情况如图3-2所示。
3.2热力耦合分析
结合计算分析，设定初始温度为22°C，滚动轴承内外圈分别施加120°C的热载荷；坯料铝为塑形材料，故切削热集中在前刀面靠近刀尖的位置，在前刀面施加412.7°C的热载荷。工艺系统的变形，是热变形和切削力变形的综合结果，因此必须需要将切削力考虑进去，在切削截面施加77.6N的切削力，求解得出总变形云图[5]（图3-4所示），工件温度分布（图3-3所示）。
完成热分析后，观察工件热云图（图3-3）可知，切削区域工件温度较高，达到近400°C；经观察，主轴及工件变形量皆已达到近0.1mm，难以满足加工精度要求。
4·优化参数分析
结合上述分析结果可以提出两点优化方案[6]：
（1）机床预热后进行加工，箱体表面温度预热至40°C，设置环境温度40°C；
（2）更换低粘度轴承润滑油，减少轴承发热温度
更换润滑油，结合轴承温度理论公式，可使得轴承温度下降至80°C，经有限元验证分析，工件的变形降至0.01-0.03mm之间，故两种方案皆有一定可行性。
结束语
影响数控机床热变形的因素很多，也较为复杂。本文仅仅就主轴箱的轴承发热以及切削热两个因素，结合切削力因素完成工艺系统变综合变形分析，一定程度上反映了数控车床热变形对加工精度的影响，但模型简化和因素的单一，并不能够完全反映数控加工变形的真实情况，仅为研究数控加工精度提供一定的理论支持。
参考文献
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[2] 刘振，张强，赵雄华，武进虎，邱杰. 重型减速器功率损失分析[J] 机械研究与应用，2019-02-28
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[6] 杜媛媛. 提高机械加工精度方法的探讨[J]. 硅谷，2011-03-08.
基金项目：芜湖职业技术学院校级自然科学研究项目（Wzyzr201919）
作者简介：左黎明，男，1988年生，安徽池州人，硕士研究生；职称：助教；研究方向为虚拟设计、创新设计。
通讯地址：安徽省芜湖市银湖北路62号 芜湖职业技术学院（北校区）?机械工程学院