CN102452020A - 一种数控机床刀具温度场和热变形定量分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床刀具温度场和热变形定量分析方法，包括下述步骤：(1)对数控机床刀具温度场和热变形进行理论计算分析得到刀具温度理论温度场和理论热变形分布；(2)采用温度传感器测量刀具不同面上7个点的温度；(3)采用激光位移传感器测量刀具切削过程中在x，y，z三个方向的热变形量；(4)通过实际测量的刀具面上温度值和x，y，z三个方向的热变形量来验证、反求刀具热传导实际边界条件；同时修改理论计算模型；(5)将步骤(4)得到的刀具模型和边界条件进行重新加载；(6)得到数控机床刀具准确温度场分布及其相应热变形量。本发明方法是一种有效的刀具热变形量的定量分析方法，减小了机床热误差，为提高机床精度提供了有效的方法。

Description

一种数控机床刀具温度场和热变形定量分析方法

技术领域：

本发明属于测量领域，涉及一种数控机床刀具温度场和热变形定量分析方法，尤其是一种基于数学模型的数控机床刀具温度场和热变形定量分析方法。

背景技术：

热误差是由于机床温度升高导致机床部件变形或膨胀而引起的工件和刀具之间的相对位移。机床不同部件之间的相对运动在部件接触区产生了大量的热，正是产生的热导致了机床部件的变形。热误差在机床的总体误差中占40％～70％。如何减小机床热变形误差已成为世界制造业关注的焦点。由于机床热边界的不确定性和传热的复杂性，热误差的研究长期以来一直处于定性研究阶段。现在随着机械制造技术向高速度、高效率、高精度和高智能化方向发展，热误差的问题变得越来越严重，而计算技术和误差检测技术的快速发展，使得建立机床热误差的模型和补偿成为可能。

刀具在切削过程中会产生大量的热，使刀具温度升高从而产生大量形变而造成切削误差，但国内对于刀具热变形研究一直处于定性研究状态。随着近几年来的工程实践证明刀具热变形已经成为高精度加工中重要的误差来源，并严重阻碍高速高精度加工。在工厂中，人们为了减小刀具发热产生的加工误差，采取各种冷却方法降低刀具温度，但无法从根源上消除热变形。

随着机床向高速度，高精度和柔性自动化方向的迅速发展，对机床的加工精度和可靠性提出了更高的要求。为此，改善机床的热态特性，已经成为机械制造技术发展中最重要、最迫切的研究课题之一。与此同时，实现刀具热变形分析由定性分析向定量分析转变，也显得更加迫切。

发明内容：

本发明丰富了数控机床刀具温度场计算方法，同时提出了有效的刀具热变形量的定量分析方法，为减小机床热误差，以提高机床精度提供了有效的方法。

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种数控机床刀具温度场和热变形定量分析方法，包括下述步骤：

(1)采用有限元分析法对数控机床刀具温度场和热变形进行理论计算分析得到刀具温度理论温度场和理论热变形分布；

(2)采用温度传感器测量刀具不同面上7个点的温度；

(3)采用激光位移传感器测量刀具切削过程中在x，y，z三个方向的热变形量；

(4)通过实际测量的刀具面上温度值和x，y，z三个方向的热变形量对刀具温度和热变形进行实际测量来验证、反求刀具热传导实际边界条件；同时修改理论计算模型；

(5)将步骤(4)得到的刀具模型和边界条件进行重新加载；

(6)得到数控机床刀具准确温度场分布及其相应热变形量。

所述步骤(1)是：

(A)建立有限元模型：采用PROE软件建立数控机床刀具温度场计算三维模型；

(B)边界条件分析：建立刀具热传导的控制微分方程，分析刀具传热过程，计算得出刀具传热边界条件，主要包括热流密度和刀具6个面的对流换热系数；

刀具热传导的控制微分方程：

$\frac{\∂t}{\∂\mathrm{\τ}}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ρc}}(\frac{{\∂}^{2}t}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}t}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}t}{\∂z^2})+\frac{Q}{\mathrm{\ρc}}$

因为刀具内部无热源故Q/ρC＝0

故数值传热模型变为：

$\frac{\∂t}{\∂\mathrm{\τ}}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ρc}}(\frac{{\∂}^{2}t}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}t}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}t}{\∂z^2})$

预设边界条件：

(a)预设热传导系数；

在刀具面Ω1上；

在刀具面Ω2上；

在刀具面Ω3上；

在刀具面Ω4上；

在刀具面Ω5上；

在刀具面Ω6上；

Ω1...Ω6为刀具不同的面；

热传导系数λ，比热容c和密度p均为常数；

(b)热流密度计算；

切削功率计算经验公式

$P_m=(F_{z}v+\frac{F_x{n}_{w}f}{1000})$

(P_m为切削功率，F_z为主切削力，F_x为进给力n_w为工件转速，f为进给量，v为切削速度)

切削过程中消耗的能量98％-99％转化为切削热，车削过程中10％-40％的热量由车刀传出，得出车刀上的热量，根据刀具尺寸，假设刀具切削过程中切屑与刀具前刀面主要接触面积为A，即热分析时热流密度载荷主要作用面面积，从而得到热流密度μ；在该面上边界条件为

(C)模拟刀具理论温度场：

(a)将proe建立的刀具三维模型转换为igs文件导入ansys软件中，

(b)对该模型加载各项属性参数，包括刀具材料属性，热导率等。

(c)对模型进行网格划分

(d)加载边界条件——6个面的对流换热系数和1个面的带入ansys有限元模型

(e)计算后进行后处理得到刀具理论温度场和刀具面上实际温度测量7点的温度变化规律。

本发明丰富了数控机床刀具温度场计算方法，同时提出了有效的刀具热变形量的定量分析方法，为减小机床热误差，以提高机床精度提供了有效的方法。

附图说明：

图1为本发明的方法的流程图；

图2为本发明中刀具的结构示意图；

图3为本发明的温度传感器调理电路原理图；

图4为本发明的位移传感器信号处理流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-4，数控机床刀具温度场和热变形定量分析方法如下步骤：

(一)理论计算分析

1、建立有限元模型：采用PROE软件建立数控机床刀具温度场计算三维模型。如图1所示。

2、边界条件分析：建立刀具热传导的控制微分方程，分析刀具传热过程，计算得出刀具传热边界条件，主要包括热流密度和刀具6个面的对流换热系数。

刀具热传导的控制微分方程：

$\frac{\∂t}{\∂\mathrm{\τ}}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ρc}}(\frac{{\∂}^{2}t}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}t}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}t}{\∂z^2})+\frac{Q}{\mathrm{\ρc}}$

因为刀具内部无热源故Q/ρC＝0

故数值传热模型变为：

$\frac{\∂t}{\∂\mathrm{\τ}}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ρc}}(\frac{{\∂}^{2}t}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}t}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}t}{\∂z^2})$

(τ为时间)

预设边界条件：

1)预设热传导系数；

在刀具面Ω1上；

在刀具面Ω2上；

在刀具面Ω3上；

在刀具面Ω4上；

在刀具面Ω5上；

在刀具面Ω6上；

(Ω1...Ω6为刀具不同的面)

(热传导系数λ，比热容c和密度p均为常数)

2)热流密度计算；

切削功率计算经验公式

$P_m=(F_{z}v+\frac{F_x{n}_{w}f}{1000})$

(P_m为切削功率，F_z为主切削力，F_x为进给力n_w为工件转速，f为进给量，v为切削速度)

切削过程中消耗的能量98％～99％转化为切削热，车削过程中10％～40％的热量有车刀传出得出车刀上的热量，根据刀具尺寸，假设刀具切削过程中切屑与刀具前刀面主要接触面积为A，即热分析时热流密度载荷主要作用面面积，从而得到热流密度μ。

在该面上边界条件为

3、模拟刀具理论温度场：

(1)将proe建立的刀具三维模型转换为igs文件导入ansys软件中，

(2)对该模型加载各项属性参数，包括刀具材料属性，热导率等。

(3)对模型进行网格划分

(4)加载边界条件——6个面的对流换热系数和1个面的带入ansys有限元模型

(5)计算后进行后处理得到刀具理论温度场和刀具面上实际温度测量7点的温度变化规律。

(二)实际测量

1、温度测点确定：因理论计算采用的边界条件与实际条件有偏差，故需要根据测量温度值进行修正，需要修正的边界条件主要为刀具6个面的对流换热系数和前刀面上的热流密度。测点按照理论刀具温度场分布进行选择，在不同的温度区域，不同的刀面上进行测量

2、温度测量：

(1)传感器选择，根据刀具不同部位温度范围不同和刀具加工时安装的要同时结合各种传感器的不同特点，采用铂铑丝温度传感器，红外温度传感器，pt100温度传感器共7路进行温度采样测量。在刀片上因为温度较高故刀片上三个测点采用在测量范围较广且线性度较好的铂铑丝温度传感器测量。刀柄处三点温度较低，因此可以采用测量范围在0-500℃的pt100温度传感器测量。而前刀面上切屑较多，故采用非接触式的红外温度传感器进行测量。

(2)信号调理，需要对各路温度信号进行不同的调理来获得准确各点温度。

信号混叠是温度采集系统中的一种失真。为了防止这种失真，设计了一个4阶有源低通抗混叠滤波器。通过对二阶Bessel、Butterworth和Chebyshev等多种滤波器的性能分析比较，本调理电路采用Butterworth滤波器来设计该抗混叠滤波器，电路的拓扑结构采用Sallen-Key结构，并采用运算放大器(Op07)，以构造一个可放入狭小印刷电路板中的4阶Butterworth滤波器，原理图如图2测量结果表明，该滤波器在视频频段内几乎不出现峰值、平坦度好，并且阻带抑制效果好，同时微分增益和相位也很不错。

3、变形量测量：主要测量刀具在x，y，z三个方向的变形量，验证所计算的刀具理论计算变形量是否正确。

(1)传感器选择：

激光位移传感器是一种非接触式的精密激光测量系统，它具有适应性强、速度快、精度高等特点。鉴于本测量环境和切屑影响，采用3路激光位移传感器测量刀具的3个面(前刀面、后刀面和副后刀面)在切削过程中x，y，z三个方向的变形量。

(2)信号调理：

此处设计一种具有信号转换及放大功能的激光位移传感器检测电路，来实现对刀具三个面三个方向的实时动态测量

本传感器的测量系统的主要组成如图3所示。一维激光位移传感器输出电流信号，经过电流电压转换电路转换为适当的小电压信号，然后经过放大电路放大，随后经由数据采集卡采集信号送至上端PC机进行数据处理、保存等后续处理。

(三)定量分析模型的确定定量分析模型的确定

1、边界条件优化

将理论计算采用的边界条件加修正因子，ζ’＝l(i)*ζ，建立所测得7个点的温度和7个修正边界条件之间的映射关系M[]*ζ’[]＝T[]，通过反求计算出实际边界条件，

2、将修正后的边界条件加载至有限元模型重复(一)的过程得出准确的刀具温度场。

在刀具面Ω1上；

在刀具面Ω2上；

在刀具面Ω3上；

在刀具面Ω4上；

在刀具面Ω5上；

在刀具面Ω6上；

(Ω1...Ω6为刀具不同的面)

3、进行热结构耦合得到刀具准确的变形量。

4、通过实际测量值验证耦合变形量。

5、改进耦合过程，得到准确热变形场。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (3)

1.数控机床刀具温度场和热变形定量分析方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)采用有限元分析法对数控机床刀具温度场和热变形进行理论计算分析得到刀具温度理论温度场和理论热变形分布；

(2)采用温度传感器测量刀具不同面上7个点的温度；

(3)采用激光位移传感器测量刀具切削过程中在x，y，z三个方向的热变形量；

(4)通过实际测量的刀具面上温度值和x，y，z三个方向的热变形量对刀具温度和热变形进行实际测量来验证、反求刀具热传导实际边界条件；同时修改理论计算模型；

(5)将步骤(4)得到的刀具模型和边界条件进行重新加载；

(6)得到数控机床刀具准确温度场分布及其相应热变形量。

2.如权利要求1所述数控机床刀具温度场和热变形定量分析方法，其特征在于，所述步骤(1)是：

(A)建立有限元模型：采用PROE软件建立数控机床刀具温度场计算三维模型；

(B)边界条件分析：建立刀具热传导的控制微分方程，分析刀具传热过程，计算得出刀具传热边界条件，主要包括热流密度和刀具6个面的对流换热系数；

刀具热传导的控制微分方程：

因为刀具内部无热源故Q/ρC＝0；

故数值传热模型变为：

预设边界条件：

(a)预设热传导系数；

在刀具面Ω1上；

在刀具面Ω2上；

在刀具面Ω3上；

在刀具面Ω4上；

在刀具面Ω5上；

在刀具面Ω6上；

Ω1...Ω6为刀具不同的面；

热传导系数λ，比热容c和密度p均为常数；n为法向量。

(b)热流密度计算；

切削功率计算经验公式

(P_m为切削功率，F_z为主切削力，F_x为进给力n_w为工件转速，f为进给量，v为切削速度)

切削过程中消耗的能量98％-99％转化为切削热，车削过程中10％-40％的热量由车刀传出，得出车刀上的热量，根据刀具尺寸，假设刀具切削过程中切屑与刀具前刀面主要接触面积为A，即热分析时热流密度载荷主要作用面面积，从而得到热流密度μ；在该面上边界条件为

(C)模拟刀具理论温度场：

(a)将proe建立的刀具三维模型转换为igs文件导入ansys软件中，

(b)对该模型加载各项属性参数，包括刀具材料属性，热导率等。

(c)对模型进行网格划分

(d)加载边界条件——6个面的对流换热系数和1个面的带入ansys有限元模型

(e)计算后进行后处理得到刀具理论温度场和刀具面上实际温度测量7点的温度变化规律。

3.如权利要求1所述数控机床刀具温度场和热变形定量分析方法，其特征在于，所述温度传感器是红外温度传感器或铂铑丝温度传感器。

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