NC机床恒温立柱模型的建立及热模态实验研究.docx

NC机床恒温立柱模型的建立及热模态实验研究*居冰峰　傅建中　李志锋　应　济　陈子辰　　摘　要　利用相变材料固—液相变、液—固相变吸收或释放相变潜热而自身温度保持恒定的特性，将其引入精密机床热位移控制领域，建立起精密机床恒温部件传热模型；研究了相变材料复合恒温构件在机床热变形控制技术中的应用，在分析相变传热的基础上，讨论了包含相变过程二维传热特性，并推导了其传热过程的泛函表达式；利用有限元法计算复合相变材料恒温构件机床立柱的温度场和热位移值，并将之与实测值比较，二者基本吻合。实验结果表明相变材料复合恒温构件在减小精密机床部件的热位移方面效果明显，为机床热位移控制开辟了新思路，具有一定的实用价值和应用前景。　　关键词　相变材料复合恒温构件　热变形　相变热传导　热模态实验　有限元方法　　中国图书资料分类法分类号　TG502Research on PCMs Constant Temperature Construction Upright Column of NC Machine Tools　　JuBingfeng(Zhejiang University,Hangzhou,China)　Fu Jianzhong　Li Zhifeng　Yingji　Chen Zichen　p 679-682　　Abstract:?In this paper, the phase change materials(PCMs) is introduced to the control system of precision NC machine tools thermal deformation. Base on the analysis of phase change thermal conduction, the characteristics of two-dimensional heat transmission contain the course of phase change is studied thoroughly. The functional equation is derived either. Applying finite-element method, the temperature field and thermal deformation are successfully calculated. The accuracy of the numerical method is demonstrated by comparison calculated results with those obtained from experimental measurements.　　Key words:?PCMs constant temperature construction　thermaldeformation　finite-element method　phase change thermal conduction　thermal model experiment　　随着精密、超精密加工技术的发展，机床热变形控制技术变得越来越迫切。目前，国内外在研究机床热变形控制方面，主要有以下几种方法：①采用数值法求出温度分布和变形量，获得形变补偿量的预测，采用软件补偿；②采用主动校正控制，在构件上布置多个冷热源，对形变进行在线检测，实时控制致冷和发热量，达到校正的目的；③采用天然或人造花岗岩做基础。　　前2种方法均要建立精确的变温、变形模型，然而对于复杂的工况和环境，获得精确的变温、变形模型是非常困难的；第3种方法考虑到强度尚不能被普遍采用[1，2]。　　相变材料复合恒温构件的工作原理是利用相变材料的潜热特性——物质固－液相变、液－固相变吸收或释放相变潜热而自身温度保持恒定。机床构件一般处于具有周期变化的热源及波动的热环境中，当构件温度超过相变材料的相变温度时，热量传入相变材料发生相变，此时它吸收与相变潜热相当的热量，而构件温度维持在相变温度附近；当温度低于相变材料的相变温度时，相变材料发生逆向相变，此时它释放出与相变潜热相当的热量。利用相变材料这一特性，将其引入机床热变形控制研究领域，通过大量实验取得了一定的研究成果。1　实验系统及其基本方法　　立柱是机床的主要基础之一，它的力学特性和热学特性对机床的加工精度和精度稳定性有较大影响，特别是数控机床对基础件的热刚度提出较高的要求，实验中研究对象为TKA6916重型数控落地铣镗床，这种机床精密、昂贵，因此本实验中采用了与原机床立柱相同的材料，并将其几何尺寸按1∶25的比例缩小，根据相似理论[3]，模型模拟实验同样具有真实性和可信性。为了尽量说明相变材料复合恒温立柱热变形控制特性，实验中参照实际