[發明專利]一種數控機床刀具溫度場和熱變形定量分析方法

有效

• 申請號: 201010516830.1
• 申請日: 2010-10-22
• 公開（公告）號: CN102452020A
• 公開（公告）日: 2012-05-16
• 發明（設計）人: 張小棟;遲曉明;陳迪劍;李程啟;黃朝翔;張凱;張學智
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23Q17/09
• 分類號: B23Q17/09
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域：

本發明屬于測量領域，涉及一種數控機床刀具溫度場和熱變形定量分析方法，尤其是一種基于數學模型的數控機床刀具溫度場和熱變形定量分析方法。

背景技術：

熱誤差是由于機床溫度升高導致機床部件變形或膨脹而引起的工件和刀具之間的相對位移。機床不同部件之間的相對運動在部件接觸區產生了大量的熱，正是產生的熱導致了機床部件的變形。熱誤差在機床的總體誤差中占40％～70％。如何減小機床熱變形誤差已成為世界制造業關注的焦點。由于機床熱邊界的不確定性和傳熱的復雜性，熱誤差的研究長期以來一直處于定性研究階段。現在隨著機械制造技術向高速度、高效率、高精度和高智能化方向發展，熱誤差的問題變得越來越嚴重，而計算技術和誤差檢測技術的快速發展，使得建立機床熱誤差的模型和補償成為可能。

刀具在切削過程中會產生大量的熱，使刀具溫度升高從而產生大量形變而造成切削誤差，但國內對于刀具熱變形研究一直處于定性研究狀態。隨著近幾年來的工程實踐證明刀具熱變形已經成為高精度加工中重要的誤差來源，并嚴重阻礙高速高精度加工。在工廠中，人們為了減小刀具發熱產生的加工誤差，采取各種冷卻方法降低刀具溫度，但無法從根源上消除熱變形。

隨著機床向高速度，高精度和柔性自動化方向的迅速發展，對機床的加工精度和可靠性提出了更高的要求。為此，改善機床的熱態特性，已經成為機械制造技術發展中最重要、最迫切的研究課題之一。與此同時，實現刀具熱變形分析由定性分析向定量分析轉變，也顯得更加迫切。

發明內容：

本發明豐富了數控機床刀具溫度場計算方法，同時提出了有效的刀具熱變形量的定量分析方法，為減小機床熱誤差，以提高機床精度提供了有效的方法。

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種數控機床刀具溫度場和熱變形定量分析方法，包括下述步驟：

(1)采用有限元分析法對數控機床刀具溫度場和熱變形進行理論計算分析得到刀具溫度理論溫度場和理論熱變形分布；

(2)采用溫度傳感器測量刀具不同面上7個點的溫度；

(3)采用激光位移傳感器測量刀具切削過程中在x，y，z三個方向的熱變形量；

(4)通過實際測量的刀具面上溫度值和x，y，z三個方向的熱變形量對刀具溫度和熱變形進行實際測量來驗證、反求刀具熱傳導實際邊界條件；同時修改理論計算模型；

(5)將步驟(4)得到的刀具模型和邊界條件進行重新加載；

(6)得到數控機床刀具準確溫度場分布及其相應熱變形量。

所述步驟(1)是：

(A)建立有限元模型：采用PROE軟件建立數控機床刀具溫度場計算三維模型；

(B)邊界條件分析：建立刀具熱傳導的控制微分方程，分析刀具傳熱過程，計算得出刀具傳熱邊界條件，主要包括熱流密度和刀具6個面的對流換熱系數；

刀具熱傳導的控制微分方程：