GTM500200車銑加工中心滑枕的關(guān)鍵技術(shù)分析
3.1滑枕體熱變形補(bǔ)償裝置從金屬熱膨脹原理知道，當(dāng)金屬部件溫度均勻上升，沿長度方向的熱膨脹也是均勻 的。如果金屬部件受熱不均勻，兩側(cè)溫度上升不一致，當(dāng)上側(cè)溫度高于下側(cè)時，金屬部 件上側(cè)的膨脹量大于下側(cè)的膨脹量，從而使金屬部件向上彎曲，產(chǎn)生了熱變形。熱變形 的規(guī)律是：溫度高的一側(cè)向外凸出，溫度低的一側(cè)向內(nèi)凹進(jìn)，即“熱凸內(nèi)凹” [5]。因此，雖然滑枕體在多種熱源的共同作用下，而且在不同工況下，這些熱源不是恒 定的。但是，由于本滑枕總成結(jié)構(gòu)的分布成對稱性，熱源和冷卻設(shè)備也成線性分布，從 優(yōu)化過的滑枕總成結(jié)構(gòu)使滑枕體的溫度場從復(fù)雜多變形性簡化成了一個接近線性的溫 度場。在這樣的溫度場作用下，滑枕總成產(chǎn)生的熱應(yīng)力和熱位移可近似看成線性。這樣 滑枕的熱變形量發(fā)生在滑枕軸向方向，減小了滑枕由于熱變形產(chǎn)生扭曲。所以只需要增 加能夠補(bǔ)償滑枕熱伸長的裝置，就可以提高機(jī)床加工質(zhì)量。3.1.1滑枕熱變形熱源分析滑枕的熱量來源分別為：滑枕體導(dǎo)軌外表面與滑枕外殼靜壓導(dǎo)軌油摩擦產(chǎn)生的摩擦熱。此部分的熱量一部分 隨液壓油流回液壓站，一部分熱傳遞到滑枕體內(nèi)部，是滑枕熱變形最主要的熱源?；韮?nèi)部的電主軸。切削電主軸在運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生大量的熱能，雖然通過從冷卻 裝置的冷卻水會傳遞走大部分的熱量，但是還是有很大一部分熱量傳遞到了滑枕體中。滑枕內(nèi)部的減速機(jī)。減速機(jī)為行星輪減速機(jī)，也就是說存在齒輪結(jié)構(gòu)，傳遞動力的 過程中，齒輪與齒輪之間就會產(chǎn)生熱量，雖然齒輪是在有冷卻裝置循環(huán)的油浴中，但是 產(chǎn)生的熱量還是有一部分會傳遞到滑枕體中。主軸軸承等運轉(zhuǎn)部件。當(dāng)電主軸轉(zhuǎn)動傳遞扭矩及動力時，連接的傳動軸的軸承，內(nèi) 圈和外圈在旋轉(zhuǎn)過程中，同樣會產(chǎn)生大量的摩擦熱，熱量同樣會傳遞到滑枕體。由于刀具是安裝在附件頭上，所以刀具在切削過程中產(chǎn)生的熱量是幾乎無法傳遞到 滑枕體的。綜上所述，滑枕體在加工過程中還是得到了相當(dāng)大的熱量，最終發(fā)生熱膨脹，導(dǎo)致 滑枕體整體伸長，影響加工精度。本滑枕通過增加了 一套熱變形補(bǔ)償裝置，大大降低了這種影響。3.1.2熱變形改進(jìn)方案_鋁與鋼的熱膨脹系數(shù)比約為2: 1。依靠下面設(shè)計的結(jié)構(gòu)可抵消滑枕的熱變形。物體由于溫度改變而有脹縮現(xiàn)象。其變化能力以等壓(P—定)下，單位溫度變化所 導(dǎo)致的體積變化，即用熱膨脹系數(shù)表示。Thermal expansion coefficient熱膨脹系數(shù)有線膨脹系數(shù)a、面膨脹系數(shù)p和體膨脹系數(shù)Y。線膨脹系數(shù)a=AL/(L*AT)，面膨脹系數(shù)P=AS/(S*AT)，體膨脹系數(shù)Y=AV/(V*AT),式中AL為所給長度變化AT下物體溫度的改變，L為初始長度；AS為所給面積變 化AT下物體溫度的改變，S為初始面積；AV為所給體積變化AT下物體溫度的改變， V為初始體積；嚴(yán)格說來，上式只是溫度變化范圍不大時的微分定義式的差分近似；準(zhǔn)確定義要求 AV與AT無限微小，這也意味著，熱膨脹系數(shù)在較大的溫度區(qū)間內(nèi)通常不是常量。溫度變化不是很大時，a就成了常量，利用它，可以把固體和液體體積膨脹表示如 下：Yt=V0(l+3aAT),而對理想氣體，Vt=V0(l+0.00367AT)；Vt、V0分別為物體末態(tài)和初態(tài)的體積對于可近似看做一維的物體，長度就是衡量其體積的決定因素，這時的熱膨脹系數(shù) 可簡化定義為：單位溫度改變下長度的增加量與的原長度的比值，這就是線膨脹系數(shù)。對于三維的具有各向異性的物質(zhì)，有線膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)之分。如石墨結(jié)構(gòu)具 有顯著的各向異性，因而石墨纖維線膨脹系數(shù)也呈現(xiàn)出各向異性，表現(xiàn)為平行于層面方 向的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于垂直于層面方向[6]。宏觀熱膨脹系數(shù)與各軸向膨脹系數(shù)的關(guān)系式有多個，普遍認(rèn)可的有Mrozowski算 式：a=Aac+(l-A)aaaa,ac分別為a軸和c軸方向的熱膨脹率，A被稱為“結(jié)構(gòu)端面”參數(shù)。測定溫度條件及單位：20°C，（單位10E-6/K或10E-6/°C)表3.1鋁和鋼的熱膨脹系數(shù)Tab. 3.1 The thermal expansion coefficient of aluminium and steel 金屬名稱 溫度范圍 線性熱膨脹系數(shù) 鋁 A1 23.6 鋼 20-100 11.8 由上表3.1可以看出鋁的熱膨脹系數(shù)是鋼的2倍。因此在滑枕里加工出一個通孔， 里面安裝一根鋁管，在鋁管的里面套一根鋼棒，鋼棒與鋁管的底部用銷子固定在一起， 鋁管的上部與滑枕的上部固定在一起，鋼棒的上部與測量裝置固定，這樣當(dāng)滑枕溫度升 高，相對于滑枕的底面，即加工刀具的部位與測量裝置之間的距離是不變的。消除了熱 變形現(xiàn)象。顯著特點：(1)利用了鋁的熱膨脹系數(shù)是鋼的兩倍性能。材料只是鋼和鋁，材料為常用材料， 成本低。(2)材料鋁和鋼有良好的加工性能。(3)通過鋁的熱膨脹系數(shù)是鋼的兩倍性能消除了滑枕的熱變形現(xiàn)象。鋼、鋁熱膨脹系數(shù)不同消除滑枕熱變形的裝置如圖3.1所示。主要包括滑枕套件（1 號套件）、銷釘（2號套件）、鋁管（3號套件）、鋼棒（4號套件）、測量裝置（5號 套件）、固定套件（6號套件）。通過固定套件將鋁管的后端固定在滑枕的后端；通過 銷釘將鋁管前段與鋼棒前端固定；將測量裝置固定在鋼棒的后端?；頍嶙冃芜^程示意圖1，如圖3.2所示。通過銷釘（1號套件）固定鋼棒和鋁管， 通過固定套件（2號套件）將鋁管固定在滑枕上。用于實現(xiàn)鋼鋁的熱膨長度不同，消除 整體變形量。利用鋼、鋁熱膨脹系數(shù)不同消除滑枕熱變形原理示意圖2,如圖3.3.所示。表明滑 枕前端刀具（1號套件）與測量裝置（2號套件）在熱量作用下，滑枕是鋼件設(shè)定滑枕 熱伸長1個單位；鋼棒同樣材質(zhì)是鋼，設(shè)定滑枕熱伸長1個單位；因此鋼材是熱伸長總 長為2個單位。鋁管的材質(zhì)為鋁，可根據(jù)：鋼的熱膨脹系數(shù)(1/°C):每升溫1度.單位毫 米0.0000118;鋁的熱膨脹系數(shù)(1/°C):每升溫1度.單位毫米0.0000236,設(shè)定鋁的熱伸 長2個單位，由于是反方向伸長，這樣就消除了鋼材所產(chǎn)生的熱變形。綜上所述，本發(fā)明利用鋼、鋁熱膨脹系數(shù)不同消除滑枕熱變形的裝置即消除了滑枕 熱變形所導(dǎo)致的加工精度降低，又降低了成本，采用常用的材料。3.1.3熱變形改進(jìn)方案二由于滑枕體的材料是38CrM〇AlA，其熱膨脹系數(shù)近似于45號鋼，在不同溫度下是存 在不同的熱變形的。本方案為增加一根殷瓦合金棒，一端固定于滑枕下部端面，一端為 浮動式安裝，在浮動式安裝端固定滑枕Z軸測量光柵尺的光柵尺測頭，而光柵尺尺身安 裝在滑枕外殼的支架上，如圖3. 4所示。因此光柵尺測量的讀數(shù)為殷瓦合金測量桿得到 的沒有熱變形的滑枕伸出長度。殷瓦合金屬于鐵基高鎳合金，通常含有32%-36%的鎳，還含有少量的S、P、C等 元素，其余為60%左右的Fe，由于鎳為擴(kuò)大奧氏體元素，故高鎳使奧氏體轉(zhuǎn)為馬氏體 的相變降至室溫以下，一 100?一120°C，因而經(jīng)退火后，殷瓦合金在室溫及室溫以下一 定溫度范圍內(nèi)，均具有面心晶格結(jié)構(gòu)的奧氏體組織，也是鎳溶于丫-Fe中形成的固溶體， 因而因瓦合金具有以下性能。(1)膨脹系數(shù)小殷瓦合金也叫不脹鋼，其平均膨脹系數(shù)一般為1.5xlO-6°C，含鎳在36%是達(dá)到1.8 xlO-8°C，且在室溫一80°C —+100°C時均不發(fā)生變化。(2)強(qiáng)度、硬度不高殷瓦合金含碳量小于0.05%，硬度和強(qiáng)度不高，抗拉強(qiáng)度在517Mpa左右，屈服強(qiáng) 度在276Mpa左右，維氏硬度在160左右，一般可以通過冷變形來提高強(qiáng)度，在強(qiáng)度提 高的同時仍具有良好的塑性。(3)導(dǎo)熱系數(shù)低殷瓦合金的導(dǎo)熱系數(shù)為0.026?0.032〇31/〇11別(^(：,僅為45鋼導(dǎo)熱系數(shù)的1/3-1/4。(4)塑性、韌性高殷瓦合金的延伸率和斷面收縮率以及沖擊韌性都很髙，延伸率3=25-35%,沖擊靭 性aK=18-33公斤•米/厘米[7]主要用來制造標(biāo)準(zhǔn)尺、測溫計、測距儀、鐘表擺輪、塊規(guī)、微波設(shè)備的諧振腔、重 力儀構(gòu)件、熱雙金屬組元材料，光學(xué)儀器零件等。熔融法制造。