专利名称：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，ζ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，ζ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⑴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
Γ dt Af d2t d2t d2t) Q— =--Γ + ~- + ~-
οτ pcydx dy dz ) pc因为刀具内部无热源故Q/PC = 0故数值传热模型变为
权利要求
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，ζ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，ζ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⑴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
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钼铑丝温度传感器。
全文摘要
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。
文档编号B23Q17/09GK102452020SQ201010516830
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月22日 优先权日2010年10月22日
发明者张凯, 张学智, 张小栋, 李程启, 迟晓明, 陈迪剑, 黄朝翔 申请人:西安交通大学