輕質(zhì)鋁橫梁熱變形淺析

何承義

（江蘇金方圓數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇揚(yáng)州225009）

0 引言

鋁橫梁是筆者公司開發(fā)的數(shù)控激光切割機(jī)高速運(yùn)動(dòng)的重要部件之一。隨著數(shù)控激光切割機(jī)的快速發(fā)展，其空運(yùn)行速度多數(shù)達(dá)到了100 m/min以上。當(dāng)機(jī)床高速切割時(shí)，為了達(dá)到較好的軌跡精度，要求橫梁質(zhì)量輕且精度穩(wěn)定性好。本文對(duì)鋁橫梁在實(shí)際應(yīng)用時(shí)發(fā)生的熱變形進(jìn)行了分析探討。

1 橫梁的結(jié)構(gòu)

橫梁在激光切割機(jī)上，通過(guò)兩端的直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，雙伺服電機(jī)帶動(dòng)減速箱，通過(guò)齒輪齒條驅(qū)動(dòng)，沿X軸方向運(yùn)動(dòng)。由圖1及圖2可以看出，橫梁側(cè)面的導(dǎo)軌及上部的齒條驅(qū)動(dòng)Y軸運(yùn)動(dòng)部件，完成軌跡運(yùn)動(dòng)。

圖1 橫梁3D圖

圖2 橫梁截面圖

2 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及解決方法

2.1 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

在夏季高溫試制過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)將鋼質(zhì)直線滾珠導(dǎo)軌及齒條與鋁質(zhì)橫梁裝配后，現(xiàn)場(chǎng)用大理石直尺檢查全程直線度為0.05 mm，移到計(jì)量室放置8 h后，檢查全程直線度為0.11 mm。而類似結(jié)構(gòu)的鋼質(zhì)橫梁則沒(méi)有此現(xiàn)象。將鋁橫梁移到計(jì)量室后，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)直線度向有導(dǎo)軌的方向變凸。鋁橫梁重新回到車間現(xiàn)場(chǎng)放置一個(gè)晚上，復(fù)測(cè)直線度，又恢復(fù)到0.05 mm/全程。

2.2 分析問(wèn)題

該鋁橫梁部件在不同的環(huán)境溫度下產(chǎn)生彎曲變形。由材料力學(xué)的溫度變形公式可知：ΔL＝α·Δt·L。

式中：ΔL為溫度變形（伸長(zhǎng)），mm；α為材料的線性膨脹系數(shù)，在20℃～100℃溫度范圍內(nèi)，碳鋼的 α＝（10.6～12.2）×10-6℃-1，鋁合金的 α＝（22.0～24.0）×10-6℃-1；Δt為溫度變化，℃；L為梁的長(zhǎng)度，mm。

夏季車間與計(jì)量室的溫度差取高溫期的平均值約Δt＝15℃，橫梁長(zhǎng)度L1＝2710 mm。假設(shè)鋁橫梁本體與鋼質(zhì)直線導(dǎo)軌分別自由伸縮，則鋁橫梁的ΔL1＝（22.0～24.0）×10-6×15.2710＝0.92～0.98 mm；鋼導(dǎo)軌的 ΔL2＝（10.6～12.2）×10-6×15.2710＝0.43～0.50 mm。

但導(dǎo)軌與鋁橫梁是用高強(qiáng)度螺釘緊密組裝到一起，在環(huán)境溫度變化時(shí)，相互約束平衡，類似于雙金屬片考慮。這樣，當(dāng)從高溫的車間進(jìn)入計(jì)量室，冷卻均勻后，鋁合金的橫梁收縮大于鋼質(zhì)導(dǎo)軌，其本身處于受拉伸狀態(tài)。而相對(duì)來(lái)講，鋼質(zhì)導(dǎo)軌收縮較少處于受壓縮狀態(tài)。根據(jù)材料力學(xué)的受力變形公式：ΔL＝RL/（E·A）及作用力與反作用力定律可知，在受力的結(jié)合面上，相互作用力R相同；變形量ΔL近似相同；彈性模量E及截面積A則各自不同。在實(shí)際約束狀態(tài)下，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。圖3為橫梁縱向受力簡(jiǎn)圖。

根據(jù)圖3，對(duì)鋁橫梁本身而言，作用力R在橫梁的側(cè)面，作用力R的方向與橫梁的中心層還有120mm的力臂，彎矩是導(dǎo)致橫梁導(dǎo)軌安裝面向外凸的主要原因。而鋼質(zhì)導(dǎo)軌的橫截面，比橫梁的小，對(duì)彎曲變形的影響可以忽略。

圖3 橫梁縱向受力簡(jiǎn)圖

2.3 解決方法

根據(jù)TRIZ理論的矛盾矩陣表，被惡化的通用工程參數(shù)為形狀（12），被改善的通用工程參數(shù)為溫度（17），查矛盾矩陣表為（22、14、19、32）。根據(jù)40個(gè)發(fā)明原理及說(shuō)明，22為變害為利。其中B項(xiàng)說(shuō)明：將兩項(xiàng)有害要素疊加以消除危害。結(jié)合橫梁結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)，將兩根導(dǎo)軌由同一側(cè)面布置改到對(duì)角對(duì)稱布置，疊加消除彎曲變形。

根據(jù)TRIZ理論的矛盾矩陣表，被惡化的通用工程參數(shù)為穩(wěn)定性（13），被改善的通用工程參數(shù)為溫度（17），查矛盾矩陣表為（1、35、32）。根據(jù)40個(gè)發(fā)明原理及說(shuō)明，1為分割。將安裝在橫梁上的導(dǎo)軌及齒條分割成四段，同樣也可起到弱化該類變形的作用。

35為物理或化學(xué)參數(shù)的改變。將不同材質(zhì)改成相同材質(zhì)。

根據(jù)發(fā)明問(wèn)題解決理論（TRIZ）的提示方法，我們首先將導(dǎo)軌及齒條進(jìn)行分割，安裝到橫梁上，經(jīng)再次驗(yàn)證，直線度達(dá)到公司的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，但增加了裝配工作量。同時(shí)，在改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，我們將導(dǎo)軌安裝位置，改成了對(duì)稱結(jié)構(gòu)，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證效果良好。

3 結(jié)語(yǔ)

鋁橫梁在不同的環(huán)境溫度條件下，與鋼質(zhì)導(dǎo)軌熱脹冷縮不同導(dǎo)致變形。工程技術(shù)人員，在新產(chǎn)品開發(fā)中，可以在已有工程知識(shí)的基礎(chǔ)上利用發(fā)明問(wèn)題解決理論（TRIZ）的提示，對(duì)暴露的問(wèn)題進(jìn)行分析，能快速找到問(wèn)題的解決辦法，加速新產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程。

［1］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［2］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1996.

［3］ 趙萍萍.發(fā)明問(wèn)題解決理論（TRIZ）培訓(xùn)教材［M］.南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2011.

［4］ 檀潤(rùn)華.創(chuàng)新設(shè)計(jì)——TRIZ：發(fā)明問(wèn)題解決理論［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.