车磨复合机床主轴系统的温度场建模与仿真.pdf

l 5 0 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 1 0期 2 0l 1 年 l 0月 文章编号 1 0 01 3 9 9 7 2 0 1 1 1 0 - O l 5 0 0 2 车磨复合机床主轴 系统的温度场建模与仿真 出 向 俊韩秋 实 彭宝营 北京信息科技大学 机电工程学院， 北京 1 0 0 1 9 2 Th er ma l f i e l d mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n o f s p i n d l e s y s t e m o n t u r n i n g g r i n d i n g ma c h i n e t o o l X 1 A N G J u n ， HA N Q i u s h i ， P E NG B a o - y i n g D e p a r t me n t o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， B e i j i n g U n i v e r s i t y o f [ n f o r ma t i o n T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 2 ， C h i n a ， 一 ⋯十 一⋯ 十 ， ⋯／ ● ⋯ ⋯ ● ⋯● ～ ● 州 【 摘要 】 影响现代高速机床加工精度的主要 因素是热误差。机床主轴系统的热特性直接影响到 机床的精度进而影响零部件精度 ， 因此有必要对主轴系统进行热分析 ， 了解其热特性 ， 以便进一步分析 和改进。车磨复合机床主轴回转系统结构设计及性能要求很高， 应具有足够的强度 、 刚度、 抗振性 、 韧性 和抗疲劳性能。分析主轴热源， 计算发热量 ， 确定边界条件 ， 利用有限元软件 A N S Y S建立了主轴 系统的 温度场模型并进行 了数字模拟仿真， 为类似主轴 系统的热应力及热变形设计提供 了参考 ； 关键词 主轴系统 ； 温度场 ； 有限元法 i 【 A b s t r a c t 】T h e m a i n fi w t o r t h a t, a ff e c t s th e a c c u r a c y o f h ig h s p e e d m a c h in e t o o l is t h e t h e r m o J e r r o r ． e t h e r m a l c h a r act e r ofs p i n d l e s y s t e m ’ ma c h i n e a f f e c t s d i r e c t l y t h e a c c u r a c y ofm ach i n e ， a n d t h e n t h e 一 ；c u r a c y ofp a r t s ． T h e r e t o r e i t i s n e c e s s a r y t o a n al y z e t h e s p i n d l e s y s t e m a n d u n d e r s t and i t s t h e r m a l c h a r act e r i n o r d e r t o f u r t h e r a n al y z e a n d i m p r o v e t h e 把r ， 7 e s t r u c t u r a l d e s i g n a n d p e r ma n c e r e q u i r e d b y t h e s p i m t l e ；s y s t e m of t u r n i n g - g r i n d i n g m ach i n e t o o l i s h i ， w h i c h s h o u l d h a v e e n o u g h s t r e n g t h ， s t if fi t e s s a n d v i b r a t i o n ；r e s i s t a n c e w e l l t o u g h n e s s a n d f a t i g u e r e s i s t a n c e ． e h e a t s o u r c e is a n al y z e d ， a n d t h e c al o r ifi c p o w e r is {c alc u l at e d a s w e l l t h e t h e r mal b o u n d ary i s s e t ， t h e n t h e t h e r m a l fi e l d i l l,o d e Z r t h e s p i n d l e s y s t e m i s b u i l t ；a n d d i g i t al s i mu l a t i o n i s d o n e b y F E M s w a r e ofA N S Y S ， w h i c h p r o v i d e s 以r e f e r e n c e ． f o r d e s i gni n g ’ t h e r mal S t r e S S ofs i mi l a r i t y s p i n d l e s y s t e m a n d t h e r m al s t r a i n ． Ke y wo r d s S p i n d l e s y s t e m ； Th e r ma l fie l d ； F EM 中图分类号 T H1 6 ， T P 2 7 4 文献标识码 A 1 引言 现代机械工业的发展对机床的加 精度提出_『 越来越高的 要求。大量的研究表明， 影响现代高速机床加工精度的主要因素 是热误差 ， 约占机床总误差的 4 0 ～ 7 0 ％I l。机床主轴系统的热特 性直接影响到机床的精度进而影响零部件精度， 因此有必要对主 轴系统进行热分析， 了解其热特性， 以便进一步分析和改进。 利用 有限元软件建立主轴系统温度场模型并进行数字模拟仿真， 为进 一 步计算主轴系统热变形， 合理进行热特性设计提供了参考。 2车磨复合机床工件主轴系统温度场有 限元建模与计算 2 ． 1主轴系统有限元模型的建立 车磨复合机床的工件主轴既有车削机床切削力大， 发热量大 的特点， 又有磨削机床主轴精度高， 受热变形影响明显的特点。 1 件主轴在工作过程中， 既要承受大的车削力， 又要满足磨削时的精 度要求；既要作为主运动主轴， 义要在加工凸轮轮廓时作为伺服 轴； 既要在车削时要实现开环控制， 又要在非圆磨削时实现闭环控 制。 』 件主轴的性能会直接影响加 [ 精度。 因此主轴的结构设计及 性能要求很高， 应具有足够的强度、 刚度 、 抗振性 、 韧性和抗疲劳性 能。 因此， 有必要进行热特 设计。 以工件主轴系统为研究对象， 利 用有限元软件 A N S Y S I 1 ．0建立有限元模型， 计算热平衡时的温度 场 在 网格划分前 ， 对 工件主轴模型进行 一 定的处理 ， 将一些对分 析结果影响不大的细节予 以简化和删除。 选取 s o l i d 7 0 实体单元和 c o n t a 1 7 4 、 t a r g e 1 7 0面接触对单元。有限元模型， 如图 1 所示。 温度 在 2 0 ～ 1 o 0 ℃范围里变化 ， 材料属性 可以认为是常数 。 图 1主轴系统的有限几模型 2 _ 2温度场的分析计算 2 ．2 ． 1热力学第一定律 利用有限元法进行热分析 ， 遵循能量守衡定律。对于一个封 闭的系统 没有质量的流入或流出 Q W AU AK E AP E 1 式中 一 热量 ； W作 功； △ 一系统 内能 ； AK 系统动能； △ 一 系统势能。 对于大多数工程传热 问题 AK E △P E O ；一般情况 下认 为 W 0 ， 则 Q Au ； 对于稳态热分析 9 △U -- - O ， 即流人系统 的热 最等于流 出的热量 。 2 ． 2 ． 2发热量的计算 机床在加 工过程中 ， 主轴 系统部 分主要有三个热源 切 削 热、 轴承发热及电机发热。由于切削热能够及时被切屑和冷却液 女来稿 } j 期 2 0 1 0 1 2 2 5 ★基金项 目 - I L 市教委科技发展计划 重 点项 目 K Z 2 0 0 7 1 1 2 3 2 0 1 6 第 1 0期 向 俊等 车磨复合机床主轴 系统的温度场建模与仿真 l 5 l 带走， 主要是轴承发热和电机发热对加工精度有影响。 1 轴承发热量 的计算 轴承发热量为 I H F1 ． 0 4 x l 0 - ％7 w 2 式 中 r 轴承转速 r ／ m i n ； 承摩擦力矩 N ／ m m ， ； 式中 7 1 一与轴负荷有关的项，反映弹性滞后和局部差动滑动的 摩擦损耗 ， 即 专 1 d N／ mm 3 式中 一与速度有关的项， 反映润滑剂的流体动力损耗。 当v 2 O O O c S ff ff m i n时 T o l O - y o v n N ／ m m 4 当v ,, 2 O O O c S t／ r ／m i n 时 T o 1 6 0 l o -y oa , N ／m m 5 式中 一 与轴承类型和所受负荷有关的系数； 矗 m - _ 一 轴承中径， 单 位为 n l m； 一在工作温度下润滑剂的运动粘度 对于润滑脂 取基油的粘度 ’ ； 与轴承类型和润滑方式有关的经验常 数； p 。一确定轴承摩擦力矩的计算负荷， 单位为N。 对于双列 角接触球轴承可按下式计算。p l 1 ． 4 F o - 0 ． 1 6 式中 向负荷， 单位为 N； 向负荷， 单位为 N 。 该 电主轴的最大转速为 2 0 0 0 d m i n ， 最大转矩 为。 根据上述公 式， 求得在极端工况下， 前后轴承的发热量分别为 8 ． 4 W 和7 ．2 W。 2 电机发热量的计算15 1 ， 电机发热主要由3部分组成 机械 损耗 、 电损耗、 磁损耗。主要考虑机械损耗。 机械损主要是是由于 转子高速旋转时与空气间的摩擦损耗， 主要产生在定子和转子之 间的间隙处。转子与空气摩擦损耗功率可由下式计算 p ． w C p t o R L 7 式中 械损耗功率， 单位为 w； c 摩擦系数 通常根据经验 来确定 ； 转子的外半径， 单位为 m； L 转子的长度， 单位 为 m； 速度， 单位为r a d ／ s ； ， J 一空气密度， 单位为 k 咖 。 根据上述公式 ，该电主轴在最高转速 2 0 0 0 d m i n的情况下 ， 摩擦损耗功率为 1 7 ． 9 W。 2 ． 2 ． 3边界条件 由于机床主轴部件的温升较小， 辐射散失的热量很少 ， 因此 只考虑导热和对流。 1 导热系数， 主轴和套筒的导热系数分别取 为5 1 ． 8 3和4 6 ． 8 1 W／ m f C [3 1 。 2 传热系数， 固体与流体间的对流 换热系数与许多变量有关， 大部分实际工程问题都要靠实验方法 来确定， 而实验工作量非常大， 为了减少变量数 ， 在传热学中常常 采用量纲分析的方法。 在强迫对流条件下， 根据努塞尔准则， 传热 系数 为[6 1 0 l 掣 ， 8 式中 M 努谢尔特数， N u y 0 2 5 R 0 ， ．6 ； 尺 e 厂雷诺 数； 轴径， 单位为 m； A 厂 _ 空气导热系数； 所 普 朗特数 定 性温度为来流温度 ； P n 一 普朗特数 定『生温度为壁温 。 这里对于转速为2 0 0 0 r ／ ra i n的主轴， 计算得 a 3 2 W／ r n ／ o 由于主轴部件各部分的对流条件不同， 传热系数也不同， 而系统 的传热系数又很难理论精确确定， 文献F 在计算系统温度场时所 采用的传热系数均是理论计算值的 3 - 1 0 倍。因此， 传热系数取 值范围为 3 0 4 0 0 W／ m f C 。 2 ． 3 A NS Y S计算结果 其计算结果， 如图 2 ～ 图 5 所示， 分别表示为轴承内外圈和主 轴的温度场分布图。 图 2轴承 内圈温度场分布 图 一 一■ ■■豳 灞耀蕊 圈阻■嘲■ j一 一● g ■ ■ ■ ■■ ■ ■№ 0 删～_ _ ■ ■ 2 34 2 74 4 3 54 7 52 8 21 6 2 ∞ 7 3g 11 48 1 4 5 745 667，I 图 3轴承外圈温度场分布图 - L j _ ■_ 巴 。 L ” ， ⋯ ，． 图 4主轴温度场分布图 1 图 5主轴温度场分布 图 2 由图中可见， 高温区域位于前轴承内圈处， 最高温度为 6 6 ． 7 ℃。 这是由于前轴承采用 2 对角接触球轴承， 加工时前轴承受 力比后轴承大， 发热量大， 轴承内圈的散热条件比外圈恶劣的缘 故。主要假定在最恶劣的车削加工状态下， 此时车削力大， 转速 高， 发热量最大； 若在磨削状态下 ， 磨削力小 约为 4 0 5 0 N ， 转 速低， 发热量小， 对主轴的影响也小。 减小发热的建议如下 1 主 轴系统达到热平衡的时问为 0 ． 5 h ， 加大此处冷却应能有效降低温 升变形和缩短达到热平衡的时间。 2 电主轴的发热分为轴承的 发热和电机的发热， 可以通过调整电机的结构参数， 减小电机的 发热， 也可以采用宽系列轴承， 增加电机与外壳的接触面积， 扩大 外壳的散热面积来加快热的传导， 减小主轴温升。 3 在电主轴装 配时， 采用前端定位， 可以减小热变形对加工的影响。 4 轴承间 隙越小， 精度越高， 发热量越大。调整问隙时， 在满足精度的情况 下， 不要过紧， 避免发热过大。 3结论 通过对车磨复合机床主轴系统温度场的建模与仿真， 说明 所建的温度场模型的可行性， 找出了发热的关键部位， 提出了改 善主轴热特性的措施， 为类似主轴系统的热分析和进一步的热特 性研究提供了参考。 参考文献 [ 1 ] 胡鹏浩， 费业泰， 王会生减 少机床热变形的有效途径[ J ] ．机械工业自 动化， 1 9 9 9 【 1 ． [ 2 ] 门占 辉， 于骏一．机床热变形的研究现状[ J ] ． 吉林工业大学自然科学学 报 ， 2 0 0 1 3 ． [ 3 ]C h e n T Y ， We i W J ， T s a i J c ． O p t i m u m d e s i g n o f h e a d s t o c k s o f p r e c i s i o n l a t h e s 『 J ] _I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f M a c h i n e T o o l s ＆M a n u f a c t u r e ， 1 9 9 9 ， 3 9 1 2 1 9 6 1 1 9 9 7 ． [ 4 ] 戴曙．滚动轴承应用手册[ M] ． 北京 机械工程出版社， 1 9 9 3 2 8 9 3 0 3 ． [ 5 ] 吴玉厚． 数控机床电主轴单元技术 [ M 3 ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 6 6 3 - 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