大功率、大扭矩摆角铣头结构热特性分析

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1、第1章绪论ll本课题的研究背景及基本理论数控机床的出现，提高了机床的自动化，从而减少甚至消除了操作人员对正在加工中的零件的下扰。许多数控机床可以在性人照顾的情况下完成整个加工过程，这样既节省了人力资源又同时带来了诸如减轻操作人员的疲劳度，减少人为错误以及准确的对每个加工件的加工时间进行预测等优点”J。功能部件在数榨机床中起10特别关键的作用，决定了一台数控机床质量与性能的高低，其成本占中挡数控机床80％吼上，高档数控机床60％以r。国产数控机床发展的不利因素中，功能部件的技术创新能力和产业化水平滞后已成为制约我国数控机床行业技术进步与发展的公认瓶颈。凼此，数控机床及其功能部件被列入国务院200

2、618]号文件《关于加快振兴装缶制造业的若干意见》的十六个重点突破领域之一，《国民经济和社会发展十一五规划纲要》的第[261个优先发展主题，发改委、科技部在《数控机床“十一五”专项规划》中明确指出，到“十五”术期，国产数控机床占50％以上，采用国产功能部件达到60％l一。数控机床功能郴件包括：数控系统、主轴单元、转动刀架、换刀机构、刀库、数控转台、动力刀架、导轨、缒杆以及高速防护装置等十大部分，如图1·1所示。图I-I数控机床十大功能部件Figl-1I∞functionparisof'NCMachineTool本课题咀北京数控装备制造企业关键功能部件的技术创新和产业化发展的实际需求为背景，以北

3、一机床目前正在开发的定粱桥式职龙门五轴镗铣床大扭矩高精密摆角铣头的数字化设计与制造为突破口，采用产、学、研相结台的方式，北京一T业人学丁学硕Ij学位论文致力于数控机床复杂功能部件的数字化建模与分析关键技术的研究。研究摆角铣头热态特性的主要任务是分析计算摆角铣头的热源、温升、温度场和热位移场。可用的计算方法很多种类，主要有解析法、近似理论解法和数值解法等。由于分析法的求解过程比较复杂，有时甚至是无解，所以在工程实际中应用较少。近似理论解法不以求得精确为目标，可使问题大为简化，其中的边点法是一种有用的近似理论解法。数值解法是以离散数学为基础、以计算机为工具的一种解法，它虽不如解析法精确，但对于复杂

4、的情况常能得到满意的解答，因此数值解法在工程上应用广泛。有限元法是常用的数值解法，它的基本思想是把本来求解物体的温度随空间、时间连续分布的问题，转化为在时间域和空间域有限个离散点的温度值的求解方法，用这些离散点的温度去逼近求解物体的温度分析。本课题采用三维图形软件Pro／E对摆角铣头进行建模，并用有限元软件ANSYS来分析摆角铣头的热态特性。Pro／Enginee／"是一套由设计至生产的机械自动化软件，现己成为当今世界机械CAD／CAE／CAM领域的新标准【2】。Pro／En舀neel"是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、

5、壳、倒角及圆角，可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。ANSYS有限元软件是一个应用广泛的工程分析软件，主要是利用有限元法将所研究的工程系统转化成一个有限元系统，该有限元系统由若干节点和元素组成，以取代原有的工程系统。有限元系统可以转化成一个数学模式，并根据该数学模式得到该有限元系统的解答，且可以通过节点、元素把结果表现出来。完整的有限元模型除了节点、元素外，还包含工程系统本身所具有的边界条件，如约束条件、外力的负载等【3】。1．2国内外发展现状我国数控机床产业的发展一直受到国家经济状况、数控技术发展水平与国家扶持政策的制定等三大因素的影响

6、，自1958年以来，中国数控机床的发展划分为三个阶段：(1)初始阶段中国的数控机床发展起步于1958年，经历了20余年的初始阶段。到1979年，中国的数控机床发展仍十分缓慢，特别是受到电子技术发展的限制，国产数控系统的可靠性差，使中国的数控机床在20年内难于打开局面，未能形成产业。(2)稳步发展阶段——引进、消化吸收、国产化与自行开发阶段自从1980第1币绪论年以来，中国执行了“六五”、“七五"、“八五”三个五年计划。在这个期间，在改革开发的政策指导下，国家大力支持机床行业，通过引进技术发展数控机床产业，先后从日本、西德、美国等10多个国家引进与数控机床生产及应用有关的技术。(3)曲折发展阶段

7、1994年至1998年由于东南亚金融危机，我国经济软着陆及国内消费市场疲软等综合因素的影响。事实上，国内机床市场容量呈下降趋势，而且国产机床的市场占有率有所下降，机床工具行业连续五年负增长。从1999年以后，中国机床行业才逐渐增长【41。中国是数控机床进口和消费第一大国，但不是装备制造业技术强国【51。目前，北京乃至全国中高档数控机床功能部件几乎全部依赖进口，核心技术几乎全部被国外控制。国外数控机