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1、38工具技术数控机床主轴系统热特性有限元分析应杏娟,李郝林上海理工大学摘要:机床主轴系统的热变形是影响机床精度的主要因素,本文使用有限元法对数控螺纹磨床主轴系统建立了温度场模型并计算了温度分布,然后计算出系统的热变形。计算结果为主轴系统的进一步设计计算和热变形控制提供了基础。关键词:数控机床;有限元分析;温度场;热误差中图分类号:TG506.1,TG527文献标志码:AFEAofThermalCharacteristicsforCNCMachineSpindleSystemYingXingjuan,LiHaolinAbstract:Thethermaldeformati
2、onsofamachinetoolspindlesystemarethemainfactorsthataffectmachinetoolprecision.Inthispaperthetemperaturefieldandthermalerrorissimulatedusingthefiniteelementanalysis.Theresultprovidesthewaytofurtherdesignandcontrollsthethermalerror.Keywords:CNCmachine;finiteelementanalysis;temperaturefield
3、;thermalerror进行温度场计算的有力工具。实际证明在运用有限1引言元分析时,如果正确定义边界条件并且单元足够细[3]现代机械工业的发展对数控机床的加工精度提分,数值解可以非常接近解释解。出了越来越高的要求。数控机床在切削加工过程本文研究的主轴部件由主轴、主轴箱、前后轴承中,内部热源会产生一定发热量并通过零部件之间等组成。计算中使用Ansys10.0有限元分析软件建的传导、与周围空气的对流散热等方式传递热量,从立了经过简化的有限元模型(见图1),简化原则为:而在机床内部形成非均匀的温度场,导致零部件发(1)忽略对计算结果影响不大的细小结构;生不同程度的热变形误差
4、,从而使机床的加工精度(2)主轴上隔套、砂轮等零件不参与建模;下降。影响机床精度的误差可以分为几何误差、热(3)由于主轴转速很高,轴承内的滚珠用等截面误差和切削力引起的误差,其中热源对加工精度的圆环代替;影响很大,热误差占总误差的比例可以占到70%。(4)主轴部件底部用螺钉固定,在x、y、z方向要提高加工精度必须对机床的热变形作定量研究,没有热位移。x、y方向为径向,z方向为轴向。并在加工过程中作合理控制与补偿。通过实验的方温度场分析采用了SOLID87单元,热变形分析法来获得温度分布和热变形误差通常导致大量时间转换为结构单元SOLID92,整个模型分为59505个单和
5、传感器的浪费,因此在机床热误差分析领域用模元、89274个节点,计算时假定环境温度为20℃。[1-3]拟计算方法来代替实验方法显得越来越重要。3主轴系统温度场和热误差的计算主轴系统是数控机床的核心部件,其旋转时产生的热量引起的热变形是机床总的热变形的重要因3.1发热量的计算素之一,主轴系统的热特性分析对提高机床精度至该主轴系统的主轴电机距离主轴较远,可以忽关重要。因此本文以一种数控螺纹磨床的主轴系统为例,利用有限元法建模进行瞬态热分析,计算瞬态温度分布,并据此计算主轴系统的热变形。2主轴系统有限元模型的建立由于主轴系统结构的复杂性,要获得其温度场的精确解释解是困难的,有
6、限元方法是用数值方法基金项目:上海市科学技术委员会资助项目(071107029)收稿日期:2008年5月图1主轴系统有限元模型2010年第44卷№139略电机发热对主轴系统的影响,因此其主要热源是机床受热情况下,其温度一般低于60℃,可以前、后轴承的滚珠和滚道之间的摩擦发热,滚动轴承查到:普朗特数Pr=01707-01696,取017作为其平发热量的计算公式为[4]-2(W/均值;空气导热系数kfluid=(2144-2189)×10Q=11047×10-1nM(1)-2mk),取平均值2167×10(W/mk);空气运动粘度式中Q———轴承产生的热量,W=(13126
7、-17197)×10-6(m2/s),取其平均值N———轴承转速,r/min1516310-6(m2/s)。M———轴承摩擦力矩,Nm根据上述公式计算得到的对流系数较小,但是轴承摩擦力矩M由二部分组成,分别是:润滑实际上主轴安装有砂轮等其他零件,因而散热条件剂摩擦引起的M1和轴承负荷引起的M2,所以M=大大改变,使得系统的对流系数很难理论精确确定,M1+M2。因此,本文在进行温度场计算时对流系数从100-M2/33(2)221=f0·(ν0n)dm400W/m℃进行了试算,最后确定为400W/m℃,位式中f0———考虑轴承结构类型和润滑类
