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立式加工中心主轴系统有限元分析

来源:万方期刊网  时间:2017-11-13 10:33:20  点击:

作者:王乾俸 王忻凯


  【摘要】:由于机床主轴高速运转下产生大量的热量,因此机床的加工精度在很大程度上依赖于机床主轴的精度。应用有限元对数控机床主轴进行热态特性分析至关重要。本文利用AnsysWorkbench分析当机床转速最大时,主轴系统温度以及热变形量,为机床主轴系统热误差补偿提供理论支持。
  【关键词】:有限元分析;机床主轴;热变形量
  1.分析内容
  立式加工中心主轴系统。利用AnsysWorkbench分析当机床转速最大时,主轴系统温度以及热变形量[1]。使用Solidworks软件建立立式加工中心主轴实体模型,并与主轴箱进行装配。
  1.2设置材料类型,建立局部坐标系
  (1)设置材料类型:20CrMo、灰铸铁(HT300)
  在AnsysWorkbenchSteady-StateThermal(Ansys)模块Engineering选项中设置材料参数,添加新材料类型:20CrMo、灰铸铁。并且选择主轴箱材料为灰铸铁,主轴材料为20CrMo。
  (2)建立局部坐标系
  建立局部坐标系。取主轴箱上角上的O点为局部坐标系原点,主轴箱方向为X坐标,宽度方向为Y坐标,长度方向为Z坐标。
  1.3.施加热载荷
  主轴系统主要热源为主轴轴承摩擦发热。轴承发热量可根据公式1计算轴承产热量[2]。
  (1)
  其中Q为轴承产热量,M为轴承的主摩擦力矩。
  总摩擦力矩M可以根据公式2计算。
  (2)
  其中Mv为与轴承类型、转速和润滑剂的性质有关的摩擦力矩,Ml与轴承承受载荷有关的摩擦力矩。
  Mv与Ml可以根据公式3、4计算。
  (3)
  (4)
  (5)
  其中f1为与轴承类型和所受负荷有关的系数,p为确定轴承摩擦力矩的计算负荷,α为轴承接触角,pa为轴向负荷,pr为径向负荷,f0为与轴承类型和润滑方式有关的经验常数,dm为轴承中径,n为主轴转速,C0轴承静态载荷承载能力,v为32号液压油运动粘度。
  立式加工中心主轴前后各有2个7020轴承,则在已知主轴最大转速为6000r/min下,主切削力为1000N,径向力为360N,进给力为340N,单个主轴前后轴承发热量分别为:Q1=157.518W,Q2=126.92W。在四个周晨内外圈分别施加热载荷。
  1.4施加自然对流换热边界条件
  主轴系统静止部分与周围空气的换热属于复合传热,既有对流换热又有辐射传热,则根据文献取复合传热系数hs为9.7W/(m2·K)[3]。在主轴系统表面施加自然对流边界条件,传热系数为9.7W/(m2·K)[4]。
  1.5施加管内强迫对流边界条件
  主轴产生的热量被主轴壳体上的冷却管道内流动的冷却液带走,最后散发到外部环境中。这属于管内强迫对流传热。管内强迫对流的换热系数可按照公式6-10来计算[5]。
  (6)
  (7)
  (8)
  (9)
  (10)
 
  其中l为管长,d为管道直径,Nu为流体努赛尔数uf流体动力粘度,uw流体在壁温下的动力粘度,v为流体运动粘度,α为热扩散系数,k流体导热系数,ρ流体密度,c比热,Re为雷诺数,ds主轴当量直径,u为流体截面平均流速,Pr为普朗多数。
  通过计算可以得到Nu=18.424,h=221W/(m2·K)。施加强迫对流换热系数221W/(m2·K)。
  1.6施加轴端强迫对流边界条件
  主轴轴头表面与周围空气的强迫对流换热系数可以根据公式11计算,计算的强迫对流换热系数为150W/(m2·K)。
  (11)
  2.分析结果总结
  在求解选项中设置温度,最大主应变,最大主应力,最大位移然后进行有限元求解。而最大主应力、最大主应变均在主轴上轴承滚珠部位达到最大。因此,对上主轴轴承进行温度控制、增加主轴轴端结构强度有助于减小立式加工中心热误差,提高加工精度。
  参考文献
  [1]时华栋.环境温度对机床热态性能影响分析[D].硕士学位u乐国际娱乐平台.山东大学,2011.
  [2]章熙民等,传热学(第六版)[M],中国建筑工业出版社,2014.
  [3]R.Ramesh,M.A.Mannan,A.N.Poo.Errorcompensationinmachinetools—areviewPartⅠ:geometric,cutting-forceinducedandfixturedependenterrors[J].InternationalJournalofMachinetool&manufacture.2000,40:1235-1256.
 

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