【正文】 Props→ Material Model 命令，將打開 Define Material Model Behavior(定義材料16 模型屬性 )窗口，如圖 38所示。 建立主軸三維實(shí)體模型 1） 點(diǎn)擊右側(cè)工具欄 圖標(biāo)，打開等軸測視界面。 圖 310 軸端面視圖 3） 點(diǎn)擊應(yīng)用菜單 WorkPlane→ Offset WP by increments，彈出 Offset WP對話框，在 Snaps X,Y,Z offsets 輸入 0， 0， 3 點(diǎn)擊“ OK”按鈕。在WP X 與 WP Y 分別輸入 0、 0，在 Radius 中輸入 35，在 Depth 中輸入 28。然后根據(jù)圖形要求重復(fù)步驟 4。 圖 313 回到初始界面圖 7）重復(fù)步驟 2)、 3)、 4)，根據(jù)數(shù)據(jù)完成 主軸內(nèi)孔的繪制 。 圖 314 CK6140主軸 實(shí)體模型 劃分網(wǎng)格 由于主軸的各節(jié)之間的尺寸過渡問題，選用自由網(wǎng)格方式對軸體劃分網(wǎng)格。隨著機(jī)床溫度的升高，溫差加大，散熱也增加。為方便起見，如果每小時的溫升不超過 5℃ ，就認(rèn)為達(dá)到了熱平衡。機(jī)床上的熱源主要是電動機(jī)、主軸軸承、高速運(yùn)動的導(dǎo)軌、液壓油池、液壓缸等。這是因?yàn)闇厣龑⒏淖兓瑒虞S承的間隙，溫升過高將導(dǎo)致間隙消失而“抱軸”。 機(jī)床的熱量主要是從某幾個熱源發(fā)出的，所以熱源處溫度最高，離熱源處越遠(yuǎn)則溫度越低，這就形成了溫度場。不均勻的熱膨脹對精度的影響比均勻熱膨脹更大。例如傳動軸的兩端如果裝有圓錐滾子軸承，冷態(tài)時無 間隙 ，工作一段時間后，由于箱體的散熱條件比較好，軸的溫度將高于 箱體 的溫度； 熱膨脹使軸承內(nèi)產(chǎn)生軸向附加載荷，這個載荷又將使軸承進(jìn)一步發(fā)熱，嚴(yán)重時會損壞軸承。這樣就可以用差分的原理，把描述熱傳導(dǎo)的復(fù)雜的偏微分方程簡化為若干個線性代數(shù)方程，并且利用電子計算機(jī)，解出各個單元的溫度分布。因此，在單元與單元聯(lián)接的節(jié)點(diǎn)上引起了熱應(yīng)力。 21 MMM ?? 負(fù)荷項(xiàng) 1M 與上述第 (1)、（ 2）、（ 3）項(xiàng)有關(guān)，它決定了起動摩擦力矩和低速運(yùn)轉(zhuǎn)時的摩擦力矩的大小，反映了彈性滯后和局部差動滑動的摩擦損耗。 傳遞全功率的最低轉(zhuǎn)速處于低速傳動組內(nèi)，所有動力通過小齒輪以 26： 58的比例傳給主軸。 主軸扭矩計算公式如下 [12]： nPT /9550? 其中 T 為主軸傳動的扭矩，單位 mN? ， P 表示軸的計算功率，單位 KW， n表示主軸的計算轉(zhuǎn)速， CA6140 數(shù)控車床以 1200r/min 的正常轉(zhuǎn)速計算。 需要確定的有限元模型的邊界條件和初始條件有：主軸前后體上的熱流率、主軸系統(tǒng)與空氣的對流換熱、溫度分布初始條件以及機(jī)床主軸部件的熱傳導(dǎo)。在強(qiáng)迫對流條件下，當(dāng)主軸以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，與空氣間的對流換熱系數(shù)可按下式計算： 3/13/2 DDNu ? （ , 5 ????D ） ? sD dhNu ?? 式中， DNu —— 努謝爾特數(shù)； DRe —— 雷諾數(shù)，fsD v d 2Re ?? ? ； Pr —— 普朗特數(shù)； h —— 對流換熱系數(shù)； ? —— 空氣導(dǎo)熱系數(shù)； sd —— 主軸當(dāng)量直徑， l ldldldd nns ???? ?2211， nllll ?21 ?? ； ? —— 主軸角速度； fv —— 空氣運(yùn)動粘度。軸承 A 發(fā)熱量 ? ， B 發(fā)熱量 ? ， C 發(fā)熱量 ? 。再選擇 Utility Menu→ Select→ Entities 命令，出現(xiàn) Select Entities 對話框，在第一個列表框中選擇 Nodes 選項(xiàng) ,在第二個下拉列表中選擇 Attached to 選項(xiàng)，在選擇 Areas All 單選按鈕，單擊 OK。 輸入相關(guān)參數(shù)。選擇主菜單 → General Postproc→ Plot Results→ Contour Plot→ Nodal Solu，出現(xiàn) Contour Nodal Solution Data 對話框，如圖45所示，選擇 Nodal Temperature. 30 圖 45 查看結(jié)果 6) 最終計算得到主軸溫度場分布云圖。 對主軸加載過程中要注意系統(tǒng)單位的統(tǒng)一， ANSYS 系統(tǒng)中用的單位為國際單位，要注意將機(jī)械設(shè)計中通用的毫米（ mm）單位轉(zhuǎn)化為米（ m） 。 32 結(jié)論與展望 本 論文 針對主軸在高速運(yùn)動的過程中產(chǎn)生大量的熱量使主軸溫度升高，導(dǎo)致主軸變形，從而影響加工精度這一不利因素，因此有必要對主軸熱變形進(jìn)行大量研究，提出補(bǔ)償措施，提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。 本論文最大特點(diǎn)是 理論和實(shí)際相結(jié)合，對 CK6140數(shù)控車床主軸的溫度分布有了客觀的描述，并為以后提高車床的精度，效率奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。如設(shè)計冷卻系統(tǒng)控制軸承的溫升，采用熱誤差補(bǔ)償降低主軸頭的跳動量等。從方案的提出以及確定，再到方案相關(guān)設(shè)計理論 以及后來理論方面的闡述，得到了王老師的悉心指導(dǎo)，沒有她的幫助，這篇論文是沒有辦法如此順利的完成的。 再次感謝所有對我支持和幫助的人。 在近 1年的論文設(shè)計和學(xué)習(xí)中，感謝同我一項(xiàng)目組中共同學(xué)習(xí)的陳井春和徐旭陽 的幫助，也由衷感謝和我一起朝夕相處的 125宿舍的舍友以及其他的師兄師姐們，他們曾給我的學(xué)習(xí)和生活提供了許多幫助，在我一度頹廢不振的時候給予我精神上的支持和學(xué)術(shù)上的一并探討，使我順利走出困境，柳暗花明又一村。在有限元分析中，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床主軸系統(tǒng)的全參數(shù)化建模，將可更加全面的對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。 1. 在對機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行溫度場分析時，關(guān)鍵問題是部件間的接觸傳導(dǎo)率、零部件表面與流體間的對流換熱系數(shù)等理論計算還不具有普遍性 ，對這些理論的完善，使得機(jī)床主軸系統(tǒng)熱邊界條件的精確計算成為可能，在以后的設(shè)計中，將能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)床主軸系統(tǒng)更為合理的設(shè)計。 2. 基于有限元法建立了溫度場數(shù)學(xué)模型， 對 CK6140數(shù)控車床主軸在高速運(yùn)動過程中的溫度有了直觀的了解 。 對主軸軸線呈對稱分布的溫度場使主軸產(chǎn)生偏斜的可能性較小，反之，即使溫升不是很高，也有可能使主軸產(chǎn)生較大的偏斜。 如圖 46所示。選擇主菜單選擇主菜單 → Solution→ Solve→ Current 此時通過計算及分析，對車床主軸進(jìn)行了溫度場的分析。再 重復(fù)以上步驟，依次選擇 B和 C表面的所有節(jié)點(diǎn) 施加同樣的載荷 。如圖 42 所示。( m m ) 9 0 . 78 7 0/)1 0 3161 9 5251 2 0121 1 2101 1 5272 0 0 5511 0 51 1 2901 1 5861 1 3801 1 021 7 0753074447035(???????????????????????????????sdsr ad / 21200 ??? ?? 查閱得：空氣普朗特數(shù)： Pr= 空氣導(dǎo)熱系數(shù)： ?? 空氣運(yùn)動粘度： smf / 26???? 得： 雷諾數(shù)： 46232 )( ??? ????? ??fsD v d? 則，努謝爾特數(shù)： 0 )107(1 3 3 3/13/243/13/2 ?????? DDNu 所以有： 3???? h 計算得，對流換熱系數(shù) h= W/(m2 ?℃ ) 主軸系統(tǒng)溫度場分布 以環(huán)境溫度 40℃ ， CA6140 數(shù)控車床主軸導(dǎo)熱系數(shù) k 為 (m?℃ )。 1．導(dǎo)熱系數(shù)：根據(jù)傳熱學(xué)理論， CA6140 主軸材料為 45 鋼，導(dǎo)熱系數(shù)為(m?℃ )。 將其作為熱載荷施加于主軸系統(tǒng)有限元模型的軸承體上，就可以進(jìn)一步計算主軸箱系統(tǒng)的溫度場 。 其中 Fr， Ft分別表示主軸上大齒輪所受軸向力和切向力。 mdPfM 111 ? （ N?mm） 式中， 1f —— 與軸承類型和所受負(fù)荷有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)； 1P —— 確定軸承摩擦力矩的計算負(fù)荷（ N）； md —— 軸承中徑（ mm）。這樣，就可以把熱變形的計算問題，轉(zhuǎn)化為靜剛度的計算問題。由于溫度的變化，每個單元都要產(chǎn)生熱變形。 熱變形有限元法 熱變形計算的有限元法的基本思路是，把部件分割為有限（一定）數(shù)量的單元。如果前后軸承的溫升相同，則上升后的主軸軸線仍平行于溫升前的軸線；如果前軸承的溫度高于后軸承，則主軸軸線將向上傾斜。 熱變形和熱應(yīng)力 零件受熱膨脹有兩種可能：一種是均勻的熱膨脹，一種是不均勻的熱膨脹。機(jī)床主軸滑動軸承的間隙很小，容許的間隙變化量更小，故滑動軸承允許的溫升比滾動軸承要低一些。對于一般機(jī)床的主軸箱來說就是主軸箱軸承處的溫度和溫升。一般機(jī)床約需運(yùn)轉(zhuǎn)二至三小時，才能達(dá)到熱平衡。 如果熱平衡溫度為 0t ℃，在升溫過程中，經(jīng)過時間 ? （小時）與達(dá)到的溫度t℃之間的關(guān)系為 [10]： ???????? ?? ? tkett ?10（℃） kAcmkt ? （ s） 式中 tk —— 時間常數(shù)（ s）； k —— 向周圍環(huán)境的散熱系數(shù)（ W/ ?2m ℃）； A —— 散熱面積（ 2m ）； c —— 比熱容（ J/kg.℃ ）； m —— 發(fā)熱物質(zhì)的質(zhì)量（ kg）。完成網(wǎng)格的劃分如圖 315所示： 圖 315 網(wǎng)格劃分結(jié)果 21 第四章 主軸的溫度場分析 機(jī)床熱變形理論 熱平衡和溫度場 機(jī)床一方面在工作時產(chǎn)生熱量，另一方面又向周圍發(fā)散熱量。 選擇 Main Menu: Preprocessor→ Modeling→ Operate→ Booleans→ Subtract→ Volumes，選擇圖 314 建立的幾何體，使其成為一個整體。 圖 312 主軸的外輪廓 19 6）點(diǎn)擊應(yīng)用菜單 WorkPlane→ offset WP to→ Global Origin。完成圖形如圖 311 右圖所示。 4） 從主菜單中選擇 Main Menu: Preprocessor→ Modeling→ Create→Volumes→ Cylinder→ Solid cylinder。打開界面如圖 310所示。如圖 39所示。在對機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行熱特性分析中，進(jìn)行溫度場分析時必須確定下列參數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)、對流系數(shù)、密度、比熱；熱變形分析時則必須確定彈性模量、泊松比、密度、熱膨脹系數(shù) [8]。返回到單元類型對話框，單擊“ Close”按鈕，關(guān)閉單元類型對話框，