【正文】 圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計、鈑金設(shè)計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用 。 目前減少熱誤差，提高機床加工精 度有兩種基本方法，第一種是誤差預(yù)防法，這是一種“硬技術(shù)”，其通過改進(jìn)設(shè)計和制造途徑消除或減少可能的熱誤差源，提高制造精度，或者控制溫度來滿足加工精度要求；第二種是誤差補償技術(shù)，人為地造出一種新的誤差去抵消當(dāng)前成為問題的原始誤差，是一種既有效又經(jīng)濟的提高機床加工精度的手段。因此，本論文應(yīng)用有限元法建立兩類機床有限元模型，對其熱特性進(jìn)行分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以提高高速精密數(shù)控的加工精度。 2. 在分析機床主軸內(nèi)部熱源的基礎(chǔ)上，建立機床主軸溫度場的有限元分析模型。 隨著加工零件 精度要求的提高和產(chǎn)品產(chǎn)量的迅速增長，要求機床產(chǎn)品不斷向高精度、高剛度、高速度 ，自動化的 方向發(fā)展 ， 所以因此 對機床動態(tài)性能的要求也越來越高， 在這眾多因素中， 機床的熱性能 表現(xiàn)的越來越重要，它已成為影響數(shù)控 機床性能的主要因素之一。其它西方發(fā)達(dá)國家也在高速加工技術(shù)方面做了許多 工作，尤其德國，在高速數(shù)控加工機床、刀具、控制系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)方面，均走在世界的前列。 6 第二章 Pro/E 及 3D 建模 Pro/E 簡介 Pro/Engineer 操作 軟件 是美國參數(shù)技術(shù)公司（ PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一體化的三維軟件。這一優(yōu)點，使得設(shè)計更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜 [2]。這種熱量傳遞的方式稱為熱傳導(dǎo)。 a) 三類邊界條件： （ 1） 第一類邊界條件 物體邊界上的溫度函數(shù)已知，用公式表示為： 0| TT ?? ； ),(| tzyxfT ?? ? 為物體邊界， 0T 為已知溫度， ),( tzyxf 為已知溫度函數(shù)。 熱流密度與對流可以施加在同一外表面，但 ANSYS 將讀取最后施加的面載荷進(jìn)行計算 [6]。假如模型包括實體傳遞結(jié)構(gòu)單元，那么也可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，此單元能夠用等效的結(jié)構(gòu)單元代替（如 SOLID45 單元） 。 設(shè)置步驟： 1）從主菜單中選擇 Main Menu :Preprocessor → Material 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。然后根據(jù)圖形要求重復(fù)步驟 4。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。不均勻的熱膨脹對精度的影響比均勻熱膨脹更大。 21 MMM ?? 負(fù)荷項 1M 與上述第 (1)、（ 2）、（ 3）項有關(guān)，它決定了起動摩擦力矩和低速運轉(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。在強迫對流條件下，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 —— 空氣運動粘度。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。如設(shè)計冷卻系統(tǒng)控制軸承的溫升，采用熱誤差補償降低主軸頭的跳動量等。在有限元分析中，實現(xiàn)對機床主軸系統(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。 如圖 46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?℃ )。 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）。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。一般機床約需運轉(zhuǎn)二至三小時，才能達(dá)到熱平衡。 圖 312 主軸的外輪廓 19 6）點擊應(yīng)用菜單 WorkPlane→ offset WP to→ Global Origin。如圖 39所示。 該單元存在一個選項，即允許完成實現(xiàn)流體流經(jīng)多孔介質(zhì)的非線性靜態(tài)分析。 設(shè)定分析作業(yè)名和標(biāo)題 1） 從實用菜單中選擇 Utility Menu: File→ Change Jobname 命令，將打開 Change Jobname(修改文件名 )對話框，如圖 33示 。 （ 3） 第三類邊界條件 與物體相接觸的流體介質(zhì)的溫度和換熱系數(shù)已知，用公式表示為： ?? ????? |)(| fTTnTk ? fT 為流體介質(zhì)的溫度， ? 為換熱系數(shù)。 圖 31 熱傳導(dǎo)示意圖 10 上式所表達(dá)的即為傅里葉定律，又稱為熱傳導(dǎo)基本定律。三維圖如圖 21所示 ： 圖 21 CK6140車床主軸 通過對主軸 三維圖形的繪制，加深了 對 Pro/E 的熟悉程度，同時對車床主軸在機器中的定位有了一個大概的了解，它是由３個軸承支撐，為前支撐 A、中間支撐 B和后支撐 C。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE 軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域占據(jù)重要位置 。 我國在 20 世紀(jì) 50 年代就開始了機床熱變形的研究，當(dāng)時大連工學(xué)院在一臺內(nèi)圓磨床上定程磨削一批零件并進(jìn)行測量，應(yīng)用統(tǒng)計法對零件尺寸誤差進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)機床熱變形是引起零件加工誤差的主要原因。就機械加工而言，尤其是在現(xiàn)代高速切削機床中，隨著機床轉(zhuǎn)速和零件表面加工質(zhì)量的提高，切削深度與走刀量一般都比較小，而切削力也不大，所以工藝系統(tǒng)受力變形對加 工精度的影響與熱變形相比處于次要的地位。機械加工精度的提高也是產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)， 其中， 機床主軸系統(tǒng)的熱變形是影響機床加工精度的主要原因之一，因此機床主軸系統(tǒng)的熱設(shè)計在機床設(shè)計中占據(jù)重要地位， 針對主軸在高速運動的過程中產(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，提出補償措施，提高數(shù)控機床的加工精度。大量的研究表明，主軸系統(tǒng)運行中所產(chǎn)生的熱量是整機熱源中最重要的來源之一，由此在引起的機床熱變形誤差的諸多因素中主軸系統(tǒng)的熱變形誤差更 突出、更明顯， 主軸系統(tǒng)的熱變形對機床的加工精度、表面粗糙度和生產(chǎn)率影響是直接的，已成為進(jìn)一步提高機床性能的主要制約因素。東南大學(xué)的郭策博士利用有限元法建立了主軸系統(tǒng)的三維溫度場模型，對其進(jìn)行了詳細(xì)的熱性能分析，在獲得主軸系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)溫度場的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計算出主軸系統(tǒng)在熱 力結(jié)構(gòu)耦合條件下的變形。 Pro/E 的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設(shè)計。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、 微機電系統(tǒng) 、運動器械等 。與此同時，密度較大的冷空氣下降代替原來的受熱空氣，如圖 32所示。 熱載荷 ANSYS 提供了 6 種載荷，可以施加在實體模型或單元模型上，包括：溫度、熱流率、對流、熱流密度、生熱率和熱輻射率。在 Enter new title （輸入新標(biāo)題）文本框中輸入“ shaft analysis”，單擊“ OK”按鈕，完成對標(biāo)題的指定。 設(shè)置步驟：從主菜單中選擇 Main Menu :Preprocessor→ Element Type→Add/Edit/Delete 命令，將打開 Element Type（單元類型）對話框。 2） 從主菜單中選擇 MainMenu: Preprocessor→ Modeling→ Create→Volumes→ Cone→ By picking。然后 再根據(jù) ANSYS中自帶的布爾運算將主軸變成空心。上述的穩(wěn)定溫度和溫升，指的就是熱源處的溫度和溫升。主軸滑動軸承由于軸瓦固定于箱體內(nèi)，散熱條件較好，因而溫度將低于軸頸，運轉(zhuǎn)后間隙將減??；主軸滾動軸承則因外環(huán)散熱條件優(yōu)于內(nèi)環(huán)，運轉(zhuǎn)后過盈將加大。車床的車削力中主切削力最大，其余兩個相比之下影響較小，所以忽略不計。 在 ANYSY 中輸入相關(guān)參數(shù)如下： 1) 從主菜單中選擇 Solution→ Analysis→ New Analysis，選擇分析類型為SteadyState（穩(wěn)態(tài)）。 關(guān)于減少溫升的一些建議措施： 溫升并不是影響加工精度的關(guān)鍵因素，關(guān)鍵因素是其溫度場的分布，即溫度31 場對主軸軸線的對稱性和溫度梯度。對于王老師在百忙中抽出時間來對我進(jìn)行指導(dǎo)再次致以由衷的感謝。 本文在機床主軸系統(tǒng)熱特性建模分析和優(yōu)化設(shè)計方面取得了一定進(jìn)展，但這一領(lǐng)域仍有很多問題需要探討，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，以下問題還需要繼續(xù)研究。 圖 44 主軸空心部分對流載荷施加對話框 4) 求解。 機床主軸材料為 45鋼，密度 33 / mkg??? ，比熱容 )/(480 KkgJc ?? ,導(dǎo)熱系數(shù)為 (m?℃ )，彈性模量 220GPa，泊松比 ，熱膨脹系數(shù)為 。把熱應(yīng)力看作是等效的外力，就可以求出在等效外力作用下構(gòu)建的變形，也就是構(gòu)建的熱變形。通常，溫度場是用等溫線表示的。所以，溫度升高將逐步減慢，最后一定會達(dá)到某一溫度，這