【導(dǎo)讀】漸成為加工業(yè)的發(fā)展方向，并成為提高國際競爭能力的關(guān)鍵技術(shù)。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，基于有限元對機(jī)床主軸溫度進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為CK1416數(shù)控機(jī)

　　

【正文】 ?? mdnfM ? （ N?mm） 621 ???? MMM （ N?mm） 5644 2 0 ????????? ?? nMH f (W) 26 計算出主軸系統(tǒng)各個軸承的發(fā)熱量， 軸承 A 發(fā)熱量 ? ， B 發(fā)熱量 ? ， C發(fā)熱量 ? 。 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 。 主軸系統(tǒng)熱傳遞方式及性能參數(shù)確定 查閱資料 可知機(jī)床正常工作時溫升不超過 40℃ ，溫升較小，輻射散失的熱量很小，因此只考慮熱傳導(dǎo)和對流兩種傳熱方式。 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)。 機(jī)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 。 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?℃ )。 2．對流換熱系數(shù)：主軸系統(tǒng)與空氣間的對流換熱問題，可利用努謝爾特準(zhǔn)則方程計算。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 —— 空氣運動粘度。 27 CA6140 車床主軸轉(zhuǎn)速范圍為 4501400rpm，取轉(zhuǎn)速為 1200rpm 時計算。( 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?℃ )。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速 n=1200rpm 時，計算得到對流換熱系數(shù) h= W/(m2 ?℃ )。軸承 A 發(fā)熱量 ? ， B 發(fā)熱量 ? ， C 發(fā)熱量 ? 。 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)）。如圖 42 所示。 28 圖 42 分析類型對話框 2) 選擇圖 41 中的 A、 B和 C處得表面的所有節(jié)點 并施加載荷 ， 就 A而言，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 Area 選項，在第二個下拉列表中選擇By Num/Pick選項，再選擇 From Full單選按鈕，單擊 OK 按鈕，出現(xiàn) Select Area 菜單，點擊 A 表面。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 ,在第二個下拉列表中選擇 Attached to 選項，在選擇 Areas All 單選按鈕，單擊 OK。 再 選擇主菜單 → Solution→ Define Loads→ Apply→ Thermal→ Heat Flux→ On Nodes，如圖 43 所示，輸入計算所得的熱通量的值。再 重復(fù)以上步驟，依次選擇 B和 C表面的所有節(jié)點 施加同樣的載荷 。 圖 43 表面節(jié)點選擇 后施加載荷 3) 對空心部分施加 Convection 載荷，按照步驟 2的方法選擇主軸內(nèi)孔的所29 有節(jié)點，施加對流載荷， 選擇主菜單 → Solution→ Define Loads→ Apply→ Thermal→ Convection→ On Nodes,如圖 44所示。 輸入相關(guān)參數(shù)。 圖 44 主軸空心部分對流載荷施加對話框 4) 求解。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。 5) 查看結(jié)果。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。在環(huán)境溫度 40℃，主軸轉(zhuǎn)速n=1200rpm 工作時 ，最低溫度是 25℃，最高溫度是 47℃，發(fā)生在軸和 C軸發(fā)熱體連接處。 如圖 46所示。 圖 46 主軸溫度場分布云圖 本章結(jié)論 在計算軸承發(fā)熱量過程中得到，軸承發(fā)熱量主要原因是軸承轉(zhuǎn)動過程中 潤滑劑的流體動力損耗有關(guān)，主軸的負(fù)荷（主要與起動摩擦力矩和低速運轉(zhuǎn)時的摩擦力矩有關(guān)）引起的發(fā)熱量所占比例很小，以后進(jìn)行探索時，在主軸轉(zhuǎn)速較大時可以忽略負(fù)荷項（ 1M ）的熱量計算。 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） 。 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。因此，改善主軸系統(tǒng)溫度場分布的對稱性，減小溫度梯度，可以提高主軸精度。 32 結(jié)論與展望 本 論文 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(jī)床的加工精度。 本文依據(jù)課題展開中所產(chǎn)生的理論與方法問題進(jìn)行研究、分析，所取得的主要成果如下： 1. 建立了機(jī)床主軸的三維 CAD 模型，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立了主軸系統(tǒng)的熱特性有限元模型，為熱特性分析及優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ) 。 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動過程中的溫度有了直觀的了解 。 3. 分析了機(jī)床主軸系統(tǒng)內(nèi)部熱源、傳熱和換熱的計算，用 ANSYS 有限元程序?qū)C(jī)床主軸系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)溫度場進(jìn)行了模擬仿真計算。 本論文最大特點是 理論和實際相結(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，效率奠定了堅實的基礎(chǔ)。 本文在機(jī)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。 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. 研究降低機(jī)床主軸系統(tǒng)的溫度場的其他技術(shù)措施。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。 3. 機(jī)床主軸系統(tǒng)的全參數(shù)化有限元建模。在有限元分析中，實現(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。 33 參考文獻(xiàn)： [1] 謝黎明 高速電主軸的熱分析研究 機(jī)械制造周刊 20xx [2] 王詠梅 Pro/Engineer 清華大學(xué)出版社 20xx [3] 孫波 機(jī)械專業(yè)畢業(yè)設(shè)計寶典 西安電子科技大學(xué)出版社 20xx [4] 胡國良 國防大學(xué)出版社 20xx [5] 張朝暉 中國鐵道出版社 20xx [6] 張朝暉 中國鐵道出版社 20xx [7] 洪有為 機(jī)床主軸系統(tǒng)熱特性建模分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 （碩士論文） 20xx [8] 周開勤 機(jī)械零件手冊 高等教育出版社 20xx [9] [10] 王小熙 中厚板焊接過程溫度場和應(yīng)力應(yīng)變場的三維數(shù)值模擬 華中科技大學(xué) 20xx [11] 李長河 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 機(jī)械工業(yè)出版社 20xx [12] 范欽珊 材料力學(xué) 清華大學(xué)出版社 20xx [13] 張鄂 機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ) 機(jī)械工業(yè)出版社 20xx 34 致謝 首先要對 我的指導(dǎo)老師王金娥 老師致以由衷的感謝，這篇論文的順利完成與她的幫助是分不開的。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。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。 在近 1年的論文設(shè)計和學(xué)習(xí)中，感謝同我一項目組中共同學(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。 最后，謹(jǐn)以此論文獻(xiàn)給我的家人，他們是我在求學(xué)道路和以后工作中能夠一直不 懈努力和奮斗的精神支持和力量源泉。 再次感謝所有對我支持和幫助的人。謝謝?。?！