鏜銑加工中心主軸部件熱特性分析之課題來(lái)源與主要研究?jī)?nèi)容
1.4課題來(lái)源與主要研究?jī)?nèi)容1.4.1課題來(lái)源本論文課題以臥式鏜銑加工中心主軸及主軸箱部件為研宄對(duì)象。該款機(jī)床研發(fā)項(xiàng)目被列為2011年度江 蘇省工業(yè)支撐項(xiàng)目以及2014年度江蘇省重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目。1.4.2 TH6213臥式鏜銑加工中心簡(jiǎn)介TH6213臥式鏜銑加工中心主要加工對(duì)象為大型的復(fù)雜零件，可以通過(guò)連續(xù)的銑、 鏜、鉆、攻絲、鉸等加工工序完成對(duì)加工零件的面、臺(tái)階、孔、三維曲線以及復(fù)雜圖 形的加工。具有高精度、高穩(wěn)定性以及高效的特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶 制造、汽車、軍工、電力設(shè)備、鍛壓設(shè)備、模具、能源以及礦山設(shè)備等行業(yè)中。TH6213 立柱所采用的是框架式封閉結(jié)構(gòu)，空腔內(nèi)設(shè)置了較多的橫向和縱向加強(qiáng)筋，在減輕床 身自重的同時(shí)，也保證了立柱的抗扭強(qiáng)度，主軸箱頭部采用方形設(shè)計(jì)，提高了強(qiáng)度和 剛度。主軸箱體采用鑄鐵材料，選用了四導(dǎo)軌接觸的熱對(duì)稱機(jī)械結(jié)構(gòu)，安裝在同樣具 有熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)的立柱中央。豎直導(dǎo)軌選用德國(guó)大尺寸重載直線滾動(dòng)導(dǎo)軌。該加工中心 的部分技術(shù)參數(shù)見下表1.1: 表1.1 TH6213臥式鏜銑加工中心部分技術(shù)參數(shù) 項(xiàng)目 參數(shù) 單位 主軸箱行程（Y軸） 2000 mm 立柱行程（Z軸） 1600 mm 鏜桿直徑 130 mm 主軸******速度 4000 rpm 主軸錐孔 BT50 ISO ******功率 37 kW ******扭矩 1580 Nm 1.4.3本文主要工作及研究?jī)?nèi)容本文主要對(duì)TH6213臥式鏜銑加工中心主軸及其關(guān)鍵功能部件的熱源進(jìn)行了發(fā)熱 規(guī)律的分析、發(fā)熱量的定量計(jì)算、邊界條件的確定、有限元仿真模型的建立以及簡(jiǎn)化 等，并借助有限元分析軟件對(duì)其熱特性進(jìn)行了仿真分析，得到其穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)溫度場(chǎng)分 布、熱應(yīng)變量等數(shù)據(jù)，最終通過(guò)主軸箱跑車實(shí)驗(yàn)對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行了定點(diǎn)溫度測(cè)量，對(duì)溫 度場(chǎng)分析結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，一方面證明了有限元建模的正確性以及方法的可行性，為機(jī)床熱誤差的補(bǔ)償以及主軸冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)；另一方面，對(duì) 鏜銑加工中心有限元仿真模型進(jìn)行修正，以建立能在機(jī)床在不同轉(zhuǎn)速下，快速準(zhǔn)確進(jìn) 行仿真分析的有限元模型。主要工作內(nèi)容如下：(1)建立了鏜銑加工中心主軸及其關(guān)鍵功能部件的熱特性分析有限元模型；通 過(guò)忽略細(xì)小特征、簡(jiǎn)化次要零件等模型簡(jiǎn)化手段對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，并且應(yīng)用六面體網(wǎng) 格劃分手段，采用整體劃分、局部細(xì)化的方法對(duì)模型進(jìn)行了有限元網(wǎng)格劃分；在主軸 軸承的建模過(guò)程中，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速的計(jì)算，將工作狀態(tài)的滾珠等效簡(jiǎn)化為環(huán)，有效減少 了網(wǎng)格數(shù)以及節(jié)點(diǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型的改進(jìn)。(2)分析了主軸及其部件的發(fā)熱規(guī)律，確定了主要熱源一主軸軸承；計(jì)算發(fā)熱 量作為主軸熱特性分析的外加載荷，計(jì)算模型各對(duì)流表面的對(duì)流換熱系數(shù)作為有限元 分析的邊界條件。(3)對(duì)主軸、ZF減速箱以及主軸箱整體進(jìn)行溫度場(chǎng)有限元仿真分析，得到溫度 場(chǎng)分布以及穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)溫度場(chǎng)變化規(guī)律：從穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果可以得出系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí) 的溫度場(chǎng)分布；從主軸瞬態(tài)溫度變化曲線中可以得出，主軸系統(tǒng)溫度曲線平滑，初始 溫度變化率較大，逐漸趨于平穩(wěn)，約在9600s左右達(dá)到熱平衡；各主軸軸承位置溫度 最高達(dá)45.456°C，出現(xiàn)在負(fù)載最高的三號(hào)軸承位置；而對(duì)稱溫度場(chǎng)分布則驗(yàn)證了 TH6213鏜銑加工中心主軸箱的熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)。(4)結(jié)合溫度場(chǎng)分析結(jié)果，對(duì)主軸、ZF減速箱以及主軸箱整體進(jìn)行了熱一結(jié)構(gòu) 耦合分析，得到其熱變形。通過(guò)主軸各部位形變量可以看出，主軸******變形產(chǎn)生在鏜 桿末端與轉(zhuǎn)接部件連接部分，而主軸在這個(gè)方向上自由變形可以有效降低變形對(duì)加工 精度的影響；而主軸端面******變形量11.9[〇m小于機(jī)床平面加工精度要求50[〇m，保 證了主軸端面加工精度；從ZF減速箱變形可以得出，齒輪嚙合位置變形35pm小于 額定間隙60pm，驗(yàn)證了 ZF減速箱工作的可靠性。(5)通過(guò)主軸箱溫度測(cè)量試驗(yàn)，與有限元仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證有限元 建模以及仿真分析的正確性；修正有限元模型、邊界條件，建立了適應(yīng)不同轉(zhuǎn)速的能 夠快速進(jìn)行仿真模擬的熱特性分析模型。本文總共分為第一章到第六章：第一章主要對(duì)課題的國(guó)內(nèi)外研宄現(xiàn)狀進(jìn)行分析總 結(jié)，介紹課題來(lái)源以及背景，指出課題的研宄意義；第二章從理論分析的角度，對(duì)傳 熱學(xué)的一些基本規(guī)律進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，主要涉及熱源的種類、熱傳導(dǎo)方式以及傳熱 方式計(jì)算定律等；第三章主要研宄加工中心主軸組件，通過(guò)熱源發(fā)熱量計(jì)算、邊界條 件計(jì)算等，進(jìn)行主軸溫度場(chǎng)有限元分析，得到溫度場(chǎng)穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)以及熱變形等仿真計(jì) 算結(jié)果；第四章將機(jī)床ZF減速箱作為研宄對(duì)象，得到其溫度場(chǎng)分布云圖及熱變形結(jié) 果；第五章將主軸箱整體（包含主軸、ZF減速箱以及主軸箱箱體）作為研宄對(duì)象， 對(duì)其熱特性進(jìn)行分析，并進(jìn)行了跑車實(shí)驗(yàn)，通過(guò)主軸箱溫度測(cè)量試驗(yàn)驗(yàn)證主軸箱溫度 場(chǎng)模擬的正確性，同時(shí)分析誤差產(chǎn)生的原因；第六章總結(jié)全文，對(duì)下一步工作的研宄 重點(diǎn)進(jìn)行展望。1.5本章小結(jié)本章主要對(duì)本論文課題的國(guó)內(nèi)外研宄背景及現(xiàn)狀進(jìn)行了概括，對(duì)課題研宄的意義 進(jìn)行了探宄，并介紹了課題來(lái)源，最后對(duì)本文開展的主要工作以及論文結(jié)構(gòu)進(jìn)行了概括。