2017年5月23日 機床主軸箱熱特性的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 機床主軸箱熱特性的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀主軸的溫升主要是由主軸的摩擦熱所引起的，而摩擦熱則是在軸承的摩擦力矩作 用下產(chǎn)生[1°]。分析主軸溫度場變化情況的關(guān)鍵就是對軸承發(fā)熱規(guī)律的研宄；主軸在熱 源的作用下產(chǎn)生膨脹變形，而又受到箱體在各個自由變形方向上的約束，所以對軸承 以及主軸箱箱體結(jié)構(gòu)的研宄是探宄主軸熱特性的基礎(chǔ)。1.3.1主軸的軸承摩擦力矩及熱特性研究現(xiàn)狀蔣興奇等人總結(jié)滾動軸承中的摩擦學、動力學以及傳熱學登基本理論，以 7005C/P4軸承為研宄對象，在控制摩擦熱以及軸承預緊方式等因素的情況下研宄軸 承力學特性；通過分析計算軸承的工作載荷和所受摩擦力矩，得到軸承的熱學特性， 并通過試驗對模型分析結(jié)果進行驗證[11]。何曉亮等人通過計算軸承的工作摩擦熱以及摩擦力矩，對切削力、轉(zhuǎn)速、潤滑方 式等因素對軸承溫升的影響，得出了潤滑方式以及轉(zhuǎn)速是造成軸承溫升的主要因素的 結(jié)論[12]。西安交通大學的軸承及潤滑理論研宄所以軸承的溫度場為研宄對象[1U2]，進行了 大量的實驗研宄，改進了經(jīng)典的Newton-Raphson算法，證明軸承溫度的升高受軸承 的啟動加速度影響，啟動加速度越大，溫升越快；在軸承啟動過程中，油膜上最高溫 度的出現(xiàn)位置沿厚度方向分布。通過相關(guān)實驗證實建模以及算法的準確性。同時證明， 外加載荷不變的情況下，溫升值與供油壓力成反比。寧練等人以傳熱學和摩擦學為理論基礎(chǔ)，通過對軸承內(nèi)部溫度場的有限元建模分 析，修正了軸承溫度在不同的載荷、溫度以及潤滑劑容積比作用下的計算公式，同時 建立了可以直觀看到軸承內(nèi)部溫度變化情況的軸承狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)；最后探討了軸承摩 擦力矩與彈流油膜的厚度之間的關(guān)系，建立了摩擦力矩經(jīng)驗計算的新公式[13]。王建梅等人詳細分析對比軸承摩擦力矩以及內(nèi)熱源的兩種計算方法，并采用 PALMGREN公式在不同轉(zhuǎn)速的情況下對軸承溫升進行了計算[14]。李中華等人把主軸部件中的動壓油膜軸承作為研宄對象，通過熱力學建模探宄了溫度對粘度的影響；并且以MTALAB以及VB等編程軟件為手段開發(fā)了新的熱力學 解析軟件；把主軸動壓滑動軸承作為研宄對象，以流體動力潤滑理論以及有限差分為 理論依據(jù)，建立熱特性模型，將潤滑劑粘度設(shè)定為會隨溫度變化的變量，提高了主軸 軸承建模的精確性，另外，通過ActiveX插件技術(shù)對MATLAB軟件進行調(diào)用，得到 了軸承潤滑系統(tǒng)溫升及壓力分布的相對準確的計算結(jié)果[15]。鄧四二、李興林等人以角接觸球軸承熱力學和動力學分析為基礎(chǔ)，根據(jù)能量守恒 定律建立了摩擦力矩理論計算公式，通過對軸承工況、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及摩擦力矩的關(guān)系 進行理論分析得出不同轉(zhuǎn)速下，摩擦力矩與滾道曲率之間的關(guān)系，并通過實驗驗證了 分析的準確性[16]。Choi Jin-Kyung等人通過對高速軸以軸承系統(tǒng)的有限元建模對其進行仿真分析， 依據(jù)分析結(jié)果得出的高速軸運轉(zhuǎn)工況制造了原形系統(tǒng)；通過測量原形系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生 的熱誤差，驗證了對軸和軸承的熱特性分析運用有限元方法進行分析是有效可行的[17]。Piffeteau S等人運用Newton-Raphson算法分析軸承動態(tài)熱特性；得出對具有復 雜結(jié)構(gòu)的軸承的研宄的邊界條件受外界因素影響較大的結(jié)論[18]。Tiago Cousseaua等人通過分析計算采用脂潤滑的滾動軸承的摩擦力矩、測量不 同軸承在采用不同潤滑條件的溫度及摩擦力矩，驗證了 Newton-Raphson計算的準確 性[19]〇Sun-Min Kim等人將軸承支承結(jié)構(gòu)以及裝配公差對熱變形的影響納入考慮對軸 承的熱變形進行研宄；得出結(jié)論，在軸承運轉(zhuǎn)的初期熱變形變化較快；產(chǎn)生離心力或 內(nèi)部壓力，改變了軸承的配合游隙，所以容易損壞軸承[2(5]。Amit Chauhan等人按照拋物線分布的形式設(shè)定空氣溫度，經(jīng)過對軸承熱特性的 計算研宄以及實驗驗證，證實了這種方法的可行性；這對軸承溫度場研宄時邊界條件 的確定具有指導性意義[2\通過上述調(diào)查可以得出，作為主軸溫升的首要熱源因素，主軸軸承的研宄己經(jīng)具 有了相當?shù)囊?guī)模。各國學者通過實驗以及理論探宄，對主軸軸承發(fā)熱量的計算以及發(fā) 熱機理的探宄都作出了一定的貢獻。但是，本文的研宄對象TH6213為大型鏜銑加工 中心，對這一方面甚至這一型號的研宄仍具有一些空白；而且其主軸系統(tǒng)采用臥式結(jié) 構(gòu)，與一般的側(cè)掛式不同，該鏜銑加工中心采用中心對稱的立柱式垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計，具 有其特殊性。本文將通過對此鏜銑加工中心主軸軸承在一定轉(zhuǎn)速下的熱特性進行探宄，以建立能夠快速對不同轉(zhuǎn)速下熱特性進行仿真模擬的有限元模型。1.3.2主軸及主軸箱熱特性研究現(xiàn)狀王金生等人考慮冷卻系統(tǒng)以及受迫對流對主軸溫度的影響，通過有限元方法對數(shù) 控機床的主軸系統(tǒng)進行建模，對其熱特性進行了研宄；研宄結(jié)果為機床冷卻系統(tǒng)的設(shè) 計以及優(yōu)化方案提供了理論支持[22]。富彥麗等人通過對XK717型機床主軸系統(tǒng)及整機進行有限元建模，得到了其溫 度場云圖以及應力變化等熱特性；通過分析結(jié)果，提出了熱特性分析的熱彈性理論分 析創(chuàng)想[23]。傅建中以精密機械為對象建立的模型為基礎(chǔ)，提出了奇異值分解法這種用來識別 機械熱動態(tài)參數(shù)的新算法；這種算法采用“熱模態(tài)分析法”實現(xiàn)對離散化模型的解耦變 換；建立熱脈沖響應矩陣，進而對矩陣進行奇異值分解得到熱動態(tài)特性參數(shù)；實驗證 明，這種方法能精準地識別并估算對象的熱特征以及達到熱平衡所需要的時間[24]。王建梅等以高速五坐標龍門加工中心主軸系統(tǒng)為研宄對象，對其熱特性進行研 宄，通過模型修正、邊界條件修正等手段進行了理論以及應用研宄；在分析機床主軸 系統(tǒng)內(nèi)部熱源以及邊界條件之后，對其進行了有限元建模，進一步得到主軸系統(tǒng)熱特 性及動態(tài)特性分析結(jié)果[25]。趙海濤、楊建國等通過對模型的有限元分析，優(yōu)化了機床的溫度測點；與傳統(tǒng)機 床不同，精工機床主軸由電機直接驅(qū)動，所以主軸軸承摩擦生熱是造成主軸溫升的主 要因素；在有限元網(wǎng)格劃分時，考慮機床主軸的軸對稱結(jié)構(gòu)，選擇八節(jié)點六面體進行 劃分所得到的計算結(jié)果要比選用其它劃分單元所得到的結(jié)果要準確的多[26]。許敏等人在2008年，綜合考慮摩擦發(fā)熱強度的變化以及連接件接觸面熱阻等因 素，對磨床主軸箱進行了有限元建模及熱特性分析[27]。鄭傳統(tǒng)等人考慮結(jié)合面之間的粗糙程度以及接觸熱阻等因素，對箱體進行了有限 元熱特性分析，對主軸軸承的發(fā)熱量進行了計算，并通過實驗驗證了分析結(jié)果[28]。張奎奎等人以有限單元法以及熱彈性力學為基礎(chǔ)，對某龍門機床的主軸系統(tǒng)進行 了有限元建模及熱特性分析，期間涉及熱源發(fā)熱量計算、熱對流系數(shù)的確定、邊界條 件的確定等，得到主軸系統(tǒng)達到熱平衡的時間；之后采用有限元“熱-結(jié)構(gòu)”耦合方法 計算得到主軸的熱變形量[29]。郭崇志等人對少量的測試值采用Origin插值法，得到邊界溫度的矩陣數(shù)據(jù)，并 將其作為溫度載荷加載得到瞬態(tài)溫度場的仿真結(jié)果；實驗驗證這種方法得到的結(jié)果與 實測結(jié)果的吻合程度很高[3°]。鄭學普等將航空發(fā)動機主軸系統(tǒng)部件作為研宄對象，首先計算主軸軸承的發(fā)熱 量、模型各表面的對流換熱系數(shù)等，然后通過有限元方法對其熱特性進行分析，最終 通過熱-結(jié)構(gòu)耦合模擬得到不同位置軸承對熱變形的影響以及轉(zhuǎn)速不同條件下主軸部 件的熱特性計算結(jié)果；通過實驗數(shù)據(jù)驗證可得分析結(jié)果具有較高的準確性，可以為該 龍門加工中心的主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及熱誤差補償提供理論指導[31]。姜杉等人通過有限元仿真計算得到主軸箱部件的穩(wěn)態(tài)溫度場分布云圖以及系統(tǒng) 達到熱平衡所需要的時間，利用熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真分析得到在溫度場作用下的熱變形 量，探宄了主軸部件的熱應變趨勢[32]。Tiago Cousseau等人通過建立精密精工機床主軸熱誤差預測理論模型以及主軸 徑、軸向動態(tài)熱變形精細數(shù)值計算模型，為機床綜合誤差的補償提供了技術(shù)支撐以及 理論依據(jù)，解決了精工機床加工精度受主軸熱變形影響而加工精度下降的難題[33]。M.H.Attia等人對機床整機溫度場進行有限元建模分析，并把溫度場劃分為規(guī)則 的單元。通過相關(guān)性選擇，預測了溫度測點的分布******位置和數(shù)量最優(yōu)值[34]。VelagalaR.Reddy等人對車床主軸進行有限元法建模，以工件直徑、軸承剛度以 及間隙為設(shè)計參數(shù)，對主軸進行了靜、動態(tài)分析[35]。Moriwaki等人對超精密機床的主軸系統(tǒng)熱特性進行了試驗研宄，擬合了環(huán)境溫 度、熱變形以及主軸轉(zhuǎn)速三者之間的傳遞函數(shù)，并通過誤差補償方法對熱誤差進行了 補償[36]。Bernd Bossmans等人對高速電主軸采用有限差分熱態(tài)建模的方法進行了熱傳導、 應力場以及主軸散熱分析[37]。C.H.Chen和K.W.Wang對高速主軸動力學特性的詳細研宄，對主軸熱源發(fā)熱量 的計算具有指導意義[38]。Susumu Ohishi等人對空氣靜壓軸承主軸的單元的溫度場分布進行實驗研宄，并 對主軸以及軸承座孔的變形量進行了測量[39]。J.Jedrzejewski等應用有限差分法（FDM)以及有限元法（FEM)對高速加工中 心主軸箱部件進行建模，根據(jù)此模型分析結(jié)果對主軸箱的結(jié)構(gòu)從熱、疲勞及剛度等角度進行了評估設(shè)計，有效地減小了電主軸在高速加工切削時的熱變形[4(5]。M.Mori對主軸箱采用正交試驗法進行優(yōu)化設(shè)計以減小熱變形，并通過實驗驗證 了該方法的正確性[41]。許敏等人對主軸采用有限元法分析得到其溫度場分布及熱變形，根據(jù)分析結(jié)果， 對主軸變形進行了誤差補償?shù)靡杂行У亟档土嗽囼灆C床的熱誤差量[42]。通過上述論述，雖然可以看到在主軸箱、主軸部件的熱特性研宄領(lǐng)域己經(jīng)取得了 一些進展以及成果，但是本論文的研宄對象是高速精密臥式鏜銑加工中心，該機床采 用“箱中箱”結(jié)構(gòu)，具有熱對稱等特性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上具有其特殊性，上述的研宄成果 并不能直接加以應用。本文將TH6213臥式鏜銑加工中心主軸系統(tǒng)在2500r/min轉(zhuǎn)速 下的熱特性作為研宄對象，建立其有限元模型，展開進一步的研宄。 ? 上一篇 臥式鏜銑加工中心的主軸三維建模下一篇 ? 鏜銑加工中心主軸部件熱特性分析