鏜銑加工中心主軸部件熱特性分析之課題來源與主要研究內(nèi)容
1.4課題來源與主要研究內(nèi)容1.4.1課題來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象。該款機(jī)床研發(fā)項目被列為2011年度江 蘇省工業(yè)支撐項目以及2014年度江蘇省重大科技成果轉(zhuǎn)化項目。1.4.2 TH6213臥式鏜銑加工中心簡介TH6213臥式鏜銑加工中心主要加工對象為大型的復(fù)雜零件，可以通過連續(xù)的銑、 鏜、鉆、攻絲、鉸等加工工序完成對加工零件的面、臺階、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，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，也保證了立柱的抗扭強(qiáng)度，主軸箱頭部采用方形設(shè)計，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)軌接觸的熱對稱機(jī)械結(jié)構(gòu)，安裝在同樣具 有熱對稱結(jié)構(gòu)的立柱中央。豎直導(dǎo)軌選用德國大尺寸重載直線滾動導(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內(nèi)容本文主要對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)熱量的定量計算、邊界條件的確定、有限元仿真模型的建立以及簡化 等，并借助有限元分析軟件對其熱特性進(jìn)行了仿真分析，得到其穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)溫度場分 布、熱應(yīng)變量等數(shù)據(jù)，最終通過主軸箱跑車實驗對溫度場進(jìn)行了定點溫度測量，對溫 度場分析結(jié)果進(jìn)行了試驗驗證，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)床熱誤差的補償以及主軸冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)；另一方面，對 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 過忽略細(xì)小特征、簡化次要零件等模型簡化手段對其進(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)化的方法對模型進(jìn)行了有限元網(wǎng)格劃分；在主軸 軸承的建模過程中，通過對轉(zhuǎn)速的計算，將工作狀態(tài)的滾珠等效簡化為環(huán)，有效減少 了網(wǎng)格數(shù)以及節(jié)點數(shù)，實現(xiàn)了對模型的改進(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；計算發(fā)熱 量作為主軸熱特性分析的外加載荷，計算模型各對流表面的對流換熱系數(shù)作為有限元 分析的邊界條件。(3)對主軸、ZF減速箱以及主軸箱整體進(jìn)行溫度場有限元仿真分析，得到溫度 場分布以及穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)溫度場變化規(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 的溫度場分布；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)載最高的三號軸承位置；而對稱溫度場分布則驗證了 TH6213鏜銑加工中心主軸箱的熱對稱結(jié)構(gòu)。(4)結(jié)合溫度場分析結(jié)果，對主軸、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，而主軸在這個方向上自由變形可以有效降低變形對加工 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，驗證了 ZF減速箱工作的可靠性。(5)通過主軸箱溫度測量試驗，與有限元仿真分析結(jié)果進(jìn)行對比，驗證有限元 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：第一章主要對課題的國內(nèi)外研宄現(xiàn)狀進(jìn)行分析總 結(jié)，介紹課題來源以及背景，指出課題的研宄意義；第二章從理論分析的角度，對傳 熱學(xué)的一些基本規(guī)律進(jìn)行了簡單的介紹，主要涉及熱源的種類、熱傳導(dǎo)方式以及傳熱 方式計算定律等；第三章主要研宄加工中心主軸組件，通過熱源發(fā)熱量計算、邊界條 件計算等，進(jìn)行主軸溫度場有限元分析，得到溫度場穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)以及熱變形等仿真計 算結(jié)果；第四章將機(jī)床ZF減速箱作為研宄對象，得到其溫度場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）作為研宄對象， 對其熱特性進(jìn)行分析，并進(jìn)行了跑車實驗，通過主軸箱溫度測量試驗驗證主軸箱溫度 場模擬的正確性，同時分析誤差產(chǎn)生的原因；第六章總結(jié)全文，對下一步工作的研宄 重點進(jìn)行展望。1.5本章小結(jié)本章主要對本論文課題的國內(nèi)外研宄背景及現(xiàn)狀進(jìn)行了概括，對課題研宄的意義 進(jìn)行了探宄，并介紹了課題來源，最后對本文開展的主要工作以及論文結(jié)構(gòu)進(jìn)行了概括。