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容
1.4課題來源與主要研究內容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。該款機床研發項目被列為2011年度江 蘇省工業支撐項目以及2014年度江蘇省重大科技成果轉化項目。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雜零件，可以通過連續的銑、 鏜、鉆、攻絲、鉸等加工工序完成對加工零件的面、臺階、孔、三維曲線以及復雜圖 形的加工。具有高精度、高穩定性以及高效的特點，可以廣泛應用于航空航天、船舶 制造、汽車、軍工、電力設備、鍛壓設備、模具、能源以及礦山設備等行業中。TH6213 立柱所采用的是框架式封閉結構，空腔內設置了較多的橫向和縱向加強筋，在減輕床 身自重的同時，也保證了立柱的抗扭強度，主軸箱頭部采用方形設計，提高了強度和 剛度。主軸箱體采用鑄鐵材料，選用了四導軌接觸的熱對稱機械結構，安裝在同樣具 有熱對稱結構的立柱中央。豎直導軌選用德國大尺寸重載直線滾動導軌。該加工中心 的部分技術參數見下表1.1: 表1.1 TH6213臥式鏜銑加工中心部分技術參數 項目 參數 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 主軸最大速度 4000 rpm 主軸錐孔 BT50 ISO 最大功率 37 kW 最大扭矩 1580 Nm 1.4.3本文主要工作及研究內容本文主要對TH6213臥式鏜銑加工中心主軸及其關鍵功能部件的熱源進行了發熱 規律的分析、發熱量的定量計算、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行了仿真分析，得到其穩態、瞬態溫度場分 布、熱應變量等數據，最終通過主軸箱跑車實驗對溫度場進行了定點溫度測量，對溫 度場分析結果進行了試驗驗證，一方面證明了有限元建模的正確性以及方法的可行性，為機床熱誤差的補償以及主軸冷卻系統的優化設計提供理論依據；另一方面，對 鏜銑加工中心有限元仿真模型進行修正，以建立能在機床在不同轉速下，快速準確進 行仿真分析的有限元模型。主要工作內容如下：(1)建立了鏜銑加工中心主軸及其關鍵功能部件的熱特性分析有限元模型；通 過忽略細小特征、簡化次要零件等模型簡化手段對其進行了優化，并且應用六面體網 格劃分手段，采用整體劃分、局部細化的方法對模型進行了有限元網格劃分；在主軸 軸承的建模過程中，通過對轉速的計算，將工作狀態的滾珠等效簡化為環，有效減少 了網格數以及節點數，實現了對模型的改進。(2)分析了主軸及其部件的發熱規律，確定了主要熱源一主軸軸承；計算發熱 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行溫度場有限元仿真分析，得到溫度 場分布以及穩態、瞬態溫度場變化規律：從穩態分析結果可以得出系統達到熱平衡時 的溫度場分布；從主軸瞬態溫度變化曲線中可以得出，主軸系統溫度曲線平滑，初始 溫度變化率較大，逐漸趨于平穩，約在9600s左右達到熱平衡；各主軸軸承位置溫度 最高達45.456°C，出現在負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構。(4)結合溫度場分析結果，對主軸、ZF減速箱以及主軸箱整體進行了熱一結構 耦合分析，得到其熱變形。通過主軸各部位形變量可以看出，主軸最大變形產生在鏜 桿末端與轉接部件連接部分，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；而主軸端面最大變形量11.9[〇m小于機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果進行對比，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，建立了適應不同轉速的能 夠快速進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外研宄現狀進行分析總 結，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 熱學的一些基本規律進行了簡單的介紹，主要涉及熱源的種類、熱傳導方式以及傳熱 方式計算定律等；第三章主要研宄加工中心主軸組件，通過熱源發熱量計算、邊界條 件計算等，進行主軸溫度場有限元分析，得到溫度場穩態、瞬態以及熱變形等仿真計 算結果；第四章將機床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 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， 對其熱特性進行分析，并進行了跑車實驗，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，同時分析誤差產生的原因；第六章總結全文，對下一步工作的研宄 重點進行展望。1.5本章小結本章主要對本論文課題的國內外研宄背景及現狀進行了概括，對課題研宄的意義 進行了探宄，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構進行了概括。