2017年5月23日

機床主軸箱熱特性的國內外研究現狀

機床主軸箱熱特性的國內外研究現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生[1°]。分析主軸溫度場變化情況的關鍵就是對軸承發熱規律的研宄；主軸在熱源的作用下產生膨脹變形，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構的研宄是探宄主軸熱特性的基礎。1.3.1主軸的軸承摩擦力矩及熱特性研究現狀蔣興奇等人總結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速是造成軸承溫升的主要因素的結論[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位置沿厚度方向分布。通過相關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，通過對軸承內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部溫度變化情況的軸承狀態監控系統；最后探討了軸承摩擦力矩與彈流油膜的厚度之間的關系，建立了摩擦力矩經驗計算的新公式[13]。王建梅等人詳細分析對比軸承摩擦力矩以及內熱源的兩種計算方法，并采用 PALMGREN公式在不同轉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，建立熱特性模型，將潤滑劑粘度設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插件技術對MATLAB軟件進行調用，得到了軸承潤滑系統溫升及壓力分布的相對準確的計算結果[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，根據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、結構參數以及摩擦力矩的關系進行理論分析得出不同轉速下，摩擦力矩與滾道曲率之間的關系，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的有限元建模對其進行仿真分析，依據分析結果得出的高速軸運轉工況制造了原形系統；通過測量原形系統運轉時產生的熱誤差，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算法分析軸承動態熱特性；得出對具有復雜結構的軸承的研宄的邊界條件受外界因素影響較大的結論[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等人將軸承支承結構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；得出結論，在軸承運轉的初期熱變形變化較快；產生離心力或內部壓力，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定空氣溫度，經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具有了相當的規模。各國學者通過實驗以及理論探宄，對主軸軸承發熱量的計算以及發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；而且其主軸系統采用臥式結構，與一般的側掛式不同，該鏜銑加工中心采用中心對稱的立柱式垂直結構設計，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速下的熱特性進行探宄，以建立能夠快速對不同轉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狀王金生等人考慮冷卻系統以及受迫對流對主軸溫度的影響，通過有限元方法對數控機床的主軸系統進行建模，對其熱特性進行了研宄；研宄結果為機床冷卻系統的設計以及優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；通過分析結果，提出了熱特性分析的熱彈性理論分析創想[23]。傅建中以精密機械為對象建立的模型為基礎，提出了奇異值分解法這種用來識別機械熱動態參數的新算法；這種算法采用“熱模態分析法”實現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特性參數；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內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熱特性及動態特性分析結果[25]。趙海濤、楊建國等通過對模型的有限元分析，優化了機床的溫度測點；與傳統機床不同，精工機床主軸由電機直接驅動，所以主軸軸承摩擦生熱是造成主軸溫升的主要因素；在有限元網格劃分時，考慮機床主軸的軸對稱結構，選擇八節點六面體進行劃分所得到的計算結果要比選用其它劃分單元所得到的結果要準確的多[26]。許敏等人在2008年，綜合考慮摩擦發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]。鄭傳統等人考慮結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，對主軸軸承的發熱量進行了計算，并通過實驗驗證了分析結果[28]。張奎奎等人以有限單元法以及熱彈性力學為基礎，對某龍門機床的主軸系統進行了有限元建模及熱特性分析，期間涉及熱源發熱量計算、熱對流系數的確定、邊界條件的確定等，得到主軸系統達到熱平衡的時間；之后采用有限元“熱-結構”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據，并將其作為溫度載荷加載得到瞬態溫度場的仿真結果；實驗驗證這種方法得到的結果與實測結果的吻合程度很高[3°]。鄭學普等將航空發動機主軸系統部件作為研宄對象，首先計算主軸軸承的發熱量、模型各表面的對流換熱系數等，然后通過有限元方法對其熱特性進行分析，最終通過熱-結構耦合模擬得到不同位置軸承對熱變形的影響以及轉速不同條件下主軸部件的熱特性計算結果；通過實驗數據驗證可得分析結果具有較高的準確性，可以為該龍門加工中心的主軸結構優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態溫度場分布云圖以及系統達到熱平衡所需要的時間，利用熱-結構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、軸向動態熱變形精細數值計算模型，為機床綜合誤差的補償提供了技術支撐以及理論依據，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則的單元。通過相關性選擇，預測了溫度測點的分布******位置和數量最優值[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計參數，對主軸進行了靜、動態分析[35]。Moriwaki等人對超精密機床的主軸系統熱特性進行了試驗研宄，擬合了環境溫度、熱變形以及主軸轉速三者之間的傳遞函數，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，根據此模型分析結果對主軸箱的結構從熱、疲勞及剛度等角度進行了評估設計，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化設計以減小熱變形，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，根據分析結果，對主軸變形進行了誤差補償得以有效地降低了試驗機床的熱誤差量[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域己經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”結構，具有熱對稱等特性，在結構設計上具有其特殊性，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在2500r/min轉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。

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