鏜銑加工中心主軸部件熱特性分析之總結與展望
第六章總結與展望6.1本文總結本文將TH6213臥式鏜銑加工中心主軸以及主軸箱部件作為研宄對象，通過CAD 建模以及有限元分析方法，分別對主軸部分以及減速箱部分進行熱特性分析建模，得 到其溫度場分布以及熱應變等數據，接下來通過主軸箱跑車試驗驗證有限元分析結果 的正確性，同時也為進一步進行熱誤差補償以及冷卻系統的結構優化設計提供了理論 依據。本文進行的主要工作以及取得的成果如下：(1)對軸承摩擦力矩及熱特性、主軸及主軸箱熱特性的國內外研宄現狀進行了 分析總結，指出了本文研宄的意義；對課題來源以及TH6213臥式鏜銑加工中心進行 了介紹。(2)從理論分析的角度，探宄了有限元方法的應用以及基本思想，對熱傳導、 熱對流以及熱輻射等傳熱學基本規律進行了探宄，對熱傳遞微分方程、邊界條件以及 溫度場微分方程等進行了推導計算，對熱變形的有限元分析理論進行了探宄，為建立 溫度場后進行熱-結構耦合分析做準備。(3)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 過模型簡化等手段對其進行了優化，并且應用整體劃分、局部細化的方法對模型進行 了有限元網格劃分；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。(4)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。(5)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。(6)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；探宄誤差產生原因，修正有限元模型、邊界條件，建立 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。6.2展望本論文開展的研宄是以蘇州江源精密機械有限公司與意大利共同合作研發的 TH6213臥式鏜銑加工中心項目為基礎。通過對機床主軸組件進行熱特性研宄取得了 一些成果，得到主軸達到熱平衡的溫度曲線、溫度場云圖以及熱應變場云圖，將主軸 各部位溫度變化以及應變量進行量化，為熱誤差的補償、冷卻系統的優化設計以及進 一步的提高機床加工精度提供了重要參考。在取得了一定的研宄成果的同時，也存在 了一些問題：(1)TH6213臥式鏜銑加工中心主軸冷卻系統采取的是間歇噴發的油氣冷卻，而 在有限元仿真中，在邊界條件的設置時，是根據冷卻油的流量將其等效為持續的油冷 卻，雖然在冷卻油的流量上二者是一致的，但是這兩個系統在熱特性的表現上并不一 定也是等效的，二者之間的轉化關系需要進一步探宄。(2)主軸系統熱源發熱量的計算以及邊界條件的計算非常復雜，當轉速變化時， 發熱量就需要重新計算，一個簡化的計算過程，方便快捷的轉化渠道能夠大大提高工 作效率。(3)本文只對主軸箱溫度場進行了試驗驗證，并沒有對主軸箱熱應變進行試驗 驗證，這是因為為了直觀地觀察主軸箱組件在熱源作用下的熱應變，仿真分析在熱- 結構耦合分析時，并沒有將重力加載到主軸箱上，而在實際情況中，主軸箱應變是在 自身重力、機床震動以及熱源等因素綜合作用下的結果。進一步的仿真研宄可以建立 主軸箱整體在各種因素綜合作用下的應力場，并進行應力場實驗驗證。