2017年5月23日

鏜銑加工中心主軸部件熱特性分析之總結(jié)與展望

第六章總結(jié)與展望6.1本文總結(jié)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(jìn)行熱特性分析建模，得到其溫度場分布以及熱應(yīng)變等數(shù)據(jù)，接下來通過主軸箱跑車試驗(yàn)驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的正確性，同時(shí)也為進(jìn)一步進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償以及冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。本文進(jìn)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(nèi)外研宄現(xiàn)狀進(jìn)行了分析總結(jié)，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(jìn)行了介紹。(2)從理論分析的角度，探宄了有限元方法的應(yīng)用以及基本思想，對熱傳導(dǎo)、熱對流以及熱輻射等傳熱學(xué)基本規(guī)律進(jìn)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(jìn)行了推導(dǎo)計(jì)算，對熱變形的有限元分析理論進(jìn)行了探宄，為建立溫度場后進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析做準(zhǔn)備。(3)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；通過模型簡化等手段對其進(jìn)行了優(yōu)化，并且應(yīng)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；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(jì)算發(fā)熱量作為主軸熱特性分析的外加載荷，計(jì)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。(4)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(shí) 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(yàn)證了 TH6213鏜銑加工中心主軸箱的熱對稱結(jié)構(gòu)。(5)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(gè)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(yàn)證了 ZF減速箱工作的可靠性。(6)通過主軸箱溫度測量試驗(yàn)，與有限元仿真分析結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證有限元建模以及仿真分析的正確性；探宄誤差產(chǎn)生原因，修正有限元模型、邊界條件，建立適應(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。6.2展望本論文開展的研宄是以蘇州江源精密機(jī)械有限公司與意大利共同合作研發(fā)的 TH6213臥式鏜銑加工中心項(xiàng)目為基礎(chǔ)。通過對機(jī)床主軸組件進(jìn)行熱特性研宄取得了一些成果，得到主軸達(dá)到熱平衡的溫度曲線、溫度場云圖以及熱應(yīng)變場云圖，將主軸各部位溫度變化以及應(yīng)變量進(jìn)行量化，為熱誤差的補(bǔ)償、冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及進(jìn) 一步的提高機(jī)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(shí)，也存在了一些問題：(1)TH6213臥式鏜銑加工中心主軸冷卻系統(tǒng)采取的是間歇噴發(fā)的油氣冷卻，而在有限元仿真中，在邊界條件的設(shè)置時(shí)，是根據(jù)冷卻油的流量將其等效為持續(xù)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(gè)系統(tǒng)在熱特性的表現(xiàn)上并不一定也是等效的，二者之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系需要進(jìn)一步探宄。(2)主軸系統(tǒng)熱源發(fā)熱量的計(jì)算以及邊界條件的計(jì)算非常復(fù)雜，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，發(fā)熱量就需要重新計(jì)算，一個(gè)簡化的計(jì)算過程，方便快捷的轉(zhuǎn)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(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，并沒有對主軸箱熱應(yīng)變進(jìn)行試驗(yàn) 驗(yàn)證，這是因?yàn)闉榱酥庇^地觀察主軸箱組件在熱源作用下的熱應(yīng)變，仿真分析在熱- 結(jié)構(gòu)耦合分析時(shí)，并沒有將重力加載到主軸箱上，而在實(shí)際情況中，主軸箱應(yīng)變是在自身重力、機(jī)床震動以及熱源等因素綜合作用下的結(jié)果。進(jìn)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(yīng)力場，并進(jìn)行應(yīng)力場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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