加工中心皮帶軸熱力學(xué)仿真分析*

何 強，李安玲，葉 軍

(1.安陽工學(xué)院 機械工程學(xué)院，河南 安陽 455000;2.洛陽軸承研究所，河南 洛陽 4710393;3.清華大學(xué) 航天航空學(xué)院，北京 100084)

0 引言

皮帶軸是加工中心關(guān)鍵部件之一，皮帶軸工作時，主軸內(nèi)部熱源主要由軸承的高速旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生熱量，主軸各個部分會產(chǎn)生不同程度的溫度變化。當(dāng)溫度上升后，主軸和機床其他部件的空間相對位置和尺寸都將與開機前有所不同，因而形成不同的溫度場，產(chǎn)生熱交換，如不及時對主軸系統(tǒng)進行冷卻，必將對精密部件產(chǎn)生不同程度的熱變形，導(dǎo)致加工誤差［1］。尤其是高速主軸，熱變形引起的誤差尤為突出［2］。目前國內(nèi)外研究主軸系統(tǒng)熱態(tài)特性的學(xué)者較多如:韓國學(xué)者Jin Kyung Choi 等［3］用大型有限元軟件ANSYS 分析了五軸加工中心的主軸軸承熱態(tài)特性，分析結(jié)果與實驗所得數(shù)據(jù)相近，研究結(jié)果表明:如果選用合適的主軸傳熱系數(shù)，則有限元法是主軸系統(tǒng)熱態(tài)分析的合適工具。美國BernBossnns 和JayTu 教授［4］提出了一個有限差分模型來描述高速電主軸能量分布，分析了電主軸的傳熱機制，特別是熱傳遞的特性，進一步提出了高速電主軸的能量流動模型，并分析了主軸發(fā)熱的定量特性，通過定制的高性能磨床電主軸證實該模型正確性。韓國的Sun-Min Kim 等［5］對高速電主軸軸承的熱態(tài)特性進行了詳細的研究，研究了軸承預(yù)緊力、軸承熱變形、過盈等的變化，提供了一個簡單仿真方法。

綜上所述，目前國內(nèi)外主要研究為電主軸，而高速皮帶軸較少。本文以高速加工中心皮帶軸為研究對象，通過有限元分析軟件，建立了高速加工中心皮帶軸三維模型，分別對主軸以及軸承進行瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)熱分析，了解主軸整體的溫度分布情況。通過本文分析和計算，為高速加工中心皮帶軸提供一種理論分析以及仿真方法，使設(shè)計者可以根據(jù)發(fā)熱量計算預(yù)測皮帶軸的溫升，為加工中心皮帶軸優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1 皮帶軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)

本文加工中心皮帶軸簡介:主軸用于立式加工中心，主軸錐孔為BT50，主軸拉刀為四瓣爪式拉緊，拉刀力為13000 ±1000N，主軸轉(zhuǎn)速4500rpm，前軸承為4 套NSK-7017C/P4 角接觸軸承預(yù)壓負荷為1100N，后軸承為2 套NSK-7015C/P4 角接觸軸承預(yù)壓負荷為700N，碟簧為90 片，三片疊合后再對合，預(yù)壓11mm，帶刀打刀行程8mm，空刀打刀行程11mm，軸承內(nèi)填NBU15 潤滑脂，循環(huán)水冷。圖1 是試驗用加工中心皮帶軸剖面圖。

圖1 皮帶軸結(jié)構(gòu)簡圖

2 電主軸熱分析的熱載荷及對流系數(shù)的選取

本文皮帶軸熱分析是在室溫下，不考慮周圍環(huán)境之間的熱傳遞。對于主軸系統(tǒng)來說，熱量主要由前后軸承的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，生熱率q 是指熱源單位體積的發(fā)熱量，如下式所示:

式中:Q—熱源的發(fā)熱量計算方法見參考文獻［6－9］，W;

V—熱源的體積，m3。

軸承生熱率的計算結(jié)果如下表1 所示:

表1 軸承生熱率計算

3 有限元模型

根據(jù)建立有限元模型的基本原則建立加工中心皮帶軸的有限元模型，在建立有限元模型時，對加工中心皮帶軸的發(fā)熱體軸承部分進行簡化，把軸承和隔墊當(dāng)做一個整體，選用同樣的材料，這樣有利于進行分析。如圖2 所示是沒有簡化前的后軸承和隔墊的裝配圖，圖3 所示是簡化后的后軸承的裝配圖。

圖2 簡化前的后軸承裝配圖

對模型簡化后得到主軸和軸承的裝配圖，裝配圖如圖4 所示。

對模型簡化后利用SolidWorks 的有限元軟件Simulition 對模型進行網(wǎng)格劃分，同時為了更好的進行分析，對軸承局部網(wǎng)格細化處理。利用“生成網(wǎng)格”命令將建立好三維模型的生成網(wǎng)格。網(wǎng)格選取標準網(wǎng)格，網(wǎng)格單元大小為12.13mm，公差為0.60mm，雅可比點為4 點:對軸承局部進行網(wǎng)格細化處理。利用網(wǎng)格控制命令對軸承局部進行網(wǎng)格細化處理，細化處理后的部分網(wǎng)格單元大小為3.5mm，比率大小為1.5，有限元模型共有20674 個單元，35342個節(jié)點。如圖5 所示。

圖4 主軸與軸承裝配圖

圖5 軸系部分網(wǎng)格劃分

4 主軸穩(wěn)態(tài)熱分析時結(jié)果分析

電主軸的穩(wěn)態(tài)熱分析在以下條件下進行:

(1)環(huán)境溫度為T=25℃;

(2)電主軸轉(zhuǎn)速為n=4500r/min。

將計算所得的熱量，初始邊界條件和接觸熱阻加載到軸系三維模型上，得到加工中心皮帶軸軸系的穩(wěn)態(tài)溫度場分布情況，如圖6 所示。

圖6 皮帶軸系溫度場分布圖

從圖6 可得出:整個軸系中，前、后軸承溫度高于整個主軸的溫度前軸承最高溫度為318.2K，即45℃，后軸承最高溫度為316.5K，即43.4℃，前后軸承最高溫度都在的工作溫度范圍內(nèi)，兩者相對環(huán)境溫度(25℃)的溫升分別為20℃和18.4℃，溫升小于25℃符合國標。該加工中心皮帶軸由于采用的是脂潤滑，軸承高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生摩擦，進而轉(zhuǎn)換為熱量，而軸承本身由密封圈封閉空間更小，無法與周圍空氣直接接觸對流，主要傳熱方式以輻射傳熱和循環(huán)冷卻水為主，因此軸承處的溫度也比較高。又因為軸承外圈有循環(huán)水能帶走熱量，所以軸承產(chǎn)生最高溫度的部位在內(nèi)圈處。而前軸承由于承受較大的磨削力，故而它的溫升略高于后軸承。

由最高轉(zhuǎn)速軸系溫度場分布圖可知，前后軸承的溫升符合國標要求，且前后軸承的溫差較小，不容易造成軸承不同的徑向跳動，可以穩(wěn)定的保持主軸單元的精度，因此該加工中心皮帶軸設(shè)計合理。

5 結(jié)束語

采用有限元分析方法，借助Solidworks 分析軟件，對加工中心皮帶軸進行了深入的熱態(tài)分析，得到了加工中心皮帶軸溫度場分布情況，仿真結(jié)果顯示，該皮帶軸前后軸承溫升在合理范圍之內(nèi)，散熱性較好，前后軸承溫差不大，該仿真結(jié)果可為加工中心皮帶軸結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)以及重要參考。

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