基于ANSYSWorkbench的研球機主軸熱態(tài)特性分析

薛會民　田朋

摘 要：以研球機主軸為研究對象，通過三維實體軟件UG對主軸進行幾何建模，利用ANSYS Workbench平臺建立了主軸熱態(tài)特性有限元分析模型，對主軸進行了熱態(tài)特性分析。通過分析，得到了機床主軸溫度場的變化，熱通量大小分布以及熱變形的大小分布，為有效控制主軸熱變形，保證機床的加工精度提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：主軸；熱態(tài)特性；加工精度

引言

隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度加工已逐漸成為現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的主流。在精密機械加工過程中，影響機床加工精度的因素很多，其中，機床主軸一直是影響機床加工精度的關(guān)鍵部件，主軸的轉(zhuǎn)動和摩擦產(chǎn)生的熱會造成主軸的熱變形，而主軸的變形會直接影響機床的加工精度。文章以ANSYS Workbench為平臺，對研球機主軸的熱態(tài)特性進行了分析。

1 主軸有限元模型的建立

該研球機為陶瓷球研磨機床，其主軸組件主要包括主軸、軸承、研磨盤等零件。文章通過UG6.0三維實體軟件對主軸進行了幾何建模，然后通過UG輸出轉(zhuǎn)換文件，導(dǎo)入到ANSYS Workbench分析軟件中。該分析主要是進行的熱應(yīng)力的部分分析，通過采用直接耦合法來求解得出耦合場的分析結(jié)果，即溫度在主軸上的分布和結(jié)構(gòu)的變形。

在ANSYS Workbench中對主軸進行網(wǎng)格劃分，因為軸承所對應(yīng)的主軸部分是發(fā)熱的主要部分和受力處，在主軸轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生較多的熱量，因此對該部位的網(wǎng)格劃分要更加細密。該研球機主軸的有限元模型如圖1所示。

2 主軸的熱源以及穩(wěn)態(tài)熱分布分析

在研球機工作過程中，主軸主要受到兩種熱源：一是周圍環(huán)境的空氣對流以及陽光等一些外在的輻射熱源；二是主軸轉(zhuǎn)動與軸承產(chǎn)生的摩擦發(fā)出的熱。在一般情況下，機床加工通常處于室溫的穩(wěn)定情況，所以，我們主要考慮主軸與軸承在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的發(fā)熱量。

當軸承在高速輕載條件下，M0占主要部分；當軸承在低速重載條件下，M1占主要部分。該分析所用研球機運行過程中主軸轉(zhuǎn)速75r/min，并且?guī)友心グ暹M行運動，主軸工作壓力是25kN，屬低速重載條件，因此在該研球機主軸的摩擦力矩中M1占主要部分。

主軸熱分析時，將軸承的發(fā)熱載荷加于軸承安裝位置，通過計算，可得出前后軸承安裝位置的生熱率。通過熱對流和導(dǎo)熱的經(jīng)驗公式設(shè)定有限元模型的邊界條件，得出溫度載荷，將軸承與主軸摩擦產(chǎn)生的溫度載荷施加到主軸上，如圖2所示：

該分析只是對軸承摩擦產(chǎn)生熱量的分析，主軸的工作情況為常溫條件25℃，轉(zhuǎn)速為75r/min，主軸材料為45鋼，導(dǎo)熱系數(shù)50.2W/（m·K），將上述條件施加到主軸的有限元模型上，通過分析可得出穩(wěn)態(tài)后主軸的溫度分布云圖如圖3所示，熱通量云圖如圖4所示。

從圖3上可以看出，主軸上的溫度分布是從軸端也就是最大負載開始逐級遞減，但是在第一個軸承的安裝處是溫度最高的地方，表明摩擦對溫度變化的影響，而且第一軸承處溫度遠遠高于第二個軸承處的溫度。從圖4中可以看出，在不考慮其它發(fā)熱源的情況下，第二軸承處單位時間單位面積流過的熱量是最多的，這是因為該處摩擦產(chǎn)生的熱量比較多而軸徑相對較小而產(chǎn)生的。

3 主軸熱變形的計算與分析

主軸的變形通常是由于多方面的原因造成的，對于精密加工機床，主軸的熱變形是影響主軸回轉(zhuǎn)精度的一項重要因素。主軸的熱變形，一般可通過下面的公式進行估算。

文章通過有限元分析軟件ANSYS Workbench，根據(jù)經(jīng)驗公式求出一些列主軸的加載條件，然后作為邊界條件加載在主軸上，求解得出主軸的溫度場如圖3溫度分布云圖。根據(jù)該主軸的溫度分布云圖，同樣可以在ANSYS Workbench中可模擬分析出主軸的熱變形云圖，如圖5所示。

對比理論估算和有限元分析的結(jié)果，可以看出兩者變形量之間雖有一定誤差，但變形情況基本一致。從熱變形圖可以看出，在主軸達到熱平衡時，主軸的兩端均有較大的變形，尤其是主軸的前端（即負載研磨盤的軸端）變形最大，它直接影響主軸運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，進而影響機床的加工精度，應(yīng)采取措施加以改進。

4 結(jié)束語

文章通過ANSYS Workbench有限元分析軟件，構(gòu)建了主軸的熱態(tài)特性有限元模型，分析了主軸的熱源及主軸的溫度場，得出了主軸的溫度分布云圖，主軸上前軸承處溫升最高，云圖反映了主軸運動過程中發(fā)熱量的產(chǎn)生和負載帶來的影響。對于主軸的熱變形，有限元分析與理論計算基本一致，主軸在前端變形量最大，影響著機床的加工精度。分析結(jié)果對優(yōu)化主軸結(jié)構(gòu)控制主軸的熱變形提供了理論依據(jù)。

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