小型車銑削復(fù)合機(jī)床主軸熱特性仿真研究

徐洪林

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇鹽城224000）

小型車銑削復(fù)合機(jī)床主軸熱特性仿真研究

徐洪林

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇鹽城224000）

隨著微小型零件在航空航天、核工業(yè)、國(guó)防、汽車以及醫(yī)療器械等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，其精度及復(fù)雜性也越來(lái)越高，因此對(duì)小型機(jī)床的加工精度也提出了越來(lái)越高的要求。結(jié)合小型車銑加工技術(shù)特點(diǎn)，詳細(xì)分析了小型車銑復(fù)合機(jī)床在加工過(guò)程中可能產(chǎn)生的熱源，并利用ANSYS軟件對(duì)其溫度場(chǎng)熱源進(jìn)行了分析，為相關(guān)的工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了理論參考。關(guān)鍵詞：復(fù)合機(jī)床；主軸；熱特性仿真

小型車銑復(fù)合加工中，由于機(jī)床各部件溫升和環(huán)境溫度的擾動(dòng)而引起的熱變形，使裝夾在銑削電主軸上的刀具與裝夾在車削主軸上的工件之間的相對(duì)位置產(chǎn)生變化，從而造成加工誤差。由于車削轉(zhuǎn)速比較低，發(fā)熱量比較小，而銑削電主軸在工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，主軸系統(tǒng)的各部分會(huì)產(chǎn)生不同程度的溫升和熱變形，這也會(huì)對(duì)加工精度產(chǎn)生較大影響。為了改善機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中熱變形對(duì)其加工精度的影響，本文對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的主軸熱源及熱傳遞形式進(jìn)行了分析，以便為今后的工程設(shè)計(jì)改良提供理論參考。

1 熱源分析

高轉(zhuǎn)速高精度電主軸大多采用主軸專用角接觸陶瓷球軸承，電主軸的熱源主要為主軸軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的大量磨擦熱和內(nèi)置高轉(zhuǎn)速電機(jī)的發(fā)熱，這些因素會(huì)影響主軸的溫升和熱變形[1-2]。

（1）軸承摩擦熱

摩擦是機(jī)床產(chǎn)生熱量的一個(gè)重要因素，零件相互接觸且有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)由于摩擦而產(chǎn)生熱量。軸承中的滾珠和滾道間、潤(rùn)滑油脂內(nèi)部都會(huì)有摩擦，特別是軸承與油封間的摩擦能產(chǎn)生大量的熱。

（2）電機(jī)熱

高轉(zhuǎn)速小型電主軸功率一般都相對(duì)比較小，電機(jī)所做的功，最終都轉(zhuǎn)化成熱量，這些熱量一小部分通過(guò)換熱冷等方式排出，其余大部分聚集在主軸內(nèi)部，從而引起了各處的溫度變化。

（3）切削熱

加工過(guò)程中，銑刀與工件間會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，切削產(chǎn)生的熱一部分被冷卻液帶走，一部分被切屑帶走，還有一部分切削熱會(huì)傳給刀具、工件與機(jī)床，造成工件與機(jī)刀具的溫度變化。

（4）冷卻液

電主軸內(nèi)部的冷卻循環(huán)系統(tǒng)起到冷卻潤(rùn)滑的作用，使主軸系統(tǒng)在正常情況下工作。切削過(guò)程中，機(jī)床冷卻液不僅可以冷卻工件與刀具，減少切削熱，還可以起到潤(rùn)滑的作用，改善工件表面與刀具間的摩擦。

（5）環(huán)境溫度的影響

隨著機(jī)床精度的提高，溫度變化對(duì)機(jī)床精度的影響日漸明顯。目前對(duì)機(jī)床加工零件的精度要求越來(lái)越高特別對(duì)于精密機(jī)床來(lái)說(shuō)有時(shí)溫度在相差10度的情況下，加工的零件尺寸就會(huì)超差。

2 主軸系統(tǒng)的傳熱分析

主軸系統(tǒng)的熱分析，一方面是對(duì)發(fā)熱量的分析，另一方面是對(duì)熱傳遞方式的分析[3]。這里主要討論主軸的熱傳遞方式，根據(jù)相關(guān)熱傳遞理論，可以將熱傳遞分為三種形式：熱對(duì)流、熱輻射和熱傳導(dǎo)。熱對(duì)流主要指溫差引起的溫度傳遞，固態(tài)物體表面與之相接觸的流體之間，由于溫差的緣故形成了熱量交換的一種形式，這里主要討論的是傳遞方式。熱輻射主要指物體本身發(fā)射的電磁能引起周邊物質(zhì)的能量吸收，導(dǎo)致熱量之間相互交換，本文的分析不考慮熱輻射的影響。熱傳導(dǎo)主要指物體內(nèi)部不同零部件間的溫差或兩相接觸物體間形成的溫差，導(dǎo)致的內(nèi)部能量的交換，這是物體內(nèi)部間的溫度梯造成的，其影響主要依賴于物體的材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種熱傳遞形式量在其主軸設(shè)計(jì)中就已確定。本文研究的主軸系統(tǒng)主要是對(duì)流散熱包括主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)主軸與空氣的對(duì)流換熱以及軸承與潤(rùn)滑系統(tǒng)的對(duì)流換熱。

主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的熱傳遞主要還應(yīng)考慮主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的軸與空氣間的熱對(duì)流，和軸承與潤(rùn)滑裝置間的熱對(duì)流。

（1）主軸導(dǎo)熱系數(shù)的確定

主軸導(dǎo)熱系數(shù)取決于主軸及與之配合的零部件材料，這里主軸采用3Cr13，主軸軸承內(nèi)外鋼圈采用軸承鋼材料，陶瓷球采用氮化硅。因此，主軸系統(tǒng)的導(dǎo)熱系數(shù)就確定了，主軸系統(tǒng)與之相接觸部分間的熱傳導(dǎo)也就確定了。

（2）主軸與冷卻液間的熱對(duì)流

電機(jī)冷卻套筒與冷卻油間的熱量交換屬于流體間的熱量對(duì)流交換，根據(jù)努謝爾特準(zhǔn)則可以得出對(duì)應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)：

（3）旋轉(zhuǎn)過(guò)程中主軸與空氣間的熱對(duì)流

主軸表面在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定熱量，該熱量引起了主軸與周邊空氣的溫差，從而引起了熱對(duì)流，這種熱對(duì)流是主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，是一種強(qiáng)迫對(duì)流交換。根據(jù)努謝爾特準(zhǔn)則，可以得出相應(yīng)的流換熱系數(shù)：

（4）主軸非旋轉(zhuǎn)零部件表面與空氣間的熱對(duì)流

主軸在進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，與周邊空氣形成了熱對(duì)流交換，引起主軸周邊空氣溫度的不均勻性，使得周邊空氣與主軸的靜止表面也產(chǎn)生了熱對(duì)流現(xiàn)象，這樣主軸的熱量又會(huì)通過(guò)其靜止表面散布到外圍空氣中。

正常環(huán)境溫度下，主軸工作時(shí)靜止表面與周邊空氣的換熱系數(shù)為：

3 主軸溫度場(chǎng)仿真

主軸在高速旋轉(zhuǎn)階段主軸與其軸承間會(huì)產(chǎn)生一定熱量，這熱量值與其主軸的配合位置相關(guān)，不同位置產(chǎn)生的熱量值不同，此外由于與主軸配合的各零部件間材料和結(jié)構(gòu)的不同，產(chǎn)生的導(dǎo)熱系數(shù)也不同，這樣就會(huì)使得主軸產(chǎn)生溫差較大的溫度場(chǎng)，溫差的產(chǎn)生對(duì)其設(shè)備的加工精度就會(huì)有較大影響。當(dāng)主軸溫度過(guò)高時(shí)，軸承的使用壽命就會(huì)有較大影響，從而影響設(shè)備的使用穩(wěn)定性。

溫度場(chǎng)不隨時(shí)間發(fā)生變化的傳熱過(guò)程稱為穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，在該過(guò)程中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化；溫度場(chǎng)隨時(shí)間發(fā)生變化的傳熱過(guò)程稱為瞬態(tài)傳熱過(guò)程，在該過(guò)程中，系統(tǒng)的溫度、熱流率、邊界條件以及內(nèi)能都隨時(shí)間而發(fā)生變化。實(shí)際上，無(wú)論是在自然界還是在工程中，絕大部分的傳熱過(guò)程都屬于瞬態(tài)傳熱過(guò)程。但是工程中，一般假定設(shè)備在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)處于穩(wěn)態(tài)傳熱狀態(tài)。

在PROE中建立電主軸三維簡(jiǎn)化模型，包括主軸抱夾單元、軸體、前后兩組軸承、定子、轉(zhuǎn)子、軸芯及軸承座和鎖緊螺母。為提高仿真效率，避免不必要的分析，首先對(duì)三維模型做一些簡(jiǎn)化。將電主軸的裝配體導(dǎo)入ANSYS中，進(jìn)入熱分析前處理器，根據(jù)主軸的實(shí)際工作情況，在材料數(shù)據(jù)庫(kù)中添加和定義材料屬性。網(wǎng)格劃分模型如圖1所示，主軸外部和內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布仿真結(jié)果分別如圖2、3所示。

圖1 網(wǎng)格劃分

圖2 外部溫度場(chǎng)

圖3 內(nèi)部溫度場(chǎng)

由圖2和圖3可知，主軸外殼表面前后部分溫度相對(duì)較低，而中部溫度相對(duì)較高，主軸內(nèi)部轉(zhuǎn)子鐵芯處溫度最高，前后軸承處次之，而軸承內(nèi)圈又比外圈溫度高。這是由于定子與主軸外殼接觸傳熱，雖然冷卻油可以帶走定子產(chǎn)生的部分熱量，但從轉(zhuǎn)子鐵芯通過(guò)氣隙傳來(lái)的熱量仍使得定子鐵芯中部的溫升較高。軸承轉(zhuǎn)子鐵芯為主要熱源之一，溫度最高約為43°，轉(zhuǎn)子的發(fā)熱在鐵芯處累積，由于轉(zhuǎn)子熱量不能通過(guò)冷卻油直接帶走，導(dǎo)致大部分熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳給軸芯，因而溫升較高。

軸承內(nèi)圈溫度要高于外圈的溫度，這是由于軸承外圈存在冷卻套，同時(shí)與機(jī)體接觸傳熱，所以軸承外圈溫度較低。

[1]張霖，趙東標(biāo)，張建明.微細(xì)切削用小型數(shù)控銑床的研制[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，37（1）：26-29.

[2]曹自洋，李亮.微細(xì)切削加工技術(shù)[J].微細(xì)加工技術(shù)，2006，6（3）：19.

[3]孫雅洲，梁迎春，董申.微小型化機(jī)床的研制[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，37（5）：40-43.

Study on the Thermal Characteristics of the Spindle of the Milling Machine

XU Hong－lin
（Yancheng Bioengineering Higher Vocational and Technical School，Yancheng Jiangsu 224000，China）

With the wide application of micro parts in aerospace，nuclear industry，defense，automotive，medical equipment and other industries，its precision and complexity is also more and more high，so the machining precision of small machine tools also put forward higher requirements.Combined with the technical characteristics of small milling processing，a detailed analysis of the source of small lathemilling machine may be produced during the processing of the heat source，and the temperature field was analyzed by using ANSYS software，to provide a theoretical reference for the related engineering design field.

composite machine tool；spindle；thermal characteristic simulation

TG512

A

1672-545X（2017）03-0025-02

2016-12-24

徐洪林（1973－），男，江蘇鹽城人，本科，高校講師，研究方向：機(jī)械。