镗铣加工中心主轴部件热特性分析

发布时间：2017-09-13 02:01

  本文关键词：镗铣加工中心主轴部件热特性分析

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【摘要】：工业发展水平的不断提高,为机床行业的发展带来了新的机遇,也带来了新的挑战。高精密数控机床已经占据了我国制造业以及其他相关行业的基础地位。机床的加工精度主要通过减小加工误差来实现。在减小加工误差的研究过程中发现,机床热变形误差在机床总加工误差中占据了相当大的比重。所以,探究如何降低机床的热变形误差就显得十分重要。主轴及其部件是卧式镗铣加工中心的核心组成部分,而它在热源作用下的热特性,直接影响到机床的加工精度。所以,对机床主轴部件进行热特性分析,对减小加工误差,提高机床加工精度具有重要的理论以及工程应用价值。本文以TH6213卧式镗铣加工中心的主轴箱及其关键功能部件为研究对象,借助有限元分析方法,通过热源分析、发热量计算以及数值模拟,得到主轴、ZF减速箱、主轴箱的稳态、瞬态温度场分布以及相应热变形量大小,结合实际温度测量跑车试验为主轴部件结构的优化设计以及热误差的补偿提供依据。本文主要工作如下:1.建立了镗铣加工中心主轴及其关键功能部件的热特性分析有限元模型;通过模型简化等手段对其进行了优化,并且应用整体划分、局部细化的方法对模型进行了有限元网格划分。2.分析了主轴及其部件的发热规律,确定了主要热源—主轴轴承;计算发热量作为主轴热特性分析的外加载荷,计算模型各对流表面的对流换热系数作为有限元分析的边界条件。3.对主轴、ZF减速箱以及主轴箱整体进行温度场有限元仿真分析,得到温度场分布以及稳态、瞬态温度场变化规律:从稳态分析结果可以得出系统达到热平衡时的温度场分布;从主轴瞬态温度变化曲线中可以得出,主轴系统温度曲线平滑,初始温度变化率较大,逐渐趋于平稳,约在9600s左右达到热平衡;各主轴轴承位置温度最高达45.456℃,出现在负载最高的三号轴承位置;而对称温度场分布则验证了TH6213镗铣加工中心主轴箱的热对称结构。4.结合温度场分析结果,对主轴、ZF减速箱以及主轴箱整体进行了热—结构耦合分析,得到其热变形。通过主轴各部位形变量可以看出,主轴最大变形产生在镗杆末端与转接部件连接部分,而主轴在这个方向上自由变形可以有效降低变形对加工精度的影响;而主轴端面最大变形量11.9μm小于机床平面加工精度要求50μm,保证了主轴端面加工精度;从ZF减速箱变形可以得出,齿轮啮合位置变形35μm小于额定间隙60μm,验证了ZF减速箱工作的可靠性。5.通过主轴箱温度测量试验,与有限元仿真分析结果进行对比,验证有限元建模以及仿真分析的正确性;探究误差产生原因,修正有限元模型、边界条件,建立适应不同转速的能够快速进行仿真模拟的热特性分析模型。TH6213卧式镗铣加工中心热特性分析有限元模型的建立,能够快速对机床不同转速下的热特性进行准确的仿真模拟,分析结果可为机床本身热误差的补偿以及主轴冷却系统的优化设计提供了依据。
【关键词】：卧式镗铣加工中心 主轴箱 有限元法 热特性
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG659
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 引言11
• 1.2 课题研究背景及意义11-13
• 1.3 机床主轴箱热特性的国内外研究现状13-17
• 1.3.1 主轴的轴承摩擦力矩及热特性研究现状13-15
• 1.3.2 主轴及主轴箱热特性研究现状15-17
• 1.4 课题来源与主要研究内容17-21
• 1.4.1 课题来源17
• 1.4.2 TH6213 卧式镗铣加工中心简介17-18
• 1.4.3 本文主要工作及研究内容18-21
• 1.5 本章小结21-22
• 第二章 机床有限元分析应用以及传热学基本定律22-33
• 2.1 有限单元法简介22-23
• 2.1.1 有限元技术的国内外应用现状22
• 2.1.2 有限元法的基本思想22-23
• 2.2 热传递基本理论23-25
• 2.2.1 热传导基本概念及定律23
• 2.2.2 热对流基本概念23-25
• 2.2.3 热辐射基本概念25
• 2.3 热传递有限元分析理论25-29
• 2.3.1 热传递微分方程25-26
• 2.3.2 热传递边界条件26-27
• 2.3.3 温度场微分方程27-29
• 2.4 热变形有限元分析理论29-32
• 2.4.1 热膨胀、热应力及热应变29-30
• 2.4.2 热应变微分方程30-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第三章 镗铣加工中心主轴箱部件有限元建模及热特性分析33-61
• 3.1 机床主轴三维建模33-35
• 3.2 TH6213 机床主轴热源分析35-39
• 3.2.1 机床主轴轴承摩擦力矩的计算36-39
• 3.2.2 机床主轴轴承对流换热系数的计算39
• 3.3 机床主轴轴承温度场的建立及有限元分析39-44
• 3.3.1 SEB 170 角接触球轴承的有限元分析建模39-41
• 3.3.2 SEB 170 角接触球轴承的有限元温度场结果与分析41-44
• 3.4 TH6213 机床主轴温度场分析44-53
• 3.4.1 主轴有限元模型的建立44-45
• 3.4.2 主轴热载荷与边界条件的确定45-49
• 3.4.3 机床主轴温度场分布及分析结果49-53
• 3.5 机床主轴热应变分析结果53-60
• 3.6 本章小结60-61
• 第四章 机床ZF变速箱有限元建模及温度场分析61-73
• 4.1 TH6213 主轴ZF变速箱机构以及齿轮副建模分析61-65
• 4.1.1 TH6213 主轴ZF变速箱结构61-63
• 4.1.2 ZF箱斜齿轮在啮合过程中的受力63
• 4.1.3 齿轮啮合产生的摩擦热流量的计算63-64
• 4.1.4 齿轮啮合面的对流换热系数的计算64-65
• 4.2 TH6213 主轴ZF箱温度场分析65-68
• 4.3 TH6213 机床ZF减速箱热变形分析68-72
• 4.3.1 ZF箱热变形分析68-70
• 4.3.2 ZF减速箱啮合齿轮及齿轮轴热变形分析70-72
• 4.4 本章小结72-73
• 第五章 机床主轴箱整体热特性分析及实验验证73-83
• 5.1 主轴箱热特性分析73-76
• 5.1.1 主轴箱温度场的建立73-74
• 5.1.2 主轴箱箱体温度场分析及热变形74-76
• 5.2 试验系统结构以及检测原理76-77
• 5.3 机床主轴箱整体温度场实验与仿真结果对比77-82
• 5.4 本章小结82-83
• 第六章 总结与展望83-85
• 6.1 本文总结83-84
• 6.2 展望84-85
• 参考文献85-90
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文90-91
• 致谢91-92

【参考文献】

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本文编号：840844