镗铣加工中心主轴部件热特性分析之课题来源与主要研究内容
1.4课题来源与主要研究内容1.4.1课题来源本论文课题以卧式镗铣加工中心主轴及主轴箱部件为研宄对象。该款机床研发项目被列为2011年度江 苏省工业支撑项目以及2014年度江苏省重大科技成果转化项目。1.4.2 TH6213卧式镗铣加工中心简介TH6213卧式镗铣加工中心主要加工对象为大型的复杂零件，可以通过连续的铣、 镗、钻、攻丝、铰等加工工序完成对加工零件的面、台阶、孔、三维曲线以及复杂图 形的加工。具有高精度、高稳定性以及高效的特点，可以广泛应用于航空航天、船舶 制造、汽车、军工、电力设备、锻压设备、模具、能源以及矿山设备等行业中。TH6213 立柱所采用的是框架式封闭结构，空腔内设置了较多的横向和纵向加强筋，在减轻床 身自重的同时，也保证了立柱的抗扭强度，主轴箱头部采用方形设计，提高了强度和 刚度。主轴箱体采用铸铁材料，选用了四导轨接触的热对称机械结构，安装在同样具 有热对称结构的立柱中央。竖直导轨选用德国大尺寸重载直线滚动导轨。该加工中心 的部分技术参数见下表1.1: 表1.1 TH6213卧式镗铣加工中心部分技术参数 项目 参数 单位 主轴箱行程（Y轴） 2000 mm 立柱行程（Z轴） 1600 mm 镗杆直径 130 mm 主轴******速度 4000 rpm 主轴锥孔 BT50 ISO ******功率 37 kW ******扭矩 1580 Nm 1.4.3本文主要工作及研究内容本文主要对TH6213卧式镗铣加工中心主轴及其关键功能部件的热源进行了发热 规律的分析、发热量的定量计算、边界条件的确定、有限元仿真模型的建立以及简化 等，并借助有限元分析软件对其热特性进行了仿真分析，得到其稳态、瞬态温度场分 布、热应变量等数据，最终通过主轴箱跑车实验对温度场进行了定点温度测量，对温 度场分析结果进行了试验验证，一方面证明了有限元建模的正确性以及方法的可行性，为机床热误差的补偿以及主轴冷却系统的优化设计提供理论依据；另一方面，对 镗铣加工中心有限元仿真模型进行修正，以建立能在机床在不同转速下，快速准确进 行仿真分析的有限元模型。主要工作内容如下：(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 过忽略细小特征、简化次要零件等模型简化手段对其进行了优化，并且应用六面体网 格划分手段，采用整体划分、局部细化的方法对模型进行了有限元网格划分；在主轴 轴承的建模过程中，通过对转速的计算，将工作状态的滚珠等效简化为环，有效减少 了网格数以及节点数，实现了对模型的改进。(2)分析了主轴及其部件的发热规律，确定了主要热源一主轴轴承；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°C，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一结构 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******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******变形量11.9[〇m小于机床平面加工精度要求50[〇m，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35pm小于 额定间隙60pm，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；修正有限元模型、边界条件，建立了适应不同转速的能 够快速进行仿真模拟的热特性分析模型。本文总共分为第一章到第六章：第一章主要对课题的国内外研宄现状进行分析总 结，介绍课题来源以及背景，指出课题的研宄意义；第二章从理论分析的角度，对传 热学的一些基本规律进行了简单的介绍，主要涉及热源的种类、热传导方式以及传热 方式计算定律等；第三章主要研宄加工中心主轴组件，通过热源发热量计算、边界条 件计算等，进行主轴温度场有限元分析，得到温度场稳态、瞬态以及热变形等仿真计 算结果；第四章将机床ZF减速箱作为研宄对象，得到其温度场分布云图及热变形结 果；第五章将主轴箱整体（包含主轴、ZF减速箱以及主轴箱箱体）作为研宄对象， 对其热特性进行分析，并进行了跑车实验，通过主轴箱温度测量试验验证主轴箱温度 场模拟的正确性，同时分析误差产生的原因；第六章总结全文，对下一步工作的研宄 重点进行展望。1.5本章小结本章主要对本论文课题的国内外研宄背景及现状进行了概括，对课题研宄的意义 进行了探宄，并介绍了课题来源，最后对本文开展的主要工作以及论文结构进行了概括。