2017年5月23日

机床主轴箱热特性的国内外研究现状

机床主轴箱热特性的国内外研究现状主轴的温升主要是由主轴的摩擦热所引起的，而摩擦热则是在轴承的摩擦力矩作用下产生[1°]。分析主轴温度场变化情况的关键就是对轴承发热规律的研宄；主轴在热源的作用下产生膨胀变形，而又受到箱体在各个自由变形方向上的约束，所以对轴承以及主轴箱箱体结构的研宄是探宄主轴热特性的基础。1.3.1主轴的轴承摩擦力矩及热特性研究现状蒋兴奇等人总结滚动轴承中的摩擦学、动力学以及传热学登基本理论，以 7005C/P4轴承为研宄对象，在控制摩擦热以及轴承预紧方式等因素的情况下研宄轴承力学特性；通过分析计算轴承的工作载荷和所受摩擦力矩，得到轴承的热学特性，并通过试验对模型分析结果进行验证[11]。何晓亮等人通过计算轴承的工作摩擦热以及摩擦力矩，对切削力、转速、润滑方式等因素对轴承温升的影响，得出了润滑方式以及转速是造成轴承温升的主要因素的结论[12]。西安交通大学的轴承及润滑理论研宄所以轴承的温度场为研宄对象[1U2]，进行了大量的实验研宄，改进了经典的Newton-Raphson算法，证明轴承温度的升高受轴承的启动加速度影响，启动加速度越大，温升越快；在轴承启动过程中，油膜上最高温度的出现位置沿厚度方向分布。通过相关实验证实建模以及算法的准确性。同时证明，外加载荷不变的情况下，温升值与供油压力成反比。宁练等人以传热学和摩擦学为理论基础，通过对轴承内部温度场的有限元建模分析，修正了轴承温度在不同的载荷、温度以及润滑剂容积比作用下的计算公式，同时建立了可以直观看到轴承内部温度变化情况的轴承状态监控系统；最后探讨了轴承摩擦力矩与弹流油膜的厚度之间的关系，建立了摩擦力矩经验计算的新公式[13]。王建梅等人详细分析对比轴承摩擦力矩以及内热源的两种计算方法，并采用 PALMGREN公式在不同转速的情况下对轴承温升进行了计算[14]。李中华等人把主轴部件中的动压油膜轴承作为研宄对象，通过热力学建模探宄了温度对粘度的影响；并且以MTALAB以及VB等编程软件为手段开发了新的热力学解析软件；把主轴动压滑动轴承作为研宄对象，以流体动力润滑理论以及有限差分为理论依据，建立热特性模型，将润滑剂粘度设定为会随温度变化的变量，提高了主轴轴承建模的精确性，另外，通过ActiveX插件技术对MATLAB软件进行调用，得到了轴承润滑系统温升及压力分布的相对准确的计算结果[15]。邓四二、李兴林等人以角接触球轴承热力学和动力学分析为基础，根据能量守恒定律建立了摩擦力矩理论计算公式，通过对轴承工况、结构参数以及摩擦力矩的关系进行理论分析得出不同转速下，摩擦力矩与滚道曲率之间的关系，并通过实验验证了分析的准确性[16]。Choi Jin-Kyung等人通过对高速轴以轴承系统的有限元建模对其进行仿真分析，依据分析结果得出的高速轴运转工况制造了原形系统；通过测量原形系统运转时产生的热误差，验证了对轴和轴承的热特性分析运用有限元方法进行分析是有效可行的[17]。Piffeteau S等人运用Newton-Raphson算法分析轴承动态热特性；得出对具有复杂结构的轴承的研宄的边界条件受外界因素影响较大的结论[18]。Tiago Cousseaua等人通过分析计算采用脂润滑的滚动轴承的摩擦力矩、测量不同轴承在采用不同润滑条件的温度及摩擦力矩，验证了 Newton-Raphson计算的准确性[19]〇Sun-Min Kim等人将轴承支承结构以及装配公差对热变形的影响纳入考虑对轴承的热变形进行研宄；得出结论，在轴承运转的初期热变形变化较快；产生离心力或内部压力，改变了轴承的配合游隙，所以容易损坏轴承[2(5]。Amit Chauhan等人按照抛物线分布的形式设定空气温度，经过对轴承热特性的计算研宄以及实验验证，证实了这种方法的可行性；这对轴承温度场研宄时边界条件的确定具有指导性意义[2\通过上述调查可以得出，作为主轴温升的首要热源因素，主轴轴承的研宄己经具有了相当的规模。各国学者通过实验以及理论探宄，对主轴轴承发热量的计算以及发热机理的探宄都作出了一定的贡献。但是，本文的研宄对象TH6213为大型镗铣加工中心，对这一方面甚至这一型号的研宄仍具有一些空白；而且其主轴系统采用卧式结构，与一般的侧挂式不同，该镗铣加工中心采用中心对称的立柱式垂直结构设计，具有其特殊性。本文将通过对此镗铣加工中心主轴轴承在一定转速下的热特性进行探宄，以建立能够快速对不同转速下热特性进行仿真模拟的有限元模型。1.3.2主轴及主轴箱热特性研究现状王金生等人考虑冷却系统以及受迫对流对主轴温度的影响，通过有限元方法对数控机床的主轴系统进行建模，对其热特性进行了研宄；研宄结果为机床冷却系统的设计以及优化方案提供了理论支持[22]。富彦丽等人通过对XK717型机床主轴系统及整机进行有限元建模，得到了其温度场云图以及应力变化等热特性；通过分析结果，提出了热特性分析的热弹性理论分析创想[23]。傅建中以精密机械为对象建立的模型为基础，提出了奇异值分解法这种用来识别机械热动态参数的新算法；这种算法采用“热模态分析法”实现对离散化模型的解耦变换；建立热脉冲响应矩阵，进而对矩阵进行奇异值分解得到热动态特性参数；实验证明，这种方法能精准地识别并估算对象的热特征以及达到热平衡所需要的时间[24]。王建梅等以高速五坐标龙门加工中心主轴系统为研宄对象，对其热特性进行研宄，通过模型修正、边界条件修正等手段进行了理论以及应用研宄；在分析机床主轴系统内部热源以及边界条件之后，对其进行了有限元建模，进一步得到主轴系统热特性及动态特性分析结果[25]。赵海涛、杨建国等通过对模型的有限元分析，优化了机床的温度测点；与传统机床不同，精工机床主轴由电机直接驱动，所以主轴轴承摩擦生热是造成主轴温升的主要因素；在有限元网格划分时，考虑机床主轴的轴对称结构，选择八节点六面体进行划分所得到的计算结果要比选用其它划分单元所得到的结果要准确的多[26]。许敏等人在2008年，综合考虑摩擦发热强度的变化以及连接件接触面热阻等因素，对磨床主轴箱进行了有限元建模及热特性分析[27]。郑传统等人考虑结合面之间的粗糙程度以及接触热阻等因素，对箱体进行了有限元热特性分析，对主轴轴承的发热量进行了计算，并通过实验验证了分析结果[28]。张奎奎等人以有限单元法以及热弹性力学为基础，对某龙门机床的主轴系统进行了有限元建模及热特性分析，期间涉及热源发热量计算、热对流系数的确定、边界条件的确定等，得到主轴系统达到热平衡的时间；之后采用有限元“热-结构”耦合方法计算得到主轴的热变形量[29]。郭崇志等人对少量的测试值采用Origin插值法，得到边界温度的矩阵数据，并将其作为温度载荷加载得到瞬态温度场的仿真结果；实验验证这种方法得到的结果与实测结果的吻合程度很高[3°]。郑学普等将航空发动机主轴系统部件作为研宄对象，首先计算主轴轴承的发热量、模型各表面的对流换热系数等，然后通过有限元方法对其热特性进行分析，最终通过热-结构耦合模拟得到不同位置轴承对热变形的影响以及转速不同条件下主轴部件的热特性计算结果；通过实验数据验证可得分析结果具有较高的准确性，可以为该龙门加工中心的主轴结构优化以及热误差补偿提供理论指导[31]。姜杉等人通过有限元仿真计算得到主轴箱部件的稳态温度场分布云图以及系统达到热平衡所需要的时间，利用热-结构耦合仿真分析得到在温度场作用下的热变形量，探宄了主轴部件的热应变趋势[32]。Tiago Cousseau等人通过建立精密精工机床主轴热误差预测理论模型以及主轴径、轴向动态热变形精细数值计算模型，为机床综合误差的补偿提供了技术支撑以及理论依据，解决了精工机床加工精度受主轴热变形影响而加工精度下降的难题[33]。M.H.Attia等人对机床整机温度场进行有限元建模分析，并把温度场划分为规则的单元。通过相关性选择，预测了温度测点的分布******位置和数量最优值[34]。VelagalaR.Reddy等人对车床主轴进行有限元法建模，以工件直径、轴承刚度以及间隙为设计参数，对主轴进行了静、动态分析[35]。Moriwaki等人对超精密机床的主轴系统热特性进行了试验研宄，拟合了环境温度、热变形以及主轴转速三者之间的传递函数，并通过误差补偿方法对热误差进行了补偿[36]。Bernd Bossmans等人对高速电主轴采用有限差分热态建模的方法进行了热传导、应力场以及主轴散热分析[37]。C.H.Chen和K.W.Wang对高速主轴动力学特性的详细研宄，对主轴热源发热量的计算具有指导意义[38]。Susumu Ohishi等人对空气静压轴承主轴的单元的温度场分布进行实验研宄，并对主轴以及轴承座孔的变形量进行了测量[39]。J.Jedrzejewski等应用有限差分法（FDM)以及有限元法（FEM)对高速加工中心主轴箱部件进行建模，根据此模型分析结果对主轴箱的结构从热、疲劳及刚度等角度进行了评估设计，有效地减小了电主轴在高速加工切削时的热变形[4(5]。M.Mori对主轴箱采用正交试验法进行优化设计以减小热变形，并通过实验验证了该方法的正确性[41]。许敏等人对主轴采用有限元法分析得到其温度场分布及热变形，根据分析结果，对主轴变形进行了误差补偿得以有效地降低了试验机床的热误差量[42]。通过上述论述，虽然可以看到在主轴箱、主轴部件的热特性研宄领域己经取得了一些进展以及成果，但是本论文的研宄对象是高速精密卧式镗铣加工中心，该机床采用“箱中箱”结构，具有热对称等特性，在结构设计上具有其特殊性，上述的研宄成果并不能直接加以应用。本文将TH6213卧式镗铣加工中心主轴系统在2500r/min转速下的热特性作为研宄对象，建立其有限元模型，展开进一步的研宄。

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