卧式镗铣加工中心ZF减速箱热变形分析
4.3TH6213机床ZF减速箱热变形分析在机床主轴运转过程中，驱动电机的发热、各齿轮轴高速旋转产生的热量以及变 速齿轮啮合面产生的摩擦热，都是减速箱的主要热源。在这些热源的作用下，齿轮轴 产生变形，啮合齿轮产生变形，以及减速箱箱体也产生变形，在这些变形的叠加作用 下，传动轴的间距产生变化，甚至影响传动，使机床主轴无法正常工作。本节则对变 速箱在热源作用下的热变形进行定量分析。4_3_1 ZF箱热变形分析减速箱与主轴箱部件装配关系的约束设定：减速箱采用螺纹紧固连接的方式固定 在主轴箱上，底面6个自由度被限定；减速箱下部嵌入到主轴箱体里面，几个方向的 变形也受到限定。选定齿轮轴轴线为Y轴，计算后可得减速箱的热变形情况。结果见图4.8。图示为 减速箱总体在两个方向上的热变形云图，减速箱上端面边缘产生较大的变形，与主轴 箱连接处变形较小，这是因为减速箱与主轴箱采用螺钉紧固连接，限制了中间部分的 变形。而下部陷入到主轴箱之中，所以，变形也受到限制，只有上端面暴露在空气中， 没有变形限制，从而产生了向四周延伸的较大的变形。把减速箱热变形量分解到X、Y、Z三个坐标方向，以达到量化减速箱热变形结果 的目的，见图4.9,减速箱在X方向产生的热变形量较大，******值出现在侧边处，约为124pm; Y方向上，热变形******处出现在远离电机的侧边处，约为133pm;而在Z方向 上，热变形的******值就出现在上端盖处，约为160um。4.3.2ZF减速箱啮合齿轮及齿轮轴热变形分析如果减速箱齿轮轴在热源作用下产生过大的热变形，齿轮副的正常工作将会受到 影响。为了探宄热平衡状态下变速箱是否能维持正常工作，对减速箱啮合齿轮及齿轮 轴进行热一结构耦合分析。在ZF减速箱中，齿轮轴通过轴承与箱体安装配合。所以，当减速箱箱体在热源 作用下产生热变形，齿轮轴的约束也会受到影响，从而干扰到其正常工作。接下来对 齿轮轴的热变形情况进行分析。表4.7所示为齿轮轴热变形分析结果，齿轮的安装位置用箭头指出。观察表中数 据，齿轮轴的热变形趋势表明齿轮轴在热源作用以及减速箱体约束作用下，产生一定 程度的弯曲变形。表4.8所示为各轴齿轮安装位置热变形量。 表4.8各齿轮轴安装位置热变形量 轴号 X(|im) Z(|im) I 2.15 〜12.78 12.36 〜37.60 II 0.76 〜9.64 2.02 〜11.35 观察图4.10、图4.11所示啮合齿轮热变形分析结果可知，对于轴I、轴II上的一 对啮合齿轮，啮合位置所形成的******的热变形量约为0.028mm;对于轴II、主轴上的 一对啮合齿轮，啮合位置所形成的******热变形量约为0.035_。为了避免热变形导致 的齿轮卡死现象，在齿轮副安装的过程中事先留有间隙，根据TH6213减速箱齿轮的 安装中心距以及模数，由TH6213产品计算说明书可以得到，轴I、轴II啮合齿轮的 额定间隙为〇.〇6_，而轴II、主轴啮合齿轮的额定间隙为0.059_。考察有限元分析 结果可知，热变形量均小于最小间隙值即额定间隙，所以，变速箱可以正常工作。4.4本章小结在本章中，首先对减速箱齿轮的啮合情况进行了分析，接着对齿轮啮合面的受力 情况进行了分析，通过计算确定了在齿轮工作过程中啮合面产生的热力密度的大小， 并对其温度场进行了有限元计算。接着计算了各啮合齿轮以及齿轮轴的热流密度、轴 承的发热量以及各换热面的对流系数，分析了减速箱工作时的温度场，为机床热误差 的补偿以及冷却回路的设计提供了理论依据。并用热稳态的温度场进行热-结构耦合 计算，得到减速箱以及内部啮合齿轮、齿轮轴在正常工作状态下的热变形，与TH6213 产品计算书所规定的额定间隙进行比对，得到变形小于最小间隙的结论，证明了在热 源作用下，机床减速箱仍能正常工作。