2017年5月23日

機(jī)床主軸箱熱特性的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

機(jī)床主軸箱熱特性的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀主軸的溫升主要是由主軸的摩擦熱所引起的，而摩擦熱則是在軸承的摩擦力矩作用下產(chǎn)生[1°]。分析主軸溫度場變化情況的關(guān)鍵就是對(duì)軸承發(fā)熱規(guī)律的研宄；主軸在熱源的作用下產(chǎn)生膨脹變形，而又受到箱體在各個(gè)自由變形方向上的約束，所以對(duì)軸承以及主軸箱箱體結(jié)構(gòu)的研宄是探宄主軸熱特性的基礎(chǔ)。1.3.1主軸的軸承摩擦力矩及熱特性研究現(xiàn)狀蔣興奇等人總結(jié)滾動(dòng)軸承中的摩擦學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及傳熱學(xué)登基本理論，以 7005C/P4軸承為研宄對(duì)象，在控制摩擦熱以及軸承預(yù)緊方式等因素的情況下研宄軸承力學(xué)特性；通過分析計(jì)算軸承的工作載荷和所受摩擦力矩，得到軸承的熱學(xué)特性，并通過試驗(yàn)對(duì)模型分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[11]。何曉亮等人通過計(jì)算軸承的工作摩擦熱以及摩擦力矩，對(duì)切削力、轉(zhuǎn)速、潤滑方式等因素對(duì)軸承溫升的影響，得出了潤滑方式以及轉(zhuǎn)速是造成軸承溫升的主要因素的結(jié)論[12]。西安交通大學(xué)的軸承及潤滑理論研宄所以軸承的溫度場為研宄對(duì)象[1U2]，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研宄，改進(jìn)了經(jīng)典的Newton-Raphson算法，證明軸承溫度的升高受軸承的啟動(dòng)加速度影響，啟動(dòng)加速度越大，溫升越快；在軸承啟動(dòng)過程中，油膜上最高溫度的出現(xiàn)位置沿厚度方向分布。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)建模以及算法的準(zhǔn)確性。同時(shí)證明，外加載荷不變的情況下，溫升值與供油壓力成反比。寧練等人以傳熱學(xué)和摩擦學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過對(duì)軸承內(nèi)部溫度場的有限元建模分析，修正了軸承溫度在不同的載荷、溫度以及潤滑劑容積比作用下的計(jì)算公式，同時(shí) 建立了可以直觀看到軸承內(nèi)部溫度變化情況的軸承狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)；最后探討了軸承摩擦力矩與彈流油膜的厚度之間的關(guān)系，建立了摩擦力矩經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的新公式[13]。王建梅等人詳細(xì)分析對(duì)比軸承摩擦力矩以及內(nèi)熱源的兩種計(jì)算方法，并采用 PALMGREN公式在不同轉(zhuǎn)速的情況下對(duì)軸承溫升進(jìn)行了計(jì)算[14]。李中華等人把主軸部件中的動(dòng)壓油膜軸承作為研宄對(duì)象，通過熱力學(xué)建模探宄了溫度對(duì)粘度的影響；并且以MTALAB以及VB等編程軟件為手段開發(fā)了新的熱力學(xué) 解析軟件；把主軸動(dòng)壓滑動(dòng)軸承作為研宄對(duì)象，以流體動(dòng)力潤滑理論以及有限差分為理論依據(jù)，建立熱特性模型，將潤滑劑粘度設(shè)定為會(huì)隨溫度變化的變量，提高了主軸軸承建模的精確性，另外，通過ActiveX插件技術(shù)對(duì)MATLAB軟件進(jìn)行調(diào)用，得到了軸承潤滑系統(tǒng)溫升及壓力分布的相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果[15]。鄧四二、李興林等人以角接觸球軸承熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析為基礎(chǔ)，根據(jù)能量守恒定律建立了摩擦力矩理論計(jì)算公式，通過對(duì)軸承工況、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及摩擦力矩的關(guān)系進(jìn)行理論分析得出不同轉(zhuǎn)速下，摩擦力矩與滾道曲率之間的關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分析的準(zhǔn)確性[16]。Choi Jin-Kyung等人通過對(duì)高速軸以軸承系統(tǒng)的有限元建模對(duì)其進(jìn)行仿真分析，依據(jù)分析結(jié)果得出的高速軸運(yùn)轉(zhuǎn)工況制造了原形系統(tǒng)；通過測量原形系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱誤差，驗(yàn)證了對(duì)軸和軸承的熱特性分析運(yùn)用有限元方法進(jìn)行分析是有效可行的[17]。Piffeteau S等人運(yùn)用Newton-Raphson算法分析軸承動(dòng)態(tài)熱特性；得出對(duì)具有復(fù) 雜結(jié)構(gòu)的軸承的研宄的邊界條件受外界因素影響較大的結(jié)論[18]。Tiago Cousseaua等人通過分析計(jì)算采用脂潤滑的滾動(dòng)軸承的摩擦力矩、測量不同軸承在采用不同潤滑條件的溫度及摩擦力矩，驗(yàn)證了 Newton-Raphson計(jì)算的準(zhǔn)確性[19]〇Sun-Min Kim等人將軸承支承結(jié)構(gòu)以及裝配公差對(duì)熱變形的影響納入考慮對(duì)軸承的熱變形進(jìn)行研宄；得出結(jié)論，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的初期熱變形變化較快；產(chǎn)生離心力或內(nèi)部壓力，改變了軸承的配合游隙，所以容易損壞軸承[2(5]。Amit Chauhan等人按照拋物線分布的形式設(shè)定空氣溫度，經(jīng)過對(duì)軸承熱特性的計(jì)算研宄以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)了這種方法的可行性；這對(duì)軸承溫度場研宄時(shí)邊界條件的確定具有指導(dǎo)性意義[2\通過上述調(diào)查可以得出，作為主軸溫升的首要熱源因素，主軸軸承的研宄己經(jīng)具有了相當(dāng)?shù)囊?guī)模。各國學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)以及理論探宄，對(duì)主軸軸承發(fā)熱量的計(jì)算以及發(fā) 熱機(jī)理的探宄都作出了一定的貢獻(xiàn)。但是，本文的研宄對(duì)象TH6213為大型鏜銑加工中心，對(duì)這一方面甚至這一型號(hào)的研宄仍具有一些空白；而且其主軸系統(tǒng)采用臥式結(jié) 構(gòu)，與一般的側(cè)掛式不同，該鏜銑加工中心采用中心對(duì)稱的立柱式垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有其特殊性。本文將通過對(duì)此鏜銑加工中心主軸軸承在一定轉(zhuǎn)速下的熱特性進(jìn)行探宄，以建立能夠快速對(duì)不同轉(zhuǎn)速下熱特性進(jìn)行仿真模擬的有限元模型。1.3.2主軸及主軸箱熱特性研究現(xiàn)狀王金生等人考慮冷卻系統(tǒng)以及受迫對(duì)流對(duì)主軸溫度的影響，通過有限元方法對(duì)數(shù) 控機(jī)床的主軸系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)其熱特性進(jìn)行了研宄；研宄結(jié)果為機(jī)床冷卻系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)以及優(yōu)化方案提供了理論支持[22]。富彥麗等人通過對(duì)XK717型機(jī)床主軸系統(tǒng)及整機(jī)進(jìn)行有限元建模，得到了其溫度場云圖以及應(yīng)力變化等熱特性；通過分析結(jié)果，提出了熱特性分析的熱彈性理論分析創(chuàng)想[23]。傅建中以精密機(jī)械為對(duì)象建立的模型為基礎(chǔ)，提出了奇異值分解法這種用來識(shí)別機(jī)械熱動(dòng)態(tài)參數(shù)的新算法；這種算法采用“熱模態(tài)分析法”實(shí)現(xiàn)對(duì)離散化模型的解耦變換；建立熱脈沖響應(yīng)矩陣，進(jìn)而對(duì)矩陣進(jìn)行奇異值分解得到熱動(dòng)態(tài)特性參數(shù)；實(shí)驗(yàn)證明，這種方法能精準(zhǔn)地識(shí)別并估算對(duì)象的熱特征以及達(dá)到熱平衡所需要的時(shí)間[24]。王建梅等以高速五坐標(biāo)龍門加工中心主軸系統(tǒng)為研宄對(duì)象，對(duì)其熱特性進(jìn)行研宄，通過模型修正、邊界條件修正等手段進(jìn)行了理論以及應(yīng)用研宄；在分析機(jī)床主軸系統(tǒng)內(nèi)部熱源以及邊界條件之后，對(duì)其進(jìn)行了有限元建模，進(jìn)一步得到主軸系統(tǒng)熱特性及動(dòng)態(tài)特性分析結(jié)果[25]。趙海濤、楊建國等通過對(duì)模型的有限元分析，優(yōu)化了機(jī)床的溫度測點(diǎn)；與傳統(tǒng)機(jī) 床不同，精工機(jī)床主軸由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，所以主軸軸承摩擦生熱是造成主軸溫升的主要因素；在有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮機(jī)床主軸的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，選擇八節(jié)點(diǎn)六面體進(jìn)行劃分所得到的計(jì)算結(jié)果要比選用其它劃分單元所得到的結(jié)果要準(zhǔn)確的多[26]。許敏等人在2008年，綜合考慮摩擦發(fā)熱強(qiáng)度的變化以及連接件接觸面熱阻等因素，對(duì)磨床主軸箱進(jìn)行了有限元建模及熱特性分析[27]。鄭傳統(tǒng)等人考慮結(jié)合面之間的粗糙程度以及接觸熱阻等因素，對(duì)箱體進(jìn)行了有限元熱特性分析，對(duì)主軸軸承的發(fā)熱量進(jìn)行了計(jì)算，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)果[28]。張奎奎等人以有限單元法以及熱彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)某龍門機(jī)床的主軸系統(tǒng)進(jìn)行了有限元建模及熱特性分析，期間涉及熱源發(fā)熱量計(jì)算、熱對(duì)流系數(shù)的確定、邊界條件的確定等，得到主軸系統(tǒng)達(dá)到熱平衡的時(shí)間；之后采用有限元“熱-結(jié)構(gòu)”耦合方法計(jì)算得到主軸的熱變形量[29]。郭崇志等人對(duì)少量的測試值采用Origin插值法，得到邊界溫度的矩陣數(shù)據(jù)，并將其作為溫度載荷加載得到瞬態(tài)溫度場的仿真結(jié)果；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這種方法得到的結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的吻合程度很高[3°]。鄭學(xué)普等將航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸系統(tǒng)部件作為研宄對(duì)象，首先計(jì)算主軸軸承的發(fā)熱量、模型各表面的對(duì)流換熱系數(shù)等，然后通過有限元方法對(duì)其熱特性進(jìn)行分析，最終通過熱-結(jié)構(gòu)耦合模擬得到不同位置軸承對(duì)熱變形的影響以及轉(zhuǎn)速不同條件下主軸部件的熱特性計(jì)算結(jié)果；通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證可得分析結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，可以為該龍門加工中心的主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及熱誤差補(bǔ)償提供理論指導(dǎo)[31]。姜杉等人通過有限元仿真計(jì)算得到主軸箱部件的穩(wěn)態(tài)溫度場分布云圖以及系統(tǒng) 達(dá)到熱平衡所需要的時(shí)間，利用熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真分析得到在溫度場作用下的熱變形量，探宄了主軸部件的熱應(yīng)變趨勢[32]。Tiago Cousseau等人通過建立精密精工機(jī)床主軸熱誤差預(yù)測理論模型以及主軸徑、軸向動(dòng)態(tài)熱變形精細(xì)數(shù)值計(jì)算模型，為機(jī)床綜合誤差的補(bǔ)償提供了技術(shù)支撐以及理論依據(jù)，解決了精工機(jī)床加工精度受主軸熱變形影響而加工精度下降的難題[33]。M.H.Attia等人對(duì)機(jī)床整機(jī)溫度場進(jìn)行有限元建模分析，并把溫度場劃分為規(guī)則的單元。通過相關(guān)性選擇，預(yù)測了溫度測點(diǎn)的分布******位置和數(shù)量最優(yōu)值[34]。VelagalaR.Reddy等人對(duì)車床主軸進(jìn)行有限元法建模，以工件直徑、軸承剛度以及間隙為設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)主軸進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)分析[35]。Moriwaki等人對(duì)超精密機(jī)床的主軸系統(tǒng)熱特性進(jìn)行了試驗(yàn)研宄，擬合了環(huán)境溫度、熱變形以及主軸轉(zhuǎn)速三者之間的傳遞函數(shù)，并通過誤差補(bǔ)償方法對(duì)熱誤差進(jìn)行了補(bǔ)償[36]。Bernd Bossmans等人對(duì)高速電主軸采用有限差分熱態(tài)建模的方法進(jìn)行了熱傳導(dǎo)、應(yīng)力場以及主軸散熱分析[37]。C.H.Chen和K.W.Wang對(duì)高速主軸動(dòng)力學(xué)特性的詳細(xì)研宄，對(duì)主軸熱源發(fā)熱量的計(jì)算具有指導(dǎo)意義[38]。Susumu Ohishi等人對(duì)空氣靜壓軸承主軸的單元的溫度場分布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研宄，并對(duì)主軸以及軸承座孔的變形量進(jìn)行了測量[39]。J.Jedrzejewski等應(yīng)用有限差分法（FDM)以及有限元法（FEM)對(duì)高速加工中心主軸箱部件進(jìn)行建模，根據(jù)此模型分析結(jié)果對(duì)主軸箱的結(jié)構(gòu)從熱、疲勞及剛度等角度進(jìn)行了評(píng)估設(shè)計(jì)，有效地減小了電主軸在高速加工切削時(shí)的熱變形[4(5]。M.Mori對(duì)主軸箱采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以減小熱變形，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性[41]。許敏等人對(duì)主軸采用有限元法分析得到其溫度場分布及熱變形，根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)主軸變形進(jìn)行了誤差補(bǔ)償?shù)靡杂行У亟档土嗽囼?yàn)機(jī)床的熱誤差量[42]。通過上述論述，雖然可以看到在主軸箱、主軸部件的熱特性研宄領(lǐng)域己經(jīng)取得了一些進(jìn)展以及成果，但是本論文的研宄對(duì)象是高速精密臥式鏜銑加工中心，該機(jī)床采用“箱中箱”結(jié)構(gòu)，具有熱對(duì)稱等特性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有其特殊性，上述的研宄成果并不能直接加以應(yīng)用。本文將TH6213臥式鏜銑加工中心主軸系統(tǒng)在2500r/min轉(zhuǎn)速下的熱特性作為研宄對(duì)象，建立其有限元模型，展開進(jìn)一步的研宄。

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