机械毕业设计（论文）文献综述-JCK6136数控车床主轴箱和床身部件设计.doc

毕业设计（论文）文献综述设计（论文）题目： 数控车床主轴箱和床身设计 学 院 名 称： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 学号： 08403010220 指 导 教 师： 2012年 2 月 20日一、前言部分大量的研究表明，影响高速机床加工精度的主要因素之一是热误差。据德国阿亨工业大学分析，在用现代机床加工零件的制造误差中，机床热变形所引起的制造误差可占总误差的50%，英国伯明翰大学的调查表明,在精密加工中热误差约占机床总误差的 40% 70%。国外从事机床热误差补偿技术比较有影响的有美国的密西根大学国家标准和技术所、辛辛那提大学、日本的东京大学、日立精机、大阪工业机床；德国的亚琛工业大、柏林工业大学等。 主轴系统的热变形误差是引起机床热变形误差的重要因素。因此,主轴系统的热特性分析与设计对机床精度的保证至关重要，是高速高精度机床必须要考虑的关键技术之一。本文以某卧式车削中心为研究对象，对主轴部件及其主轴箱进行了热和结构的耦合分析,并以主轴箱装配体稳态热分析的温度场为基础，计算出主轴的热变形，为主轴及主轴箱部件的热设计奠定基础，使设计者在设计阶段就可以预测机床主轴箱装配体的温升和热变形情况，并进行必要的改进。二、主题部分1、SSCK63- 400机床及其主轴结构SSCK63- 400 数控车床由床身、主轴箱、变速箱、卡盘、回转油缸、尾台、纵横滑板、电动刀架、数控系统、伺服驱动系统、电气系统、液压系统、冷却系统、润滑系统及防护系统等构成。SSCK63 数控车床的主轴驱动系统采用 37 kW 无极调速主电机，经皮带轮降速，通过变速箱传给机床主轴。主轴前后轴承均采用预加负荷的精密级主轴轴承，能同时承受径向力和轴向力。2参数选择和计算2.1 轴承发热量的计算主轴箱装配体的热源主要为轴承的摩擦发热: Q= 1.047，其中n 为主轴转速， r/ min； M为摩擦力矩，。由上式可知轴承的发热量与轴承的摩擦力矩有关，而试验表明，轴承的摩擦力矩是相当离散的，即使同一套轴承，随着运转时间的变化，摩擦力矩也会产生变化。因此，计算所得出的摩擦力矩只是在正常工作条件下的近似值。轴承的摩擦力矩计算公式用得较普遍的是 Palmgren提出的算法。总摩擦力矩为 M= ，其中为外加载荷引起的摩擦力矩, 是与轴承类型与所受负荷有关的系数，P1为径向负荷，dm为轴承中径； M0为黏性摩擦力矩, 当时，M 0=；当时, M0 =，其中f 0与轴承类型和润滑方式有关, v0为润滑脂的运动黏度， n为轴承转速。依据以上计算公式可以计算出轴承的摩擦力矩、发热量及生热率。2. 2 传热系数的选取轴承与压缩空气的对流换热系数是主轴转速和空气流量的函数，可用下面的多项式来拟合：。式中: c0, c1, c2 为实验测得的常数, 分别取为9.7, 5.33, 0.8； u为轴承中的空气平均速度，可由附加的轴向和切向气流得到； V1为轴承的冷却空气流量； Aax为轴向气流在内外圈间流过轴承时的流动面积；dm为轴承中径；为主轴旋转角速度。假设主轴与周围空气之间的传热为自然对流换热，其传热系数同时反应了辐射传热的影响，如果周围环境中的其他物体和空气有相同的温度时，则复合传热的传热系数为as=ac+ar式中：ac为对流换热系数, W/ ()；ar为辐射换热系数, W/()。根据静止表面与周围空气之间的传热计算结果,取复合传热系数as= 9.7W/()。由于主轴系统各部分的对流条件不同,传热系数也不同，而系统的传热系数又很难由理论精确确定。在实际计算系统温度场时所采用的传热系数均是理论计算值的3 10 倍。因此,本文通过瞬态温度场的分析与实验数据对比，确定系统传热系数。取值范围为 30 79 W/()。对于转速为1500r/ min 的主轴,取 = 80 W/()；，环境温度为25，主轴导热系数为6.08 kW/ ()，比热容为670 J/()，密度为7800 ，,线膨胀系数为。3 有限元模型的建立主轴箱装配体结构复杂, 为了便于有限元分析,对其结构进行了必要的简化,略去影响不大的次要结构。4 有限元分析及其结果说明依据所建立的有限元分析模型,主要进行了主轴热平衡时间计算、主轴箱稳态温度场计算和主轴箱热结构耦合计算。4. 1 主轴热平衡时间计算图1主轴箱装配体瞬态分析温升曲线图1为瞬态分析中主轴箱前表面和后表面的温升曲线从分析结果看, 主轴箱前表面温升较快,在2500 s时基本达到稳定状态, 温度值为42左右；主轴箱后表面温升较慢, 在4000s时基本达到稳定状态，温度值为36左右。4. 2 主轴箱稳态温度场计算主轴箱装配体的稳态分析以主轴轴承的生热率为计算依据, 分析主轴箱装配体的稳态热状况。图2为主轴箱装配体沿主轴轴线方向的剖面温度场分析图。从分析结果看，在主轴箱装配体的稳态热分析中, 主轴箱装配体最高温度为60.9，高温区主要集中在主轴的前部。主轴前部轴承6发热较高，达到最高温度60.9 ，轴承4温度为40左右，轴承5 温度为50左右。从图2的温度分布看，最高温度集中在主轴前轴承部位，这与主轴前轴承较大的发热量和热量不能及时散发有关，且分析中未考虑主轴润滑冷却作用的影响，因此，实际的温度可能比分析结果要小一些。图2 主轴箱装配体稳态热分析温度场4. 3 主轴箱热和结构耦合计算主轴箱装配体热和结构耦合分析:首先进行热分析，然后进行结构应力分析。单元类型采用10节点的Solid87热单元、10节点的Solid92结构单元和Combin14弹簧单元( 用于热模态分析)。图3为主轴箱装配体热和结构耦合分析温度场剖面图, 最高温度集中在主轴前轴承位置, 约为55左右。图3 主轴箱装配体耦合分析温度场从分析结果看, 主轴箱前端上部变形最大, 变形量大约为0.688mm，主要为热变形, 比主轴箱装配体结构静态分析时的最大静力变形 2.69大了许多。在温度和重力的联合作用下, 主轴产生了较大的变形, 在主轴的各个部位的变形量是不完全相同的，即使在同一径向剖面内的变形量也不完全相同。变形量的不对称性可能导致主轴轴线的偏移或产生偏角，导致加工误差。图4为距主轴头部端面36 mm 处剖面外圆表面的相位变形量图，图中的综合变形为各方向变形量的矢量之和。图4 主轴端面剖面外环变形情况图5 为距主轴头部端面 36 mm 处剖面内圆表面(直径125mm) 的相位变形量图。从两图的曲线对比看，内外环的各方向变形趋势相同，外环比内环的变形稍微大一些, 内外环的轴向变形( Z向)基本保持在一个恒定的水平, 大约为 0.20.3 mm左右。图 5 主轴端面剖面内环变形情况将图4和图5比较, 可以得出主轴的轴线是否产生了倾角( 热倾角) , 计算公式为：。式中：为主轴径向变形量之差；为两剖面的距离。所以，主轴热倾角为。三、总结部分以SSCK63- 400 数控车削加工中心为研究对象, 对主轴部件及其主轴箱进行了热和结构耦合分析，对主轴箱装配体的热特性和热变形进行了详细分析，初步预测了主轴组件的热平衡时间，以及轴承处温升曲线, 并求解出主轴箱体的热变形，计算出主轴前端的径向热误差和热倾角，为主轴部件进一步的热设计，同时也为机床热补偿奠定了基础。四、参考文献：1 郭策, 孙庆鸿, 蒋书运等. 高速高精度数控车床主轴系统的热特性分析J. 制造技术与机床, 2003(3):37- 39.2 刘朝华, 石秀敏. 机床热变形误差补偿技术的研究与应用J. 制造技术与机床, 2009(2):34- 36.3 Creighton E, Honegger A, Tulsian A, etal. Analysis of thermal errors in a high-speed micro -milling spindle J. Machine Tools & Manufacture , 2010, 50: 386- 393.4 Yang S H, Kim K H, Park Y K. Measurement of spindle thermal errors in machine tool using hemi spherical ball bar test J . Machine Tool s & Manufacture , 2004, 44: 333- 340.5 Zhao H T, Yang J G,Shen J H. Simulat ion of thermal behavior of a CNC machine tool spindle J . Machine Tool s & Manufacture , 2007, 47: 1003- 1010.6 Pahk H J, Lee S W. T hermal error measurement and real time compensation syst- em for the CNC machine tools incorporating the spindle thermal error and the feed axis thermal errorJ . A dvanced Manufacturing Technology , 2002, 20: 487- 494.7 Chang C F, Chen J J. T hermal growth control techniques for motorized spindlesJ . Mechatronics, 2009, 19: 1313- 1320.8 Chen J S, Hsu W Y. Characterizations and models for the thermal growth of a motorized high speed spindle J. Machine Tools & Manufacture , 2003, 43: 1163- 11