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北京信息科技大学 毕业设计（论文） 题 目：盘类零件超硬数控车床的模型及热特性分析_ 学 院：机电工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化S 学生姓名： 班级/学号 指导老师/督导老师： 起止时间：2015 年 3 月 2 日 至 2015 年 6 月 19 日摘要摘要 数控车床在零件的加工过程中，长期处于工作中的数控机床,由于摩擦生热、切削产热、环境温度、热能辐射等诸多因素影响着工艺系统，使得车床各部分零件产生不同的温升。由于温度过高造成加工精度不准确，数控机床整机的主要部件变形，从而降低了加工效益。随着机床的高精度、高速度的快速发展，对机床的可靠性和加工精度提出了更高的要求，机床的热态特性开始成为人们关注和研究的一类热点。本文主要针对盘类零件超硬数控车床模型进行了热特性分析研究。对数控车床进行三维模型建模并组装，通过公式计算数控车床相关零部件的发热量，确定边界条件，载荷约束等。使用软件ANSYS Workbench 13.0对超硬数控车床三维模型进行模型导入、材料编辑、网格划分，然后施加载荷和热边界条件，得出各单元节点的稳态温度值。根据结果分析关键部位的温升情况和温度场变化，讨论并提出改进建议。借助ANSYS分析软件对超硬数控车床模型施加温度载荷后所产生的结构应力场进行计算，对关键部件热应力情况进行分析和讨论。根据仿真结果找到影响热误差的关键因素及相互关系，对热误差部分提出设计方案，得出机床结构优化、温度控制及误差补偿的综合方案。关键词：超硬数控车床，热特性，ANSYS，温度场，误差补偿全套图纸加扣3012250582 IIIAbstractABSTRACTDuring the machining process, the CNC lathe keeps working in a long time, due to frictional heating, cutting Middle-temperature, ambient temperature, thermal radiation, and many other factors affecting the process systems,which makes some parts of lathe have different temperature rise. Due to inaccurate temperature rising affect the Machining accuracy and deformation of NC machine tools main components, which reduce the processing efficiency. With the rapid development of high accuracy and high speed of lathes, the reliability and accuracy of machine tools has put forward higher requirements, thermal characteristics of machine tools started to become a focus in and among people.This paper focus on super hard thermal characteristics analysis of CNC lathe model .Calculate the boundary conditions and loading constraints by modeling of three-dimension model for CNC lathe and Assembly, and a formula to calculate calorific value of NC lathe parts . Using ANSYS Workbench 13.0 to import model, material Editor, grid, and then loads and thermal boundary conditions, steady-state temperature values for each element node. According to the results of key parts of the temperature rise and thermal field change, discuss and make recommendations for improvement. Using ANSYS analysis software after thermal loading imposed on super hard CNC lathe model compute the structural stress, thermal stress analysis and discussion of key components. Find the key factors affecting thermal error based on simulation results and relationships, design against thermal error is obtained, temperature control and error compensation of machine tool structure of integrated programs. Key words: Super-hard CNC lathes, Thermal characteristics, ANSYS, Temperature field, Error compensation目录目录摘要.ABSTRACT.第一章 绪论.1 1.1 研究的意义.1 1.2 国内外热特性研究现状.1 1.3 主要研究内容.2第二章 超硬数控车床主轴系统热特性分析.3 2.1 三维模型的建立.3 2.2 主轴系统边界条件和发热量计算.4 2.2.1主轴系统边界条件计算.4 2.2.2主轴系统发热量计算.5 2.3 主轴系统温度场分析.7 2.3.1模型简化.7 2.3.2网格划分.7 2.3.3主轴系统结果分析.8第三章 超硬数控车床X/Z丝杠系统热特性分析.11 3.1 X/Z丝杠边界条件和发热量计算.11 3.1.1 X/Z丝杠系统边界条件计算.11 3.1.2 X/Z丝杠系统发热量计算.12 3.2 超硬数控车床X/Z丝杠系统结果分析.19 3.2.1 X丝杠系统结果分析.19 3.2.2 Z丝杠系统结果分析.20 3.3 超硬数控车床X/Z丝杠热变形分析.20 3.3.1 X丝杠系统热应变结果分析.20 3.3.2 Z丝杠系统热应变结果分析.21第四章 超硬数控车床整机热特性结果分析.23 4.1 边界条件和发热量计算.23 4.2 车床结果分析.25 4.3 机床温升及热变形控制措施.27第五章 热误差补偿.28 5.1 热误差补偿.28 5.2 结论.29参考文献.30盘类零件超硬数控车床的模型及热特性分析 第一章 绪论1.1研究 的意义 数控机床在当前社会市场上已经作为主流的技工设备，其智能的加工方式智能化的管理使得当前的生产加工方面得到了明显的提高，也大量的减少了人工的劳动强度，从而使得数控机床在如今社会的各个行业有着举足轻重的作用。数控技术给制造业带来了革命性的改变，且数控技术现在也在飞速的发展，应用领域逐渐扩大，成为生活中不可缺少的一项技术之一。数控机床的发展少不了高精度、高速度的部分，然而挂哦精度、高速度的数控机床也逃脱不了长时间工作下导致机床零部件之间由于摩擦、切削、热辐射等产生热，所以机床的热特性就开始成为研究机床的热点之一。因为机床零部件之间由于发热最终会导致零件因为温升过高而导致热变形，从而影响机床的正常加工精度，相关研究表明由于热变形引起的制造误差可达4070。然而这部分误差足以影响整个加工系统，所以如何减少热变形是提高加工精度急需解决的问题。1.2国内外热特性研究现状 当前国内外对机床热变形和热误差的研究主要集中在机床热源分析、机床热态特性研究、机床热误差建模和补偿等领域。其中热误差补偿是研究的重点，在这方面国外的补偿方案已用于工程实践，但国内的研究还在实验室内。 虽然国内外学者对数控机床热变形误差的防止和补偿进行了大量的研究工作，并应用于几乎所有类型的数控机床，但是当前仍然缺乏统一有效和简单易行的热变形误差防止和补偿办法。这一领域还需深入的研究分析。 对于热特性研究的开始是在1933年瑞士人对于坐标镗床的热误差和热变形测量的研究，不过当时主要对机床的热变形情况分散性的分析，并没有真正意义上的研究，更加偏重于对机床进行实用性的改造，而真正意义上的研究却是从70年代中期开始的。 1975年，Okushima和Kakino根据工作经验和热误差规律，进行了立式车削中心主轴热误差补偿工作，但只是补偿了机床运动拖板平面内与位移无关的热误差。到了1986年，Raghunath venugopal等人对数控机床误差做了分析，推导得出结论：在准静态条件下，机床某一瞬时的热变形取决于该瞬时机床的温度11。进一步的研究就相当于提出了温度敏感点的概念。1992年，德国人Schmid Robert成功申请了使用于CNC加工中心的热变形补偿专利。而后的两年，神经网络的理论开始被引入机床热误差研究中，John C.Ziegert等利用三层感知器神经网络建模补偿热误差，取得显著效果12。 我国对于机床热变形的研究起步与上世纪中期相对较晚，但发展却也很快，也取得了丰硕的成果。当时在对机床加工零件时进行了测量和利用统计法误差分析时发现其中最重要的原因就是热变形。随后，北京、上海一些机床厂的相关单位在机床热变形方面做了大量的研究工作。包括其他地区高校在内的许多科研单位经过大量的研究与分析我国在热变形方面的研究有了巨大的进步。1.3主要研究内容 众所周知机床在生产加工过程中免不了长期运作，而长期运作就会导致零部件之间产生摩擦，摩擦就能产生热，长时间的摩擦就会产生大量的热，机床零部件发热就会使得机床在加工过程中受到影响，而这一类问题称为热变形问题。伴随着这类问题的产生会影响工件的加工精度，使得工件不能达到使用要求，这样也会大大降低工艺成品的使用效率，就近来说只是影响了工件的加工精度，而长远来说那部分被加工出来的零件要是投入到了重要的设备上去使用及很可能会造成巨大的影响，比如医疗设备等。热变形这个问题已是非常棘手和重要的问题，所以针对此问题作为主要的研究方向。 机床在内外热源的影响下形成温度场，由于机床各部位的受热不同，导致各部位的不均匀变形，最终作用于加工的工件，造成不同程度的加工误差。课题的出发点就是要减小热所造成的加工误差。比如有： 1、电机热：作为机床的动力源，电机高速旋转，在过程中也同样会产生热量，而电机的发热主要主要就是因为定子和转子等的损耗所引起，与电机的结构也有一定关系，所以越高功率的电机在其散热方面所花费的功夫越多。 2、轴承热：轴承在轴类零件中的作用不可谓不重要，轴的旋转就是由于跟轴承配合，然而在旋转过正中必定会产生摩擦，摩擦又导致热的生成，轴承热最终会影响轴的旋转精度，那么在加工过程中就会影响加工精度，所以轴承热对机床有着很和总要的作用。 3、丝杠热：丝杠主要是将旋转运动转换为直线运动，在机床上可发挥X、Y、Z轴的轴向进给作用，所以丝杠发热也是很重要的一环，而且因为丝杠是细长件在发热后导致丝杠变形会较明显，会影响个方向的进给运动，所以丝杠热也是主要的研究对象。 本课题工作主要通过对盘类零件超硬数控车床的电机、轴承、导轨等热源进行模型建模，针对模型进行ANSYS仿真分析，根据仿真结果找到影响热误差的关键因素及其相互关系，并针对热误差部分提出设计方案。如图1-1所示说明机械零部件在工作中发热对机床的影响。温度、湿度等环境因素冷却方式机床运动部件切削过程 传动、摩擦、切削等机床热敏感元件形状、尺寸误差热变形图1-1 热源对机床变形的影响第二章 超硬数控车床主轴系统热特性分析过程2.1三维模型的建立 在对超硬数控车床进行热特性分析之前，首先要经过车床进行三维模型的建模过程，本文在建模阶段主要利用solidworks 2013对超硬数控车床完成模型建立，可以方便的将模型导入ANSYS Workbench 13.0进行温度场和热结构耦合场仿真分析。三维模型图如图2-1所示：图2-1 车床三维模型图 超硬数控车床的结构图如图2-2，2-3,2-4所示，车床主要由主轴系统，X轴丝杠系统，Z轴丝杠系统组成，两个丝杠系统可完成工作台向X轴方向和Z轴方向上的进给，主轴系统主要负责工件的夹紧和旋转运动。在两个丝杠系统和主轴系统的相互配合运动下，可以完成对毛坯工件的加工工作。主轴系统主要由主轴内轴，主轴外轴，卡盘拉杆，旋转油缸等主要部件组成，主轴内轴通过旋转油缸注入液压油，保持油压稳定使得主轴内轴悬浮在内轴中，这样主轴主轴高速旋转下使得主轴内轴与液压油的摩擦比较小。有使用寿命较长，旋转精度高，抗震性良好等特点。 图2-2车床主视图 图2-3车床左视图图2-4车床俯视图2.2主轴系统边界条件和发热量计算2.2.1主轴系统边界条件计算 1、设初始工作条件为环境温度，取为25。关于主轴外表面对流换热系数计算如下： 式中，为流体雷诺数；-雷诺数，；-主轴当量直径， ， ；主轴角速度；-空气运动粘度； 计算过程： （1）主轴当量直径：外轴： （2）角速度: （3）空气运动粘度： （按300k计算） （4）雷诺数: （5）对流换热系数： 所以取主轴外轴表面对流换热系数为。2、主轴内轴与外轴之间对流换热系数 通过恒温控制的液压油，属于强迫对流换热。流体在管道内流动时的换热分为管内层流、过渡状态和紊流换热。 （1）层流时的准方程（即当，时） 式中，-雷诺数；-普朗特数；-管道当量直径；-管长；用于考虑入口段对的影响；-动力粘度；表示以比面平均温度作为定性温度时流体的动力粘度；是考虑用于考虑温度场对的影响，此式不适合过长的管子。 （2）过渡状态时的准则方程（即当时） （3）紊流时的准则方程（即当，时） 式中，为考虑入口段对平均对流传热系数影响的入口效应修正系数，即管长修正系数；为考虑边界层内温度分布对平均对流热传系数影响的温差修正系数；为考虑管道弯曲对平均对流传热系数影响的弯管效应修正系数。 液压油的运动粘度：选用液压油的粘度为（1厘斯）。（润滑油温度应为25）液压油的流速：假定为层流条件下的最大流速；液压有的普朗特数：；液压油的导热系数为： 内外轴形成的管道，内径：90mm，外径：100mm，当量直径为95mm。管长：369mm。雷诺数：，因此属于层流。对流热换系数： 主轴内通过以的液压油时，其对流热换系数可以取为。对于其他暴露在空气中的部件，按照自然对流换热系数计算，空气的对流换热系数为525。2.2.2主轴系统发热量计算 1、发热量计算 主轴系统：8000r时输出功率：7.5KW （1）主轴电机发热：8000r/min时主轴电机功率:7.5KW，效率：90发热量为：输出扭矩： （2）主轴皮带轮： （3）主轴电机皮带轮： （4）主轴内外轴之间：内外轴中间由旋转液压缸通以一定压力的液压油。主轴内轴（外径：90mm）主轴外轴（内径：100mm），长度L：369mm选用L-AN15（10号）润滑油，粘度为6.5cst（厘斯1mm2/s）。（润滑油温度25，因此应换算为） 其中 式中：f为摩擦系数；P为平均油压（4MPa），V为轴颈圆周速度。 对于径向轴承： 其中F为轴承径向载荷，单位为N。 对于止推轴承： 摩擦系数： 其中：为摩擦系数；为相对间隙，主要根据载荷和速度选取。经验公式为：(，其中n为轴颈转速，单位为。) 液压主轴的半径间隙，轴颈为，相对间隙为为液压油的动力粘度，单位为，。运动粘度： 为轴承随宽径比变化的系数，时，；为轴颈角速度，单位为。；为轴承的平均压力，单位为。 因此径向摩擦系数： 止推摩擦系数： 所以： 对于径向轴承：式中：为油的动力粘度，本机用2#主轴油； 为速度，； 为全部油封面积，； 为全部油腔面积； 为半径间隙，cm； 为油腔深度，cm。 对于止推部分：式中：为转速； 轴承间隙； ，为结构参数； 为单个油腔张角之半，本轴承六个油腔，即0.52rad，代入数据得 2.3主轴系统温度场分析2.3.1模型简化 模型简化是在分析前的一个重要步骤，因为整个数控车床的三维模型比较复杂，在对模型进行ANSYS热分析之前首先需要做的就是进行模型简化，因为模型当中存在的一些工艺孔、小台阶、螺纹等特征，在划分单元格的时候需要划分的很细，但是这部分对计算结果影响却不是很大，反而会增加计算时间，所以可以将这部分的特征去掉。尽量使得模型简单化但又能反映出实体的整体情况，否则将将模型简化得太多也许就不能表达原来所需要分析的机床的工作能力，反而对于研究没太大意义。所以在模型简化阶段不仅要将模型简化得更加典型，尽量简单，但不可过度而为，需保持原有机床的典型结构部分，这样做出的分析结果才更加有可用性。 图2-2主轴内轴 图2-3主轴系统截面图2.3.2主轴系统网格划分 将简化过后的模型导入分析软件ANSYS Workbench 13.0中，根据模型尺寸大小和功用然后进行网格划分，网格划分阶段也是很重要的阶段，机床零件尺寸大小不一样，功能不一样，分布不一样，所以在网格划分的时候网格划分大小自然也不一样，网格划分的大小直接影响到分析效率，如果每个件的网格划分得比较密，那么计算量也在增大，并且有些机床零件本身不是主要的发热零件，所以也不需要划分得很密。相对来说单元格也不能划分得太大，那样计算的结果会影响计算的质量，当然那样的计算结果也就没有了意义。所以划分单元格需要综合考虑，对于主要的零部件需要划分得稍微细一些，而对于床身一类不是主要发热得部件则可以加分得稀疏一些，这样划分出来的结果计算效率更高。 总而言之，为了得到所预期的结果在划分网格时尽量选择维数低的单元，从选择顺序而言应该遵循大小顺序，点-线-面-壳-体，这样的选取顺序可使得计算结果更加贴近预期目标。对于复杂结构，应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的模型。在进行单元选择的时候还应考虑线性单元的扭曲变形可能引起精度损失，高阶的单元对这种扭曲变形不敏感；就求解精度的差别来讲，线性单元和二次单元网格之间的差别远没有平面单元和三维实体单元网格之间的差别大。在采用ANSYS Workbench进行零件网格划分时，可以划分不同的单元格尺寸。对于传热、传力比较关键的部件如主轴、轴承等重要部件，可以采用较小的单元尺寸，划分较密的网格，对于床身等大的次要的功能部件，可以采用较大的单元尺寸，划分稀疏的网格。2.3.3主轴系统结果分析 机床主轴系统是机床的核心系统之一，主轴在高速旋转过程中也伴随着有热量的产生，而作为核心系统之一发热量过高则会影响机床加工精度，所以主轴系统必须有相应的冷却措施把主轴的发热量控制在可承受范围之内。在对主轴系统进行了网格划分之后，需要把以计算好的边界条件和发热量加载到已划分的模型上去，通过不同的边界条件和不同的发热量，加载不同的零部件。超硬数控车床主轴系统热分析结果如图2-4所示：图2-4主轴系统温度场分析 从分析结果可以看出，主轴系统温升较高的地方数要是旋转油缸、主轴皮带轮和卡具这些部件。其中皮带轮因为作为主要的传动部件，皮带个带轮之间的摩擦起主要发热作用，温升也是最高达到了7左右。然后是旋转油缸，皮带轮摩擦发热后温度向两旁的零件传热，旋转油缸也是处于旋转状态下，故温升也是比较高在6摄氏度左右。卡具部分因为在工件加工过程中高速旋转，和刀具之间有切削运动，使得工件发热也是颇大，通过传热使得卡具部分温升也达到了3到4之间。其余部分随没有直接运动，但由于空气传热和其他零件发热后零件之间互相传热，所以也有一定的发热，发热量在2到3之间。对于此次的结果最高温升达到7，处于正常工作范围内，对于车床在实际加工中还会用到切削液等冷却液在加工过程中会将温度控制在正常发热范围内，使得车床能按照正常的零件标准加工出符合规格的零件。 图2-5为将主轴系统主轴内轴的热分析结果：图2-5主轴系统主轴内轴温度场分析 将主轴系统内的零件主轴外轴隐藏之后可以看出主轴内轴的温度场结果，主轴内轴和外轴之间是通过一定压力的压力油使得主轴浮起，静压轴承是通过一液压站，将润滑油输送到静压腔中，形成油膜，静压腔之间的压力差又可以让主轴浮起，这样在主轴告诉旋转过程中能保持较高的旋转精度，是高精度加工机床所要求的前提，且这样使得摩擦阻力比较小，抗震性也比较好，也能提高主轴使用的寿命，降低经济成本。从上图温度场结果来看，主轴的大部分发热量并不高只有2左右；只有在跟主轴皮带轮连接处的部分温度达到了近7，其中主要也是因为皮带轮高速旋转的作用下，零部件之间的传热作用使得主轴内轴的部分大方温度比较高；在三爪卡盘部分因为工件高速旋转和刀具完成切削作用，使得温升也有近4左右，不过该温升也在可控范围以内。 通过主轴系统的温度场分析结果，本文也有了由于发热引起的热变形的结果分析图，主轴系统由于发热引起的热变形图如图2-6和图2-7所示：图2-6主轴系统热应变图2-7主轴系统热应变 由以上四个图可以看出主轴系统在温升最大的方X轴向做引起的应变最大为0.1um，主轴止推端温升达到2，所引起的呃变形量也是比较少只有0.0057um左右，而主轴尾端部分的变形量则达到了0.1um，如果变形量太大则会影响工件尺寸的径向圆周跳动精度。这样，还需要进一步采取温度控制措施，例如可以采用油雾润滑等不断向主轴外部喷淋冷却油、或者降低主轴液压用油的温度并提高恒温控制精度。第三章 超硬数控车床X/Z丝杠系统热特性分析3.1 X/Z丝杠边界条件和发热量计算 滚珠丝杠是车床上主要用于整个刀具进行X轴和Z轴方向进给的传动元件，主要功能式将旋转运动转换为直线运动完成两个方向上的进给。丝杠在整个车床中也发挥着不可或缺的作用，如果丝杠发热过高并且所引起的变形过大则会影响在整个进给系统的误差，从而导致零件的误差，影响加工效率。所以对丝杠的摩擦阻力要求要小，回转精度高，这样在加工过程中才不会因为变形而影响加工精度。3.1.1X/Z丝杠边界条件计算1、边界条件计算： X丝杠：D40392长，转速：100r/min； Z丝杠：D40789长，转速：100r/min； 当量直径：Ds40mm （1）角速度 （2）空气的运动粘度（300k） （3）雷诺数： （4）对流换热系数：则。 因此，丝杠外表面对流换热系数为。车床中心各部位的对流换热系数如表3-1所示:表3-1对流换热系数表位置主轴外表面主轴内外轴间（油冷）工件外表面主轴电机丝杠外表面丝杠内表面（油内冷）其他对流换热系数23072910001806215072 内外轴形成的管道内径：10mm。Z轴丝杠长：1000mm，X轴丝杠长625mm雷诺数：采用层流条件进行冷却，则Z轴丝杠对流热换系数： X轴丝杠对流热换系数： 因此x丝杠采用1400mm/s内冷表面对流换热系数为，Z轴丝杠表面对流换热系数为。表3-2 YD-300导热油部分物理性质参数工况一二三平均使用温度t(）200250290密度889855828.6运动粘度比热2.442.62.746导热系数0.0980.0910.087 ；管壁厚；管径管内径；介质平均流速；烟气平均温度；烟气平均速度。 烟气冲刷方式：横向冲刷顺列管束 导热油的动力粘度： 导热油的普朗特数： 管内流动的导热油的雷诺数： 采用迪图斯-贝尔特公式：介质管内纵向冲刷努谢特数： 此公式的实验验证范围是：，。其中。 介质管内纵向冲刷换热系数：一般情况下，对流受热面的管长比管径大得多，因此入口效应可不考虑。3.1.2 X/Z丝杠系统发热量计算 X电机发热： Z电机发热：X、Z轴承发热： 轴承发热公式：；n为轴承转速，。 轴承摩擦力矩公式： 是与轴承负荷有关的项， ；是与速度有关的选项。 当时：； 当时：；式中，-轴承类型和所受负荷有关的系数； -轴承摩擦力矩的计算负荷； -轴承中经； -转速； -运动粘度； -轴承类型和润滑方式相关常数。 为与速度有关的项，反映润滑剂的流体动力损耗，即 时， 时， 式中：-轴承类型和润滑方式相关系数，可以从表3-3中选取； -运动粘度，；-转速，； -摩擦力矩，可根据表3-4选取。表3-3 f0的数值轴承类型油雾润滑油雾润滑或脂润滑喷雾润滑深沟球轴承0.7-11.5-23-4圆锥滚子轴承1.5-23-46-8角接触球轴承单列124角接触球轴承双列248推力球轴承0.7-11.5-23-4双向推力球轴承1.4-23-46-8表3-4 f1、P1的计算公式轴承类型深沟球轴承圆锥滚子轴承角接触球轴承单列角接触球轴承双列推力球轴承双向推力球轴承注：深沟球轴承若，则取。 在表3-4中，是轴承当量静载荷，N；是轴承的额定静载荷，N；为轴向载荷，N；为径向载荷，N；Y是当时的轴向动载荷系数。若，则取，另外轻系列时，取偏小的值；重系列时，取偏大的值。 深沟球轴承和角接触球轴承的当量静载荷由下列两式计算，并取其中较大的值： 式（3-1） 式（3-2） 式中，同上，、为系数，从表3-5中选取。 表3-5 系数X0、Y0的取值轴承类型单列轴承双列轴承深沟球轴承0.60.50.60.5角接触球轴承0.50.4610.92 0.50.4210.84 0.50.3810.76 0.50.3310.66 0.50.291058 0.50.2610.52 0.50.2210.44 轴承功率损耗即主轴上热流率计算： 式中：P为功率损耗； M为轴承摩擦力矩； n为主轴转速。 影响轴承摩擦力矩的因素也很多，相同型号的轴承其摩擦力矩不一定相同，同一套轴承，随着转速、运转时间的增加，其摩擦力矩也会有所变化。 式中：轴承总摩擦力矩， 。 与轴承负荷无关项，与轴承类型、转速和润滑剂的性能有关的摩擦力矩，单位为。 与轴承负荷有关的摩擦力矩，。 主要是指轻载高速旋转时，由润滑剂引起的流体动力损耗，与润滑剂粘度和润滑剂的量及速度有关，可按下式计算： 当时， 当时， 式中 为轴承平均直径，单位mm；与轴承类型和润滑方式有关的系数，可查轴承手册；轴承转速，r/min；在工作温度下，润滑剂的运动粘度，单位mm2/s。表3-6 系数f0的数值轴承类型油雾润滑油浴润滑或脂润滑立轴，油浴润滑或喷油润滑单列深沟球轴承0.711.5234调心球轴承0.711.5234角接触球轴承单列124双列248圆柱滚子轴承带保持架11.52346满装滚子2.54调心滚子轴承2346812圆锥滚子轴承1.523468推力球轴承0.711.5234推力圆柱滚子轴承2.55推力圆锥滚子轴承3468 是与负荷有关的摩擦力矩，是由于接触区内弹性变形和局部滑动而引起的，可按下式计算： 式中 与轴承类型和所受负荷有关的系数；确定轴承摩擦力矩的计算负荷，N； (如果 ，则取) (f1 和P1只限于单列角接触球轴承，其它轴承的计算公式可查轴承手册)Dm轴承平均直径，mm；P0轴承当量静负荷，N；C0轴承额定静载荷，N。 丝杠支撑轴承采用脂润滑，型号： 粘度： 前端轴承型号（2个）：30TAC62B 后端轴承型号（2个）：25TAC62B (单列角接触球轴承脂润滑) X轴轴承热计算：1为远离电机端轴承25TAC62B, 2为电机端轴承30TAC62B 电机端轴承：当时 远离电机端轴承：当时， 支座反力计算：（1为远离电机端轴承25TAC62B, 2为电机端轴承30TAC62B ）轴承1径向支反力 ；轴承1轴向支反力 轴承2径向支反力 ；轴承2轴向支反力1：；2：；。当量动载荷计算结果： 当量动载荷 ； , 当量静载荷：轴承接触角为25，按式（3-1）和式（3-2）计算，取两式中的最大值。 远离电机端轴承： 电机端轴承： 因此：当量静载荷，远离电机端轴承（25TAC62B）： 电机端轴承（30TAC62B）： 估算公式：式中：为摩擦系数； 为当量动载荷； 为当量直径。 角接触轴承：（据估算公式M约为5.17(Nmm)）远离电机一端轴承（25TAC62B）： （） 电机一端轴承（30TAC62B）：（据估算公式M约为：0.061(Nmm)） （） Z轴轴承热计算：支座反力（1为靠近Z电机端）： 径向支反力；轴向支反力 径向支反力 ；轴向支反力 当量动载荷 ；当量动载荷 当量静载荷：轴承接触角为25，利用式（3-1）和式（3-2）计算，取两式中的最大值。 因此：当量静载荷，电机端轴承（30TAC62B）： 远离电机端轴承（25TAC62B）： 计算(轴承采用脂润滑，运动粘度为：8mm2/s, n=100r/min)电机端轴承（30TAC62B）： , 远离电机端轴承（25TAC62B）： , 估算公式： 为摩擦系数； 为当量动载荷； 为当量直径。角接触轴承：电机一端轴承（30TAC62B）：据估算公式M约为 远离电机一端轴承（25TAC62B）：据估算公式M约为： 丝杠副发热计算： 传动系统分析：丝杠的热的产生主要来自于跟轴承的摩擦，丝杠螺纹部分主要起到将旋转运动转化为直接运动作用，完成直线方向的进给运动。此处也存在着部分热的产生。 丝杠副发热量计算： 丝杠两端固定均采用型号为TAC62B轴承，丝杠与轴承轴向力通过下式计算： 式中，-轴向力；-电机转矩；-导程。边界条件：表3-7 空气特性运动粘度普朗特数导热系数空气15.060.7030.0259 通过计算得对流系数为。 X 轴丝杠摩擦系数：0.003；Z 轴丝杠摩擦系数：0.003 X轴电机输出转矩为，设导程为，则：轴向载荷 丝杠副摩擦热计算： 滚珠丝杠相当于角接触球轴承的内圈，螺母相当于外圈，由预紧力所产生的附加摩擦力矩由下公式计算： 上式中，-预紧力，N；-导程，m；-传动效率。 发热量在计算时摩擦力矩除了，外，还需加上。丝杠螺母副类似于角接触球轴承，因此：(单列角接触球轴承脂润滑）； 当时，当量直径：40mm；基本额定动载荷 ；基本额定静载荷 。当量动载荷 :当量静载荷计算： 估算公式：式中，为摩擦系数；为当量动载荷；为当量直径。角接触轴承： X丝杠直径由预紧力所产生的摩擦热为：D40，导程4mm，传动效率98%当最大轴向工作载荷不能确定时： 其中：-预紧载荷（KN）；-最大载荷（KN）；-预紧系数（见下表3-8）；-额定动载荷（N)。 表3-8预紧系数载荷类型轻微载荷轻载荷中载荷重载荷0.020.050.070.1预紧螺母单螺母双螺母双螺母双螺母注：不预紧单螺母的轴向间隙为0.010.05mm。(具体视丝杠长度) 按中载荷计算时，。 X轴电机输出转矩为12Nm，设导程为4mm，则：轴向载荷： 当时， 当量直径：40mm；基本额定动载荷 C=15200 (N)；基本额定静载荷 Co=10200 (N)；T:轴承寿命：15000h当量动载荷： 当量静载荷： Z丝杠直径由预紧力所产生的摩擦热为：D40，导程4mm，传动效率98%。当最大轴向工作载荷不能确定时： 式中： 预紧载荷（KN）； 最大载荷（KN）； 预紧系数（见表3-8）； 额定动载荷(N)。 按中载荷计算时， 3.2 超硬数控车床X/Z丝杠系统结果分析 X和Z轴丝杠经过边界条件和发热量计算之后，分别将X和Z丝杠系统的三维模型导入ANSYS Workbench 13