（机械制造及其自动化专业论文）数控成形磨床关键部件热态分析.pdf

摘要 随着机床朝着高速切削、高进给速度、高加工精度方向的发展，对机床的加 工精度和热稳定性提出了更高的要求。对机床的加工精度影响较大的误差源中， 热误差引起的误差占总加工误差的4 0 一7 0 。机床的热态特性对提高机床的加 工精度具有十分重要的意义。本课题结合浙江省重大科技专项工业项目 ( 2 0 0 8 c 0 1 0 2 6 1 1 ) 资助项目( 高性能七轴五联动数控成形磨床及关键技术研究) ， 以高性能数控成形磨床为研究对象，采用热网络节点法对数控成形磨床的关键部 件一一主轴系统和磨床的立柱进行了热态研究。 本文的主要研究内容如下： 第一章，总结了目前国内外对机床热态特性及热网络方法的研究现状，结合 本课题的背景和来源，提出对本文研究对象成形磨床的关键部件主轴系统和磨床 立柱采用热网络分析法进行热态分析。 第二章，论述了热传导基础理论的三种基本传热方式和温度场分析的基本要 素，结合三种基本传热方式分析了本文研究对象数控成形磨床的传热方式。 第三章，阐述了热网络法的基本思想和基本步骤，并找出本文研究对象数控 成形磨床的热结构特征及热源，结合热作用的机理，为后续建立成形磨床的关键 部件的热网络模型做好铺垫。 第四章，对磨床的关键部件主轴系统结构进行分析，找出主轴系统的主要热 源，推导了热源的计算公式。在一定的工况下，根据热量传递路线，对主轴系统 采用热网络节点法划分节点，计算了各部件的对流换热系数，根据不同的传热方 式进行热阻划分，并推导了各类热阻的计算公式，建立了主轴系统的热平衡方程 组，运用m a t l a b 求解热平衡方程组得到了温度节点的温度值，并考虑了影响 节点温度的主要因素。 第五章，对磨床的关键部件磨床立柱结构进行分析，找出磨床立柱的主要热 源，运用热网络节点方法建立了磨床立柱进行物理模型单元体的划分，并求解了 在一定的工况下立柱物理模型上关键温度节点的温度变化。将建模方法得到的分 析结果与实验测量结果进行对比，验证了该方法的准确可靠性，并分析了误差产 生的原因。将各种参数特性对磨床关键节点的影响进行了仿真分析，得到了各个 1 1 参数特性对关键节点的影响规律。并运用主动热激励装置在满足建立的物理模型 条件下，对磨床立柱进行热补偿，实验测量数据证实了热激励装置的有效性，为 进一步开展热误差补偿提供了理论依据，对提高磨床的加工精度具有重要的实际 价值。 第六章，对全文的研究工作进行总结，并提出了一些新的设想，展望了下一 步开展的研究工作。 关键词：热特性热网络温度场磨床主轴系统立柱 i l l a b s t r a c t w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to fm a c h i n et o o l si nh i 曲s p e e d ，h i 曲f e e ds p e e da n d 1 1 i g hp r e c i s i o n , h i g h e rd e m a n do fm a c h i n i n ga c c u r a c ya n dt h e r m a ls t a b i l i t ya r e r e q u e s t e d a m o n ga l lt h ee r r o r s ，e r r o r sc a u s e db yt h e r m a ld e f o r m a t i o na c c o u n tf o r f - 0 啊t os e v e n t yp e r c e n t ，t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et os t u d yt h et h e r m a l c h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i n et o o l s i nt h i sp a p e r , t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so fk e yp a r t s i n c l u d i n gt h es p i n d l es y s t e ma n dt h ec o l u m no fan u m e r i c a lc o n t r o lf o r mg r i n d e ra r e a n a l y z e db yt h e r m a ln e t w o r k sm e t h o d t h ec o n t e n to ft h i sp a p e ri sp a r to fs t u d yo n k e yt e c h n o l o g i e so fas e v e n - 1 j i v ea x i sn u m e r i c a lc o n t r o lf o r mg r i n d e r , s u p p o r t e db ya g r a n ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys p e c i a lp r o j e c to fz h e j i a n gp r o v i n c e t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri n c l u d e s ： i nc h a p t e r1 ，t h ep r e s e n ts t u d y 、d e v e l o p m e n to ft h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e r m a l n e t w o r kh a v eb e e ns u m m a r i z e d ，t h eb a c k g r o u n do ft h ep r o j e c ti si n t r o d u c e d ；t h i s p a p e rs t u d i e st h ek e yp a r t so ft h em a c h i n et o o li n c l u d i n gt h es p i n d l es y s t e ma n dt h e c o l u m no fan u m e r i c a lc o n t r o lf o r mg r i n d e r i nc h a p t e r2 ，t h r e eb a s i ch e a tt r a n s f e rs t y l e sa n dt h ee l e m e n t so ft e m p e r a t u r ef i e l d a r ee l a b o r a t e d ；t h eh e a tt r a n s f e rs t y l eo fan u m e r i c a lc o n t r o lf o r mg r i n d e ri sa n a l y z e d i na c c o r d a n c e 、航t 1 1t h r e eb a s i ch e a tt r a n s f e rs t y l e s i nc h a p t e r3 ，t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e sa n ds t e p so ft h e r m a ln e t w o r kh a v eb e e n e l a b o r a t e d ；t h et h e r m a ls t r u c t u r ea n dh e a ts o u r c e so ft h en u m e r i c a lc o n t r o lf o r m g r i n d e ra r ea n a l y z e d ，t h e r m a lm e c h a n i s mi sc o n s i d e r e d ，t h i sc h a p t e rp a v e st h ew a yf o r b u i l d i n gt h et h e r m a ln e t w o r km o d e lo ft h ek e yp a r t so fan u m e r i c a lc o n t r o lf o r mg d n d e r i nc h a p t e r4 ，a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lc o m p o n e n t so ft h es p i n d l es y s t e m ，h e a t s o u r c e sa r ef o u n do u t ；c a l c u l a t i o nf o r m u l a so ft h eh e a tc a p a c i t ya r ed e d u c e d u n d e r c e r t a i nw o r k i n gc o n d i t i o n ，p a r t i t i o np o w e rn e t w o r ko ft h es p i n d l es y s t e mi sc a r r i e d o u ti na c c o r d a n c ew i t ht h eh e a tt r a n s f e rl i n e ，h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t so fh e a t s o u r c e sa n da l ls t r u c t u r a lc o m p o n e n t sa r ec a l c u l a t e d t h e r m a lr e s i s t a n c e sa r e c o n d u c t e da c c o r d i n gt ot h ec l a s s i f i c a t i o no fd i f f e r e n th e a tt r a n s f e rs t y l e s ，a n df o r m u l a s i v f o rc a l c u l a t i n gv a r i o u sk i n d so fh e a tr e s i s t a n c e s ，h e a tb a l a n c e e q u a t i o n s a l e e s t a b l i s h e d ，t e m p e r a t u r e so ft h en o t e sa r eo b t a i n e db ys o l v i n gt h ee q u a t i o n st h r o u g h m a t l a b ，i n f l u e n c e st ot e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na r ea l s oc o n s i d e r e d i nc h a p t e r5 ，h e a ts o u r c e sa r ef o u n do u to nt h eb a s i so fs t r u c t u r eo ft h ec o l u m n k e yp a r to ft h en u m e r i c a lc o n t r o lf o r mg r i n d e r , t h eu n i t ed i v i s i o no ft h ep h y s i c a l m o d e li se n g a g e du s i n gt h e r m a ln e t w o r km e t h o d ，t h et e m p e r a t u r ev a r i a t i o nc u r v e so f i m p o r t a n tt e m p e r a t u r en o t e sa r eo b t a i n e du n d e rc e r t a i nw o r k i n gc o n d i t i o n s t h e a n a l y s i sr e s u l ti sc o m p a r e d 谢t ht h em e a s u r e dd a t ad e t e c t e df r o mt h ec o l u m n ，a n di s a l s op r o v e dt ob ea c c u r a t ea n dr e l i a b l e ，t h es o u r c eo ft h ee r r o r sb e t w e e nt h et w oi s a n a l y z e d ，a n dt h ei n f l u e n c er u l eo ft h ep a r a m e t e r st ot h ek e yt e m p e r a t u r en o t e si s o b t a i n e db ys i m u l a t i o na n a l y s i s at h e r m a le x c i t a t i o nd e v i c ei si n v e n t e da n di su s e dt o c o m p e n s a t et h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eu n d e rc e r t a i nm o d e ls e t t i n gc o n d i t i o n s ，t h e f e a s i b i l i t yo ft h i sd e v i c ei sp r o v e db yt h et e m p e r a t u r ed e t e c t i o nr e s u l t s ，w h i c h p r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef o l l o w i n gt h e r m a le r r o rc o m p e n s a t i o na n dt h e m e t h o di so fi m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u et oi m p r o v et h em a c h i n i n ga c c u r a c y i nc h a p t e r6 ，t h ep a p e ri sw h o l l yg e n e r a l i z e d ，s o m ea s s u m p t i o n sh a v eb e e np u t f o r w a r d ，a n dt h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r ki sp r o s p e c t e d k e y w o r d s ：t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e r m a ln e t w o r k ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，g r i n d e r , s p i n d l es y s t e m ，c o l u m n v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿苤堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年 月 日 致谢 时光荏苒，光阴似箭。近三年的硕士阶段随着时光的快速推移即将结束了。 在毕业论文即将完稿之际，首先谨向导师胡旭晓副教授致以崇高的敬意和衷心的 感谢。感谢导师在学习上的悉心指点、生活上的亲切关怀，以及在论文的选题、 撰写、修改过程中的无私帮助和辛苦劳动。两年多来，导师高尚的人格、渊博的 学识、严谨的治学学风、宽广豁达的胸襟、宽以待人的风范对我产生了很大的影 响，也会在今后的工作和学习中不断激励、不断影响我，并让我终身受益。衷心 祝愿胡老师及家人身体健康，阖家欢乐! 衷心感谢杨克己教授对我的指导和帮助。两年多来在的硕士学习期问，杨老 师给予的很多鞭策与监督，衷心祝愿杨老师身体健康、万事如意! 非常感谢杭州机床厂的何卫高级工程师、骆广进高级工程师，以及杭州机床 厂车间的工人师傅们积极帮助在车间的磨床测试实验，让研究工作和论文得以顺 利进行。希望你们在以后的工作中继续努力，取得更大的成果! 感谢室友刘振亚博士、刘英沛硕士、王力求硕士、李小虎硕士、贾伟灿硕士 在生活上的关心和帮助，和他们一起度过的时光将永远留下美好的回忆。 感谢实验室范宗尉博士、陈剑博士、贾坤博士、张冰冰硕士、方文平硕士、 邵严锋硕士、周洁硕士、王璞玉硕士、邵泉钢硕士、吴佳杰硕士、温家华硕士、 刘日明硕士、毛磊硕士、夏军建硕士、钱飞立硕士、王小丁博士，感谢你们在学 业上对我的支持和帮助，感谢你们陪我度过这段美好的时光。祝愿你们学业顺利， 前程似锦! 最后衷心感谢我的家人多年来对我的关心和支持，他们默默无私的奉献和无 徼不至的关怀，这份亲情让我终生充满感激。 刘昌华 2 0 0 9 年1 2 月于求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 1 1 前言 第一章绪论 机床工业是国民经济发展和国防建设的基础性和战略性产业，机床工业的发 展关系到整个国家的发展全局。它直接影响到国家工业部门的装备自动化水平、 生产效率的提高，代表了国家综合实力的发展水平。以高速切削、高进给速度、 高加工精度为主要特征的高速切削加工已经成为当今一种先进的制造技术，并成 为制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高新技术【1 1 。高速高精度机床是实现 高速切削加工的基本前提和条件。高速加工技术水平的高低，很大程度上反映了 国家高速机床的设计和制造技术水平，同时也是体现国家综合实力水平的标志。 因此，高速高精度机床也是当今装备制造业的技术基础和发展方向之一，也成为 当今装备制造业的战略性产业。高精密机床由于具备在生产上的高速度、高精密、 高精度、高效率及其高可靠性等特点，已被广泛用于在机械、汽车、摩托车、航 天航空、船舶、纺织、仪表、模具等工业领域。另外，在现代医药产业、微电子 器件及其机电一体化产品等高科技项目中，机床也得到了广泛的应用，机床在生 产社会中发挥的作用也越来越重要。 高速高精度机床在高速切削时，对提高加工精度、静、动刚度及机床的热态 稳定性等都提出了更高的要求，需要改善机床的热态特性，减小机床的热变形。 因此，机床的热态特性越来越受到人们的重视，它是影响高速机床加工精度最重 要因素之一，也是当前研究的最重要、最迫切的课题之一【2 】 3 1 。 机床的加工过程中，工艺系统在内、外热源的作用下，产生不均匀热量来源， 引起机床、刀具、夹具和工件产生一定的热变形，进而引起刀具和工件之间产生 一定的相对位移，造成加工误差，影响机床加工精度。加工精度主要取决于工艺 系统的静、动态特性和热态特性。在现代高速切削加工中，机床转速和零件的表 面加工质量都得到了很大的提高，切削深度、切削力和走刀量一般都较小。所以 热变形误差对加工精度的影响较工艺系统变形误差更为显著。据英国伯明翰大学 皮克林尼克( j p e c l e n i k ) 教授研究表明：在精密加工过程中，工艺系统热变形 引起的加工制造误差占总加工制造误差的4 0 7 0 【4 】。日本垣野义昭也得出了类 浙江大学硕士学位论文绪论 似的结论【5 1 。德国b r a u n i n g 认为热误差一般约占总误差的5 0 【6 1 ，俄罗斯p u s h 得出的结论是，热变形引起的加工误差可占总误差的2 5 7 5 。美国的j b r y a n 在国际生产工程学会( c i r p ) “热误差研究的国际现状”主题报告中，呼吁必须 大力研究精密机械中热误差控制技术，因为它已成为提高加工精度和测量精度的 主要障碍【7 1 。在机床向着高精度、高速化、多功能发展的过程中，更应加大力度 研究热变形对机床加工精度的影响，并对机床的热变形进行控制和3 1 、偿，同时还 可以为机床的热结构优化设计提供重要的参考依据。 因此，致力于机床热变形的研究和解决具有非常重要的意义，也会带来巨大 的经济效益和我国制造业水平的提高。 1 2 国内外机床热态特性研究现状 1 2 1 国外机床热态特性研究现状 1 9 3 3 年，瑞士对镗床进行测量并发现热变形是影响定位精度的主要因素之 一。二十世纪三、四十年代，各国研究侧重于对机床热特性进行实用性改进。二 十世纪七十年代，出现了机床热变形的数控补偿技术。二十世纪八十年代，误差 3 1 、偿技术成功应用到坐标测量机上。 日本m o r i w a k i 等人在实验中研究了超精密机床空气主轴系统的热特性，得 到了热变形与主轴转速、环境温度之间的传递函数，并运用热变形3 1 、偿方法来减 少机床的热误差吵 韩国j i nk y u n gc h o i 笔应用有限元方法对主轴的轴承系统进行了热特性的研 究，并根据实验结果和计算结果的对比，修正主轴表面的换热系数，使实验结果 和计算结果十分吻合例。 韩国s u nm i nk i m 等研究了主轴轴承装配公差和主轴支承结构的热变形对 高速主轴系统热特性的影响u 0 1 。 加拿大m h 。a t t i a 等采用有限元方法分析了机床的整体湿度场，并将机床温 度场划分为多个较为规则的单元。通过对温度场仿真和相关性选择，预测温度测 点的最佳数量和最优分布。这种方法可以应用到各类机床上，而不受机床机构变 化带来的影响【1 1 1 。 浙江大学硕士学位论文绪论 m i s h i m a 等将热一液体动力润滑理论应用到静压空气主轴热变形上，结果表 明实验结果和计算结果十分吻合，还提出了通过控制供应空气的温度低于室内温 度的手段，来达到控制静压空气主轴热变形的目的，实验表明这是一种非常有效 且容易实施的方法【1 2 1 1 3 1 。 美国的d e b r a a k r u l e w i c h 等应用高斯积分法分析了整个机床温度场，并将 温度传感器作为高斯积分点，分布在预先已知的温度场中。由于预先确定了温度 测点的数量及分布位置，所以节省了获取机床温度场的大量测量时间。这种方法 的热误差补偿模型可减少9 3 9 6 f f - - j 机床主轴热误差【1 4 】。 韩国j i nh y e o nl e e 等在相关性分组及连续线性回归分析的基础上，将最小 残差平方和作为选择温度变量的依据，减少测量噪声对热误差模型的影响，从而 提高了误差模型的鲁棒性【”】。 日本大阪机工公司( o k k ) 生产的t d c f u z z y 主轴头运用模糊控制理论研 制的热误差补偿控制器来控制主轴头的热误差。热误差补偿控制器将环境温度、 机床本体温度及机床回转转速作为函数，利用温度调节装置来精确控制主轴头冷 却润滑油的供应量，一天内的热误差变化了在o 0 2 m m 以内。日本和西德提出了 “热刚度”概念，研究时将静刚度、动刚度和热刚度三者结合在一起。 美国h u a n g s c 等采用了多元回归方法分析了机床进给系统的滚珠丝杠热 变形，将建立模型的关键点选为互相独立的温度变量( 例如丝杠前支撑、丝杠螺 母和丝杠后支撑等) ，建立了有效预测丝杠产生的热变形误差模型【1 6 】。 美国密西根大学吴贤铭研究制造中心( s m w hm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h c e n t e r ) 开发了基于p c 机的神经网络实时补偿系统，用来进一步补偿c n c 控制 器的误差补偿能力【1 7 】。后来又通过新的建模方法建立机床的热误差补偿系统， 并应用到多台车削中心上，并取得了良好的效果。 1 2 2 国内机床热态特性研究现状 我国在5 0 年代开始对机床热变形及其误差补偿技术进行研究。到7 0 年代末， 不少高校和研究单位都开始了机床热变形及其误差补偿技术方面的研究工作。 华中科技大学张德贤等在具体研究了机床变温变形特性的基础上，提出了基 于神经网络确定机床热误差补偿的温度监测点及控制源位置的基本思想和具体 浙江大学硕士学位论文绪论 实现方法，从而为最佳控制源及温度监测点位置的选择提供了新的思路及手段， 实际应用及实验结果证明了该方法的可行性【1 8 】。 台湾的c h e n j s 等采用多元回归方法和人工神经网络方法对机床的热误差 进行建模。针对建模过程中出现的变量藕合现象，分别采用上述两种方法建立了 自动搜索算法。实验验证后，c h e n j s 认为采用多元回归、人工神经网络等基于 经验的建模方法，能够较好地预测实际加工时的机床热误差。在卧式加工中心上 应用这种建模方法时，铝加工时产生的热误差由9 2 4 “m 减小到7 2 m 【19 1 。 上海交通大学的杨建国等人，对c n c 车削加工中心进行了有限元模型分析， 并建立了数学模型，无须对机床主轴结构作改动，并取得了良好的效果。并对机 床上温度传感器的分布进行优化，提出了热误差鲁棒性建模的新方法，在此基础 上开发的热误差补偿系统应用到c n c 车削中心，将热误差从3 5 “m 降低到1 2 “m ，使用一年后仍然保持了良好的运行状态【2 0 1 。 上海交通大学李永祥等人提出采用灰色系统模型在机床热误差建模方面的 基本原理及方法，通过把经过改进的灰色系统模型用于机床热误差建模，取得了 较满意的结果【2 。 浙江大学居冰峰等研究了相变材料复合恒温构件在机床热变形控制技术中 的应用，效果良好，为机床热位移控制开辟了新的思路2 2 1 。 浙江大学蒋兴奇等以传热学、滚动轴承摩擦学和动力学为理论基础，以 7 0 0 5 c p 4 轴承为例，建立了考虑摩擦热和轴承预紧方式影响的主轴轴承动力学 模型，通过分析轴承的摩擦力矩、运动、载荷和刚度来研究轴承的热特性，并进 行了实验验证【2 3 1 。 上海交通大学闫嘉钰提出了基于灰色综合关联度进行数控机床热误差建模 的关键温度测量点选择方法，将原有1 6 个温度测点减少至4 个，较大幅度提高 了模型的鲁棒性【2 4 1 。又提出了数控机床热误差的最优线性组合建模方法及其相 关算法，通过在一台c n c 机床的实际加工数据进行分析和验证，所提出的方法 在节省建模时闻的同时大幅提高了所建立模型的预测精度，是一种高性价比的建 模方、法【2 5 1 。 山东理工大学郭前建分析了机床热变形机理后，采用蚁群算法对b p 神经网 络的权值进行训练，得到一种新的仿生预测模型，并将该模型应用于y 3 1 5 0 k 型 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 滚齿机中进行热误差补偿实验，使滚刀主轴的热变形误差控制在6 9 i n 以内t 2 6 j 。 吴雄彪等人提出了基于贝叶斯网络的数控机床热误差建模方法，在数控加工 中心的建模实验表明：此方法表达直观、建模精度高，自适应强，能有效描述机 床热误差【2 7 1 。 浙江大学林伟青等提出基于动态自适应加权最小二乘支持矢量机的数控机 床热误差建模方法，在一台x k 7 1 3 数控铣床进行试验后，基于动态自适应最小 二乘支持矢量机的数控机床热误差建模方法精度高，泛化能力强f 2 8 1 。 国内的部分研究所也在此方面开展了研究。吉林省机电研究设计院利用自准 直原理设计出了新型导轨磨床，可基本消除由于外界温度变化而引起的基础件的 热变形 2 9 1 。2 0 0 3 年，国家高效磨削工程技术研究中心研究了轴承高速时的热态 特性，将主轴、轴承和轴承座作为一个系统进行了热态分析，并开展了试验【3 0 1 。 2 0 0 5 年，洛阳轴承研究所研究了在不同转速和载荷及润滑条件下高速磨床主轴 用陶瓷球轴承的运转特性，进行的实验结果表明：与钢制轴承相比，陶瓷球轴承 在高速下摩擦力矩较小、温升低、有良好的运转特性【3 1 1 。 另外，国内很多大学和机床厂商，如哈尔滨工业大学、同济大学、天津大学、 杭州机床厂、上海机床厂、秦川机床厂、沈阳机床厂、昆明机床厂等都在机床误 差补偿技术方面取得了一定的成果。 1 3 国内外热网络节点分析法的研究现状 随着计算机的广泛应用，热网络节点分析法已成为热设计和热分析计算中 一种比较成熟的方法。目前在热网络已经在油田、航空、航天、建筑、电子器件 等领域应用。 荷兰r o na j v a i lo s t a y e n 和a n t o nv a nb e e k 对限压速测试钻机建立了热网 络模型，并用实验数据验证了热网络节点的计算结果 3 2 1 。 英国t a n g ，w h ，w u ，q h ，r i c h a r d s o n , z j 等人对浸油的变压器热模型提出 了一个等效的热回路；在此基础上，提出运用在线测量数据的智能学习法来构建 热网络模型 3 3 1 。 加拿大h i m a n s h ud e h r a 提出了一个二维的热网络模型用来预测安装在 c o n c o r d i a 大学的户外实验室的一块光伏太阳能墙壁的温度分布。还建立了其共 浙江大学硕士学位论文绪论 轭热交换和热传导是的稳态热网络节点方程，实验证明，这个模型对温度分布的 预测和实验测量的数据是吻合的【3 4 1 。 江亲瑜等人提出求解齿轮本体温度的一般方法和步骤，并提出一个简化的热 网络，并在a 7 1 7 齿轮试验台上进行试验和理论计算，结果表明其计算模型简单 易行而有一定的深度【3 5 1 。 张征等人分析了多级齿轮装置的热网络模型建立方法，对机械结构的离散网 络的拓扑结构和数学描述，并通过仿真和实验证明，热网络模型时可以准确模拟 其热特性【3 6 】。 吴昌林建立了汽车变速箱的实用稳态热网络模型，考虑了可能影响变速箱温 升的各种工况，并对汽车变速箱的稳态温升做了较为精确的预测【3 7 1 。 李健等人采用热网络法建立了轴承腔的热平衡方程组，并采用拟牛顿法求解 了热平衡方程组，获得了不同工况下的温度场计算结果，结果与测试结果基本吻 厶【3 8 】 口 刘志全等人以某直升机齿轮传动系统为研究对象，用热网络法建立了该传动 系统的热平衡方程组；建立了该传动系统的热阻、功率损失和对流换热计算模型； 并计算了该传动系统在给定工况下的功率损失、对流换热系数和稳态温度场的分 布【3 9 1 。 张永红等人在行星齿轮传动系统中应用热网络分析法得到了系统的稳态热 分布，为行星齿轮系统的瞬态热分析奠定了基础1 4 0 。 王敬等为了设计车辆传动装置的冷却系统，提出了一个基于变速箱各档位热 工况的统计使用频率加权平均的方法，进行传动系统的热平衡计算t 4 1 1 。 邓策建立了变速箱热平衡系统的热网络模型和热平衡方程组；使用 m a t l a b 对系统达到稳态时各元件的温度进行迭代求解；并分析了在不同档位 下，变速箱在不同发动机转矩、转速时各元件的产热功率、各元件之间的热阻及 其影响因素；并基于该稳态解，对变速箱热平衡系统进行了动态仿真【4 2 1 。 目前，对机床的热态研究焦点主要集中于机床的热变形误差补偿，而机床热 变形误差补偿的关键在于建立准确的热误差模型和误差补偿控制策略，热误差模 型的建立精确程度在很大意义上决定了误差补偿的效果。热网络节点分析法物理 意义清晰，划分的节点能够反映物理模型的本质，并能根据物理模型上的节点温 6 浙江大学硕士学位论文绪论 度的变化率确定其温度变化趋势。因此，本文采用热网络节点法对本文的研究对 象上影响加工精度的关键部件主轴系统和立柱部件开展热态特性研究，获取 关键部件的热态分布特性后对接下来开展的热变形误差补偿提供铺垫，为进一步 提高成形磨床的加工精度具有重要的理论和实际意义。 1 4 本课题的背景及来源 目前，从我国装备制造业总体局面来看，还存在制造工艺装备落后，产品性 能、质量和效率较低，增长方式粗放等问题。为改变目前我国重大装备仍需大量 从国外进1 ：3 的局面，迫切需要进行技术改造，急需大批先进的数控机床进行装备。 随着世界科技水平的提高和制造业的快速发展，机床工业作为国民经济发展和国 防建设的基础性和战略性产业，其地位和作用越来越重要。数控机床作为机床工 业的主流产品，作为实现装备制造业现代化的关键装备，数控机床的拥有量及其 性能水平的高低成为衡量一个国家综合实力的重要标志。国内外的装备制造业发 展经验表明：振兴装备制造业，发展机床工业是关键，特别是重点发展数控机床。 日本和德国数控机床产业几乎与我国同时起步，由于抓住机遇，采取得力的产业 扶持政策，8 0 年代以后，日本和德国成为世界第一、二位数控机床制造强国， 从而，促进装备制造业发展，迅速崛起成为制造强国和经济大国。 制造业作为浙江省工业的主体，是推动浙江国民经济增长的主要动力。自 2 0 0 4 年6 月全省工业大会后，为加强对先进制造业基地建设的领导，加快推进 浙江省省先进制造业基地建设，浙江省政府先后出台了浙江先进制造业基地建 设规划纲要和关于推进先进制造业基地建设的若干意见等文件，提出到 2 0 1 0 年，浙江要基本建成国内领先、具有较强国际竞争力的先进制造业基地， 要成为我国走新型工业化道路的先行地区；到2 0 2 0 年，要全面融入世界现代制 造业体系，成为国际性的先进制造业基地。浙江省地处长三角，具有明显的区位 优势；浙江省民营企业发达，已形成专业化分工合作的社会体系；数控机床工业 有较好的基础，数控机床年产量已超过6 0 0 0 台，但以经济型居多，整体加工技 术还处于低水平，由于多年来整体科研投入较少，基础研究不足，设计理念落后， 机床行业与国外的同行业先进水平相比还有相当的差距。正处我国由制造大国向 制造强国过渡的关键发展时期，迫切需要大力开展机床加工精度方面的研究。 浙江大学硕士学位论文 绪论 杭州机床厂研制成功的数控成形磨床是目前国内最高水平的机床品种之一， 属于机电一体化产品。数控强力成形磨床适用于多方向、凹面、凸台面、圆弧面 的零件表面加工、并应用于飞机发动机叶片，蜗轮圆弧叶冠的高精密成形磨削等。 在生产过程中发现，数控成形磨床在长期的加工过程中，热稳定性轮廓加工精度 仍然需要进一步提高。本课题是浙江省重大科技专项工业项目( 2 0 0 8 c 0 1 0 2 6 1 1 ) 资助项目( 高性能七轴五联动数控成形磨床及关键技术研究) 一部分，即开展数 控成形磨床关键部件的热态特性研究。本文主要开展了数控成形磨床的关键部位 的热态分析，为进一步提高成形磨床的热态稳定性和可靠性，实现高精度磨削加 工创造积极条件。 1 5 本论文研究的主要内容 本课题主要结合浙江省重大科技专项工业项目开展“高性能七轴五联动数控 成形磨床及关键技术”研究。杭州机床厂研制的七轴五联动数控强力成形磨床在 长期磨削过程中热稳定性轮廓加工精度不高，本文结合数控成形磨床结构特征， 分析了影响磨床加工精度的热源，并对影响成形磨床的加工精度的关键部件 主轴系统和立柱部件开展了热态特性研究。 本论文主要完成了以下几个方面的工作： ( 1 ) 运用传热学基本理论知识，对数控成形磨床整体的热结构特征及热源进 行了分析，确定了影响数控成形磨床加工精度的主要因素为主轴系统及磨床立柱 的受热变形。确定了主轴系统的主要热源为主轴电动机发热和轴承摩擦生热，分 析了热量传递的途径及方式，并推导了这两类热源的热功率计算公式。 ( 2 ) 基于热网络节点法基本理论，对数控成形磨床的主轴系统进行温度节点 的划分，并根据主轴系统中热源产生的热量在主轴系统的传热路线，确定了热量 在各个温度节点之间流动时的热阻，按照节点间传热方式对热阻进行了分类，并 应用传热学理论推导了各类热阻的计算公式。 ( 3 ) 根据磨床主轴系统的结构及其传热机理，运用热网络节点法建模理论， 由主轴系统内热量的传递路线建立了热网络模型，针对一定的实际工况对主轴系 统组成部件的传热系数进行了计算。并根据机床运行的具体工况，建立了主轴系 统稳态传热时的热平衡方程组，运用m a t l a b 求解了主轴系统在此工况下其系 浙江大学硕士学位论文绪论 统稳态温度节点的温度值。 ( 4 ) 考虑了对磨床主轴系统稳态温度分布影响较大的因素：轴承转速、冷却 液温度的设定及润滑剂粘度的大小对主轴系统中轴承温度节点分布的影响，为更 好地改善主轴系统的热态温度分布和选择机床的工况参数提供了指导意义。 ( 5 ) 对磨床的关键部件磨床立柱结构进行分析，并找出磨床立柱的主要热源， 运用热网络节点方法建立了磨床立柱进行物理模型单元体的划分，并求解了在一 定的工况下立柱物理模型上关键温度节点的温度变化。将建模方法得到的分析结 果与实验测量结果进行对比，验证了该方法的准确可靠性，并分析了误差产生的 原因。将各种参数特性对磨床关键节点的影响进行了仿真分析，得到了各个参数 特性对关键节点的影响规律。并运用主动热激励装置在满足建立的物理模型条件 下，对磨床立柱进行热补偿，实验测量数据证实了热激励装置的有效性，为进一 步开展热误差补偿提供了理论依据，对提高磨床的加工精度具有重要的实际价 值。 9 浙江大学硕士学位论文 热传导理论基础 第二章热传导理论基础 在机床加工过程中，消耗的机械能转变成变形能，根据实验证明：切削过程 所消耗的功几乎全部转变化为热能。热能在传递给刀具的过程中，传递到主轴及 工件和切屑，切屑洒落到机床工作台及其他部位，热量在这些部位之间传递给其 他部位。在切削热、摩擦热和辐射热等的作用下，刀具与加工工件之间相对位置 发生变化，工艺系统也产生相应的变形。 2 1 热量传递的三种基本方式 热量传递是一个非常复杂的过程，根据热量在传递过程中的物理本质，热量 传递有三种基本方式：热传导、对流换热和热辐射【4 3 1 。 2 1 1 热传导 导热是指温度不同的物体之间或者同一物体上不同温度的各部分之间没有 宏观相对位移的热量传递过程。热量从温度较高的物体传递到与其直接接触的温 度较低的另一物体，或者从同一物体的较高温度的部分传递到温度较低的部分， 物体各部分之间不发生相对的位移，通过分子、原子或者自由电子等微观粒子的 热运动而进行热传递现象。 法国物理学家傅里叶在实验的基础上提出了导热基本定律，即单位时间内通 过给定截面热量正比于垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积，热量传递 的方向与温度升高的方向相反。傅里叶定律的一般表达式是用对流换热矢量写出 的，形式为 g = 一2 c g r a d t ：一a 昙刀 ( 2 1 ) o n 式中，踟西空间某点的温度梯度； n 通过该点的等温线上的法向单位矢量，方向指向温度升高的方向； q _ 该点处的热量密度矢量。 平板导热是热传导的典型问题。如图2 1 所示的平板，两侧的温度维持为恒 1 0 浙江大学硕士学位论文热传导理论基础 定温度乙。和乙：，单位时间内从一侧的表面传导到另一表面的热量q - 9 平板两侧 表面的温度差出= t w 。一t 。：和平板表面积成正比，并与壁厚6 成反比。表达式为 q ：a a 纽兰 ( 2 2 ) 式中，q 一通过表面积为a 的平板的热量，w ； a 导热系数，主要反映了材料导热能力的大小，单位w ( m k ) 。 式2 2 也可以表示为 g ：里：委么 ( 2 3 ) 。 么6 式中，q 通过单位面积的热流量，也称为热流密度，w m 2 。 在机床运转过程中，主轴轴承的热量传递到与之接触主轴箱，就属于导热传 热，切削过程中，切削产生的热量由刀头传递到刀体，也是导热传热。 2 1 2 对流换热 1 图2 1 平板导热模型 2 x 对流只发生在流体中，而且由于流体的分子在同时进行不规则的热运动，因 为对流过程中必然伴随着导热现象。对流是指流体的宏观运动使流体各部分之间 发生相对位移、冷热流体互相渗混而引起的热量传递过程。对流换热过程既包括 壁面与流体直接接触的热传导和流体本身的热传导，又包括对流现象，所以远比 导热复杂。1 7 0 1 年，牛顿提出了对流换热的基本计算式，即牛顿冷却公式： 流体被加热时： q = ( 0 一f ，) ( 2 4 ) 浙江大学硕士学位论文热传导理论基础 流体被冷却时： q = 办( 0 一乙) ( 2 5 ) 式中，乙、f ，分别为壁面温度和流体的温度，单位是。 牛顿冷却公式可表示为 q = h a t ( 2 6 ) q = a h z x t ( 2 7 ) 式中，“壁面与流体间的温度差，且取为正值，； h 一比例系数，w ( m 2 k ) 。表面传热系数h 与很多因素有关，它不仅 取决于流体的物性以及换热表面的形状、大小与布置，而且还与流速有密切的关 系。 机床过程中，主轴箱内飞溅的润滑液与箱体内壁面之间主要是以对流换热的 方式进行热传递的。另外，主轴箱外壁和外界环境之间也属于对流换热。 2 1 3 热辐射 物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。物体会因各种原因发出热辐 射，其中因热的原因发出辐射能的现象成为热辐射。自然界中各物体都在不停地 向空间发出辐射，同时又不断地吸收其他物体发出的热辐射。辐射与吸收过程的 综合结果形成了以辐射方式进行的物体间的热量传递辐射传热。与导热、对 流这两种热量传递方式不同，导热、对流只能在有物质存在的条件下才能进行， 实际上在真空中热辐射传递最有效。辐射传热区别与导热、对流传热的另一个特 点是：它不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形式的转换，即发射时从热