（机械制造及其自动化专业论文）大功率、大扭矩摆角铣头结构热特性分析.pdf

摘要 摘要 数控机床的出现，提高了机床的自动化，从而减少甚至消除了操作人员对正 在加工中的零件的干扰。功能部件在数控机床中起到特别关键的作用，决定了一 台数控机床质量与性能的高低，功能部件的技术要求直接制约着我国数控机床行 业技术进步与发展。本课题所研究的摆角铣头是五轴联动数控镗铣床的核心功能 部件，其特点是大扭矩，高功率，高精度，高刚性，能够长时间连续加工，可以 加工大型自由曲面叶片。摆角铣头的内部采用双传动链( 摆角和主轴旋转联动) 传动，结构十分紧凑复杂，其特性好坏将会直接影响到加工精度。 本课题以摆角铣头为研究目标，以实现摆角铣头在加工切削过程中的高精度 加工入手，着重从铣头热态特性方面利用有限元技术进行分析研究： ( 1 ) 根据摆角铣头的实际工作状况，确定摆角铣头的各发热源( 轴承、齿 轮) ，计算了摆角铣头轴承及齿轮的摩擦发热。轴承和齿轮的发热会引起摆角铣 头内部的温升，造成不均匀的摆角铣头温度场，从而导致主轴轴线的位移变形。 ( 2 ) 通过p r o e n g i n e e r 三维图形软件确定摆角铣头的整体结构模型，并根 据实际计算的需要进行一系列的简化。将整体模型导入到大型有限元软件 a n s y s 中建立有限元模型，并利用a n s y s 来分析计算摆角铣头的温度场分布 及其热态特性。确定出摆角铣头在工作状态中达到热平衡时的最大温升处，并计 算出刀具中心位移的偏移量，对今后对摆角铣头进行优化作以理论指导。 ( 3 ) 分析了脂润滑和油润滑不同的热交换系统下对于摆角铣头热态特性的 影响，并根据计算结果，对摆角铣头进行不同情况下热态特性的对比。结果表明： 采用脂润滑和油润滑不同的润滑方式，将会影响摆角铣头的温升，同时也会影响 刀具轴心处的位移变形。适当的调节润滑方式可以有效的降低摆角铣头的温升， 并大大减少热变形对加工精度的影响。 综上所述，本文所阐述的热分析研究对于充实我国数控机床及其功能部件数 字化分析、建模、仿真及优化方面理论，以摆角铣头为热分析研究对象，对其他 功能部件提供在热分析方面的研究思路和方法，以及对提高数控装备制造业的技 术自主创新能力和核心竞争力有着重要的意义。 关键词热特性；功能部件；铣头；有限元分析 a b s t r a c l a b s t r a c t a l o n gw i t ha p p e a r a n c eo fc n cm a c h i n eh a sg r e a t l yi m p r o v e dt h el e v e lo ft h e m a c h i n et o o l ，w h i c hg r e a t l yr e d u c e st h ei n t e r f e r e n c ef r o mo p e r a t o rt o c o m p o n e n t s w h i c ha r eb e i n gm a c h i n e d f u n c t i o n a lu n i tp l a y sak e yr o l ei nc n cm a c h i n e a sa d e c i s i v ef a c t o r i nq u a l i t ya n dp e r f o r m a n c eo fac n cm a c h i n e d e v e l o p m e n to f d o m e s t i cm a n u f a c t u r e r so fc n cm a c h i n et o o l si sd i r e c t l yr e s t r i c t e db yt h et e c h n o l o g y o ft h ef u n c t i o n a lu n i t t h ec h a r a c t e r i s t i co fm i l l i n gh e a dt h a ti sk e yf u n c t i o n a lu n i ti n f i v e a x i sm a c h i n ec e n t e ri sh i g ht o r q u e ，h i g hp o w e r , h i g hp r e c i s i o na n dh i 【g hr i g i d i t y i tc a i lc o n t i n u o u s l ym a c h i n eo nl a r g es u r f a c eo fl e a v e sf o ral o n gt i m e t h e c h a r a c t e r i s t i c so fm i l l i n gh e a dw h i c hi l i n e ri sd o u b l et r a n s m i s s i o nc h a i ni n f l u e n c et h e n c m a c h i n i n ga c c u r a c y , d i r e c t l y f o re s t h e t i c sp u r p o s e , m i l l i n gh e a dc a l lb ea n a l y z e di n a s p e c to ft h e r m a l c h a r a c t e r i s t i ct om a k eh i g hp r e c i s i o ni nt h ep r o c e d u r eo f m a c h i n i n gr e a l i z e d ： ( 1 ) e v e r yh e a ts o u r c ei nm i l l i n gh e a dw a sd e t e r m i n e da c c o r d i n gt or e a lc o n d i t i o n o fm i l l i n gh e a d ，a n dt h eh e a tg e n e r a t i o nd e v e l o p e di nb e a r i n g si sc a l c u l a t e d t h eh e a t g e n e r a t i o no fb e a r i n g si n c r e a s e s t h et e m p e r a t u r eo fm i l l i n gh e a d ，a n dc a u s et h e h e t e r o g e n e o u st e m p e r a t u r ef i e l do fm i l l i n gh e a d 1 1 1 ed i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o no f s p i n d l ea x i si sc a u s e db yt h eh e a tg e n e r m i o no f b e a r i n g s ( 2 ) at h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fm i l l i n gh e a dw a se s t a b l i s h e dw i t hp r o e s o f t w a r e t h em o d e lw i l lb ea n a l y z e di nt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i cu s i n gf i n i t e e l e m e n t a n a l y s i sm e t h o d 1 1 1 em a xt e m p e r a t u r er i s i n gf i e l do f m i l l i n gh e a di sd e t e r m i n e dw h e n p a r ti sb e i n gw o r k e d ，t h e nt h ed i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o no fc u t t e rc e n t e ri sf i x e d t h i s a n a l y s i sp r o v i d e st h et h e o r e t i c a lf u n d a m e n t a l sf o ri m p r o v i n gm i l l i n gh e a d ( 3 ) t h ea n a l y s i so fg r e a s el u b r i c a t i o ns y s t e ma n do i ll u b r i c a t i o ns y s t e ma r ea l s o d o n e c o m p a r i s o ns t u d yo ft h ea n a l y s i si nt w oc o n d i t i o n s ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e t e m p e r a t u r er i s i n go fm i l l i n gh e a da n dt h ed i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o no fc u t t e rc e n t e r a l ea f f e c t e db yd i f f e r e n tc o n d i t i o n s r e g u l a t i o ni nl u b r i c a f i o nm o d ew i l lr e d u c et h e t e m p e r a t u r er i s i n go fm i l l i n gh e a da n dr e d u c em a c h i n i n ga c c u r a c ye f f e c t i v e l y i naw o r d ，t h ea n a l y s i so fm i l l i n gh e a di nt h i sa r t i c l ei ss i g n i f i c a n ti nt h e o r yi n c n cm a c h i n ea n df u n c t i o n a lu n i t , a n di nt h e r m a la n a l y s i so fo t h e rf u n c t i o n a lu n i t , a n di ni m p r o v i n gm a n u f a c t u r i n gl e v e la n di n t e r n a t i o n a lc o n t e n da b i l i t y k e yw o r dt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c ；f u n c t i o n a lu n i t ；m i l l i n gh e a d ；f e ma n a l y s i s i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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了谢意。 签名：程免 关于论文使用授权的说明 日期：0 0 5 o i 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：短瓤导师签名： 第1 章绪论 ll 本课题的研究背景及基本理论 数控机床的出现，提高了机床的自动化，从而减少甚至消除了操作人员对正 在加工中的零件的下扰。许多数控机床可以在性人照顾的情况下完成整个加工过 程，这样既节省了人力资源又同时带来了诸如减轻操作人员的疲劳度，减少人为 错误以及准确的对每个加工件的加工时间进行预测等优点”j 。 功能部件在数榨机床中起1 0 特别关键的作用，决定了一台数控机床质量与性 能的高低，其成本占中挡数控机床8 0 吼上，高档数控机床6 0 以r 。国产数 控机床发展的不利因素中，功能部件的技术创新能力和产业化水平滞后已成为制 约我国数控机床行业技术进步与发展的公认瓶颈。凼此，数控机床及其功能部件 被列入国务院2 0 0 6 1 8 号文件关于加快振兴装缶制造业的若干意见的十六个 重点突破领域之一，国民经济和社会发展十一五规划纲要的第 2 6 1 个优先发 展主题，发改委、科技部在数控机床“十一五”专项规划中明确指出，到“十 五”术期，国产数控机床占5 0 以上，采用国产功能部件达到6 0 l 一。 数控机床功能郴件包括：数控系统、主轴单元、转动刀架、换刀机构、刀库、 数控转台、动力刀架、导轨、缒杆以及高速防护装置等十大部分，如图1 1 所示。 图i - i 数控机床十大功能部件 f i g l - 1 i f u n c t i o n p a r i so f n c m a c h i n e t o o l 本课题咀北京数控装备制造企业关键功能部件的技术创新和产业化发展的 实际需求为背景，以北一机床目前正在开发的定粱桥式职龙门五轴镗铣床大扭矩 高精密摆角铣头的数字化设计与制造为突破口，采用产、学、研相结台的方式， 北京一t 业人学丁学硕i j 学位论文 致力于数控机床复杂功能部件的数字化建模与分析关键技术的研究。 研究摆角铣头热态特性的主要任务是分析计算摆角铣头的热源、温升、温度 场和热位移场。可用的计算方法很多种类，主要有解析法、近似理论解法和数值 解法等。由于分析法的求解过程比较复杂，有时甚至是无解，所以在工程实际中 应用较少。近似理论解法不以求得精确为目标，可使问题大为简化，其中的边点 法是一种有用的近似理论解法。数值解法是以离散数学为基础、以计算机为工具 的一种解法，它虽不如解析法精确，但对于复杂的情况常能得到满意的解答，因 此数值解法在工程上应用广泛。 有限元法是常用的数值解法，它的基本思想是把本来求解物体的温度随空 间、时间连续分布的问题，转化为在时间域和空间域有限个离散点的温度值的求 解方法，用这些离散点的温度去逼近求解物体的温度分析。 本课题采用三维图形软件p r o e 对摆角铣头进行建模，并用有限元软件 a n s y s 来分析摆角铣头的热态特性。 p r o e n g i n e e 是一套由设计至生产的机械自动化软件，现己成为当今世界机 械c a d c a e c a m 领域的新标准【2 】。p r o e n 舀n e e l 是采用参数化设计的、基于特 征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成 模型，如腔、壳、倒角及圆角，可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特 性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 a n s y s 有限元软件是一个应用广泛的工程分析软件，主要是利用有限元法 将所研究的工程系统转化成一个有限元系统，该有限元系统由若干节点和元素组 成，以取代原有的工程系统。有限元系统可以转化成一个数学模式，并根据该数 学模式得到该有限元系统的解答，且可以通过节点、元素把结果表现出来。完整 的有限元模型除了节点、元素外，还包含工程系统本身所具有的边界条件，如约 束条件、外力的负载等【3 】。 1 2 国内外发展现状 我国数控机床产业的发展一直受到国家经济状况、数控技术发展水平与国家 扶持政策的制定等三大因素的影响，自1 9 5 8 年以来，中国数控机床的发展划分 为三个阶段： ( 1 ) 初始阶段中国的数控机床发展起步于1 9 5 8 年，经历了2 0 余年的初始 阶段。到1 9 7 9 年，中国的数控机床发展仍十分缓慢，特别是受到电子技术发展 的限制，国产数控系统的可靠性差，使中国的数控机床在2 0 年内难于打开局面， 未能形成产业。 ( 2 ) 稳步发展阶段引进、消化吸收、国产化与自行开发阶段自从1 9 8 0 第1 币绪论 年以来，中国执行了“六五”、“七五 、“八五”三个五年计划。在这个期间，在 改革开发的政策指导下，国家大力支持机床行业，通过引进技术发展数控机床产 业，先后从日本、西德、美国等1 0 多个国家引进与数控机床生产及应用有关的 技术。 ( 3 ) 曲折发展阶段1 9 9 4 年至1 9 9 8 年由于东南亚金融危机，我国经济软着 陆及国内消费市场疲软等综合因素的影响。事实上，国内机床市场容量呈下降趋 势，而且国产机床的市场占有率有所下降，机床工具行业连续五年负增长。从 1 9 9 9 年以后，中国机床行业才逐渐增长【4 1 。 中国是数控机床进口和消费第一大国，但不是装备制造业技术强国【5 1 。目前， 北京乃至全国中高档数控机床功能部件几乎全部依赖进口，核心技术几乎全部被 国外控制。国外数控机床及功能部件生产企业正在通吃从整机到功能部件的国内 市场。2 0 0 5 年国内生产数控机床约6 万台，其中，中高档数控机床2 4 万台， 需要各类中高档数控机床功能部件约3 0 余万套，每年进口量约2 5 万套以上，几 乎全部采用从日本、德国、意大利、瑞士及台湾地区进口的产品。以主轴单元中 的电主轴为例，2 0 0 5 年数控机床用电主轴需求约为5 0 0 0 6 0 0 0 套左右，6 0 左 右为进口电主轴，高档大型铣床用高速重载主轴单元( 包括大扭矩高精密a b k a c 摆角铣头等) 目前几乎全部依赖进口。西方发达国家为了制约我国汽车、军工、 航天航空领域、电力与船舶等行业的自主创新能力和技术进步，达到其维护自身 经济和政治利益的目的，对我国进行严密的技术封锁，严密限制高精高速关键数 控装备和功能部件对我国的进口，对北京乃至全国装备制造业技术进步和发展形 成了巨大压力。虽然国产数控机床与国际先进水平差距逐渐缩小，但国产数控机 床的性能、水平和可靠性与工业发达国家相比，差距还是很大。 7 0 年代，研究人员使用f e m 进行机床热变形计算和机床优化设训6 7 1 。7 0 年代中期，s c h u l t s c h i c k 用矢量表达方法建立了三轴坐标镗床的空间误差模型， h o e k e n 用多维误差矩阵模型提高了三维坐标测量机的测量精度。7 0 年代后期， 出现了机床热变形的数控补偿技术。日本提出一种主轴热变形补偿方法，即预先 求出温度和热变形关系式，通过测试系统检测实际加工时特定点的温度，利用温 度和热变形关系式，通过机床滑块的移动进行补偿【8 】。 1 9 8 8 年，j a n e c z k o 用两个温度传感器采集数据，对主轴作软件补偿。1 9 9 1 年，h e r m l eh a r m d 关于机床热膨胀补偿装置获得了德国专利，该装置可以迅速 而精确地补偿机床机构在工作过程中的线性热膨胀。1 9 9 2 年，s c h m i dr o b e r t 关 于机床热变形的补偿系统获得了德国专利【9 】。提出的补偿方法适用于c n c 加工 中心。s o o n s 等人提出了一种建模方法，可以得到包含旋转轴在内的多轴机床的 误差模型。1 9 9 3 年，各种神经网络理论也运用到机床热误差建模中【1 0 , 1 1 】，大大 提高了热误差数学模型的精度，使得机床误差补偿技术又进了一步。1 9 9 7 年， 北京t 业大学1 = 学硕士学位论文 s k k i m 根据前面实时测量的温度作为输入建立了热误差的时变动态模型，并用 有限元方法建立了机床滚珠丝杠系统的温度场【坨】。韩国的s e o n gw o o kh o n g 和 y o u n g j a es h i n t l 3 】提出了一种新颖的误差分量辨识的方法，通过分别对无方向性 误差作频率分析，对方向性误差作加权残差法( w e i g h t e dr e s i d u a l m e t h o d ) ，来辨 识机床的误差源。2 0 0 2 年，j i n - h y e o nl 甜1 4 】提出了基于关联组合和连续线性回 归分析的热误差模型，利用其中的判断函数可以有效地选择模型变量，改善共线 性问题和减少了计算时间，提高了模型精度。2 0 0 5 年，h o n gy a n g 和j u nn j 提出了一种系统模型适应方法用于不断更新在不同的加工条件下的热误差模型。 我国对机床热变形研究及误差建模、测量和误差补偿技术的研究始于5 0 年 代。到7 0 年代末，有关机床热变形及误差补偿技术的研究工作在不少高校和研 究单位先后展开。 1 9 8 0 年，上海交通大学通过对机床热特性测定、分析和研究，得出了机床 温度场分布图，并开始进行了一系列误差补偿研究工作【1 9 1 。1 9 8 5 年，北京机 床研究所在一台d m 7 7 3 2 数控线切割机上实现了热变形补偿，补偿效果达7 0 。 浙江大学在1 9 8 7 年根据热弹性理论推导了刀具的热变形计算公式。1 9 9 2 年，该 校又以“热敏感度”和“热耦合度”新概念和定量分析，描述了复杂的机床热系 统【2 0 1 。1 9 9 3 年，华中理工大学开发了机床主轴温升和热变形在线检测及显示系 统【2 1 1 。1 9 9 9 年，山东大学采用附加人工热源按规则进行补偿或平衡机床本机热 源所引起的温度变化来消除机床的大部分变形和加工误差陋】。2 0 0 0 年，清华大 学采用逐步回归方法建立了机床主轴热误差的多元线性回归模型【2 3 1 。2 0 0 6 年， 上海交通大学通过借鉴气体流动传热学理论去模拟计算机床主轴表面的热交换 参数，对机床主轴温度场和热误差进行了有限元分析，得出了机床热误差鲁棒建 模的关键测点，热误差模型在数控加工中心上进行了模拟验证，试验结果具有深 远意义。 目前，国内开发的摆角铣头都是高转速、小扭矩电主轴结构，用于铝合金材 料的切削；不适合钢、铁、合金( 如：钛合金) 材料的加工。这次开发的大功率 摆角铣头在我国还是首例。 1 3 本课题的来源与主要研究内容 1 3 i 课题的来源 北京第一机床厂承担了国家科技支撑计划关键基础件和通用部件课题项 目中子课题大功率、大扭矩摆角附件铣头关键技术研究的任务。在子课题研 究中，由北京工业大学承担子课题大型数控机床大扭矩、大功率摆角铣头刚度 第1 章绪论 曼! ! ! 曼! ! ! ! 曼曼! ! 曼! ! ! 曼曼曼曼蔓曼! ! ! 曼! ! 曼! 曼蔓! ! ! 曼! 曼! i ii i i i 曼曼曼曼皇曼鼍 与热变形及测试关键技术研究与应用( n o 2 0 0 6 b a f 0 1 0 9 ) 的任务，本课题是 子课题中的一部分。 1 3 2 研究内容 本课题目的在于以摆角铣头为研究目标，以实现摆角铣头在加工切削过程中 的高精度加工入手，着重从摆角铣头热态特性方面利用有限元技术进行分析研 究：分析摆角铣头各部分的发热源( 轴承、齿轮) ，通过p r o e 进行摆角铣头的 实体建模，并通过接口将三维图形导入到a n s y s 中，在a n s y s 中建立有限元 模型，利用大型有限元软件a n s y s 计算摆角铣头的温度场分布及其热态特性； 分析脂润滑和油润滑热交换系统对于摆角铣头热态特性的不同影响。 本课题的意义在于通过对摆角铣头热态特性的有限元分析，为改善摆角铣头 热态特性提供必要的理论依据，并完成项目大型数控机床大扭矩、大功率摆角 铣头刚度与热变形及测试关键技术研究与应用。 第2 章攫角铣又的结构了热态特忭 第2 章摆角铣头的结构与热态特性 2 1 摆角铣头的结构 摆角铣头是北一机床正在开发的产品“定梁桥式双龙门五轴联动数控镗铣 床的核心功能部件大扭矩高精密摆角铣头。摆角铣头的加工对象是大型自 由曲面叶片，叶片最大重量3 0 多吨，轮廓尺寸宽4 米，长5 米，高1 一- 9 米，厚 度3 0 - - - 4 0 0 厘米，材料为镍铬不锈钢，要求采用双铣头五轴联动加工。本人根据 北一机床厂提供的摆角铣头图纸，绘制了总装配图和各部分的零件图。 本课题的摆角铣头的特点是：大扭矩，高功率，高精度，高刚性，长时间连 续加工，双传动链( 摆角和主轴旋转联动) 传动，结构十分紧凑复杂，在国内属 于首创。其摆角铣头主要技术参数如图2 1 、表2 1 。 f 垮氆詈 ，_ 十一书 a j。o 罟 - 23 暑2222 寓雪22 n m i n 1 弼雄盯- 图2 1 功率、扭矩转速图 f i g 2 1p o w e ra n dt o r q u es p e e dd i a g r a m 表2 - 1 摆角铣头主要技术参数 t a b l e2 - im a i nt e c h n o l o g yp a r a m e t e r so fs w i n g a n g l em i l l i n gh e a d 最大功率k w 3 5 最大扭矩n m 1 8 0 0 主轴锥度 t s on o 5 0 最高转速 r r n i n1 2 0 0 摆角角度 9 5 。 摆角速度 r r a i n6 摆角扭矩n m 7 4 0 0 黪l 口时啪 o o o 吣婚 墙啪m啪m量l|瑚啪 北京i 学t 学m1 # * z 箱体是本课题的主要研究对象，其结构的设计好坏将会直接影响到加 精 度。术课题所研究的箱体是北一机麻厂根据德国科堡公司的摆角铣头进行简化设 计，略去一些复杂结构，同时对些薄弱部位进行了改进以达到同样的技术要 求，如图2 2 所示。箱体中有很多的油路，用以提高箱体的散热情况，防止箱体 温度上升过高影响加工精度。除了箱体，摆角铣头还包括轴承、齿轮、齿轮轴及 其他一些部件。其中，轴承包括：角接触球轴承、圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承 和交叉滚予轴承，这些轴承在摆角铣头中所起的作用各不相同，但却是摆角铣头 热源的主要分析对象。 a ) 铣头整体图 b ) 铣头箱体图 c ) 铣头部分零件图 圄2 - 2 摆角铣头图 f i 9 2 2s w i n g a n g l e m i l l l “g h e a d - 8 ， 第2 章摆角铣头的结f f ：j 与热态特件 2 2 摆角铣头的热态特性 2 2 1 摆角铣头的热变形机理 铣床铣头在工作时处在内外热源的作用下，而且热源一般来说都是非恒定 的。由于加工条件的不同，变化的程度也不同；摆角铣头内部各零件的材料、形 状、结构各不相同，各自的热惯性也不相同；再加上连接件之间的接合面热阻、 摆角铣头表面不尽相同的传热情况等因素，使摆角铣头形成了一个复杂多变的温 度场。在这样的温度场作用下，摆角铣头各部分构件材料产生了热应力、热位移， 而热应力场、热位移随材料的物理特性、各零件形状以及支撑连接状态的不同而 不同，从而使摆角铣头的热变形问题更加复杂，给研究摆角铣头热变形带来了很 大的困难。 在加工的过程中，影响机床加工精度的热源可分为内热源和外热源两大类， 如图2 3 所示，其作用过程如图2 - 4 所示【2 4 1 。 摆角铣头系统的温升，通常是指在加工曲面和无外部热源影响的条件下的典 型区域温度与环境温度的差值。摆角铣头中主要以内部的轴承旋转及齿轮啮合作 为测量系统温升的典型区域。系统的温升越高，各部件的热变形越大，引起精度 丧失的可能性也就越大，从而，系统的热态特性就越差。在摆角铣头系统中，温 困园回回 回国圆 圆圆圈 图2 3 内外热源的分类图 f i g 2 - 3m a i nh e a ts o u r c e so fs w i n ga n g l em i l l i n gh e a d 9 - 北京t 业大学t 学硕一l ：学位论文 图2 _ 4 摆角铣头热变形的简单机理 f i g 2 _ 4s w i n ga n g l em i l l i n gh e a dd e f o r m a t i o nc a u s e db yh e a tg e n e r a t i o n 度的梯度会导致系统各点温度差异，如果由于各点的温差大，会造成很大的和难 以补偿的加工误差。所以，影响摆角铣头系统工作精度的关键因素为温度场的分 布。在温度上升的过程中，由于摆角铣头各部件的材料特性的不同，导致的热变 形就会不同，各部件的热变形的总和就是影响加工精度的总和。 2 2 2 摆角铣头的热源 摆角铣头的热变形主要是由各传动轴承与齿轮啮合发热引起的。铣床在加工 曲面叶片过程中，双传动链( 摆角和主轴旋转联动传动) 中的轴承在高速运转中， 存在着复杂的摩擦现象，加剧了发热强度，直接影响摆角铣头系统的热变形。同 时，由于齿轮啮合发热也是主要热源之一，通过热传递，传递给轴承，使轴承的 温升更高，这就加速了轴承的磨损而使精度丧失，严重时，甚至发生金属粘结烧 伤现象，使轴承失效。 摆角铣头的轴承热源强度可根据摆角铣头的主要技术参数，通过双传动链 ( 摆角和主轴旋转联动传动) 逐级进行计算，得出轴承的总摩擦力矩m ( n 扰) 。 第2 币拦角铣义的结构与热态特性 _i 根据总摩擦力矩m ( n m ) 以及转速n ( r m i n ) 就可算出摩擦功率损耗，也就是摆 角铣头的轴承热强度，见式( 2 1 ) 。 ：! 塑( k w )( 2 1 ) 9 5 5 0 摆角铣头轴承热源强度越大，表明摆角铣头系统在工作条件下的能耗越大， 引起热变形的可能性也越大，摆角铣头系统的热态特性就越差。摆角铣头里面的 轴承热源强度与箱体的结构、轴承的型号、配置和预紧、润滑剂以及传动方式等 都有密切的关系。 2 2 3 摆角铣头的散热分析 在内外热源的作用下，摆角铣头各部分的温度有高低的差异，而热量总是从 高温处向低温处传递，这就是传热。传热有三种基本的方式：导热、对流和辐射。 在这三种基本的方式的作用下，摆角铣头与周围环境进行热交换：双传动链( 摆 角和主轴旋转联动传动) 的各轴承产生的热量一部分通过对流由润滑脂吸收并带 走，另一部分通过导热传递给箱体和齿轮轴；双传动链( 摆角和主轴旋转联动传 动) 的各齿轮产生的热量，一部分通过对流由润滑脂吸收并带走，另一部分通过 导热传递给箱体和轴承；摆角铣头各外表面则与周围的空气进行对流和辐射换 热。 2 3 本章小结 摆角铣头的加工对象是大型自由曲面叶片，需要大扭矩，高功率，高精度， 高刚性的摆角铣头。北一机床厂所开发的摆角铣头，采用双传动链( 摆角和主轴 旋转联动) 传动，结构十分紧凑复杂，在国内属于首创。 本章着重介绍了摆角铣头的结构及其热态特性，分析摆角铣头的主要热源及 其散热情况，摆角铣头由于各零件的材料、形状、结构各不相同，导致各零件的 传热情况也不尽相同，使铣头形成了一个复杂多变的温度场。摆角铣头通过导热、 对流和辐射三种传热方式进行热传递，本章所提供的摆角铣头的各项参数用以下 一章对热源生热计算提供必要的数据依据。 第3 章摆角铣头热源的发热计算 第3 章摆角铣头热源的发热计算 3 1 摆角铣头轴承的发热 3 1 1 滚动轴承摩擦力矩的产生原理 轴承的摩擦是内外套圈相对转动时，轴承内部各元件对该运动阻抗的总和。 按阻抗的机理和部位的不同，可分为以下五类【2 5 】： ( 1 ) 弹性滞后引起的纯滚动摩擦滚动体在负荷作用下沿滚道表面滚动，接 触面下的材料将产生弹性变形。在接触消除后，弹性变形的主要部分恢复。但是， 在负荷增加时，给定应力所对应的形变总是小于负荷减小时的形变。这称为弹性 滞后现象。它反映了一定的能量损失，表现为滚动摩擦阻力。 如图3 - 1 所示为一个滚动体与滚道沿滚动方向的接触情况。由图可知，滚动 体在宽度2 b 范围内的变形情况。其中滚动体受到载荷q 的作用而被挤扁，滚道 则被压凹。滚道的前面产生变形，消耗能量；在接触区的后部，滚动体和滚道弹 性恢复，释放能量。这部分能量帮助滚动体克服阻力继续前滚。但是，由于弹性 滞后的原因，在接触区后部因弹性恢复而释放的能量总是小于接触区前部因弹性 变形而损耗的能量。二者之差就是克服滚动摩擦力矩作功时转化的能量。 图3 1 滚动体和滚道沿滚动方向的变形 f i g 3 1d e f o r m a t i o no f r o l l e ra n db e a r i n gr a c e a l o n gr o l l i n gd i r e c t i o n 滚动体与滚道间的滚动摩擦力矩与接触负荷、材料特性、滚动体半径和弹性 滞后的能量损失百分比有关。线接触时，滚动摩擦力矩与接触负荷q 的3 2 次幂 成正比例( 式3 1 ) ；点接触时，与接触负荷q 的4 3 次幂成正比( 式3 2 ) 。如 下式所示： 耻秘2 杀( 剀仃 协， ”秘3 去( 铡乃 协2 ， 式中口。因弹性滞后而发生的能量损失的百分比； q 滚动体接触负荷，n ； 尺滚动体半径，m ； v 滚动体材料的泊松比； e 滚动体材料弹性模量，m p a ( 2 ) 发生在套圈和滚动体接触区的微观滑动摩擦如图3 1 所示，滚动体滚 动时，表面某点的表面线速度与该点到轴线的距离( 半径) 成正比。由于接触面 是一个曲面，接触面各点到滚动体自转轴线的距离不相等，各点的线速度也不相 等，因此只在某两点发生纯滚动，在接触面的中间部分和两侧产生方向相反的差 动滑动。由于接触区很小，各点的线速度的差异甚微。故称为微观差动滑动摩擦。 ( 3 ) 自旋滑动摩擦在角接触球轴承中，一旦有轴向载荷，钢球可能产生绕 接触面法线相对于滚道的旋转运动自旋运动。由此引起的滑动摩擦，称为自 旋滑动摩擦。由于球与滚道的接触面积很小，自旋引起的相对滑动线速度不大， 这类摩擦也属于微观滑动摩擦。因自旋滑动引起的摩擦力矩m 。可用下式计算： m ，= 吾以q 口( e ) ( 3 3 ) 式中从滚动体与滚道间的滑动摩擦系数； q 滚动体与滚道法向接触载荷，n ； 口滚道赫兹接触椭圆的长半轴，m ； 三( e ) 滚道接触区的第二类椭圆积分 ( 4 ) 宏观滑动摩擦滚动体并非理想的纯滚动运动。因种种原因滚动体在滚 道上的运动常常是一种连滚带滑的运动。滚动体在内、外滚道上的宏观打滑所引 起的摩擦及轴承中滑动接触部位引起的摩擦统称为宏观滑动摩擦。滚动体在内外 滚道上的宏观打滑量与轴承的结构参数、转速、负荷及润滑剂粘度等诸多因素有 第3 荦摆角铣头热源的发热计算 关，目前尚无有效的计算方法。 ( 5 ) 润滑剂的摩擦损耗润滑剂的摩擦损耗由两部分组成。一部分是润滑油 膜的内摩擦阻力所引起。另一部分是滚动体和保持架在旋转时所受到的润滑剂的 搅动阻力损耗。不论是弹流油膜或是滑动动压油膜，油膜的厚度都在微米数量级， 接触区的面积很小，因而真正在接触区起润滑作用的润滑剂体积往往少于几个立 方毫米。处于轴承内的绝大部分润滑剂都在运动元件的搅动下飞溅、碰撞，产生 搅动阻力。润滑剂的摩擦损耗主要是搅动摩擦损耗。 过量的润滑剂会引起很大的搅动阻力，造成轴承温升过高。对于脂润滑，建 议不超过轴承内自由空间体积的1 3 。研究表明，在适量的注油润滑和脂润滑条 件下，轴承的滚动和滑动摩擦损耗占总的摩擦损耗的2 0 3 0 ；润滑剂的搅动 摩擦损耗占5 0 6 0 ；密封圈的摩擦损耗占1 0 3 0 。目前对滚动轴承摩擦 机理的研究结果尚不能给工程技术人员提供在给定工况条件下因各类摩擦所引 起的损耗的精确理论值。 3 1 2 轴承的发热计算 随着主轴旋转，轴承内部的摩擦发热也越来越严重。轴承内部发热和温度分 布是个十分复杂的三维问题，为了对问题进行简化，故对轴承内部的传热现象作 了如下的假定： ( 1 ) 稳态热传递； ( 2 ) 一维温度分布； ( 3 ) 接触区的发热与时间无关。 接触区的发热是由滚动体与滚道之间的摩擦损失和滚动阻力产生的，把滚动 轴承作为机械元件考虑时，用与消耗功率成正比关系的摩擦力矩来表示轴承的摩 擦较为便利。 轴承的发热量主要是由轴承的摩擦力矩引起的，通过手册可以查得轴承的发 热量计算式，即 q = 1 0 4 7 x 1 0 一m 珂( w ) ( 3 4 ) p a l m g r e n 基于轴承摩擦力矩的测量结果，推导出了计算轴承摩擦力矩m 的 经验式，由轴承类型、转速和润滑油性质有关的摩擦力矩m o 和与轴承所受负荷 有关的摩擦力矩m 。两部分组成，即 m = m q 七m 、 ( 3 - 5 ) 北京工业大学t 学硕士学位论文 曼曼曼曼鼍曼皇皇皇皇量曼曼曼曼皇皇曼皇曼曼皇曼鼍曼曼量! 皇曼! 曼皇i n 曼曼曼曼曼量量曼曼曼! 曼曼曼曼皇曼皇曼曼寡! 皇曼皇曼鼍曼量曼! 曼曼曼! 曼 负荷项m 。与上一章5 类摩擦中的第l 、2 、3 项有关，它决定了起动摩擦力 矩和低速运转时的摩擦力矩的大小。速度项鸠与第3 、4 、5 项有关。当轴承高 速运转时，润滑剂的粘性摩擦阻力对m 。起主要作用。 轴承的摩擦力矩随轴承的种类、型号、负荷大小及转速的不同而不同，即使 同一套轴承，随着运转时间的不同，摩擦力矩也会产生变化。因此，计算轴承的 摩擦力矩只是在正常工作条件下的近似值。 ( 1 ) m 。的计算m 。反映了润滑剂的流体动力损耗，可按下式计算： 在y ”2 0 0 0 时， 在v f 2 0 0 0 时， m o = 1 0 7 厶( y 刀) 2 仃珑 ( 3 - 6 ) m o = 1 6 0 1 0 。7 f o 珑 ( 3 7 ) 式中见轴承平均直径，m m ； 厶与轴承类型和润滑方式有关的系数，可从表3 1 中选取； ，广轴承转速，r m i n ； y 在工作温度下润滑剂的运动粘度( 对于润滑脂，取基油的粘度) ， m m 2 s 表3 - 1 经验常数厶 t a b l e3 - 1e m p i r i c a lp a r a m e t e ro f f o 轴承类型油浴润滑或脂润滑 角接触球轴承 单列2 双列 4 圆柱滚子轴承 带保持架2 3 装满滚子 2 5 4 圆锥滚予轴承 2 4 ( 2 ) m l 的计算m 反映了弹性滞后和局部差动滑动的摩擦损耗，可按下式 计算： m ，= 石曰见 ( 3 - 8 ) 式中z 与轴承类型和所受负荷有关的系数，可从表3 - 2 中选取； 第3 章摆伯铣头热源的发热计算 曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼! 曼! 皇曼! 曼鼍曼曼曼鼍曼! 曼! ! 曼i ；i ：l ! 曼! 曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼苎! 曼! 皇! ! ! ! ! 曼 号确定轴承摩擦力矩的计算负荷，n 表3 - 2 石和日的计算式 t a b l e3 - 2c a l c u l a t i o nf o r m u l ao fza n d 只 轴承类型 石片 单列向心球轴承 0 0 0 9 ( p o c o ) o 5 5 3 f = - 0 1 f 双列向心球面球轴承 0 0 0 3 ( p o c o ) o _ 4 1 4 班一0 1 f u 向心短圆柱滚子轴承 带保持架 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 3 f ， 装满滚子o 0 0 0 4 5 f ， 圆锥滚子轴承0 0 0 0 4 - 0 0 0 0 52 况 若只 f ，则取彳= f r 短圆柱滚子轴承若承受轴向负荷，则应考虑附加力矩鸩 ( 3 ) m 2 的计算若短圆柱滚子轴承受径向和轴向负荷同时作用，则应考虑 附加摩擦力矩m ：，即轴承总摩擦力矩为： m = m o + m l - i - m 2 ( 3 9 ) 其中 m 2 = 厶c d 历 ( 3 1 0 ) 式中五与轴承结构及润滑方式有关的系数，可从表3 3 中查得 表3 - 3 五的数值 t a b l e3 - 3n u m e r i c a lo f 正 轴承结构脂润滑 带保持架 0 0 0 9 满装滚子 0 0 0 6 北京_ t 业大学工学硕士学位论文 3 2 摆角铣头齿轮的发热 3 2 1 齿轮的本体温度 由于啮合轮齿接触滑动而产生的齿面摩擦生热，齿轮运转过程中轮齿的表面 温度是不断变化的。在齿面摩擦滑动生热和润滑油强制对流冷却作用的综合影响 下，齿轮轮齿本体的温度经过一定周期的旋转后可在固定载荷条件下达到一个热 的平衡。尽管达到热平衡状态后齿面的瞬时温度( 闪温) 仍然随时间而改变，但 轮齿本体的温度在一个旋转周期内的变化则非常小。这是因为达到平衡状态后轮 齿在每一啮合周期内齿面摩擦热量的极大部分都被齿面冷却的润滑油带走；另一 个原因是高速运转条件下齿面获得的热量由齿面向齿轮传导的时间非常短。因 此，达到热平衡状态后轮齿的本体温度基本上是相对于时间稳定的随位置变化的 分布，瞬时温度则是在本体温度基础上随时间和位置而改变的分布。 3 2 2 齿轮啮合的功率损失 对于齿轮副，其功率损失主要包括齿面滑动功率损失、齿面滚动功率损失。 齿轮功率损失将会引起齿轮发生热膨胀，从而导致齿轮间隙消除，承载能力降低， 甚至出现卡死现象，并引起系统的温度升高。齿轮对啮合一次产生的热量g g ( w ) 近似估算公式为【2 6 】： q ，g = 1 2 5 万己z 式中已齿轮输入功率，w ： 齿面摩擦系数，0 0 4 5 - - 0 1 ； z 齿轮齿数 3 2 3 齿轮温度的影响因素 ( 3 1 1 ) 轮齿的温度在不同速度载荷工况下的变化非常大，且影响温度改变的因素很 多。这些因素不仅包括承受的载荷和旋转的速度，而且还与齿轮的几何参数、齿 面摩擦热流量的大小、齿轮端面和啮合面的对流传热系数以及齿轮箱空气温度和 润滑油输入温度直接相关。如图3 2 所示。 第3 章摆角铣头热源的发热计算 图3 2 轮齿齿面温度变化的影响因素 f i g 3 2i n f l u e n c ef a c t o r so fp r o c e s sc o n d i