基于ANSYS的机床电主轴温度场计算仿真分析VIP

功能郜件 F u n ctio n U n its 基于 A NS Y S的机床电主轴温度场计算仿真分析 李程启 张小栋 张 倩 李 浩 西安交通大学苏州研 究院 江苏 苏州 2 1 5 0 2 1 西安交通大学机械工程学院 陕西 西安 7 1 0 0 4 9 摘要 针对高档数控机床热变形严重影响加工精度和加工产 品质量的问题 首先介绍了高速电主轴的特 点 其次 选取 了某一种型号的电主轴和支撑结构 计算出热参数 再次 运用 A NS YS有限元软件 对电主轴单元的温度场进行了稳态和瞬态仿真 最后 根据仿真结果 提 出了改善电主轴温度场分 布不均匀的措施以及减小 电主轴热变形的方案 为机床和加工中心等装备实现高速 高精密加工提 供 了一定的技术依据 关键词 数控机床电主轴温度场仿真A N S Y S 中图分类号 T H1 3 3 2 文献标识码 A Nu me r i c a l s i mu l a t i o n a n a l y s i s o f t e mp e r a t u r e f i e l d f o r CNC ma c h i n e t o o l mo t o r i z e d s p i n d l e t o o l b a s e d o n ANS YS LI Ch e n g q i ZHANG Xi a o d o n g Z H A N G Q i a n L 1 H a o S u z h o u A c a d e m y X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y S u z h o u 2 1 5 0 2 1 C H N X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y X i a n 7 1 0 0 4 9 C H N Ab s t r a c t To s o l v e t h e p r o b l e ms t h a t t h e t h e r ma l d e f o rm a t i o n o f t h e h i g h g r a d e CNC ma c h i n e t o o l h a s mu c h e f f e c t o n a c c u r a c y a nd qu a l i t y o f t h e p r o d u c t s t h i s p a pe r fir s t l y i n t r o d u c e s t h e s t r u c t u r e c h a r a c t e ris t i c s o f t h e h i g h s p e e d mo t o riz e d s p i nd l e Th e n o n e t y p e o f mo t o riz e d s pi n dl e a n d s u p p o r t i n g s t r u c t u r e i s s e l e c t e d a n d t h e t h e r ma l b o u n d a r y p a r a me t e r s a r e c a l c u l a t e d Muc h mo r e t he s t a t i c a n d t r a n s i e n t t e mp e r a t u r e fie l d a r e s i mu l a t e d b y u s i n g F EA s o f t wa r e ANS YS i n o n e wo r k i ng c o n d i t i o n At l a s t t he ma i n me a s u r e s t o i mp r o v e t he u ne v e n t e mpe r a t u r e fie l d a nd t h e p l a ns t o r e d u c e t he t he r ma l d e f o rm a t i o n a r e pu t f o r wa r d wh i c h p r o v i d e s s o me t e c h n i c a l b a s e s f o r t h e e q u i p me n t t o a c h i e v e t h e h i g h s p e e d a n d h i g h p r e c i s i o n ma c h i n i n g Ke ywo r ds CNC Mo t o riz e d S p i n d l e Te mp e r a t u r e F i e l d S i mu l a t i o n ANS YS 制造技术的发展对数控机床的精度和可靠性提出 了越来越高的要求 机床的精密化 高速化已经成为一 个不可阻挡的发展趋势 在精密加工 中 由机床热变 形所引起的制造误差 占总误 差的 4 0 7 0 在 高档数控机床 中 影响机床热变形的主要 因素有电主 轴的热变形 刀具的热变形 进给系统的热变形和床身 的热变形等 电主轴作为高档数控机床最重要的零部 件之 一 其 热变 形 为 机 床热 变 形 的最 重 要影 响 因 素 j 它的性能 的好坏直接影响着机床的加工精度和 加工产品的质量 电主轴的热变形主要是 由电主轴的 温度场分布不均匀造成 的 因此对电主轴 的温度场做 仿真分析 减小电主轴的温度场分布不均匀对减小电 主轴热变形至关重要 对主轴系统热特性 的研究 近年来 主要集 中在主 轴一轴承的热 特性研究上 韩 国的 K i m等人对轴 承发热对主轴刚度 的影响做 了大量研究 广东工业 大学的张伯霖教授对主轴系统的温度场做了仿真分 析 并且分析了主轴 转速对轴 承温 升的影响 J 中国 工程物理研究院的胡秋等人对电主轴单元 的热一 结构 特性做了动态分析 并且提出了改善电主轴热态特性 的措施 j 这些研究虽然对改善 电主轴系统的热态 特性有很大的帮助 但是他 们都是总体研究主轴系统 高档数控机床与基 础制造装备科技重大专项项 目资助 编号 2 0 0 9 Z X 0 4 0 0 1 0 6 1 2 0 0 9 Z X 0 4 0 0 2 0 4 3 I u I半 O朋 的温度场 没有单独拿出主轴这一子单元进行分析 而 且只是被动地改善电主轴温度场或者s D il 辅助结构进 而减小热变形 本文基于此 单独对主轴进行热分析 得出主轴的 温度场分布 直接为改善主轴的热态特性提供依据 并 且提出主动改善热变形引起的加工误差的方案 1 电主轴的特点及热态特性 高速电主轴是数控机床 的核心功 能部件 它具有 结构 紧 凑 惯 性 小 转 速 高 动 态特 性 好 等 诸 多 优 点 j 在高速机床中得到广泛的应用 其典型结构如 图 1 所示 图1 高速 电主轴结构 主轴电动机定子直接安装在主轴箱 的壳体中 机 床主轴与电动机转子连成一体 电动机转子回转则带 动机床主轴旋转 省去 了机械传动环节 实现了机床的 零传动 但是这也对主轴电动机 的散热极其不利 电主轴的热源分为内部热源和外部热源 内部热 源主要有电动机定转子的损耗发热和支撑轴承的摩擦 发热两大类 外部热源主要是指环境温度变化及其他 各种能散发出热量的物质 电主轴 的传热 主要 表现 为 1 电动机与油水热交换系统的对流换热 2 轴承与润滑系统的对流换热 3 电动机定子与转子之间的气隙传热 4 电主轴前后密封环的对流换热 5 电主轴与外部空气的传热 J 2 热边界参数的分析计算 2 1 热源计算 在电主轴系统 中 内部热源主要有主轴 电动机损 耗发热与支撑轴承 的摩擦发热 在利用 A N S Y S仿真 分析时 主轴 电动机转子 以生热率的形式加载 轴承的 热量以热流密度的形式加载 2 1 1 主轴电动机生热率的计算 I u l 0 F u c1io U n ils 功能部件 电动机 的额定功率损耗全部转化为热量 且其 中 2 3热量由定子产生 I 3热量 由转子产生 在本文 中选择西门子 I P H 2 1 1 3 6 WF 4型号 的主轴 电动机 其 参数如表 1所示 表 1 主轴 电动机参数 技术参 数 尺寸参数 m m 额 定功 k W l 5 1 J 2 5 0 额定功率损失 k W 3 2 2 9 0 最高转速 r mi n l O O o o d 2 2 2 0 额定转速 r mi n 1 5 O H0 d 4 8 2 额定扭矩 N m 9 5 d 3 1 0 0 电动机总发热功率 即为额定功率损失 且电动机 转子的发热量 占总发热量的 1 3 电主轴转子 的生热 率 q为 g Q V 1 式 中 Q为发热功率 W V为体积 1 1 3 2 1 2 支撑轴承热流密度 的计算 轴承产生的热量主要来 自于轴承的转动摩擦 在 本文中 前轴承选择 S K F的 7 1 9 1 5 C E H C角接触球轴 承 后轴承选择 S K F的 6 1 9 1 3深沟球轴承 本次计算 中 假 设加 工工 件 为4 5 钢 电主 轴 的转 速为 8 0 0 0 r m i n 前后轴承的参数如表 2所示 表 2 前后轴承参数 前轴承 7 1 9 1 5 C E H C 参数 后轴承 6 1 9 1 3 2 R z 角接触 内径 d mm 7 5 6 5 外径 D m m 1 O 5 9 0 宽度 B n u n 1 6 l 3 滚动体直径 D m m 9 5 2 7 9 3 滚动体数 目 z 2 5 2 5 接触角 l 5 预紧力 F o N 1 1 O 额定动载荷 C N 2 2 5 0 0 1 7 4 o 0 额定静载荷 C 0 N l 6 6 0 0 1 2 7 0 0 油润滑极限转 速 3 O O 0 H 0 1 8 0 0 0 r m n 轴承的发热功率 口 轴 承 为 Q 轴 承 2 1 T n 6 0 2 式中 为轴承摩擦总力矩 N m i l l n为轴承 内圈转 速 r m i n 轴承摩擦总力矩 由轴承空转时润滑剂粘性产 生的摩擦力矩 和与速度无关的载荷作用下产生的 摩擦力矩 两部分组成 即 功能都件 M Mo Ml 3 1 的计算 当运动粘度 与转速 的乘积大于 0 0 0 2 1T I S r ra i n 时 Mo 1 0 一 n 3 4 当运动粘度 I 与转速 n的乘积小 于 0 0 0 2 m s r ra i n 时 Mo 1 6 0 1 0 一 5 式中 d 为轴承的平均直径 mm f o 为取决于轴承设计 和润滑方式的系数 对于角接触球轴承油气润滑方式 f o 1 为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 s 2 的计算 摩擦力矩 反映 了弹性滞后和局部差动滑动的 摩擦功耗 可按下式进行计算 M1 P o C o P 1 d 6 式中 为与轴承类型和所受负荷有关 的系数 角接触 球轴承f l 0 0 0 1 d 为轴 承的平均直径 mm P 为轴 承的 当量静 载荷 N P 为决 定 摩擦 力 矩 的 当量 载 荷 J N 2 2 对流换热系数的计算 对流换热系数是指流体与固体表面之间的换热能 力 即物体表面与附近空气温差 1 单位时间单位面 积上通过对流与 附近空气交换 的热量 在本 次分析 中 主要有定转子之问的气隙传热 转子端部传热 主 轴头部运动外表面与周 围空气 的对流换热 电主轴 内 部的对流换热和电主轴内孔与空气间的对流换热 分 别计算如下 2 2 1 转予与气隙问的对流换热系数 定 转子气隙中的气体在纯层流状态下 热量是通 过纯导热 由一个表面传到另一个表面 并且热交换不 取决于转速 流换热系数 为 9 一 I J 式中 A为流体导热系数 W m K 2 2 2 转子端部与外部空气的对流换热系数 转子端部的传热问题主要是与周围空气的对流换 热和辐射换热 该热交换的换热系数 为 2 8 1 d o 4 5 u 1 0 式中 为转子端部转速 r ra i n 2 2 3 主轴头部运动外表面与周 围空气的对流换热 系数 此系数可用以下的多项式 函数来拟合 C 0 c l u 1 1 式中 c c C 2 为实验测得的常数 分别取为 9 7 5 3 3 0 8 Z 为头部转速 2 2 4 电主轴 内部的对流换热系数 此部分换热系数的计算和转子端部与外部空气的 换热系数计算方法相同 2 2 5 电主轴 内孔与空气间的对流换热系数 此部分换热系数的计算和转子与气隙间的对流换 热系数计算方法相同 通过以上计算 各部分的热边界参数如表 3所示 表 3 热边 界参数 电动机转子生热率 W m 5 0 6 X l 0 前轴承 1 4 4 x 1 0 轴承流入轴的热流密度 W m 后轴承 1 0 1 1 0 转子定转子间的气隙传热 W m K 6 1 4 转子端部传热 w m K 1 7 4 6 5 主轴头部运动外 表面与周 围空 气的对流换热 8 9 1 9 W m K 电主轴 内部 与空气问对 流 W Il l K 1 4 3 3 O 电主轴 内孔与空气间的对流 W I n K 3 8 2 I R e 被用作层流和紊流的判据 定义为 3 电主轴温度场热分析 尺 e u D 7 3 1 稳太 i t2 g 热分析 I z 俪 J l 7 式 中 为 流体 的特征 速度 m s 1 J为流体 的运动粘 度 m s D为几何特征的定型尺度 m 2 当定 转子气隙有层流底层 的紊流状态时 按 下式计算努谢尔特数 N u为 n 2 5 N u 0 2 3 f 1 R e 8 r f 式中 r 为密封环气 隙的平均半径 m 6为定 转子问 的气隙 i n 3 由努谢尔特数 即可求出管内流体强迫对 1 50 电主轴整体上可认为是轴对称结构 在建模时可 以只建 模 型 的剖 面 的一 半 在 网 格 划 分 时 采 用 P L A N E 5 5单 元 划 分 网 格 并 且 控 制 网格 的大 小 P L A N E 5 5单元可用于平面或轴对称结构 具有热传导 特性 该单元有 4个节点 节点 自由度为温度 对主轴电动机转子 的热量采用 生热率 的方 式加 载 对轴 承的热量采 用热流 密度 的方式加 载 通过 A N S Y S仿真 得到图 2所示 的稳态温度场分布结果 其中最高温度为 1 7 1 7 c 二 在电主轴的中间位置 即电 等 u D 动机转子的安装位置处 最低温度为 9 1 8 分布 在电主轴的右端 电主轴前端 主要是由于电主轴 的 右端离热源相对较远 从 图 2中还可以看 出 在 电主 轴的两端安装轴承的位置处温度也较高 达到 1 2 0 这是由于轴承摩擦发热造成的 N 9 1 8 21 0 0 34 2 1 0 8 5 64 1 1 7 25 4 1 2 5 6 8 9 1 3 32 5 6 1 4 1 6 52 1 5 02 3 9 1 6 J 5 8 7 1 7 1 6 9 6 温度 C 图2 静态温 度场 分布 取电主轴轴心位置处 以轴 向方向为路径 得 出温 度分布曲线如图 3所示 整体来看 中间温度高 两端 温度逐渐降低 整个 电主轴的温度场分布及其不均匀 这也是造成电主轴热变形的主要 因素 0 0 1 0 8 02 1 6 0 3 2 4 0 4 2 3 0 5 4 2 0 0 5 4 0 1 6 2 0 2 7 0 3 7 8 0 4 8 6 轴向位置 m 图3 轴心位置处轴向方向温度分布曲线 3 2瞬态 热分析 电主轴进行瞬态热分析 设置时问为 5 0 0 0 S 得 到厮态分析的温度场分布如图 4所示 在 5 0 0 0 S 时 电主轴的温度场基本达到平衡 N 一 一 一l I 蕊圈 一 983 3 1 1 0 665 8 1 1 49 8 5 1 2 33 1 2 1 3 1 6 3 9 1 3 9 9 6 5 1 4 82 92 1 5 6 6 1 9 1 64 94 6 1 7 3 27 3 温匿f C 图4 瞬态 分析 的温 度场分布 分别取电主轴上前后轴承处的一点得出其温度随 时问的变化曲线如图5所示 由图中温度变化曲线 可以看出 前后 轴承处的温 度变化基本一致 此为一种较好的结果 前后轴承温度 对称 同样 由此引起 的热变形也是一致的 避免了由 2 0 1 1 6 F u n c n U n s 功能都件 于前后轴承热变形 的不同造成主轴翘曲的情况 说明 了所选的支撑方式与润滑方式是较为理想的 0 1 00 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 5 0 0 1 5 0 0 2 5 0 0 3 5 0 0 4 5 0 0 时间 s 图5 前后轴承 处一点温度 随时间 的变化 曲线 4 改善温度场分布及减小热变形的措施 电主轴的温度场分布不均匀是由于电主轴冷源和 热源综合作用的结果 而 电主轴的热变形主要是 由于 电主轴温度场的分布不均匀造成的 综合以上仿真分 析 提出以下措施 1 改善主轴电动机 的油水 冷却 系统 的参数 如 循环冷却水的流速 2 改善轴承的油气冷却润滑系统 的参数 如压 缩空气的压力 压缩空气的流速 3 选择 合适 的轴承支撑系统 使 电主轴两端 的 轴承的温度场分布基本一致 从 而使其热变形基本一 致 避免电主轴发生翘 曲 4 通过 对电主轴工作 在不 同工况 下 的模拟仿 真 得出电主轴的热变形 曲线 建立数学模型 将其嵌 入到数控系统之中 使其在不 同工况下建立不 同的软 件补偿方案 减小电主轴热变形对加工误差的影响 5 结语 通过以上分析可 以知道在 电主轴 的温度场分布 中 在主轴的中间温度较高 从中间向两端温度逐渐降 低 并且在轴承处温度相对较高 在改善电主轴温度 场分布上 可以通过加强主轴电动机和轴承的冷却等 方式加强散热 在减小电主轴由于温度场分布不均匀 造成的热变形上 可 以通过合适 的散热方式使轴承处 温度变化基本相等使主轴不至于发生翘 曲 还可以通 过软件补偿这一主动改善热变形引起 的加工误差的方 法来减小热变形 参考文献 1 RAMES H R E1 T o r Co mp e n s a t i o n i n ma c h i n e t o o 1 s a r e v i e w p a lt 1 5 5 5 O 5 5 5 0 5 5 5 7 5 2 6 O 7 l 5 3 7 l 5 9 伪 舫 6 伪 孔 盯 蛇 功能部件 F c lio U n ils 模块式刀库的刀具交换与控制技术 王世鹏 解艳彩 任 清 孙 伟 大连理S 大学机械工程学院 辽 宁 大连 1 1 6 0 2 4 大连华根机械有限公司 辽宁 大连 1 1 6 6 2 0 摘要 在开发设计卧式加工中心的过程中 为了能更好地满足客户多样化需求 降低成本和提高生产效率 设计了一种模块式刀库结构 并介绍了刀具交换及控制过程 关键词 模块化设计刀库交换与控制 中图分类号 T G5 2 9 4 文献标识码 A E x c h a n g e a n d c o n t r o l t e c h n o l o g y o f t h e t o o l ma g a z i n e i n mo d u l a r i z e d d e s i g n W ANG S h i p e n g XI E Ya n c a i R E N Q i n g S U N We i S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g D a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y D a l i a n 1 1 6 0 2 4 C H N D a l i a n D r a g o n Ma c h i n e T o o l C o L t d D a l i a n 1 1 6 6 2 0 C HN Ab s t r a c t I n t h e p r o c e s s o f d e v e l o p i n g h o r i z o n t a l ma c h i n i ng c e n t e r i n o r d e r t o me e t c us t o me r s pr o d uc t mu l t i f o r mi t y d e ma n d r e d u c e t h e c o s t a n d i mp r o v e p r o d u c t i o n e ffic i e n c y w e d e s i g n e d a k i n d o f mo d u l a r s t r u c t u r e o f t o o ma g a z i n e a n d i n t r o d uc e d t h e p r o c e s s o f e x c h a n g i n g a n d c o n t r o l i n g t o o 1 Ke y wo r ds Mo d u l a r De s i g n To o l Ma g a z i n e Ex c h a n g e a n d Co n t r o l 随着国内近年来汽车工业 的发展 不仅机械产品 品种和规格的更新速度不断加快 而且要求交货及时 以传统的组合机床或专用机床进行大批量生产已无法 满足发展的需要 现代设计思想便应运 而生 模块化 设计思想产生以来 国内外对其研究和应用 均有许多 进 展 进行模块化设计 首先必须把产品划分成若干模 块 再以模块为基本单元进行设计 模块必须具有可 互换性 通用性和标准化的特点 因此 模块划分的合 理性对模块化产品的性能 外观和模块的通用化程度 以及成本均有很大影响 模块化是企业应对多样性挑 战的最佳选择 通常的模块化设计和制造都是围绕多 样性做文章 就是将产品的功能或结构模块化 再由功 能模块组合产品 在机床方面的模块化研究也在不断 地进行 为响应 国家科技重大专项的号召 大连机床集 团在机床模块化方面进行了研发设计 实现 了刀库模 t h e r ma l e r r o r s J I n t e r n a t