基于表面换热的机床主轴热误差有限元建模研究.pdfVIP

高技术通讯2012年第22卷第1期：55—60 doi：10．3772／j．issn．1002-0470．2012．01．009 基于表面换热的机床主轴热误差有限元建模研究① 韩 见②王立平余联庆 (清华大学精密仪器与机械学系 北京100084) 摘要在分析机床主轴的传热、散热机理的基础上，研究了机床主轴的热特性。首先将 表面所交换的热量等效折算成整个截面上的体积热源，考虑主轴的热弹性有限元关系，建 立了主轴系统热瞬态传热学的本构方程，并推导出节点温度的矩阵方程。然后分析了主 轴的散热条件和边界条件，利用瞬态温度场及热弹性耦合场模型，得到主轴的温度变化过 程。最后分析了各参数对热伸长和稳态时间的灵敏度影响。此研究为优化主轴结构设 计、减少发热提供了理论指导，并提出了改善主轴热特性的措施，为后续的误差补偿研究 奠定了基础。 关键词机床，主轴系统，有限元法，瞬态温度场 铣加工主轴的主轴热误差模型。洪有为等li¨利用 0 引言 有限元方法建立了龙门式加工中心C轴系统的瞬 机床热误差是影响机床加工精度的主要因素之 态温度场模型。值得注意是，误差避免方法是在机 一-l J。主轴系统作为机床的核心部件，其发热产生 床结构铸造、加工、装配之后的辅助工艺。而针对误 的热变形严重影响了机床的加工精度。误差避免和 差补偿的热误差建模补偿需要进行大量的实验，且 误差补偿是提高机床精度的两种主要方法。误差避 其结果严重依靠于实验参数的训练条件。机床设计 免法是通过采用预加载调整、冷却机构元件以及增 阶段普遍采用热对称结构，大部分零件主要采用尺 加机床刚性来减少加工误差。误差补偿法是通过合 寸对称设计。然而，即使由于个体结构的对称性，热 理的数学分析，建立预计机床误差，然后通过反馈系 源的偏差引起的不规则热分布使得热变形并不能完 统进行误差补偿，从而降低甚至消除加工过程中可 全消除。为了提高机床结构的性能，在设计阶段针 能会出现的误差。计算技术和误差检测技术的快速 对机床结构尤其是主轴系统进行热误差预估计，精 发展使得建立机床热误差的模型成为可能。国内外 确地计算温升和热变形，就可以以较低的成本对其 许多研究者都分析了主轴的热特性，研究了在热弹 进行改进，这种做法有实际意义。本文以一台精密 性条件下的主轴热误差关系。Ohishi-2o等研究了航 镗铣床主轴为研究对象，对主轴系统进行了详细的 空静态主轴轴承系统的热态特性并通过实验获得了 热分析，确定其传热系数和边界条件，建立其主轴瞬 其温度分布。Chio_3o等利用有限元方法研究了主轴 态热传导的有限元方程，通过分析其主轴系统瞬态 轴承系统的热特性，并提出了提高主轴系统性能的 温度场热分布及其变形特点，提出了改善主轴热特 方法。近年来热误差的建模方法有大量文献报道。 性的方案。 Chen和ChiouMo利用人工神经网络和多元线性回归 补偿了主轴和丝杠的热误差，提高了加工中心的精 1 主轴的温度场分析 度。模糊神经网络、灰度理论、遗传算法等模型∞刮 也被用于建立热误差和温度之间的模型。张明华 一个典型的主轴结构如图1所示。主轴前面由 等归1基于有限元方法分析了高速电主轴的热态特 双列圆柱滚子轴承和一对角接触球轴承辅助支撑， 性。项伟宏等¨叫通过实验方法建立了TH6350镗后端由一对双列圆柱滚子轴承支撑。机床处在内外 ①863计划(2007AA042003)和国家自然科学基金资助项目。 (收稿日期：2010-06-10)