JX054万能外圆磨床液压传动系统讲述.doc

车削中心主轴箱热误差仿真及特性分析 摘要：以主轴箱为主要研究对象,研究车削中心的热误差特性。采用有限元法仿真计算了车削中心主轴箱的瞬态温度场分布,分析了主轴箱的传热特点;利用热结构耦合技术仿真计算了主轴箱的瞬态热变形情况,对其热变形特点进行了解释;对车削中心的主要热误差组件相对于刀具位置变化的关系进行了理论分析;通过试验验证了仿真计算与热误差特性分析的准确性。 关键词：热误差特性；车削中心；有限元法；主轴箱 1车削中心温度场及热误差仿真 引起机床热误差的直接原因是机床各部位的受热变形,而机床内部温度场发生变化又是机床受热变形的唯一决定性因素,因此,研究机床的热误差特性必须首先研究机床的温度场变化[1]。 1.1　瞬态温度场仿真计算 1.1.1　热源强度计算 机床温度场反映了机床各处的温度分布情况,由于热源的作用,致使机床的温度场经常处于变化当中,尤其是刚开机到机床达到热平衡这段时间。对机床温度场有影响的热源很多,包括机床内部发热和环境温度变化(如空气温度、日光照射、人体散热及其他各种能散发出热量的物质),但对于精密加工来说,一般环境温度都可得到有效的控制,如使用空调调温、加防辐射罩等,因此机床内部发热成为导致机床热变形的最主要原因。机床内热源主要有电动机发热、导轨摩擦、制动器摩擦、齿轮传动、轴承运转以及冷却液、润滑油和切削过程产生的热。现代数控机床普遍采用电动机直接调速,不再使用齿轮箱进行变速,电动机一般通过皮带轮连接,这样电机发热及齿轮箱发热对机床变形的影响就变得微乎其微了。另外,导轨及工作台传动机构的速度都很低,发热也不多。主轴轴承转速高、发热量大,且机床主轴本身没有循环冷却系统,因此主轴箱发热直接影响主轴系统的热特性,成为机床热变形的最主要热源,其计算公式为 式中,N为单位时间发热量,kW;M为摩擦力矩,N·m,n为主轴转速,r/min。 在滚动轴承中,摩擦力矩M可分为由负荷引起的摩擦力矩M1和由速度引起的摩擦力矩M0两类,M1反映了弹性滞后和局部差动滑动的摩擦损耗,而M0则反映了润滑剂的流体动力损耗,两者之和即为总摩擦力矩: 轴承的摩擦力矩是相当离散的,相同型号的轴承,摩擦力矩不一定相同,即使同一套轴承,随着运转时间的变化,摩擦力矩也会产生变化。计算得出的摩擦力矩只是在正常条件下的近似值。通常采用Palmgren提出的算法,由速度引起的摩擦力矩计算如下: 式中,dm为轴承中径,mm;f0为与轴承类型和润滑方式有关的经验常数;υ为在工作温度下润滑剂的运动黏度,m2/s。 由负荷引起的摩擦力矩可由下式计算: 式中,f1为与轴承类型和所受负荷有关的系数;P1为确定轴承摩擦力矩的计算负荷,N。式(4)中所有系数都可在手册中查到。求得总摩擦力矩后,由式(1)可求得总发热功率[2-5]。 1.2　数控车床热变形误差仿真计算 机床热变形的程度及趋势由两种因素决定一是机床结构的温度场分布的变化;另一个是机床的位移边界条件。机床温度场变化已由上面计算得到,对于位移边界条件,机床安装好后,主轴箱底部安装面是固定的,其余部位均是自由无约束的,并且由于底部离热源较远,温度升高不大,引起的热变形可忽略,因此,它的位移边界条件可设为机床的安装面位移为零[6]。 2各项热误差计算和刀具位置对热误差变化的影响分析 由于车削加工中心进给系统速度较慢,发热量较低,因此热误差主要是由主轴箱及主轴的热变形引起的,通常分为轴向伸长、径向变化及两个方向的转角误差。这些误差都是通过机床主轴的中心线的位置及转角变化来反映的,并由主轴箱和主轴的热变形进行合成。计算表明,水平面内转角误差最大为4.187×10-6(°),包含主轴轴线的垂直面内转角最大为1.3×10-5(°),几乎为零,这说明车削中心主轴箱的热对称性较好。因此,影响加工误差的主要因素是主轴轴向热位移及径向热位移。既然热误差是由刀尖到加工位置之间的位移变化决定的,那么刀具在车削中心上的位置必将影响产生热误差的大小[7-9]。 2.1整体结构方案 产品x，z，c三轴联动，全闭环控制主传动采用德国西门子(SIEMENS)公司生产的电主轴，将机床主轴与主轴电动机融为一体的新技术，主轴电动机矢量控制交流伺服控制，分度定位精度高，在全部转速范围内具有更大的扭矩和更高的功率，快速启动停止，使主轴具备连续分度和准停功能采用SIEMENS数控系统两拖板采用交流伺服电动机与滚珠丝杆驱动，两轴丝杠均预加负荷;采用A211号主轴，精密主轴组经精确动平衡，精度高刚性好;主轴轴承采用进口成组预加负荷高速球轴承，内填进口长效润滑脂，10年不需更换;主轴箱采用热对称结构， 主轴受热时轴线不会发生偏移，同时采用循环冷却方式将由于电主轴产生的热量带走;液压动力夹紧装置;整体铸造床身底座，后置倾斜;采用线性滚动导轨，具有较