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机床主轴系统热分析研究



  主轴系统的稳态热分析

  机床在稳定运行时处于稳态传热状态,通过稳态分析可以确定由稳定的热载荷引起的温度、热梯度、热流率和热流密度等参数。

钻攻中心主轴稳态系统的温度场

  由稳态分析可知,在假定室温为25℃的情况下,机床处在稳定运行状态时,其主轴系统的温度最高为47.863 0C,最低为25.1431C。最高温升为22.863 0C,基本上可以满足机床在高速运转时对温升的要求。

  主轴系统的瞬态热分析

  机床从启动开始:主轴系统的温度随时间不断升高,并在经历一段时间以后最终达到热平衡,下面研究这一瞬态传热的过程。由温升曲线可以看出,主轴系统在前15分钟(900秒)温度迅速升高,60分钟(3600秒)之后温升速度逐渐趋于平缓,并最终大约在120分钟(7200秒)时达到热平衡,接下来的运转过程中温度值基本保持不变。

钻攻中心稳态主轴系统的温度场

  图2中分别为前轴承、后轴承、主轴前端和主轴箱前箱壁的温升曲线,前轴承的温度最高,其次是主轴头和后轴承。大约前10分钟,后轴承的温度高于主轴前端,因为前轴承的热量要通过热传导传到主轴前端,需要一定的时间;大约在15分钟之后,主轴头的温度明显要高于后轴承,这是因为主轴前端靠近前轴承且前轴承的发热量大于后轴承的缘故。

  主轴系统的热应力分析

  由于相互接触的不同结构体或同一结构体的不同部分之间的热膨胀系数不匹配,在加热或冷却时彼此的膨胀或收缩程度不一致,从而导致热应力的产生。热应力问题实际上是热和应力两个物理场之间的相互作用,故属于祸合场分析问题。

  热应力分析有直接耦合法和间接耦合法两种分析方法。直接法是指直接采用具有温度和位移自由度的耦合单元,同时得到热分析和结构应力

  分析的结果;间接法则是指先进行热分析,然后将求得的节点温度作为体载荷施加到结构应力分析当中。此次分析中,采用的是间接耦合法。

钻攻机主轴箱的热应力分析

  可以看出,主轴箱的应力集中在主轴箱前支承、机床X方向箱壁两侧,对X轴的加工精度会有一定献影响。

  散热筋板对主轴系统温升的影响

  散热筋板增加了主轴箱的散热面积,通过分析对这一结构的散热能力进行考察。下面的图4分别为去掉散热筋板前和去掉散热筋板后主轴系统达到稳态时的温度场分布。

  通过比较我们可以看出,主轴箱增加散热筋板后,散热能力大大提高,最高温升降低了1.170C,而且主轴箱壁的温度明显降低;主轴箱靠近后支承的散热筋板稍长,筋板下部对主轴系统温度场的分布影响不大;在设计中可适当减小筋板的长度。

  结论

  从有限元的分析结果可以得出如下结论:

  1)机床处在主轴转速n=4500r/min的稳定运行状态时,主轴系统的温度最高为47.863 0C,最低为25.143℃,最高温升为22.863℃,基本上可以满足机床在高速运转时对温升的要求;

  2)主轴系统在n=4500r/min时运行,在前15分钟(900秒)温度迅速升高,60分钟(3600秒)之后温升速度逐渐趋于平缓,并大约在120分钟(7200秒)时达到热平衡,接下来的运转过程中温度值基本保持不变;

  3)主轴箱的应力集中在主轴箱前支承、机床X方向箱壁两侧,对X轴的加工精度会有一定的影响;

  4)主轴箱增加散热筋板后,散热能力大大提高,最高温升降低了1.17℃;但主轴箱靠近后支承的散热筋板稍长,筋板下部对主轴系统温度场的分布影响不大;建议在设计中可适当减小筋板的长度。由佳密特高速钻攻中心


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