加工中心主轴系统的热变形分析与有限元计算
基于ANSYSWorkbench的数控车床主轴系统热_结构耦合分析
e
式（ 6 ） 中 Μ1 为和轴承载荷大小、 滚动体和滚道间接触 弹性变形量及滑动摩擦有关的摩擦力矩分量 ， Μ1 的计 算公式如下：
Μ 1 = f1 p1 d m （ 7）
∑［K］ ∑ ｛ P｝ + ∑ ｛ P｝
e
e
（ 2）
e T
（ 3）
e
Μ2 为与速度有关的选项， 它反映润滑剂的流体动力消 Μ2 的计算公式如下： 耗， （ 1 ） 当 vn ＞ 3. 33 × 10 －5 m2 ·r / s2 时：
e e 点位移｛ ｝ T 及温升｛ ΔT｝ ， 计算获得总应变｛ ε｝ 及热变 最终热应力表达式为： 形｛ ε｝ T ，
d3 m
（ 8）
（ 2 ） 当 vn ＜ 3. 33 × 10 －5 m2 ·r / s2 时：
M2 = 160 × 10 6 f0 d3 m （ 9）
｛ σ｝ = ［ D］ （ ｛ ε｝ － ｛ ε｝ T ）
尺寸； v 为运动粘度； ΔT 为流体与壁面温差。
2011 年 7 月 3． 3
何
俊， 等： 基于 ANSYS Workbench 的数控车床主轴系统热结构耦合分析
· 21·
材料属性设置 在 ANSYS Workbench12 中重新添加床头箱， 轴承
由上图可知， 主轴最高温度发生在主轴前端轴承 安装处达 52. 09℃ ， 后端轴承安装处温度达 48. 15℃ ， 箱 前后轴承温升不一致， 体温度较低且温度分布不均匀， 最大温升为 32℃ （ 空气温度假设为 20℃ 情况下） ， 从温
· 20·
组合机床与自动化加工技术
第7 期
其热变形， 同时计算主轴不同转速条件下对主轴系统 产生的温升及热变形的影响， 最后得出相关结论。
数控车床主轴系统热特性有限元分析及验证
１ ８ ６ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｒ ｙ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ＆ Ｍａ ｎｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ
第 ５期
２ ０ １ ３年 ５月
数控 车床 主轴 系统热特性有 限元分析及验证
刘 启 伟
（ 沈 阳机床 （ 集 团） 设计 研 究 院 ， 辽宁 沈 阳 １ １ ０ １ ４ ２ ）
Ｋｅ ｙ Ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： Ｔｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ Ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ； Ｔｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ Ｄｒ ｉ ｆ ｔ ； Ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ Ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ； Ｓ ｔ ｅ ａ ｄ ｙ － Ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ； Ｃｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ｏ ｎ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｅ ｅ ∞ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ｆａ ｏ Ｃ Ｎ Ｃ ｌ ｔ ａ ｈ ｅ ． Ａ ｔｅ ｆ ｒ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｉ ｆ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｆ ｏ ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ．ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｅ ａ ｄ ｙ － ｓ ｔ ａ ｒ ｅ ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ“ ｔ 哪ｓ ｉ ｅｕ ｒ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ． Ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ａ ｌ — ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ，ｉ ｔ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ｔ ａ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ｔｉ ａ ｏ ｎ ｆ ｏ ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ， ａ ｎ ｄ ｉ ｄ ｅ ｎ ｔ ｉ ｉ ｆ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ｅ ｎ ｄ ｏ ｆ ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ａ ￣ ｓ ｅ ｍ ｂ ｌ ｙ＜ ｍｄ ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ｂ ｏ ｘ ． Ｆ ｏ ｒ ｖ ｅ ｒ ｆｎ ｉ ｇ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ， ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｔ ｅ ｓ ｔ（ Ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ａ ｌ ｄ ｒ ｆ ｉ ｔ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ） ｅ ｘ ｅ ｃ ｕ ｔ ｅ ｄ ． Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｓ ａ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ｔｉ ａ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｆｓ ｏ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ａ ｓ ｓ ｅ ｍｂ １ ） ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ａ ｌ ｅ ｒ ｒ ｏ ｒ ｃ ｏ ｍ ｐ ｅ ｎ ｓ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ．
有限元分析在数控铣床热变形方面的研究
有限元分析在数控铣床热变形方面的研究Research of FEM in the analysis of thermal deformation on CNC machines摘要：在多种热源的作用下，数控铣床产生热变形，影响工件与刀具间的相对位移，造成加工误差，从而影响零件的加工精度，因此减小热误差对提高机床的加工精度至关重要。
控制机床热误差涉及到如何查找敏感点，然而找出机床敏感点是个非常棘手的问题。
本文在对数控铣床热边界条件进行分析的基础上，应用有限元分析软件ANSYS，对ZK7640数控铣床进行整机热特性分析，为机床敏感点的查找提供依据，对数控机床热误差进行了定量计算，并通过实验检测验证其正确性。
关键词：温度敏感点；热误差；有限元分析Abstract: Many kinds of the heat sources in a CNC milling machine produce thermal deformation. This deformation affects the relative displacement between the work-piece and the cutter, causes the manufacturing errors, and influences the machining accuracy of the part. Therefore, it is very important to reduce thermal deformation to improve the machining accuracy. Controlling the thermal error will be relative to the theory of temperature sensitive point, however, it is difficult to find the points by experiments. In this paper, thermal characteristics of ZK7640 CNC milling machine are simulated by analyzing the thermal boundary conditions and using the finite element (FEM) software ANSYS. Moreover, many experiments are done to test the analysis' validity.Key words: temperature sensitive point; thermal characteristics; FEM引言国内对数控机床热变形也进行了比较深入的研究，并获得了很多成果，特别是提出了热敏感点理论：机床表面有些点的温度变化将引起机床热误差的明显改变，只要这些点的温度不变，机床热误差也基本不变，这些点就是影响机床热误差的关键点，也就是机床热误差补偿中的温度测点及控制点。
加工中心主轴部件的有限元分析及其验证
Ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ（ Ｆ Ｅ Ａ）ｏ ｆ ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ａ ｓ ｓ ｅ ｍｂ ｌ ｙ ｏ ｆ Ｃ ＮＣ ｌ ａ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｓ ｖ ｅ ｒ ｉ ｉ ｆ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
Ｙ ｕ Ｌ ｕ ｏ ｊ ｉ ａ ｎ ， Ｌ ｉ Ｊ ｉ ｚ ｅ ， Ｐ ｅ ｎ ｇ Ｊ ｉ ｎ ｍ ｉ ｎ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｌ ａ ａ ｎ ｄ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｆ ｕ ｊ ｉ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｓｉ ｒ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｙ， ｇ Ｆ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ ３ ５ ０ １ １ ８ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｉ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｏ ｂｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ． Ｔ ｈ ｅ ＦＥＡ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｈｅ ａ ｄ ． ｓ ｔ ｏ ｃ ｋ ｗａ ｓ ｖ ｅ ｉｆ ｒ ｉ ｅ ｄ ｂ ｙ ＬＭＳ ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｍａ ｄ ｅ ｉ ｎ Ｂｅ ｌ ｇ ｉ ｕ ｍ．Ｔ ｈｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ —
HDBS-63高速立式加工中心主轴系统热分析
其 结 构主要 包 括 主轴 心 轴 、 冷套 筒 、 承 以 及其 他 油 轴
一
种高速 、 密加工机 床 中 ， 精 热变 形导致 的机 床误差 问题
日益 突出 。大量研 究 表 明 ， 误差 是机 床 的最 大误 差 热 源， 占机 床 总误 差 的 ４ ％ ～ ０ ， 以对 机床 热 变 形 ０ ７％ 所 误差 的控制将是 提高机床加 工精度 的关 键技术 。
主 轴 系 统 作 为 机 床 的 重 要 组 成 部 件 之 一 ， 热 其 变 形 误 差 是 引 起 机 床 热 变 形 误 差 的 重 要 因 素 。 主 轴
些 隔套 类 附 件 ， 图 １所 示 。主 轴 系 统 的 散 热 方 如
式 主要 通 过 冷 却 系 统 的 强 制 油 冷 以 对 流 换 热 的 形
形状 态的 变化规 律 ， 主轴 系统 设计提 供 了 良好 的参考依 据 。 为
关 键词 ： 轴 系统 ； 限元 法 ； 分析 ； 主 有 热 温度 场 ； 变形 热
中 图 分 类 号 ： Ｈ１ ； Ｇ ５ Ｔ ６ Ｔ ６ 文 献 标 识 码 ： Ａ
Ａ ｎ ｙｚｎｇ ｆ ｒ Ｓ ｎ ｅ Ｓｙ ｔ ｍ ｆＨ ｉ ｈ－ｐｅ ｄ Ｍ ａ ｈ ｎｅ Ｔｏ ｓ Ｃ ｅ ｅ ａｌ ｉ ｏ ｐｉ ｄｌ ｓｅ ｏ ｇ ｓ ｅ ｃ ｉ ｏｌ ｎｔ ｒ
Ｐ， —— 确 定轴 承摩擦 力矩 的计 算载荷 ， Ｎ。
本 文 主要 考虑 的换 热 形 式 为 强 迫 对 流 换 热 ， 流
体 的不 同流 态具 有 不 同 的换 热 规 律 和传 热 效 果 ， 用 于计 算 换 热 系 数 的 经 验 式 也 不 相 同。 为 此 必 须 先 计算 出雷 诺 数 Ｒ ｅ用 以判 别 流 态 ， 后 选 用 经 验 公 然 式 。Ｒ 数是 一 个 无 量纲 的量 ， 用作 层 流 和紊 流 的 ｅ 被
精密卧式加工中心主轴系统热特性分析
ａｕ ｅ ｏ ｈ ｏ ｌ ｎ ｎ ｔｅ ｍ ａ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔｃ ｆ ｔ ｅ ｓ ｉ ｄ ｅ ｓ ｓｅ ｗ ａ ｔ ｉｄ ｔ ｒ ｆｔ ｅ ｃ ｏ ａ ｔｏ ｈ ｒ １ｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｓ ｏ ｈ ｐ ｎ ｌ ｙ ｔｍ ｓ ｓｕｄｅ
．
Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｓ ｔ ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｈａ
Ｍ， Ｐ ｄ ＝ （） ３
式中： —— 与 轴承类 型 和所受 载荷 相关 的系数 ； Ｐ —— 确定 轴承 摩擦力 矩 的计算 载荷 ， ， Ｎ；
主 轴 系统 的温升 和主 轴 端面跳 动有 重要 影 响 ， 而轴承跨 距 的 改 变影 响不 大 。 关 键词 ： 轴 系统 ； 主 热特性 ； 限元 法 ； 有 卧式加 工 中心
中 图 分 类 号 ： Ｈ１ ； Ｇ ０ ． ５ Ｔ ６ Ｔ ５ ２ １ 文 献标 识码 ： Ａ
Ｔｈｅ ｍ ａｌＣ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｎ ｌ ｉ ｆｔ ｅ Ｓ ｎ ｅ Ｓｙ ｔ ｍ ｆ Ｐｒ ｃｓｏ ｏ ｉ ｏ ｔ ｌＭ ａ ｈｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ａ ａ ｔ ｒｓｉ ｓＡ ａ ｙｓｓ ｏ ｈ ｐｉ ｄｌ ｓｅ ｏ ｅ ｉｉ ｎ Ｈ ｒｚ ｎ ａ ｃ ｎｉ ｇ Ｃ ｎｔ ｒ
第 ９期
２１ ０ １年 ９月
组 合 机 床 与 自动 化 加 １ ＝技 术
Ｍ ｏｄ ａ ａ ｈ ｎｅ Ｔｏ ｌ＆ Ａ ｕ ｏ ａ ｉ ａ ｕｆ ｃｕｒ ｎ ｃ ｉ ｅ ｕｌ ｒ Ｍ ｃ ｉ ｏ ｔ ｍ ｔｃ Ｍ ｎ ａ ｔ ｉ ｇ Ｔｅ ｈｎ ｑｕ
ＮＯ． ９ Ｓ ｐ．２０ １ ｅ １
，
ｃ ｏｒ 。 ｎ
・
２・
组 合 机 床 与 自动 化 加 工 技 术
第 ９期
主轴 系统 内 部 的 热 源 有 电 机 发 热 、 轨 摩擦 发 导 热 、 轮传 动 发 热 、 承 发 热 等 ］ 齿 轴 。本 文 中 主 轴 与
CK2120×6六主轴数控车床主轴鼓热变形有限元分析
（Ｉｎ ｖｔ ｅＣ Ｃ Ｅ ｕｐ ｅ ｔ ｏ，ｔ ，ｈ ｎａ ｇ１ ０ ０ ， ｈｎ ） ｎ ｏａｉ Ｎ ｑ ｉｍ ｎ ． ｄ Ｓ ｅ ｙｎ １０ ０ Ｃ ｉａ ｖ Ｃ Ｌ
， … … … … … … … … ’’ … … … … … 、
【 摘
要】 介绍了温度场和热弹性力学的有限元理论， 利用大型有限元分析软件 Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 对主轴鼓进行
ＬＵ Ｘ ａ ｇ Ｘ Ｌ ｕ ｂ ｏ， Ｉ ｕ ｔｎ ＷＡ Ｇ Ｓ ｉｊ Ｉ ｉｎ — Ｕ ，Ｉ — ａ ＬＵ Ｙ —ａ ｇ， Ｎ ｈ－ｉ Ｆ ｅ
（ Ｓ ｅ ｙ ｎ ｎｖ ｒｉ ｆ ｅ ｈ ｏｏ ｙＳ ｈ ｏ ｆ ｃ ａ ｉａ ｇｎ ｅｉ ｇ Ｓ ｅ ｙ ｎ １ １ ８ Ｃ ｉ ａ ｈ ｎ ａ ｇ Ｕ ｉｅｓｔ ｏ ｃ ｎ ｌｇ ｃ ｏ ｌ ｈ ｎｃ ｌ ｙ Ｔ ｏ Ｍｅ Ｅｎ ｉｅ ｒ ， ｈ ｎ ａ ｇ １ ０ ７ ， ｈ ｎ ） ｎ
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ｄ 帆ｓｈｌ ｍ ｅ ｔｅ ｅ ｄｈｒａｄ ｏ ａｏ ｏｔ ｉ ｌｄ ｍａ ｔｎｄｈｃ ｃｌｉ Ｍ ｉ ｉａｔ ｐｒｕ ｆ ｌａ ｅ ｌｅ ｒｔ ｎｆｈｓ ｎ ｅｒ ｅ ｂｉ Ｔｅａ ｕ ｏ ｉ ｍ ０ ａ ｒ ｄｎ ｔ ｍ ｆ ｍ ｉ ｅｐ ｄ ｕ ｒ０ａ ｅ ａ ｎ ｅ ｉ ｌ ｔ
第１ ０期
２１ ０ ０年 １ ０月
文章 编 号 ：０ １７ ２ １ １— １ １ ０
某型号卧式加工中心主轴温升及热变形的测试与分析
34机械装备Mechanized Equipment2017年3月下某型号卧式加工中心主轴温升及热变形的测试与分析丛 杉，王彩年（沈阳机床股份有限公司，辽宁 沈阳 110142）摘 要：文章针对某型号卧式加工中心开展温升及热变形的测试与分析，通过综合的测试分析获得主轴箱热平衡温度、热平衡时间以及主轴在XYZ 三方向的热漂移最大值，所获得的测试结论可以为提升该卧式加工中心的加工精度提供数据支撑及优化建议。
关键词：卧式加工中心；主轴箱温升测试；热漂移测试中图分类号：TH122 文献标志码：A 文章编号：1672-3872（2017）06-0034-011 主轴温升热场测试在该卧式加工中心的测试过程中，主轴运转期间，运用热成像仪对主轴定期拍照，记录每一时刻的主轴温升热场。
试验条件：机床在冷态下开始试验，满足试验前12h 之内没有工作，试验时不准中途停车。
试验方法：温升试验采用FLIR 热成像仪测定机床主轴轴承及其它主要热源的稳定温度及温度变化规律。
温升测量结果：机床主轴在中速下连续运行4h，主轴箱有代表性位置温升测量结果如表1所示。
——————————————作者简介： 丛杉（1985-），男，辽宁沈阳人，机械助理工程师，计算机助理工程师，研究方向：数控机床性能测试及生产管理。
表1 主轴轴承在中速下不同时间内的温升测量结果由表1可知机床主轴以3000r/min 连续运转到200min 左右时，温度趋于稳定，温度最高点出现在后轴承处，最高温度值为17.8℃。
2 主轴热漂移测试在主轴热漂移测试过程中，采取由3个激光测量仪分别对主轴上安置的检棒测量，检测检棒上的点在不同时间上因为主轴温升造成的位移变化。
试验条件：机床在冷态下开始试验，满足试验前12h 之内没有工作，试验时不准中途停车。
机床中速连续运行200min 左右达到稳定温升。
经过测试得出，在整个过程中，主轴在X 方向的最大线位移0.011mm，最大角位移为0.0044mm/150mm；在Y 方向的最大线位移0.006mm，最大角位移为0.0018mm/150mm；主轴最大伸长0.043mm。
数控立式加工中心主轴热变形实验测试与分析
数控立式加工中心主轴热变形实验测试与分析白路;罗忠辉;阮毅;余宁;谢泽兵;吴俊兰【摘要】在精密切削加工技术领域,机床发热变形是影响加工精度的主要因素.设计Labview数据采集软件以及Matlab数据分析软件;对某数控立式加工中心主轴热变形进行测试实验;分析影响主轴热变形的主要因素,即主轴转速、主轴温度对机床主轴热变形的影响;应用人工神经网络技术对热变形进行非线性建模;为精密机床热误差补偿提供技术支撑.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2018(047)011【总页数】3页(P9-11)【关键词】机床主轴;热变形;数据分析;建模【作者】白路;罗忠辉;阮毅;余宁;谢泽兵;吴俊兰【作者单位】广东技术师范学院机电学院,广东广州 510665;广东技术师范学院机电学院,广东广州 510665;广东省机械研究所,广东广州 510635;广东省机械研究所,广东广州 510635;广东省机械研究所,广东广州 510635;广东技术师范学院机电学院,广东广州 510665【正文语种】中文【中图分类】TH-390 引言精密加工中心在精密制造中起着至关重要的决定性作用。
据研究表明，在数控机床加工系统的各类误差中，平均占比最大的是几何误差和热误差。
通常情况下，该两项误差可占机床加工系统总误差的45%～65%，而且越是精密的机床，该两项误差所占比例就越大。
所以，在加工过程中有效减小机床几何误差和热误差的影响是提高机床整体加工精度的重中之重。
要提高机床加工精度，减少热误差，目前主要是采用主动减小误差法和误差补偿法两种途径来实现。
主动误差减小法是通过设计和制造环节消除或减小热误差源，提高机床的加工精度，或者控制温度来满足精度要求。
主动误差减小法存在成本大幅度上升的局限性，以及无法修正在加工过程中产生的一些干扰因素而引起的误差等问题。
误差补偿法是应用传感器及控制技术，在机床现有加工精度下，通过对加工过程误差的测量与建模手段，在线获得误差补偿值，将该误差值反馈到数控系统中，通过修正实际坐标驱动量来实现误差修正，可以使被加工的工件获得有可能比机床母机更高的精度，经济效益非常显著。
机床主轴有限元分析报告
机床主轴有限元分析基于ansys的机床主轴有限元分析摘要：随着高速数控机床的不断发展，对数控机床主轴的性能要求也开始逐渐提高。
机床主轴的动静态性能直接影响加工系统的精度和稳定性，因此，在设计阶段必须对其机床主轴进行相矢的性能校核。
利用有限元分析软件ANSY对s某机床主轴进行相应的分析，对其性能进行研究。
矢键词：ANSY，S主轴，有限元分析。
研究内容52问题描述：机床主轴材料为45号钢，弹性模量为2.06 x10 5 N.mm2，泊松比为0.3,儿何参数如下图。
图1主轴不意图主轴静态特性的基本概念主轴的静态特性反映了主轴抵抗静态外载荷的能力，静力学分析实际上是为了得到机床主轴在一定静态载荷作用下所产生的变形量。
在实际生产条件下，机床的主要失效形式大部分是由于机床的刚度不足而引起。
所以主轴静刚度的计算就显得尤为重要。
所谓的主轴静刚度实际上就是主轴的刚度，是机床主轴一个非常重要的性能指标，它直接反映出主轴负担载荷与抵抗振动的能力。
如果主轴的静刚度不足，主轴在切削力的作用下，会产生较大的变形量，并可能引起振动。
这样不仅会降低机床的加工精度、增大加工工件表面的粗糖度；也会对轴承造成较大磨损，破坏主轴系统的稳定性。
因此，主轴的静刚度是衡量机床性能的重要指标。
主轴的弯曲刚度的定义可以理解为：使主轴前端产生单位径向变形时，变形方向上所需施加的力F,即：主轴的静刚度，分为轴向静刚度与径向静刚度，上面提到的弯曲刚度实际上就是径向静刚度。
通常情况下，轴向刚度没有弯曲刚度重要。
弯曲刚度是衡量主轴刚度的重要指标，通常用来代指主轴的刚度。
1・主轴有限元模型的建立及边界条件的处理为了真实、准确、有效地对主轴进行特性分析，需要对机床主轴进行相应的简化。
对主轴的简化应该遵循以下原则：(1) 忽略对分析结果影响不大的细小特征，如倒角、倒圆等；(2) 对模型中的锥度和曲率曲面进行直线化和平面化的处理；(3) 忽略对主轴静态特性影响不大的零部件结构。
基于有限元方法的数控铣床整机热特性分析
基于有限元方法的数控铣床整机热特性分析摘要: 使用有限元方法,对新设计的XK717 数控铣床进行了整机热特性分析,并与XK510 数控铣床（成熟产品）的分析结果进行比较,根据比较结果,找出XK717 数控铣床热特性的薄弱部件,从而为提高XK717 数控铣床的整机热特性指明了改进的方向.关键词: 热特性;有限元;数控铣床在机械加工中,工艺系统在各种热源（摩擦热、切削热、环境温度、热辐射等）的作用下,产生温度场,致使机床、刀具、工件、夹具等产生热变形,从而影响工件与刀具间的相对位移,造成加工误差,进而影响零件的加工精度. 根据英国伯明翰大学J . Pe2clenik 教授调查统计表明,在精密加工中,热变形引起的制造误差,占总制造误差的40 %～70 % . 所以,如何减少热变形,提高加工精度,是机床设计中非常棘手和重要的问题.目前,有很多学者通过试验和理论分析,对机床的热变形进行研究. 如浙江大学,对弹性热接触问题用有限元方法进行研究,而且对有限元系统进行开发,并应用于TKA6916 数控落地铣镗床的结构优化上,取得了一定的成果[1 ] . Okuyama 等人,通过实验测量了在平面研磨机工作过程中,砂轮主轴和工作台的相对热位移,并使用有限元方法对研磨机的热变形进行理论研究,结果表明理论与实验结论相一致[ 2 ] . Moriwaki 等人通过实验和有限元方法研究了由于环境温度变化引起的热变形对加工中心的影响[3 ] . 本文将通过有限元方法,对新设计的XK717数控铣床进行整机热特性分析,并与XK510 数控铣床（成熟产品）的分析结果进行比较,根据比较结果,找出XK717 数控铣床热特性的薄弱部件,从而为提高数控铣床的热特性指明了改进的方向.1 整机有限元模型考虑到XK717 数控铣床的结构相当复杂,为了便于有限元分析,对其结构进行适当的简化. 并采用20 节点体单元SOL ID95 进行网格划分,整机有限元模型如图1 所示.2 分析条件XK717 数控铣床的主轴系统前支承采用7020C 轴承,成对串联、开口朝下安装,中间支承也采用7020C 轴承,成对串联、开口朝上安装,设计预紧力为500 N ,后支承采用7018C 轴承,成对背靠背安装,设计预紧力为200 N ,轴承布置如图2 所示.对于典型的铣削工艺,使用立铣刀（高速钢）直径为40 mm ,齿数为Z = 6 ,对碳钢进行加工,其铣削深度a[sub]p[/sub] = 20 mm ,铣削宽度a[sub]e[/sub] = 2 mm ,每齿进给量a[sub]f[/sub] = 0. 01 mm ,转速为3500 r/ min ,假设工作台上的能量沿X 方向的分布,如图3 所示.并假设被工作台吸收的总能量为切削能量的10 %. 根据这些条件可计算出热分析的边界条件,具体的计算方法见文献[4 ]. 机床各部分材料特性如表1所示.3 结果分析图4 为主轴转速在3 500 r/ min 时,XK717 数控铣床整机温度场云图. 从图中可以看出,铣床温度比较高的部位在主轴的前支承部位;前、中、后支承的平均温度值分别为62.13 ℃, 57. 44 ℃, 45. 35℃. 图5 为XK717 数控铣床整机热变形云图,从图中可以看出,主轴箱前面部分热变形比较严重,而主要影响加工精度的主轴前端面平均热变形量为0. 143 mm.[align=center][/align]图6 、图7 分别为在相同仿真条件下,XK510 数控铣床的温度场和热变形场的云图. 前、中、后支承的平均温度值分别为52. 7 ℃,52. 71 ℃,36. 5 ℃,而主轴前端面平均热变形量为0. 062 mm.通过比较可知,XK717 数控铣床的轴承温升比XK510 数控铣床的温升要高,而主轴前端面热变形量大2 倍多. 这主要是因为:[align=center][/align]（1）XK717 数控铣床的轴承个数多,前、中、后各2 个,共6 个,而XK510 铣床只有4 个,前支承两个,中、后支承各1 个;（2）XK717 铣床是大型数控铣床,主轴直径为0. 1 m 左右,而XK510 铣床只有0. 065 m ,这就表明在选择轴承时,新设计的XK717 数控铣床的轴承尺寸要比原铣床的大的多.上述2 个原因直接影响到数控铣床轴承的发热量,进而影响到轴承的温升和主轴的热变形. 由于XK510 数控铣床是成熟产品,在使用中,加工精度一直比较高,而分析结果表明新设计的XK717 数控铣床热变形精度明显没有XK510 数控铣床的精度高. 因此,很有必要对XK717 数控铣床采取一些措施,来减少机床的热变形. 从结果云图可以看出,主轴及主轴箱部件是影响主轴热变形的关键所在.4 结语通过对新开发设计的XK717 数控铣床进行整机热特性分析,并与XK510 数控铣床的结果进行比较,结果表明XK717 数控铣床的热变形精度没有原铣床的精度好,并且对其原因进行了分析,而且从结果云图中可以看出,XK717 数控铣床主轴及主轴箱部件是温度和热变形最为严重的部件,因此,应采取相应的措施来提高主轴和主轴箱部件的热特性.。
立卧式加工中心高速电主轴的热-结构耦合分析
文 章 编 号 ：１ ６ ７ ３ — ５ １ ９ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ － ０ ０ ３ ３ — ０ ４
立卧式加工中心高速 电主轴 的热一 结构耦 合分析
李 有 堂 ，雷 翼凤
（ 兰州理工大学 机电工程 学院，甘肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ５ ０ ）
摘要 ：以立卧 式加工 中心高速 电主轴单元为研究对象， 建立高速 电主轴系统的有限元分析模 型， 分析计算得到系统 热特性分析 的边界条件． 利用有 限元分析软件 ＡＮＳ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ对 电主轴在不 同转速 条件 下的温度场及其 主轴
第３ ９ 卷 第６ 期
２ ０ １ ３ 年 １ ２月
兰
州
理
工
大
学
学
报
Ｖ０ １ ． ３ ９ Ｎｏ ． ６
Ｄｅ ｃ ． ２ ０ １ ３
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｌ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
换冷却系统的冷却油流量为 ｑ ｖ 一１ ． ７ ８ ×１ ０ Ｉ Ｔ Ｉ 。 ／ ｓ ， 人 口温度 ｔ ｉ 一２ Ｏ℃， 出 口温度 ｔ 。 一３ ０℃， 主 轴转 速 １ ２ ０ ０ ０ ｒ ／ ｍｉ ｎ． 根据参考文献［ ６ ， ７ ］ 的相关计算公式 得到 ： 定子转子气隙对流换热系数为 １ ８ ０ ， 电主轴前 后 密封对 流换 热 系数 为 ２ ６ ０ ， 前轴 承 与压 缩 空接耦合场分析 ， 如 热一 结构 、 热一 电、 热一 磁耦合等． 热结构耦合分析是耦
合物 理场 分析 中 比较常 见 和 重 要 的一 种 ， 本文 以 日
主轴 、 工作 台 、 刀 具 等部 位 发 生 一定 的相 对 位移 ， 使
基于有限元分析的直接进给轴热变形研究
基于有限元分析的直接进给轴热变形研究汪剑【期刊名称】《《农业装备与车辆工程》》【年(卷),期】2019(057)009【总页数】4页(P57-59,64)【关键词】直接进给轴; 热变形; 有限元; ANSYS【作者】汪剑【作者单位】200093 上海市上海理工大学机械工程学院【正文语种】中文【中图分类】TM359.40 引言现代数控机床向着高精度高速率方向发展。
机床在加工过程中会以各种形式产生大量的热量，然后传导给机床零部件，引起它们的热变形，从而影响数控机床加工精度。
对于高精度机床,热变形对加工精度的影响更加明显。
研究表明，在精密加工中，热变形引起的加工误差可能占到总误差的40%～70%[1]。
高速直线电机驱动的直接进给轴是一种具有定位精度高、加速度大、推力大和传动效率高等优点，且不需要中间传动环节的进给驱动机构[2]。
因此，直线电动机驱动进给轴越来越广泛地应用于数控机床[3]。
在数控机床误差源中，热误差是精密机床主要的误差源之一[4]。
在高速进给条件下，直线电机初级线圈发热量较大，直线电机线圈温度最高可达到100℃[5]。
在直线电机的直接进给轴中，直线电机线圈热源位于进给机构内部，固定在工作台底部的直线电机动子是高发热部件。
在高速进给过程中，若没有冷却系统对直接进给轴内部冷却，直线电机动子线圈的发热量非常大，导致进给机构温升，由温升导致进给机构热变形而引起的加工误差在一定程度上限制了直接进给轴在精密机床中的应用。
本文以直线进给轴实验台为研究对象，构造直线电机温度测量系统，在分析直接进给轴热边界条件的基础上，建立直接进给轴的有限元分析模型，应用ANSYS Workbench 软件对直接进给轴的温度场以及热变形进行分析。
因此研究直线电机进给机构热变形规律，对直接进给轴热变形进行补偿有着重要的理论依据和提高直线电机机床加工精度具有实践指导意义。
1 直接进给轴的有限元模型理论直接进给轴在持续工作一段时间后，直线电机最终会达到一个热平衡状态，因此本文对直接进给轴进行稳态温度场有限元分析。
加工中心主轴系统的热变形分析与有限元计算
ｗｅｒｅ啪删ｒｅｄ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｌｌｅ山ｅⅡｎａｌ ｄｅｆｏ舢ａｔｉ加０ｆ Ｉｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｓｙｓｔｅｍ
ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ、ｒｉｎｕ８ｌ ｉｎｓｔｎｌｍｅｎｔ８妣ｈｎｏｌｏｇｙ．ｎｅ ＦＥＭ ｍｏｄｅｌ ｏｆ
ｔｈｅ删ｄｅｆｏｍａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅ彻ａｌ ｄｅｆｏ册ａｔｉ佣ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗ鼬ｂｕｉｌｔ ｕｐ ｂｌＩｓｅｄ ｏｎ Ｉ．ＤＥＡＳ，ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ６ｅｌｄ粕ｄ ｔ｝ｌｅ
隔３０血ｎ左右采集一次数据。
１。２测量结果分析
主轴套筒的温度变化如图４所示。从图可知，机 床开始运转时温升较快，且主轴套筒附近温度变化最 剧烈，而主轴箱的靠近侧壁部分温度最低，主轴箱的
后部、底部温升为５—８℃。因此主轴箱的温度分布 基本以主轴为中心线，温升沿半径方向减小。主轴是 机床最大的热源。主轴套筒由于靠近主轴轴承温度变
收稿日期：２００７—０３—３０ 作者简介：穆塔里夫·阿赫迈德（１９６３一），男，维吾尔族，新疆莎车人，教授，硕士生导师。主要研究方向：机构学、机
械设计及理论、虚拟制造。电话：０９９１—４５５６２４５，１３８９９８５２６２４。Ｅ—ｍａｉｌ：ｍｔｌｐ＠２６３．ｎｅｔ。
万方数据
第２期
穆塔里夫·阿赫迈德等：加工中心主轴系统的热变形分析与有限元计算
Ｍｕｔｅｌｌｉｐ Ａｈｍａｔ。ＣＨＥＮＧ Ｗｅｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎ百ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｕｍｍｑｉ Ｘｉｎｊｉａｎｇ ８３０００８，Ｃｈｉｎａ）
Ａ瞰瑚屺ｔ：７ｒｈｅ ｃｈｉｅｆ ｈｅａｔ ｓｏｕｒｃ铭ｏｆ ｔｌｌｅ叩ｉｎｄｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ＴＨ６３５０ ｍｃｈｉｎｉｎｇ ｃｅｍｅｒ ｗｅｒｅ ａ眦ｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅ“ｐｅｍｔｕｒｅ
车削中心主轴系统热特性有限元分析的研究
Ｆｅ ｈｅ Ｔｈ ｒ ｌＣｈａ ａｃ ｅ ｉｔｃ Ａｎａｙｓｓ ｏ ｉ ｅ Ｓ ｓ ｅ ｏ ａ ｏｎ ｔ ｅ ｍａ ｒ ｔ ｒｓｉ ｌ ｉ ｇ Ｃｅ ｅ Ｌ ｉ ｈ ａ，Ｌ Ｕ Ｙｏ — ｉ ｎ，ＨＡＮ ｉ －ｉ ｎ ＩＪｎ— ｕ Ｉ ｎｇ ｘａ Ｊａ ｌａ ｇ，ＹＵ ｎ Ｙａ ｇ
（ ｃ ｏｌ ｆ ｃ ａ ｉ ｌ ｎ ｉｅｒ ｇ＆ Ａ ｔｍ ｔ ｎ Ｎ ｒ ｅｓ ｒ ｎｖｒ ｔ， ｈ ｎ ａｇ１ ， ｈｎ ） Ｓ ｈ ｏ ｏ Ｍｅｈｎｃ ｇｎｅｉ ａＥ ｎ ｕｏ ａｉ ， ｏｔ ａｔ ｎＵ ｉ ｓｙ Ｓ ｅ ｙｎ ８ Ｃ ｉａ ｏ ｈ ｅ ｅｉ １ １ ０ ９
文 章 编 号 ：０ １ ２ ５ ２ １ ） １— ０ ６— ３ １０ —２６ （ ０ １ １ ００ ０
车 削中心主轴 系统热特性有限 元分析的研 究 米
李 金 华 ， 永 贤 ， 家 亮 ， 杨 刘 韩 于
（ 东北大 学 机 械 工程 与 自动化学 院 ， 阳 １ ０ １ ） 沈 １ ８ ９ 摘要： 以精 密车 削 中心 主轴 系统 为研 究对 象， 有 限元技 术应 用 于其 主轴 系统 的热特 性研 究 ， 将 在机 床
部 件变 形 或 膨 胀 而 引起 工 件 和 刀 具 之 间 的 相 对 位
场 为基 础计 算 出 主轴 的热 变 形 。从 而 在 该机 床 的 设 计 阶段 预 测 了机 床 主 轴 箱 体 的 温 度 场 和 热 变 形 情 况， 为机 床结构 改进 和热 补偿措施 提 供 了相 关依 据 。
１ 车削 中心 主 轴 系统 结 构
．
该车 削 中心 由床 身 、 主轴 箱 、 盘 、 鞍 、 座 、 卡 床 尾
卧式加工中心主轴系统设计
数控技术是先进制造技术中的一项核心技术,由数控机床组成的柔性化制造系统是改造传统机械加工装备产业、构建数字化企业的重要基础装备
,它的发展一直备受制造业的关注,其设计、制造和应用的水平在某种程度上就代表一个国家的制造业水平和竞争力。高速精密卧式加工中心作为一类重要的数控机床产品,是我国汽车、航空航天、精密模具等行业领域急需的关键设备,但目前国内开发的卧式加工中心产品与国外同类产品比较,在设计技术、制造技术和产品性能方面都还存在较大的差距,在基础理论和关键技术的深入系统地研究方面更显缺乏。 本论文在国家重点新产品试产计划项目的支持下,结合成都宁江机床集团公司的企业发展战略规划以及市场的需求,对自主开发的THM6363高速精密卧式加工中心的总体方案设计、结构设计、性能分析、制造工艺、精度检测等技术进行深入的理论分析和应用研究,探讨高速高精卧式数控加工中心开发模式、有关基础理论和一些关键技术问题。本论文的主要研究成果和特色如下: (1)通过分析比较国内外先进高性能加工中心产品的技术特征,确定了本课题研究的高速精密卧式加工中心主要用于航空航天、军工及模具等行业的中小型零件的精密加工,提出高速精密卧式加工中心设计要求和关键技术,制订了自主开发具有宁江特色的高速、高效、高精、高可靠性的高速精密卧式加工中心的开发计划。 (2)在分析国内外卧式加工中心的结构特点和总体布局形式的基础上,提出了一种适用于中小型零件精密加工的高速精密度卧式加工中心的总体布局方案。根据“相同的综合位移和刚度”原理,采用工作台进行轴向进给和工件进给方式可使在不同工件位置时,机床变形和变化最小,具有几乎相同的综合位移和刚度,确保加工精度稳定。 (3)对THM6363高速精密卧式加工中心的主轴系统、进给传动系统和精密回转工作台等功能部件的结构设计方法进行了深入的研究,给出了主轴结构设计方案,设计了高速滚珠丝杠和直线滚柱导轨组合结构的进给驱动系统,提出大惯量电机选择的负载惯量以及扭矩的计算准则,建立了连续回转工作台蜗杆蜗轮副传动结构的传动扭矩和液压油缸紧固螺钉强度的分析和计算模型。 (4)以THM6363高速精密卧式加工中心的立柱和整机为对象,运用计算机辅助设计和分析方法
车铣复合加工中心主轴结构的有限元分析
车铣复合加工中心主轴结构的有限元分析摘要：车铣复合加工中心主轴是系统结构中的关键性零件，机床在运行过程中会受到不同程度的切削力，想要防止机床变形问题的发生率，需要通过科学的结构设置保证机床的刚度，当承受较大的切削力时，依然保有较高的加工精度，降低自激振动问题的发生。
采用有限元分析技术创建系统模型，通过车铣复合加工中心主轴结构的设计调整，对主轴刚度进行分析验算，车铣复合加工中心主要包括单元技术、机床整机技术，其中主轴单元属于单元技术的重要环节。
车铣复合加工中心主轴（电主轴）结构的有限元分析，主要研究目的是提高机床运行的稳定性，保证加工精度和主轴刚度。
关键词：车铣复合加工中心；主轴结构；有限元分析０引言车铣复合加工中心主轴结构包括：主轴电机、主轴和轴承等部分，主轴作为机床的核心部件，其结构性能对在整台机床的运行稳定性有着重要影响，想要全面提高切削速度、保证机械加工精度，就需要建立有限元分析模型，分析主轴结构性能。
主轴结构设计中的技术手段相互制约，解决速度与刚度之间的矛盾，借助有限元分析法的便利性和灵活性，对车铣复合加工主轴结构进行分析，通常情况下安装两个主轴，实现在不停车状态下的自动对接转移，自动化完成绝大部分的工件加工工作，提高加工效率。
１、车铣复合加工中心主轴结构１．１车铣复合加工中心主轴结构结合轴承结构的主要特点，车铣复合加工中心主轴通常只存在径向刚度，简化处理后发现径向压缩弹簧。
车铣复合加工中心主轴简化后的力学模型分析过程中，可以有选择的忽略轴承刚度与转速、负荷之间的关系，假设轴承的刚度为标准常数进行后续的有限元分析工作，这一过程中省略了工作人员的计算量，结合主轴结构类型，主要采用滚动轴承，省略阻力因素分析并不会对最终的分析结果产生影响。
如图1所示，简化主轴刚度细节部位进行整体显示。
１．１．１轴壳在进行主轴结构分析的过程中，轴壳作为主要部件之间，其尺寸与位置会对主轴设计精度产生影响，通过安装过程的查看，设计人员将轴承座孔安装到轴壳上，在进行电机定子安装的过程中，需要保持一端处于开放状态。
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０引言 热误差是由于机床温度升高导致机床部件变形或
膨胀而引起的工件和刀具之间的相对位移。机床不同 部件之间的相对运动在部件接触区产生了大量的热， 正是产生的热导致了机床部件的变形。热误差在机床 的总体误差中占４０％一７０％…。如何减小机床热变 形误差已成为世界制造业关注的焦点。由于机床热边 界的不确定性和传热的复杂性，热误差的研究长期以 来一直处于定性研究阶段。现在随着机械制造技术向 高速度、高效率、高精度和高智能化方向发展，热误 差的问题变得越来越严重，而计算技术和误差检测技 术的快速发展，使得建立机床热误差的模型和补偿成 为可能‘１’５１。
机械设计手册中均可查到。
２．４计算求解
分析计算最初是
对分立模型进行的，
即分别对每个零件建
模求解，再将各有关
环节的结果叠加形成
最终结果，这种做法
建模简单，但精度有
限。如果将零件模型
进行装配，并对装配
体进行整体求解。其
结果的精度可大为提
图９温度场分布
高。同时还应注意到，在装配体中，相邻零部件间的
相互约束情况是不同
２００８年２月 第３６卷第２期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＵＣＳ
Ｆｅｂ．２００８ Ｖ０１．３６ Ｎｏ．２
加工中心主轴系统的热变形分析与有限元计算
穆塔里夫·阿赫迈德，程伟 （新疆大学机械工程学院，新疆鸟鲁木齐８３０００８）
摘要：以ＴＨ６３５０卧式加工中心为研究对象，构建了一套基于虚拟仪器系统的加工中心主轴系统温度场和热误差测量 系统，测出了加工中心主轴系统的温度场和各项热变形。建立了基于ｌ—ＤＥＡｓ的加工中心主轴系统的温度场和热变形有限 元模型，得到了主轴系统的温度场和热变形分布及其计算结果，计算结果与实测值得到了较好的吻合，研究结果为加工中 心的改进设计、温度控制和误差补偿提供了理论依据。
·７３·
进行。考虑到机床在机加工时运动是间歇性的，主 要运动部件是主轴，所以导轨产生的热量有限，热源 主要以主轴部件产生的热量为主。机床的热变形主要 表现为：主轴的热膨胀；主轴箱的热变形；立柱的倾 斜；床身受热变形；Ｘ、ｌ，、Ｚ轴滚珠丝杠的热伸长 等。在这些热变形的共同作用下，机床主轴在ｘ、ｙ、 Ｚ方向均有热位移。
ｗｅ弛
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｌｌｌａｔｅｄ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｔａｌｌｙ ｗｉｔｈ ｔｌｌｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖａｌｕｅｓ．Ｔｈｅ陀ｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｒ幅ｌｌｌｔｓ ｐｍｖｉｄｅ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａＩ ｆｂｕｎｄａ－
ｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｍｐｍＶｉ唱ｄｅｓｉ印，ｔｅｍｐｅｍｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏＵｉｎｇ ａｎｄ ｔ叠ｌｅ ｅｎｍ ｃｏｍｐｅｎ龃ｔｉ彻ｔｏ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｉＩｌｇ ｃｅｎｔｅｒ．
主轴系统是加工中心机床的最重要部件之一。随 着机床转速的提高，切削进给速度的加大，机床发热 急剧上升，使得主轴系统产生较大的变形，容易引起 振动，不仅降低加工精度和表面质量，还会使齿轮等 传动部件和轴承因不能均匀受力而恶化工作条件，因 此，主轴系统的变形对机床的加工精度、表面质量都 有很大的影响。为了使数控机床的主轴系统具有高刚 度、振动小、变形小、噪声低、良好的抵抗受迫振动
ＴＨ６３５０加工中心的３Ｄ模型如图１所示。由于主 轴系统是加工中心机床的最重要部件，因此，主要研 究主轴系统的温度场和热变形。由于轴承是最主要的 发热源，我们将着重研究轴承对主轴系统热变形的影 响。在精加工中，由于切削用量小，切削力也相应较 小，从而由切削运动产生的热量也少。因此，实验不 考虑切削运动和切屑的影响，而主要在空切削状态下
与实验值也较吻合，最大变形量为主轴前段，其轴向
伸长值为２０６恤ｍ，其它各处都比较小。
图１ｌ 主轴套筒温度场结果比较
节主要有：比较大的热源、主
要的散热边界以及结构突变部
位。结突变不仅包括形状、
尺寸的突变，而且还包括材料 性质的突变，这就意味着，不
图７ ＦＥＭ模型
仅要考虑每个零件结构对整体热变形的影响，还要考
虑零件间结合面的作用。根据精度，合理取舍各零部
件上的结构。实际的零部件十分复杂，各种功能结构 和工艺结构面面俱到。在具体的有限元分析中，由于
１８０ １６０ 昌１４０ 三ｌ ２０ 簿１００ 隧８０ 《６０
鸯；：
Ｏ
．２０吮３１６０删ｌＯＵ：：３３０ｌ２Ｊ：１３２ｌ：，∞２：１２笛：１５３７：１２６３燃
时间
图４主轴套筒的温度变化 图５主轴轴向热位移 ２有限元计算 ２．１ ＣＡＤ建模
在ｃＡＤ建模时，应以机 械零件为单位。有的零件不 仅包括自身的金属部分，内 部往往还有一些冷却油孔、 槽之类的结构，由于它们对 整体温度分布有至关重要的 影响，绝对不能简化。在建 模时，要以金属部分所属的 那个零件为单位，先不区分
以得到经验参数。机械边界条件的分布及数值的确定
机械边界主要是分析终点处的机械约束，由于要将分
析终点作为变形基准，所以其基准面的６个自由度均
为０。施加了边界条件的有限元模型如图８所示。
在进行材料热物理特性的取值时，考虑整个机床
主要由金属组成，箱体和立柱的材料是铸铁，轴、轴
承和套等的材料是碳钢，它们的热物理参数在一般的
的，包括约束大小、约
束自由度等，如果忽视
了它们，虽然增加了边
界单元层，但仍然是把 接合面上的相邻节点紧
密连接在一起，整个装
配模型仍相当于一个大
的单个零件。为了进一
垩篓囊兰戛慧雯。，。夏芋
对接合面做接触处理。
图 一 ｌｏ变一形…场一分’布
经分析，主轴箱中箱体与套筒、套筒与主轴、主轴与
轴承等之问的接触作用对整体的影响相对不大，而主
ｗｅｒｅ啪删ｒｅｄ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｌｌｅ山ｅⅡｎａｌ ｄｅｆｏ舢ａｔｉ加０ｆ Ｉｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｓｙｓｔｅｍ
ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ、ｒｉｎｕ８ｌ ｉｎｓｔｎｌｍｅｎｔ８妣ｈｎｏｌｏｇｙ．ｎｅ ＦＥＭ ｍｏｄｅｌ ｏｆ
ｔｈｅ删ｄｅｆｏｍａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅ彻ａｌ ｄｅｆｏ册ａｔｉ佣ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗ鼬ｂｕｉｌｔ ｕｐ ｂｌＩｓｅｄ ｏｎ Ｉ．ＤＥＡＳ，ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ６ｅｌｄ粕ｄ ｔ｝ｌｅ
２、３所示。将主轴箱在某一位置固定，保持３个坐 标不动，使机床在无负载情况下做空运转，研究机床 在主轴系统作用下的精度的变化。把机床主轴的转速
设为ｌ ２００ｒ／ｍｉｎ，运转至热平衡状态而停止，对在主 轴部件上布置的３２个热电偶传感器，每隔１０ｒｎｉｎ左 右采集一次数据，而对于５个电涡流传感器测量，每
Ｍｕｔｅｌｌｉｐ Ａｈｍａｔ。ＣＨＥＮＧ Ｗｅｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎ百ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｕｍｍｑｉ Ｘｉｎｊｉａｎｇ ８３０００８，Ｃｈｉｎａ）
Ａ瞰瑚屺ｔ：７ｒｈｅ ｃｈｉｅｆ ｈｅａｔ ｓｏｕｒｃ铭ｏｆ ｔｌｌｅ叩ｉｎｄｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ＴＨ６３５０ ｍｃｈｉｎｉｎｇ ｃｅｍｅｒ ｗｅｒｅ ａ眦ｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅ“ｐｅｍｔｕｒｅ
图ｌ加工中心三维模型 实验的目的就是通
图２主轴系统温度 传感器的布置
过测量机床的温度场和 主轴的热位移，为机床 设计、有限元分析和误 差补偿提供实验数据。 实验主要由温度测量和 误差测量两部分组成。 温度测量采用３２个热 电偶作为温度传感器，
图３主轴系统热变形 传感器的布置
误差测量则用了５个电涡流传感器。传感器布置如图
金属或是冷却油，进行单一图６简化ｃＡＤ模型 材料的实体建模，随后要用
Ｐａｎｉｔｉｏｎ操作将冷却油孔、槽等结构表示出来。需要
这种处理的主要是内套和外套，在内套上面有冷却油
槽，在外套里面有冷却油孑Ｌ。零件建模完成后，要组
装成整机。这里的组装不是一般意义上的装配，因为
装配只是将相关零部件摆放在一起，在进行有限元网
关键词：加工中心；主轴系统；热变形；有限元分析 中图分类号：ＴＧ５０２．１５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００ｌ一３８８ｌ（２００８）２—０ｒ７２—３
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ＦＥＭ ＣａｌｃｕＩａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｈｅｍａｌ Ｄｅｆｏ珊ａｔｉｏｎ
ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｐｉｎｄｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＭａｃｈｉＩｌｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ
化比较敏感，首先达到热平衡状态。而其它部位由 于传热和结构原因，温度升高有迟滞作用。主轴 在ｌ ２００ｒ／ｍｉｎ转速下升温过程中随时间变化的轴向 热位移如图５所示。由图可知，主轴轴向热位移与温
升曲线比较相似。
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和自激振动能力的动态性能，在进行结构设计时就必 须考虑主轴系统的热变形，在机床设计阶段就较精确 地计算温升、热变形并进行改进设计，进行多方案比 较，是实现低成本、高质量设计的主要手段之一。
本文以ＴＨ６３５０卧式加工中心为研究对象，构建 了一套基于虚拟仪器系统的加工中心主轴系统温度场 和热误差测量系统，测出了加工中心主轴系统的温度 场和各项热变形。建立了基于Ｉ—ＤＥＡＳ的加工中心 主轴系统的温度场和热变形有限元模型，计算出了主 轴系统的温度场和热变形，实验值与计算值进行了比 较，为加工中心的改进设计、温度控制和误差补偿提 供了理论依据。 １实验与测量 １．１实验系统设计
有就是各零部件表面普遍存在的辐射换热。轴承发热
源，可首先使用公式求出其经验值，然后再参照实验
数据进行修正。箱底存油发热作为表面热流处理，其
数值可由反推来确定。散热边界条件的取值，理论上