机床主轴温度场及热变形有限元分析1

1.2.2 温度控制
在机床构件(如主轴、立柱、床身)的一定位置布置冷
却或加热系统，实现温度场的均衡，减少热误差。
对机床的内热源强制冷却，是历来采用较多的措施之一。
（特别是对机床的主要热源产生地和影响加工精度的关键 部件—主轴系统，应用尤其广泛）
前苏联在车床上应用了半导体装置自动控制油温 日本池贝铁工所生产的铣镗床上采用了喷雾技术 三菱重工在上世纪八十年代研制了电子冷却主轴，应用于MPA—
加工精度主要取决于工艺系统的两个性能
系统的静、动态力学特性 就机械加工而一言，尤其是现代高速切削机床中，随 着机床转速和零件表面加工质量的提高，切削深度与 走刀量一般都比较小，而切削力也不大，所以工艺系 统的受力变形对加工精度的影响与热变形相比处于次 要的地位。
热态特性 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。
美国密歇根大学Chen J.S教授等提出了包括几何误差在内的多达32个误
差源的在线测量、数据处理和误差补偿系统。 上海交大提出的鲁棒建模方法，还有很多学者使用神经网络的方法进行 热误差补偿等。
缺点
在进行数据采集的时候，由于传感器精度及其它原因的干扰，使得采集
的数据可能失真，对补偿结果造成影响。 由于机床热特性取决于多种因素，而且热误差呈现非线性的交互作用， 因此检测和辨识过程需要花很长时间。 如何确定机床热误差的关键点，即影响加工精度最大的点，可以使用最 少的温度测点，得到最好的补偿方案，有待进一步研究。
100A型卧式加工中心，使主轴在10000r/min的高速运转时，仍可 达到0.002mm的加工精度。
利用辅助人工热源，也可以对机床热变形进行矫正
美国莫尔公司的座标磨床、瑞士豪斯公司的2A3座标镗床等，均采
用电子线路对人工热源实行控制，有效地改变了机床的热变形，提 高了加工精度。
1.2.3 热态特性优化设计
轴承的比例逐年上升。
减少主轴轴承温升的途径
润滑技术
一般 当
时，主轴轴承采用脂润滑 较大时，主轴轴承一般采用油润滑
适合高速主轴轴承的油润滑有: 油雾润滑 油气润滑 喷射润滑 环下润滑
减少主轴轴承温升的途径
强制冷却技术。
润滑强制制冷 把流经主轴轴承和主轴箱的润滑油用冷冻机进行强制冷。 有效地控制主轴轴承的温升，但高速时功率消耗大、占 地面积大、成本高。 水内冷却技术 主轴箱内围绕主轴轴承外环设置换热用的冷却套，使媒 介(如冷水)在冷却套中循环，达到冷却主轴部件的目的， 结构简单，是一种有效低轴承温升的手段。
定义：在一定热源作用下，从形状优化和参数
优化出发，寻求合理的温度分布和刚度分布， 控制机床结构的热位移，保证加工精度。
结构热对称设计 热容量平衡设计 其它设计方法
1.2.3 热态特性优化设计
结构热对称设计
日本吉田嘉太郎的“热对称面”理论:把最影响加工精度的零件配置在
热对称面上，就能大大改善热变形所引起的加工精度不良的状况。 典型设计：加工中心立柱垂直导轨上的主轴箱部件采用夹箱式结构， 可避免一般单立柱机床经常出现的主轴热倾斜现象，以提高加工精度 和热稳定性。
3.1 电主轴系统热特性数学模型
3. 2 电主轴热变形有限元分析
机械结构的热变形有限
元分析过程如图所示。
本例采用SOLIDWORKS
软件进行三维实体建模， 导入MSC.MARC大型非 线性有限元软件进行分 析。
3. 2 电主轴热变形有限元分析
1、卡盘 2、法兰套 3、床头箱 4、定子 5、衬套 6,、 后挡块 7、拉杆 8、法兰 9、主轴 10、前挡块 11、 前法兰 12、轴承 13、定子 14、冷却水槽 15、后法 兰 16、支架 17、过度法兰 18、油缸
1.3 机床主轴系统的热特性研究
机床主轴系统是机床的核心部件，机床在加工
过程中，主轴温度的升高不仅影响主轴的位置 精度，造成主轴轴承负载的增加，同时作为机 床热源之一，将直接影响到机床加工的精度。 如何减少轴承发热，提高机床主轴热特性，是 非常重要的问题。
轴承选型 润滑技术 强制冷却技术
2.3 接触热阻的影响因素分析
表面粗糙度的影响
以接触材料的均方根表面粗糙度为变量，通过实验分析，可以 得到如图2-5的关系，图中A, B, C三个试件的表面粗糙度由大 到小为C>B>A，可以看出接触热导随均方根表面粗糙度的增大 而减小，因为表面粗糙度的大小直接影响到相互接触的两固体 表面间的接触状态，表面粗糙度越大，热流收缩越大，从而导 致接触热阻越大，接触热导越小。
3. 2 电主轴热变形有限元分析
对模型进行适当简化，
然后导入Msc.Marc进行 网格划分、分析计算。 为了减少单元数量并提 高计算精度，球轴承的 滚动体和电主轴固定支 座选择四节点四面体 135号单元， 其他零部 件使用8节点六面体43 号单元。
1.1 研究机床热特性的意义
随着机床向高速度、高精度和柔性自动化方向的迅速
发展，对机床的加工精度和可靠性提出了更高的要求， 改善机床的热态特性，已经成为机械制造技术发展中 最重要、最迫切的研究课题之一。
欧共体
专门挑选几个制造实力较强的国家，系统地对机床热变形的规律进
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行研究，并探索减少和消除热误差的方法，分别从机床热结构设计、 热变形误差测量技术、补偿方法等进行综合研究。
机床主轴温度场 及热变形有限元分析
何玉辉 副教授、工学博士
中南大学机电工程学院 高性能复杂制造国家重点实验室 2011.11.13
目录
前言
接触热阻特性分析
高速数控车床电主轴系统的热特性有限元分析
一、前言
1.1 研究机床热特性的意义 1.2 改善机床热变形的对策 1.3 机床主轴系统的热特性研究
减少主轴轴承温升的途径
轴承选型
选择发热量比较小的轴承，如陶瓷球轴承、液压
轴承及磁悬浮轴承等，但是这些轴承价格比较昂 贵。
根据法国雷诺自动化公司提供的资料表明，目前
90%的高速机床主轴装用传统或混合型滚动轴承， 8%安装液压或气压轴承，2%用磁性轴承。
根据Ohura等人的统计表明，机床主轴采用陶瓷球
日本的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
1.2.3 热态特性优化设计
总结：
结构热对称设计和热容量平衡设计方法，一般在
机床设计完成后进行研究，大都应用于精密、超 精密机床。
一般在机床设计阶段，采用有限元分析方法对设
计方案进行虚拟评价，如果结果不理想，则直接 对设计参数进行修改，最终达到设计目标。这样 就可以避免大量的实验和样机试制资金投入，同 时也缩短了开发周期。
热容量平衡设计
根据机床各部件的热容量不同，所以对局部热容量大的部件采取一定
的措施来控制和减少其温升，使它与热容量较小的部位不致产生较大 的温差，尽量达到它们之间的热平衡，从而使机床整体的热变形减少。
其它设计方法
浙江大学根据相变材料的特性，提出将相变材料注入到机床基础件中，
可在一定范围内消除基础件的热变形。 吉林省机电研究设计院利用自准直原理设计新型导轨磨床，这种方法 可基本消除由于环境温度变化引起的基础件的热变形。
1.2.3 热态特性优化设计
有限元仿真对热态特性优化设计的指导作用
通过计算机对机床现实环境的模拟，进行结构优
化设计，也是一种提高加工精度的有效途径。
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。北京机械 工业学院对五轴加工中心进行开发，采用大型通用软件 ANSYS，对机床主要部件进行运动学、动力学和热力 学分析，取得了一定的成效。
美国
在1990年国际生产工程学会的主题报告“热误差研究的国际现状”
中，美国劳伦斯· 利弗莫尔国家实验室主任J.Bryan呼吁，必须大力 加强热误差的研究，因为它己经成为提高加工精度的主要障碍。
中国
2009年，国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项
《高速数控车床及车削中心》课题之“热变形及补偿技术研究”
2.3 接触热阻的影响因素分析
间隙介质的影响
工程应用中，计算接触热阻时往往忽略间隙介质
的影响，因为一般情况下，间隙之间充满的是空 气，而空气的热导率很低，可以忽略不计。
2.4 接触热阻的实验测试方法
三、高速数控车床电主轴系统 的热特性有限元分析
3.1 电主轴系统热特性数学模型 3.2 电主轴热变形有限元分析 3. 3 仿真结果与讨论
明，在精密加工中，热变形引起的误差占总 制造误差的40%~70%。
其他学者也论证了这个问题，如：1973年
德国阿亨工业大学Brauning教授分析认为热 误差一般约占总误差的50%，日本的垣野义 昭也有类似的论断；1985年，莫斯科自动化 工程研究所Push教授通过大量的调查研究 得出，热变形引起的加工误差可占总制造误 差的25%~75%。
接触压力 表面形貌特征（主要是表面粗糙度） 间隙介质
2.3 接触热阻的影响因素分析
接触压力的影响
从曲线中不难发现，在加载初始阶段，接触热阻的值随着载荷 的加大呈线性变化，而且接触热阻值变化量很大，符合弹性变 形理论，当载荷到达一定数值时，热阻开始呈现非线性变化， 即表面材料进入塑性变形阶段，而且变形速率开始变小，当载 荷达到一定值的时候，接触热阻几乎不再产生变化。
2.2 接触热阻的产生机理
任何金属表面，从亚微观的角度来说都是粗糙的，
真正的光滑表面是不存在的，当热流通过相互接触的 表面时，实际用来支撑机械载荷的面积仅是理论接触 面积的一小部分(约为1/1000)，如图2-1，而大部分 是通过实际接触的离散接触点实现的，由于表面接触 不完全而导致热流线收束，在交界面产生明显的温度 降所形成的热阻被称为接触热阻。
2.2 接触热阻的产生机理
假设两固体表面接触，
每个固体除两端面外侧 面绝热，加在端面上的 热流密度为q，稳态时 温度分布如图2-2所示， 那么接触热阻可表示为:
2.2 接触热阻的产生机理
2.3 接触热阻的影响因素分析
影响接触热阻的因素很多，而且很多为非线
性因素，工况及使用条件复杂，热、形貌特征、 压力相互间的交替影响，产生藕合作用，使问 题也变得更为复杂。 对于特定的材料来说影响接触热阻的主要因素 有:
1.2 改善机床热变形的对策
1.2.1 热误差补偿技术 1.2.2 温度控制
1.2.3 热态特性优化设计
1.2.1 热误差补偿技术
通过传感器对机床在线采集数据(如热位移或温度)，进行A/D转
换，再经过建立的热误差模型，对误差进行预测，然后进行补 偿。 关键技术就是建立好的热误差模型和误差补偿策略。
机床热变形原理：在机
床工作过程中热源从各 部位产生的热量，不同 程度的影响加工精度。 在给定的工作条件{n}， 由内、外热源产生的热 量{Q}传给机床各部位， 并产生温升{Φ}，使相应 的零部件引起变形{u}， 机床在加工过程中工件 与刀具之间产生相对位 移{δ}，从而使加工精度 下降。
英国伯明翰大学J.Peclenik教授调查统计表
采用热管技术 热管是一种新型的高效传热元件，其导热率比金属导体 还高几百倍，热管结构简单，散热效果甚佳。
二、接触热阻特性分析
2.1 2.2 2.3 2.4 概述 接触热阻的形成机理 接触热阻的影响因素分析 接触热阻的实验测试方法
2.1 概述
接触热阻是确定互相接触的固体介质之间的温
度分布的一个重要参数，是解决固体组合体热 传导的核心问题，广泛存在于科学研究及工程 实践中。 机械系统中的接触现象极为普遍，如轴承与轴 承座、导轨之间、零部件和基体之间都存在接 触，当热流通过接触面时，会受到接触热阻的 影响，对于机床来说热阻的存在不仅影响了机 床的热流和温度分布，而且也改变了机床热变 形大小，对于高精度机床来说，这种影响是不 容忽视的。