高速电主轴热力耦合建模与优化设计方法研究

【摘要】：电主轴作为数控机床的核心部件,其性能好坏直接影响机床的加工质量。数控机床在加工过程中,主轴的生热不可避免,由此带来的热变形是造成加工质量下降的重要原因。本文以型号为150MD2412.5的磨削电主轴为研究对象,建立考虑轴承动态参数在内的轴承拟静力学模型,分析轴承内部的生热机理,通过有限元仿真分析结合实验验证的手段对其内部的温度场以及变形场进行分析,依据仿真结果优化机械轴结构。具体研究内容如下:(1)对单个角接触球轴承进行受力分析,建立了其对应的非线性方程组,基于牛顿-拉夫逊算法对该方程组进行求解,获得了与轴承生热量计算相对应的动态参数,基于外套圈控制理论,求解得到滚珠的自旋摩擦力矩,分析了轴承预紧力与转速变化对轴承生热的影响规律。分析了轴承生热引起的轴承内部零件变形对轴承接触角、接触载荷以及接触刚度的影响规律。为单个角接触球轴承温度场的研究以及高速电主轴的热特性仿真分析奠定了基础。(2)根据第一部分研究内容求解得到的轴承生热结果,基于有限元法建立轴承温度场的热传导微分方程,通过考虑指定温度、指定生热、指定对流换热三种边界条件以及建立的热传导微分方程,推导得到轴承热分析的有限元控制方程,通过ANSYS仿真软件将计算得到的热流密度以及对流换热系数边界条件加载到单个轴承上分析其温度场的变化,基于传热学理论,计算得到电机、轴承的生热载荷和各零部件之间的对流换热并加载到相应部位,对高速电主轴进行热特性仿真分析。对于机械主轴,仅研究了轴承生热对于主轴温度场以及变形场的影响。(3)以机械主轴轴承的预紧力以及转速为设计变量,轴承的刚度、轴系的刚度、以及轴系的固有频率为状态变量,以轴端的热位移最小为优化目标,通过ANSYS与MATLAB联合优化的手段对该轴系进行优化设计,并将优化前后的结果以有限元仿真的形式加以验证。(4)根据上述高速电主轴的热特性仿真分析,搭建温升实验平台,利用仿真与实验验证的手段以确定电主轴热特性仿真结果的准确性。根据上面通过改变预紧力得到机械主轴的温度场以及变形场的仿真结果,搭建机械主轴变预紧力实验平台,以验证通过改变预紧力所得到的机械主轴的温度场以及变形场的仿真结果的准确性。