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多参数影响的高速电主轴热态特性研究

张亚斌  
【摘要】:随着科学技术的蓬勃发展,高速加工技术已取得了突破性的进展,而发展和应用高速加工技术的前提是拥有一套性能优良的高速数控机床。电主轴作为数控机床的重要部件,当它在高速运转时,轴承的摩擦发热和内置电机的电磁损耗发热会引起主轴热变形,从而影响主轴系统的动静态性能和加工精度,故对电主轴单元进行详细地热力学分析具有重要意义。本文主要是对电主轴热态特性进行研究,在考虑预紧力、接触热阻、黏温效应等多因素影响下,分析电主轴温度场与位移场分布规律。主要研究内容包括以下几点:(1)提出计算电主轴轴承内部热变形的计算公式。综合考虑离心膨胀量、轴承零件热膨胀量、有效配合过盈量,结合轴承结构,建立轴承内部热变形计算模型,为后续分析轴承变形提供理论基础。(2)建立考虑预紧力和黏温效应的轴承生热理论模型。以传热学理论为基础,考虑预紧力和黏温效应的影响,通过热力学、摩擦学、Harris滚道接触理论计算得到轴承动态生热计算模型,得到轴承生热量。计算结果表明:随着润滑油温度的不断升高,润滑剂粘度逐渐降低,进而导致摩擦力矩的下降,降低轴承生热量。随着预紧力的增加,轴承的生热量不断增加。(3)建立结合面接触热阻模型和三维粗糙表面模型。以热传递理论和分形接触理论为基础,基于改进的W-M函数分形接触模型,考虑弹性、塑性以及弹塑性变形的3种变形形式,建立结合面接触热阻模型和三维粗糙表面模型,并深入分析了分形参数对接触热阻的影响。结果表明:分形维数的增大,使结合面粗糙度幅值减小,增加两接触面接触机会,使无量纲接触面积增大,减小空隙空间厚度,使接触热阻减小。尺度系数的增大,使结合面粗糙度幅值增大,减小两接触面接触机会,使无量纲接触面积减小,增大空隙空间厚度,使接触热阻增大。(4)考虑以上多参数影响,建立高速电主轴有限元分析模型。以接触热导率、对流换热系数以及热源生热率为载荷对其进行加载,研究电主轴温度场和位移场分布变化规律。结果表明:接触热阻的存在不仅使主轴系统整体温度梯度增加,而且使主轴系统变形量增加,尤其在轴承内圈与主轴结合面处、外圈与轴承座结合面处会出现温升跳跃。主轴轴向热变形严重影响着电主轴的加工精度,径向热变形影响较小。


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