超精密磨床主轴部件热特性的有限元分析油压钻【新闻】

超精密磨床主轴部件热特性的有限元分析

超精密磨床主轴部件热特性的有限元分析 2012年10月26日

超精密磨床主轴部件热特性的有限元分析

超精密磨削是近年来发展起来的最高加工精度、最低表面粗糙度的砂轮磨削方法，超精密磨削的加工精度能达到或高于0．1 ，表面粗糙度低于R。O．025。在超精密磨削过程中，机床的热变形、力误差及运动误差等已经成为影响系统加工精度稳定件的关键因素。大量研究表明，热误差是数控机床的最大误差源，占机床总误差的70％左右，因此减小热误差对提高机床的加工精度至关重要。

减小热误差，首先要对机床热误差进行准确的分析。关于机床热误差的分析，国内外的学者已经进行一些探索性的工作。如天津大学提出了基于主轴转速的机床热误差状态方程模型，西安交通大学研制了机床热特性研究的智能集成系统，德国柏林工业大学借助有限元计算机床部件及整机的温度场及变形场，密歇根大学的S．Yan9等运用小脑模型连接控制器(CMAC)神经网络建立了机床热误差模型等。

对于高精度及超高精度机床来说，主轴系统的热变形误差是引起机床热变形误差的主要原因。因此，主轴系统的热特性分析对机床精度的保证至关重要，是高精度机床必须要考虑的关键技术。现今，利用有限无法对主轴系统的热特性进行模拟仿真是节约成本，提高效率的主要手段之一。

本文以超精密磨床MGK7160磨头主轴为研究对象，利用ANSYS有限元软件，建立主轴的有限元模型，分析主轴的热源、初始条件及边界条件等，对主轴进行瞬态及稳态热分析，计算出主轴部件的温度场，并以主轴部件稳态温度场为依据，进行梢合分析，求得主轴部件的热变形。其结果对实际主轴部件的设计、加工和热误差补偿有一定的指导作用。

1 主轴系统温度场有限元建模与计算

1．1建立有限元模型

建立有限元模型对于有限元的计算是非常重要的工作。ANSYS程序提供了3种创建模型的方法：(1)直接建模；(2)实体建模；(3)输入外部模型。其中，实体建模方法具有适合于复杂模型，尤其适合于三维实体建模；需要人工处理的数据量小，效率高；允许对节点和单元实施不同的几何操作；支持布尔运算；支持ANSYS优化设计功能；可以进行白适应网格划分；可以进行局部网格细化等优点，因此本文选择ANSYS实体建模。

在建立实体模型时，要在尽量保持部件的原始结构的基础上，对部件进行适当的简化。部件表面上有些细小特征对零件的动态特性影响fRd,，所以在建立有限元模型是要忽略这些细小特征。本文中所讨论的磨头主轴模型是一旋转对称模型，为了减小计算量，在计算时选用了1／2的实体模型。然后选用ThermalSolid Brick 8node 70单元进行网格划分。

1．2主轴部件的受热分析

在进行主轴系统的热分析过程中，按照如下顺序进行加载： (1)主轴以2500 r／min转速率转； (2)磨床的X、Y、Z三轴丝杠以100 mm／min的进给速率往返运动； (3)磨床持续工作3 h最终达到热稳定状态。

主轴系统的主要热源是主轴前后端的滚动轴承。主轴旋转时，前后轴承因摩擦产生热量，另外主轴上的齿轮在啮合过程中也会产生一小部分的热量。因此，可将前后端的滚动轴承分别简化为两个发热体，发热量可由发热公式求得。

主轴上的其他部件不是热源，只是在升温过程中吸收部分热量，并且增大了和周围空气的热传递面积，轴承油腔内的润滑油也可吸收一部分的热量。

因此，依据热分析的相关资料，考虑以上情况定义出主轴材料的导热系数、轴承与外部空气之间的传热系数及轴承与润滑系统之间的对流换热系数等边界条件。MGK7160高精度平面磨床置于恒温洁净隔振车间，冷却系统温度控制在20土0．1℃，动静压主轴油温控制精度同样为20土0．1℃。因此环境温度取20℃。

综上所述，建立的主轴有限元模型考虑了所有的重要影响因素，此模型符合实际情况并接近真实。

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