CXK630五轴联动车铣复合加工机床高速主轴热态特性分析

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w w w .c a m e o .o r g .c n 2009年6月第37卷第6期

机床与液压

MACH I NE TOOL &HYDRAULI CS

Jun 12009

V ol 137N o 16

收稿日期:2008-11-21

基金项目:广州市科技攻关计划项目(2006Z2)D9101)

作者简介:石彦华(1965)),河南洛阳人,女,大学本科,高级工程师,中国机械工程学会高级会员,研究方向为数控机

床设计与制造,发表论文10篇。电话:136********,E -m ai:l j dz houh @1261com 。

CXK630五轴联动车铣复合加工机床高速主轴热态特性分析

石彦华,周华

(广州番禺职业技术学院,广东广州511400)

摘要:基于热弹性力学与有限单元法,研究了主轴系统的主要热源和热力学参数的确定方法,建立了CXK 630五轴联动车铣复合加工机床高速主轴系统的有限元模型,计算了主轴的发热量,计算分析结果为后续加工中心主轴系统的优化提供了基础。

关键词:主轴系统;有限元分析;热态特性

中图分类号:TG 543 文献标识码:A 文章编号:1001-3881(2009)6-035-3

H igh -s peed Spi n dle Ther m al Character Analyse on CXK 630Five -axis Lat he andM illingM ultiplicate Cutti n g M acine

S H I Y anhua ,Z HOU H ua (Panyu Po l y technic ,Guangzhou Guangdong 511400,China)

Abstrac t :T he defi n iti on m ethod o f t her m a l source and the r modyna m ic param eter o f sp i ndle sy stem w as studied based on t her -m oelasti c ity and fi n ite e l ementm e t hod .F i n ite ele m entm ode l o f spindle syste m of CXK 630fi ve -ax i s lathe and m illing mu lti pli ca te cu-t

ti ng m ac i ne w as establi shed ,and t her m a l v al ue o f spind l e w as ca l culated .A nalysis resu lt prov i des foundati on for opti m izati on of m a -ch i ning center sp i nd l e system i n future .

K eyword s :Spi ndle syste m;F i n ite e l em ent analysis ;T he r m al character

0 引言

在现代制造技术中,机床的高速化已成为一个不可阻挡的发展潮流。随着机床主轴转速的提高,切削进给速度和加速度的加大,机床发热将急剧上升。对于高速机床来说,热变形所引起的加工误差可占总体误差的30%~70%,热误差是影响机床加工精度稳定性的重要因素。在高速机床中,主轴作为其核心部件,大多采用电主轴的结构形式,由于电主轴中电机的发热和轴承的摩擦发热是不可避免的,由此引起的热变形如果处理不当会严重地降低机床的加工精度。因此,主轴系统的热特性分析与设计对保证机床精度稳定性至关重要,是高速、高精度机床必须要考虑和解决的关键技术问题之一。

作者和某机床公司联合开发的CXK 630五轴联动车铣复合加工机床,一次装夹可完成车、铣、钻和雕刻等复合加工,实现X 、Y 、Z 、C 、B 5轴联动控制。车削加工主轴采用电主轴结构,额定功率为16k W,额定扭矩为64N #m,最高转速为21000r /m i n 。为保证开发出来的机床主轴系统具有良好的热力特性,在机床设计阶段,利用热-力结构耦合变形的有限元法对主轴系统从开始起动到稳定工作过程的温度场和热变形量进行数值计算,并对结果进行了分析。

1 高速电主轴的结构

图1 高速主轴结构示意图

高速电主轴的结构如图1所示。主轴由前后两组

角接触球轴承支承。由于电动机的转速较高,主轴运转部分微小的不平衡量,都会引起巨大的离心力,造成机床的振动,导致加工精度和表面质量的下降。因此,键连接和螺纹连接在电主轴上被禁止使用。电动机转子与机床主轴之间通过过盈配合来实现转矩的传递。电动机的转子用压配合的方法安装在机床主轴上,由压配合产生的摩擦力来实现大转矩的传递。为了使主轴运转部分达到精确的动平衡,在主轴上取消了一切形式的键连接和螺纹连接。由于转子内孔与主轴配合面之间有很大的过盈量,因此,在装配时必须

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w w w .c a m e o .o r g .c n 在油浴中将转子加热到200e 左右,进行热压装配。电动机的定子通过一个冷却套固装在电主轴的壳体中。这样,电动机的转子就是机床的主轴。

2 高速主轴的热源及发热量计算

211高速电主轴的热源

机床主轴在工作时处于内、外热源的作用下,而且这些热源一般来说都是非恒定的。由于加工条件不同,变化的程度也不同;主轴各零部件的材料、形状和结构各不相同,各自热惯性也不相同;再加上联结件之间结合面的热阻、主轴表面不尽相同的传热状况等因素,使主轴形成了一个复杂多变的温度场。在这样的温度场作用下,主轴构件材料产生了热应力和热位移,且随着材料物理特性、零部件形状以及支承联接状态的不同而不同。

高速电主轴的热变形主要是由电机发热与主轴轴承的发热引起。机床在加工过程中,电机输出功率是它在空转时消耗的功率与切削时消耗的功率的总和。在高速加工中,机床的空转功耗所转化的热成为高速加工机床的主要热源。主轴轴承在高速运转中,存在着复杂的摩擦现象,加剧了发热强度,直接影响电主轴系统的热变形。同时由于电机发热传递给轴承,使轴承的温升更高,这就加速了轴承的磨损而使精度丧失,严重时甚至发生金属粘结烧伤现象,使轴承失效。

212 高速电主轴的发热量计算21211 电机定子和转子的发热计算

电机定子和转子的发热来源于电机的损耗。电机损耗一般分为机械损耗、电损耗、磁损耗和附加损耗四类。前三类损耗通常称为主要损耗,附加损耗在总的损耗中所占的比例很小。

在高速电机中,机械损耗主要是转子零部件高速旋转与空气间的摩擦损耗,产生于定子、转子之间的气隙以及其它相对旋转的部件。电损耗主要是定子和转子绕组的损耗,是电机发热的主要来源。磁损耗是定子和转子铁芯内因磁滞和涡流所造成的损耗与主要磁通对铁芯的周期性反复磁化有关。2121111 电机铜耗的计算

电机线圈消耗电流所产生的热量是电机温升的主要原因,这种能量消耗称为铜损。根据焦耳-楞次定律,此损耗等于绕组电流的二次方与电阻的乘积。由于电机是由多个绕组组成,则应分别计算各绕组铜耗相加而得。

P C M =E (I 2

x R x )(1)式中:I x 为绕组x 中的电流;

R x 为基准工作温度绕组x 的电阻。

对m 相绕组,如果电流一样,电阻相同,则铜耗为

P C M =m I 2

R

(2)

2121112 电机铁损的计算

磁滞损耗与涡流损耗通常合在一起称为铁芯损耗或简称铁耗。由于电机铁芯常采用较薄的硅钢片,所以在总铁耗中涡流损耗所占比重较小,主要是磁滞损耗,约占总铁耗的60%~70%。单位质量的铁耗通常用下式计算:

P F M =P 1/50(f /50)B

B 2

m (3)式中:P 1/50为铁耗系数,代表B m =1T 和f =50H z 时每千克硅钢片中的损耗,系数B 随硅钢片的含硅量增高而减小,其数值范围为112~116,B m 单位为T ,P F M 单位为W /kg 。

21212 轴承的摩擦发热计算2121211 摩擦力矩

引起轴承发热的主要原因有滚子与滚道的滚动摩擦、高速下所受陀螺力矩产生的滑动摩擦、润滑油的粘性摩擦等。把滚动轴承作为机械元件考虑时,摩擦力矩M 为负荷项M 1和速度项M 0之和。即

M =M 1+M 0(4)式中:M 0为和润滑剂用量、粘度及轴承转速有关的摩擦力矩分量(N #mm );

M 1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(N #mm )。在滚动轴承的摩擦力矩总量M 中,当轴承处在高速轻载运转时,M 0分量将占主要部分;而在低速重载下运转时,M 1分量占主要部分。

根据Pal m gren 提出的经验算法公式,在运动粘度M (m 2/s)与转速n (r/m i n)的乘积M n \2000@10-6

m 2#s -1#r #m in -1时:

M 0=10-7

f 0(M n )

2/3d 3

m (5)在M n <2000@10-6m 2

#s -1

#r #m i n -1

时:

M 0=160@10-7f 0d 3

m

(6)

式中:d m 为轴承中径(mm );

f 0为与轴承类型和润滑方式有关的经验常数;n 为轴承转速(r/m i n);

M 为在工作温度下润滑剂的运动粘度(m 2

/s)。M 1=f 1P 1d m (7)式中:f 1为与轴承类型和所受负荷有关的系数。f 1=01001(P 0/C 0R )

0133

(8)

式中:P 0为轴承的当量静载荷。

对于角接触球轴承,其当量静载荷按公式(9)、(10)计算,并取其中较大值。

P 0=X 0F r +Y 0F a (9)P 0=F r

(10)

式中:X 0为径向载荷系数;

F r 为径向载荷;

Y 0为轴向载荷系数;

#

36#机床与液压第37卷

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w w w .c a m e o .o r g .c n F a 为轴向载荷;

C 0R 为轴承的额定静载荷;

P 1为确定轴承摩擦力矩的计算负荷。2121212 轴承发热量的计算轴承发热量Q 为

Q =11047@10-4

n M (11)

式中:Q 为摩擦热(W );

n 为轴承转速(r /m i n);

M 为轴承摩擦力矩(N #mm )。

3 高速电主轴的热-结构耦合分析

311 热变形下的热力耦合变形的有限元方程

对电主轴而言,由于结构、载荷的几何对称性,主轴温度场按平面问题处理,其本构方程为

Q c 9t 9S =99x K 9t 9x +99y K 9t 9y

+

对导热物体几何形状不规则、边界条件复杂或呈非线性、有非均匀性内热源或物性参数是温度函数时,数值解法几乎是温度场求解的唯一途径。采用有限元法对本构方程进行离散可得到如下方程:

[C ]{T c }+[K ]{T }={Q }(13)式中:[K ]为传导矩阵,包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数;

[C ]为比热矩阵,考虑系统内能的增加;{T }

为节点温度向量;

{T c }为温度对时间的导数;

{Q }为节点热流率向量,包含热生成。

312 主轴热特性分析

由于几何特性、热载荷和边界条件及结构的对称性,电主轴整体上可视为轴对称结构,对机床主轴进行建模,利用AN SYS 软件进行网格划分得到其有限元模型如图2所示。

图2 高速主轴有限元模型

高速电主轴的热分析求解的初始条件为环境温度为T e =230e ;最高转速21000r/m i n ;冷却水流量为

Q =4179@10-5m 3

/s ,入口温度为T in =23e 。主轴在

运行2200s 后达到热平衡。电主轴达到热平衡后,前、后轴承处温度较高,分别可达82e 和54e ,轴承本身发热量较大,同时受转子较大的发热量的影响。转子中心处温度也较高,这是因为转子的发热在铁芯处累积,且散热条件不好,热量不能迅速有效地导出。因而温升较高。

前轴承外周温度随时问的变化曲线如图3所示。由图可见,主轴达到热平衡时,前轴承外周的温度为3212e ,温升为912e 。低于温升技术指标20e ,这是由于前轴承有单独的水冷结构所致。

313 高速主轴的热位移分析

电主轴前、后端轴向位移随时问的变化曲线如图4所示,分析表明,电主轴前、后端轴向位移在开始瞬间变化很快,在大约800s 后变化非常缓慢,并最终在大约2200s (即达到热平衡时)达到稳定,其值分别约-5418L m 和8319L m 。轴向位移为负,表明轴向位移向左。

4 改善电主轴热态特性的主要措施

改善主轴系统热特性可以视具体情况从多方面着手:如减少主轴的发热量、改善主轴散热条件、进行热对称结构设计、进行热对称结构设计等。

(1)减少主轴的发热量

如用非接触式迷宫密封+气封代替接触式密封减少系统内部热源数量,采用陶瓷球混合球轴承代替钢珠轴承、对轴承进行合理预紧及根据工况控制预紧力、以油-气润滑代替脂润滑、在采用脂润滑时正确控制脂的填充量、以同步电机代替异步电机降低电机等措施对那些无法移去的热源降低其发热强度。

(2)改善主轴散热条件

通过对定子采用强制水冷,在定子外周加工出螺旋冷却水槽,在高转速时对前后轴承设计专用的冷却回路,对轴承采用油-气润滑,采用迷宫+气封的密封方式等措施以改善主轴的散热条件。

(3)进行热对称结构设计

影响主轴单元工作精度的关键因素之一是组件温度场的分布形状与温度梯度,对主轴轴线呈对称分布的温度场使主轴产生偏斜的可能性较小,因此在主轴单元设计中应严格遵循对称性设计原则,这里的对称

(下转第41页)

#37#第6期石彦华等:CXK630五轴联动车铣复合加工机床高速主轴热态特性分析

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w w w .c a m e o .o r g .c n X 6=47617

239218

=011647=19192%

X 7=

20911

239218=010874=8174%

X 8=20011239218=010836=8136%

X 9=

11818

239218=010496=4196%

X 10=6619

239218=01028=218%

X 11=

21019

239218=010881=8181%

X 12=152********=010637=6137%

X 13=

7114

239218

=010298=2198%

按照上述方法,可将各评价指标的重要度计算出来。同时可进一步将重要度进行排序,得到应重点进行质量突破的评价指标的排序,重要度越高,评价指标越重要。根据以上计算,可靠性的重要度越高,该评价指标越重要,从而为产品再制造各个工艺环节改进提供数据参考,保证再产品质量的提高。

3 结论

提高产品再制造的质量,并加强顾客对该产品的满意度是再制造研究中的一个重要问题。面向产品再制造质量,作者基于QFD 方法将产品再制造质量评价指标性与顾客满意度相结合,通过分析顾客需求及重要度、各评价指标的自相关关系及顾客需求与评价指标的关系,构建了产品再制造质量评价质量屋,在此基础上,计算出了产品再制造质量评价指标的重要度。依据该重要度,可进一步得到应重点进行质量突破的评价指标的排序,在满足顾客需求的基础上,为再制造产品质量的提高提供数据参考。参考文献

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(上接第37页)

性不只是结构对称,还包括热源强度的对称、冷却结构的对称性。

(4)对热位移进行热补偿

采用热补偿手段来提高主轴热特性,对主轴单元进行热位移检测并进行补偿。

5 结语

高速机床的主轴系统的热力学性能对机床性能有较大的影响,通过对高速电主轴的两大热源)))轴承和电机的发热情况进行了分析,并提出了减小电主轴发热量的措施,为电主轴的进一步热设计奠定了基础。参考文献

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