加工中心主轴系统的热变形分析与有限元计算

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基于ANSYSWorkbench的数控车床主轴系统热_结构耦合分析

［ K］ = ｛ P｝ =
e
式（ 6 ）中 Μ1 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， Μ1 的计算公式如下：
Μ 1 = f1 p1 d m （ 7）
∑［K］ ∑ ｛ P｝ + ∑ ｛ P｝
e
e
（ 2）
e T
（ 3）
e
Μ2 为与速度有关的选项，它反映润滑剂的流体动力消 Μ2 的计算公式如下：耗，（ 1 ）当 vn ＞ 3. 33 × 10 －5 m2 ·r / s2 时：
e e 点位移｛｝ T 及温升｛ ΔT｝，计算获得总应变｛ ε｝及热变最终热应力表达式为：形｛ ε｝ T ，
d3 m
（ 8）
（ 2 ）当 vn ＜ 3. 33 × 10 －5 m2 ·r / s2 时：
M2 = 160 × 10 6 f0 d3 m （ 9）
｛ σ｝ = ［ D］（｛ ε｝－｛ ε｝ T ）
尺寸； v 为运动粘度； ΔT 为流体与壁面温差。
2011 年 7 月 3． 3
何
俊，等：基于 ANSYS Workbench 的数控车床主轴系统热结构耦合分析
· 21·
材料属性设置在 ANSYS Workbench12 中重新添加床头箱，轴承
由上图可知，主轴最高温度发生在主轴前端轴承安装处达 52. 09℃ ，后端轴承安装处温度达 48. 15℃ ，箱前后轴承温升不一致，体温度较低且温度分布不均匀，最大温升为 32℃ （空气温度假设为 20℃ 情况下），从温
· 20·
组合机床与自动化加工技术
第7 期
其热变形，同时计算主轴不同转速条件下对主轴系统产生的温升及热变形的影响，最后得出相关结论。

数控车床主轴系统热特性有限元分析及验证

机械设计与制造
１８６ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第５期
２０１３年５月
数控车床主轴系统热特性有限元分析及验证
刘启伟
（沈阳机床（集团）设计研究院，辽宁沈阳１１０１４２）
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＦｉｅｌｄ；ＴｈｅｒｍａｌＤｒｉｆｔ；ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ；Ｓｔｅａｄｙ－ＴｈｅｒｍａｌＡｎａｌｙｓｉｓ；ＣｏｕｐｌｉｎｇＡｎａｌｙｓｉｓ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｅｅ ∞ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｆｏｒｔｈｅｓｐｉｎｄｌｅｆａｏＣＮＣｌｔａｈｅ．Ａｔｅｆｒｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｔｈｅｉｆｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｆｏｔｈｅｓｐｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍ．ｔｈｅｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｒｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｆｅｌｄ“ ｔ哪ｓｉｅｕｒｌａｔｅｄ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｒｍａｌ — ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｕｐｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｉｔｓｉｍｕｌｔａｅｄｔｈｅｄｅｆｏｒｍｔｉａｏｎｆｏｓｐｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｉｄｅｎｔｉｉｆｅｄｔｈｅｔｒｅｎｄｏｆｓｐｉｎｄｌｅａ￣ｓｅｍｂｌｙ＜ｍｄｓｐｉｎｄｌｅｂｏｘ．Ｆｏｒｖｅｒｆｎｉｇｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｔｅｓｔ（Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｅｆｌｄａｎｄｔｈｅｒｍａｌｄｒｆｉｔｔｅｓｔｓ）ｅｘｅｃｕｔｅｄ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓａｆｏｕｎｄｔｉａｏｎｆｏｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｆｓｏｐｉｎｄｌｅａｓｓｅｍｂ１）ａｎｄｔｈｅｒｍａｌｅｒｒｏｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．

有限元分析在数控铣床热变形方面的研究

有限元分析在数控铣床热变形方面的研究Research of FEM in the analysis of thermal deformation on CNC machines摘要：在多种热源的作用下，数控铣床产生热变形，影响工件与刀具间的相对位移，造成加工误差，从而影响零件的加工精度，因此减小热误差对提高机床的加工精度至关重要。

控制机床热误差涉及到如何查找敏感点，然而找出机床敏感点是个非常棘手的问题。

本文在对数控铣床热边界条件进行分析的基础上，应用有限元分析软件ANSYS，对ZK7640数控铣床进行整机热特性分析，为机床敏感点的查找提供依据，对数控机床热误差进行了定量计算，并通过实验检测验证其正确性。

关键词：温度敏感点；热误差；有限元分析Abstract: Many kinds of the heat sources in a CNC milling machine produce thermal deformation. This deformation affects the relative displacement between the work-piece and the cutter, causes the manufacturing errors, and influences the machining accuracy of the part. Therefore, it is very important to reduce thermal deformation to improve the machining accuracy. Controlling the thermal error will be relative to the theory of temperature sensitive point, however, it is difficult to find the points by experiments. In this paper, thermal characteristics of ZK7640 CNC milling machine are simulated by analyzing the thermal boundary conditions and using the finite element (FEM) software ANSYS. Moreover, many experiments are done to test the analysis' validity.Key words: temperature sensitive point; thermal characteristics; FEM引言国内对数控机床热变形也进行了比较深入的研究，并获得了很多成果，特别是提出了热敏感点理论：机床表面有些点的温度变化将引起机床热误差的明显改变，只要这些点的温度不变，机床热误差也基本不变，这些点就是影响机床热误差的关键点，也就是机床热误差补偿中的温度测点及控制点。

加工中心主轴部件的有限元分析及其验证

中图分类号：ＴＧ５０２．１４文献标识码：Ａ文章编号：１６７２— ４３４８（２０１３）０３— ０２８８— ０３
Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ）ｏｆｓｐｉｎｄｌｅａｓｓｅｍｂｌｙｏｆＣＮＣｌａｔｈｅａｎｄｉｔｓｖｅｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ
ＹｕＬｕｏｊｉａｎ，ＬｉＪｉｚｅ，ＰｅｎｇＪｉｎｍｉｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｌａａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＦｕｊｉａｎＵｎｉｖｅｓｉｒｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｙ，ｇＦｕｚｈｏｕ３５０１１８，Ｃｈｉｎａ）
ｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓａｎｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ＴｈｅＦＥＡｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｈｅａｄ．ｓｔｏｃｋｗａｓｖｅｉｆｒｉｅｄｂｙＬＭＳｅｑｕｉｐｍｅｎｔｍａｄｅｉｎＢｅｌｇｉｕｍ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｒｅｌａ —

HDBS-63高速立式加工中心主轴系统热分析

其结构主要包括主轴心轴、冷套筒、承以及其他油轴
一
种高速、密加工机床中，精热变形导致的机床误差问题
日益突出。大量研究表明，误差是机床的最大误差热源，占机床总误差的４％～０，以对机床热变形０７％所误差的控制将是提高机床加工精度的关键技术。
主轴系统作为机床的重要组成部件之一，热其变形误差是引起机床热变形误差的重要因素。主轴
些隔套类附件，图１所示。主轴系统的散热方如
式主要通过冷却系统的强制油冷以对流换热的形
形状态的变化规律，主轴系统设计提供了良好的参考依据。为
关键词：轴系统；限元法；分析；主有热温度场；变形热
中图分类号：Ｈ１；Ｇ５Ｔ６Ｔ６文献标识码：Ａ
ＡｎｙｚｎｇｆｒＳｎｅＳｙｔｍｆＨｉｈ－ｐｅｄＭａｈｎｅＴｏｓＣｅｅａｌｉｏｐｉｄｌｓｅｏｇｓｅｃｉｏｌｎｔｒ
Ｐ， —— 确定轴承摩擦力矩的计算载荷，Ｎ。
本文主要考虑的换热形式为强迫对流换热，流
体的不同流态具有不同的换热规律和传热效果，用于计算换热系数的经验式也不相同。为此必须先计算出雷诺数Ｒｅ用以判别流态，后选用经验公然式。Ｒ数是一个无量纲的量，用作层流和紊流的ｅ被

精密卧式加工中心主轴系统热特性分析

，
ａｕｅｏｈｏｌｎｎｔｅｍａｈｒｃｅｉｔｃｆｔｅｓｉｄｅｓｓｅｗａｔｉｄｔｒｆｔｅｃｏａｔｏｈｒ１ｃａａｔｒｓｉｓｏｈｐｎｌｙｔｍｓｓｕｄｅ
．
Ｔｈｅｕｔｓｏｓｔｔｅｒｓｌｈｗｈａ
Ｍ，Ｐｄ＝（）３
式中： —— 与轴承类型和所受载荷相关的系数；Ｐ —— 确定轴承摩擦力矩的计算载荷，，Ｎ；
主轴系统的温升和主轴端面跳动有重要影响，而轴承跨距的改变影响不大。关键词：轴系统；主热特性；限元法；有卧式加工中心
中图分类号：Ｈ１；Ｇ０．５Ｔ６Ｔ５２１文献标识码：Ａ
ＴｈｅｍａｌＣｈｒｃｅｉｔｃｎｌｉｆｔｅＳｎｅＳｙｔｍｆＰｒｃｓｏｏｉｏｔｌＭａｈｉｎｅｅｒａａｔｒｓｉｓＡａｙｓｓｏｈｐｉｄｌｓｅｏｅｉｉｎＨｒｚｎａｃｎｉｇＣｎｔｒ
第９期
２１０１年９月
组合机床与自动化加１＝技术
ＭｏｄａａｈｎｅＴｏｌ＆ＡｕｏａｉａｕｆｃｕｒｎｃｉｅｕｌｒＭｃｉｏｔｍｔｃＭｎａｔｉｇＴｅｈｎｑｕ
ＮＯ．９Ｓｐ．２０１ｅ１
，
ｃｏｒ。ｎ
・
２・
组合机床与自动化加工技术
第９期
主轴系统内部的热源有电机发热、轨摩擦发导热、轮传动发热、承发热等］齿轴。本文中主轴与

CK2120×6六主轴数控车床主轴鼓热变形有限元分析

ｉｒｄｃｓｄｎｓｍａｚ，ｉｐｏｄｓｆｒｃｏｔｅａｅｏｃｍｅｓｉｏｔａｉ．ｅｉｕｅａｕｍｉｄｈｈｒｉｅｎｆｒｅｈｒｌｒｒｏｐｎｏｆｈｍｃｎａｓｓｄｒｅｗｃｖｅｒｅｅｈｔｍｒｅｔａｎｅｈｅ
（ＩｎｖｔｅＣＣＥｕｐｅｔｏ，ｔ，ｈｎａｇ１００，ｈｎ）ｎｏａｉＮｑｉｍｎ．ｄＳｅｙｎ１００ＣｉａｖＣＬ
， … … … … … … … … ’’ … … … … … 、
【摘
要】介绍了温度场和热弹性力学的有限元理论，利用大型有限元分析软件ＡＳＳＮＹ对主轴鼓进行
ＬＵＸａｇＸＬｕｂｏ，ＩｕｔｎＷＡＧＳｉｊＩｉｎ — Ｕ，Ｉ — ａＬＵＹ —ａｇ，Ｎｈ－ｉＦｅ
（ＳｅｙｎｎｖｒｉｆｅｈｏｏｙＳｈｏｆｃａｉａｇｎｅｉｇＳｅｙｎ１１８ＣｉａｈｎａｇＵｉｅｓｔｏｃｎｌｇｃｏｌｈｎｃｌｙＴｏＭｅＥｎｉｅｒ，ｈｎａｇ１０７，ｈｎ）ｎ
＾＿
ｄ帆ｓｈｌｍｅｔｅｅｄｈｒａｄｏａｏｏｔｉｌｄｍａｔｎｄｈｃｃｌｉＭｉｉａｔｐｒｕｆｌａｅｌｅｒｔｎｆｈｓｎｅｒｅｂｉＴｅａｕｏｉｍ０ａｒｄｎｔｍｆｍｉｅｐｄｕｒ０ａｅａｎｅｉｌｔ
第１０期
２１００年１０月
文章编号：０１７２１１— １１０

某型号卧式加工中心主轴温升及热变形的测试与分析

34机械装备Mechanized Equipment2017年3月下某型号卧式加工中心主轴温升及热变形的测试与分析丛杉，王彩年（沈阳机床股份有限公司，辽宁沈阳 110142）摘要：文章针对某型号卧式加工中心开展温升及热变形的测试与分析，通过综合的测试分析获得主轴箱热平衡温度、热平衡时间以及主轴在XYZ 三方向的热漂移最大值，所获得的测试结论可以为提升该卧式加工中心的加工精度提供数据支撑及优化建议。

关键词：卧式加工中心；主轴箱温升测试；热漂移测试中图分类号：TH122 文献标志码：A 文章编号：1672-3872（2017）06-0034-011 主轴温升热场测试在该卧式加工中心的测试过程中，主轴运转期间，运用热成像仪对主轴定期拍照，记录每一时刻的主轴温升热场。

试验条件：机床在冷态下开始试验，满足试验前12h 之内没有工作，试验时不准中途停车。

试验方法：温升试验采用FLIR 热成像仪测定机床主轴轴承及其它主要热源的稳定温度及温度变化规律。

温升测量结果：机床主轴在中速下连续运行4h，主轴箱有代表性位置温升测量结果如表1所示。

——————————————作者简介：丛杉（1985-），男，辽宁沈阳人，机械助理工程师，计算机助理工程师，研究方向：数控机床性能测试及生产管理。

表1 主轴轴承在中速下不同时间内的温升测量结果由表1可知机床主轴以3000r/min 连续运转到200min 左右时，温度趋于稳定，温度最高点出现在后轴承处，最高温度值为17.8℃。

2 主轴热漂移测试在主轴热漂移测试过程中，采取由3个激光测量仪分别对主轴上安置的检棒测量，检测检棒上的点在不同时间上因为主轴温升造成的位移变化。

试验条件：机床在冷态下开始试验，满足试验前12h 之内没有工作，试验时不准中途停车。

机床中速连续运行200min 左右达到稳定温升。

经过测试得出，在整个过程中，主轴在X 方向的最大线位移0.011mm，最大角位移为0.0044mm/150mm；在Y 方向的最大线位移0.006mm，最大角位移为0.0018mm/150mm；主轴最大伸长0.043mm。

数控立式加工中心主轴热变形实验测试与分析

数控立式加工中心主轴热变形实验测试与分析白路;罗忠辉;阮毅;余宁;谢泽兵;吴俊兰【摘要】在精密切削加工技术领域,机床发热变形是影响加工精度的主要因素.设计Labview数据采集软件以及Matlab数据分析软件;对某数控立式加工中心主轴热变形进行测试实验;分析影响主轴热变形的主要因素,即主轴转速、主轴温度对机床主轴热变形的影响;应用人工神经网络技术对热变形进行非线性建模;为精密机床热误差补偿提供技术支撑.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2018(047)011【总页数】3页(P9-11)【关键词】机床主轴;热变形;数据分析;建模【作者】白路;罗忠辉;阮毅;余宁;谢泽兵;吴俊兰【作者单位】广东技术师范学院机电学院,广东广州 510665;广东技术师范学院机电学院,广东广州 510665;广东省机械研究所,广东广州 510635;广东省机械研究所,广东广州 510635;广东省机械研究所,广东广州 510635;广东技术师范学院机电学院,广东广州 510665【正文语种】中文【中图分类】TH-390 引言精密加工中心在精密制造中起着至关重要的决定性作用。

据研究表明，在数控机床加工系统的各类误差中，平均占比最大的是几何误差和热误差。

通常情况下，该两项误差可占机床加工系统总误差的45%～65%，而且越是精密的机床，该两项误差所占比例就越大。

所以，在加工过程中有效减小机床几何误差和热误差的影响是提高机床整体加工精度的重中之重。

要提高机床加工精度，减少热误差，目前主要是采用主动减小误差法和误差补偿法两种途径来实现。

主动误差减小法是通过设计和制造环节消除或减小热误差源，提高机床的加工精度，或者控制温度来满足精度要求。

主动误差减小法存在成本大幅度上升的局限性，以及无法修正在加工过程中产生的一些干扰因素而引起的误差等问题。

误差补偿法是应用传感器及控制技术，在机床现有加工精度下，通过对加工过程误差的测量与建模手段，在线获得误差补偿值，将该误差值反馈到数控系统中，通过修正实际坐标驱动量来实现误差修正，可以使被加工的工件获得有可能比机床母机更高的精度，经济效益非常显著。

机床主轴有限元分析报告

机床主轴有限元分析基于ansys的机床主轴有限元分析摘要：随着高速数控机床的不断发展，对数控机床主轴的性能要求也开始逐渐提高。

机床主轴的动静态性能直接影响加工系统的精度和稳定性，因此，在设计阶段必须对其机床主轴进行相矢的性能校核。

利用有限元分析软件ANSY对s某机床主轴进行相应的分析，对其性能进行研究。

矢键词：ANSY，S主轴，有限元分析。

研究内容52问题描述：机床主轴材料为45号钢，弹性模量为2.06 x10 5 N.mm2，泊松比为0.3,儿何参数如下图。

图1主轴不意图主轴静态特性的基本概念主轴的静态特性反映了主轴抵抗静态外载荷的能力，静力学分析实际上是为了得到机床主轴在一定静态载荷作用下所产生的变形量。

在实际生产条件下，机床的主要失效形式大部分是由于机床的刚度不足而引起。

所以主轴静刚度的计算就显得尤为重要。

所谓的主轴静刚度实际上就是主轴的刚度，是机床主轴一个非常重要的性能指标，它直接反映出主轴负担载荷与抵抗振动的能力。

如果主轴的静刚度不足，主轴在切削力的作用下，会产生较大的变形量，并可能引起振动。

这样不仅会降低机床的加工精度、增大加工工件表面的粗糖度；也会对轴承造成较大磨损，破坏主轴系统的稳定性。

因此，主轴的静刚度是衡量机床性能的重要指标。

主轴的弯曲刚度的定义可以理解为：使主轴前端产生单位径向变形时，变形方向上所需施加的力F,即：主轴的静刚度，分为轴向静刚度与径向静刚度，上面提到的弯曲刚度实际上就是径向静刚度。

通常情况下，轴向刚度没有弯曲刚度重要。

弯曲刚度是衡量主轴刚度的重要指标，通常用来代指主轴的刚度。

1・主轴有限元模型的建立及边界条件的处理为了真实、准确、有效地对主轴进行特性分析，需要对机床主轴进行相应的简化。

对主轴的简化应该遵循以下原则：(1) 忽略对分析结果影响不大的细小特征，如倒角、倒圆等；(2) 对模型中的锥度和曲率曲面进行直线化和平面化的处理；(3) 忽略对主轴静态特性影响不大的零部件结构。

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ｄｅｆ０舢ｔｉｏｎ；ＦＥＭＫｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍａｃｈｉｎｉｎｇｃｅｎｔｅｒ；ｓｐｉｎｍｅｓｙｓｔｅｍ；Ｔｈｅ瑚ａｌ
０引言热误差是由于机床温度升高导致机床部件变形或
膨胀而引起的工件和刀具之间的相对位移。机床不同部件之间的相对运动在部件接触区产生了大量的热，正是产生的热导致了机床部件的变形。热误差在机床的总体误差中占４０％一７０％…。如何减小机床热变形误差已成为世界制造业关注的焦点。由于机床热边界的不确定性和传热的复杂性，热误差的研究长期以来一直处于定性研究阶段。现在随着机械制造技术向高速度、高效率、高精度和高智能化方向发展，热误差的问题变得越来越严重，而计算技术和误差检测技术的快速发展，使得建立机床热误差的模型和补偿成为可能‘１’５１。
机械设计手册中均可查到。
２．４计算求解
分析计算最初是
对分立模型进行的，
即分别对每个零件建
模求解，再将各有关
环节的结果叠加形成
最终结果，这种做法
建模简单，但精度有
限。如果将零件模型
进行装配，并对装配
体进行整体求解。其
结果的精度可大为提
图９温度场分布
高。同时还应注意到，在装配体中，相邻零部件间的
相互约束情况是不同
２００８年２月第３６卷第２期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＵＣＳ
Ｆｅｂ．２００８Ｖ０１．３６Ｎｏ．２
加工中心主轴系统的热变形分析与有限元计算
穆塔里夫·阿赫迈德，程伟（新疆大学机械工程学院，新疆鸟鲁木齐８３０００８）
摘要：以ＴＨ６３５０卧式加工中心为研究对象，构建了一套基于虚拟仪器系统的加工中心主轴系统温度场和热误差测量系统，测出了加工中心主轴系统的温度场和各项热变形。建立了基于ｌ—ＤＥＡｓ的加工中心主轴系统的温度场和热变形有限元模型，得到了主轴系统的温度场和热变形分布及其计算结果，计算结果与实测值得到了较好的吻合，研究结果为加工中心的改进设计、温度控制和误差补偿提供了理论依据。
·７３·
进行。考虑到机床在机加工时运动是间歇性的，主要运动部件是主轴，所以导轨产生的热量有限，热源主要以主轴部件产生的热量为主。机床的热变形主要表现为：主轴的热膨胀；主轴箱的热变形；立柱的倾斜；床身受热变形；Ｘ、ｌ，、Ｚ轴滚珠丝杠的热伸长等。在这些热变形的共同作用下，机床主轴在ｘ、ｙ、Ｚ方向均有热位移。
ｗｅ弛
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｃａｌｃｌｌｌａｔｅｄｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｔａｌｌｙｗｉｔｈｔｌｌｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖａｌｕｅｓ．Ｔｈｅ陀ｓｅａｒｃｈｉｎｇｒ幅ｌｌｌｔｓｐｍｖｉｄｅａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａＩｆｂｕｎｄａ－
ｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｉｍｐｍＶｉ唱ｄｅｓｉ印，ｔｅｍｐｅｍｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏＵｉｎｇａｎｄｔ叠ｌｅｅｎｍｃｏｍｐｅｎ龃ｔｉ彻ｔｏｔｈｅｍａｃｈｉｎｉＩｌｇｃｅｎｔｅｒ．
主轴系统是加工中心机床的最重要部件之一。随着机床转速的提高，切削进给速度的加大，机床发热急剧上升，使得主轴系统产生较大的变形，容易引起振动，不仅降低加工精度和表面质量，还会使齿轮等传动部件和轴承因不能均匀受力而恶化工作条件，因此，主轴系统的变形对机床的加工精度、表面质量都有很大的影响。为了使数控机床的主轴系统具有高刚度、振动小、变形小、噪声低、良好的抵抗受迫振动
ＴＨ６３５０加工中心的３Ｄ模型如图１所示。由于主轴系统是加工中心机床的最重要部件，因此，主要研究主轴系统的温度场和热变形。由于轴承是最主要的发热源，我们将着重研究轴承对主轴系统热变形的影响。在精加工中，由于切削用量小，切削力也相应较小，从而由切削运动产生的热量也少。因此，实验不考虑切削运动和切屑的影响，而主要在空切削状态下
与实验值也较吻合，最大变形量为主轴前段，其轴向
伸长值为２０６恤ｍ，其它各处都比较小。
图１ｌ主轴套筒温度场结果比较
节主要有：比较大的热源、主
要的散热边界以及结构突变部
位。结突变不仅包括形状、
尺寸的突变，而且还包括材料性质的突变，这就意味着，不
图７ＦＥＭ模型
仅要考虑每个零件结构对整体热变形的影响，还要考
虑零件间结合面的作用。根据精度，合理取舍各零部
件上的结构。实际的零部件十分复杂，各种功能结构和工艺结构面面俱到。在具体的有限元分析中，由于
１８０１６０昌１４０三ｌ２０簿１００隧８０《６０
鸯；：
Ｏ
．２０吮３１６０删ｌＯＵ：：３３０ｌ２Ｊ：１３２ｌ：，∞２：１２笛：１５３７：１２６３燃
时间
图４主轴套筒的温度变化图５主轴轴向热位移２有限元计算２．１ＣＡＤ建模
在ｃＡＤ建模时，应以机械零件为单位。有的零件不仅包括自身的金属部分，内部往往还有一些冷却油孔、槽之类的结构，由于它们对整体温度分布有至关重要的影响，绝对不能简化。在建模时，要以金属部分所属的那个零件为单位，先不区分
以得到经验参数。机械边界条件的分布及数值的确定
机械边界主要是分析终点处的机械约束，由于要将分
析终点作为变形基准，所以其基准面的６个自由度均
为０。施加了边界条件的有限元模型如图８所示。
在进行材料热物理特性的取值时，考虑整个机床
主要由金属组成，箱体和立柱的材料是铸铁，轴、轴
承和套等的材料是碳钢，它们的热物理参数在一般的
的，包括约束大小、约
束自由度等，如果忽视
了它们，虽然增加了边
界单元层，但仍然是把接合面上的相邻节点紧
密连接在一起，整个装
配模型仍相当于一个大
的单个零件。为了进一
垩篓囊兰戛慧雯。，。夏芋
对接合面做接触处理。
图一ｌｏ变一形…场一分’布
经分析，主轴箱中箱体与套筒、套筒与主轴、主轴与
轴承等之问的接触作用对整体的影响相对不大，而主
ｗｅｒｅ啪删ｒｅｄｆｉｅｌｄａｎｄｔｌｌｅ山ｅⅡｎａｌｄｅｆｏ舢ａｔｉ加０ｆＩｈｅｓｐｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍ
ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ、ｒｉｎｕ８ｌｉｎｓｔｎｌｍｅｎｔ８妣ｈｎｏｌｏｇｙ．ｎｅＦＥＭｍｏｄｅｌｏｆ
ｔｈｅ删ｄｅｆｏｍａｔｉｏｎｔｈｅｔｈｅ彻ａｌｄｅｆｏ册ａｔｉ佣ｏｆｔｈｅｓｐｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍｗ鼬ｂｕｉｌｔｕｐｂｌＩｓｅｄｏｎＩ．ＤＥＡＳ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ６ｅｌｄ粕ｄｔ｝ｌｅ
２、３所示。将主轴箱在某一位置固定，保持３个坐标不动，使机床在无负载情况下做空运转，研究机床在主轴系统作用下的精度的变化。把机床主轴的转速
设为ｌ２００ｒ／ｍｉｎ，运转至热平衡状态而停止，对在主轴部件上布置的３２个热电偶传感器，每隔１０ｒｎｉｎ左右采集一次数据，而对于５个电涡流传感器测量，每
ＭｕｔｅｌｌｉｐＡｈｍａｔ。ＣＨＥＮＧＷｅｉ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎ百ｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉｎｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＵｍｍｑｉＸｉｎｊｉａｎｇ８３０００８，Ｃｈｉｎａ）
Ａ瞰瑚屺ｔ：７ｒｈｅｃｈｉｅｆｈｅａｔｓｏｕｒｃ铭ｏｆｔｌｌｅ叩ｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅＴＨ６３５０ｍｃｈｉｎｉｎｇｃｅｍｅｒｗｅｒｅａ眦ｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｔｅ“ｐｅｍｔｕｒｅ
图ｌ加工中心三维模型实验的目的就是通
图２主轴系统温度传感器的布置
过测量机床的温度场和主轴的热位移，为机床设计、有限元分析和误差补偿提供实验数据。实验主要由温度测量和误差测量两部分组成。温度测量采用３２个热电偶作为温度传感器，
图３主轴系统热变形传感器的布置
误差测量则用了５个电涡流传感器。传感器布置如图
金属或是冷却油，进行单一图６简化ｃＡＤ模型材料的实体建模，随后要用
Ｐａｎｉｔｉｏｎ操作将冷却油孔、槽等结构表示出来。需要
这种处理的主要是内套和外套，在内套上面有冷却油
槽，在外套里面有冷却油孑Ｌ。零件建模完成后，要组
装成整机。这里的组装不是一般意义上的装配，因为
装配只是将相关零部件摆放在一起，在进行有限元网
关键词：加工中心；主轴系统；热变形；有限元分析中图分类号：ＴＧ５０２．１５文献标识码：Ａ文章编号：１００ｌ一３８８ｌ（２００８）２—０ｒ７２—３
ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＦＥＭＣａｌｃｕＩａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＴｈｅｍａｌＤｅｆｏ珊ａｔｉｏｎ
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化比较敏感，首先达到热平衡状态。而其它部位由于传热和结构原因，温度升高有迟滞作用。主轴在ｌ２００ｒ／ｍｉｎ转速下升温过程中随时间变化的轴向热位移如图５所示。由图可知，主轴轴向热位移与温
升曲线比较相似。
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和自激振动能力的动态性能，在进行结构设计时就必须考虑主轴系统的热变形，在机床设计阶段就较精确地计算温升、热变形并进行改进设计，进行多方案比较，是实现低成本、高质量设计的主要手段之一。
本文以ＴＨ６３５０卧式加工中心为研究对象，构建了一套基于虚拟仪器系统的加工中心主轴系统温度场和热误差测量系统，测出了加工中心主轴系统的温度场和各项热变形。建立了基于Ｉ—ＤＥＡＳ的加工中心主轴系统的温度场和热变形有限元模型，计算出了主轴系统的温度场和热变形，实验值与计算值进行了比较，为加工中心的改进设计、温度控制和误差补偿提供了理论依据。１实验与测量１．１实验系统设计
有就是各零部件表面普遍存在的辐射换热。轴承发热
源，可首先使用公式求出其经验值，然后再参照实验
数据进行修正。箱底存油发热作为表面热流处理，其
数值可由反推来确定。散热边界条件的取值，理论上