TK6920DA
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TK6920DA重型数控落地铣镗床主轴一 滑枕系统热态特性结构优化研究术 王正杰① 黄 智① 许 可① 王立平① 余发国② 姜 明② (①电子科技大学机械电子工程学院,四川成都611731; ( 齐齐哈尔二机床(集团)有限责任公司,黑龙江齐齐哈尔161000)
摘要:针对TK6920DA重型数控落地铣镗床主轴一滑枕系统的热态特性展开研究,首先采用有限元法 (FEM)建立了主轴一滑枕系统的热态特性有限元模型,通过分析该系统的热源并确定热边界条 件,利用ANSYS软件对系统温度场与热变形场进行了数值仿真,获得了影响机床精度的关键部位。 其次,分析了主轴前端轴承冷却套流量对系统热态特性的影响规律。最后。通过改进液压冷却方式 和优化滑枕结构提高了主轴一滑枕系统的热态特性。为重型落地铣镗床结构优化设计和热变形误 差补偿提供参考依据。 关键词:重型数控落地铣镗床;主轴一滑枕系统;温度场;热变形;结构优化;有限元法 中图分类号:TH161 文献标识码:A
Structural optimization of thermal characteristics of spindle・・ ram system in TK6920 DA heavy—duty CNC boring—milling machine tool WANG Zhengjie①,HUANG Zhi①,XU Ke①,WANG Liping①,YU Faguo②,JIANG Ming②
(@School of Mechatronics Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 61 1731,CHN; ( ̄iqihar No.2 Machine Tool(Group)Co.,Ltd.,Qiqihar 161000,CHN)
Abstract:With Spindle—Ram System in TK6920DA as the main research object.First,the model of the Spindle— Ram System is supported based on the finite element method,and the main heat source is analyzed and the Spindle—Ram System thermal boundary conditions are determined,the temperature field and ther— mal distortion of system are acquired by ANSYS software,the critical assembly affecting the machining accuracy is achieved.Then,the impact rule of the spindle cooling liquid to thermal characteristic is an— alyzed.Finally,improving cooling methods and structural optimization of ram enhance thermal charac— teristics of spindle—ram system.It provides the theory basis for structural optimization design and ther— real error compensation of Heavy—duty CNC boring—milling machine too1. Keywords:heavy—duty CNC boring—milling machine tool;spindle—ram system;temperature field;heat deform— ation;structural optimization;FEM
重型数控落地铣镗床是加工制造业中非常重要的 机械加工设备,适用于汽轮机、重型电机、船舶、重型机 床和其他重型机器制造业的单件、小批形状复杂大型 工件的加工。主轴一滑枕系统是重型落地铣镗床最重 要部件,是重型数控落地铣镗床的核心,其热特性直接 影响机床的加工精度。随着机床向着主轴高转速、高 切削进给速度方向发展,机床发热对机床加工精度的 影响越显著,机床的热弹性变形引起的热误差是决定 ¥国家科技重大专项(2013ZX04013—011) 等 机床加工精度最主要的因素之一。热误差是指在加工 过程中机床部件由于温度变化而导致热变形,从而引 起工件和刀具之间的相对位移,对加工工件精度产生 影响 1 J。机床热误差是由机床外部和内部热源引起 的,它占机床总的几何误差的50%一70%_2 J。 目前,数值方法广泛地被用来比较不同的机床设 计,模拟温度对机床的影响,探测热源对工具加工中心
・ 63 ・ 设计与研究Designand Research 点的位移 !。主轴一滑枕系统结构复杂、热源众多使 得机床主轴箱部件系统热变形的耦合度高,结合面、液 油同收不及时造成零部件表面散热性差严重影响机 J术的热误差:、闪此,为了解决I大1主轴一滑枕系统热变 形引起的数控机床加工精度降低的问题,国内外很多 学荇进行了大量研究。Jerzy Jedrzejewski1 4。等使用有 冗法分析了机床的温度场和热变形,并优化了机床 结构及参数,减小了南于机床热变形 引起的加T误 差。Min—Seok Kim 等运用CAE技术和参数化设计 办法分析了主轴与主轴箱的热变形,并进行结构优化, 减小了主轴系统的热误差;郭策 对数控车床主轴系 统的热特性进行了分析及优化。1三哲元一针对 TK6920DA的镗轴变形进行了静态分析和优化设计, _仃效减小了镗轴的伸出变肜量,从而提高了机床精度。 昂金风 以 FK6920数控落地铣镗床滑枕系统为研究 对象,利用APDL语言对改进设计后,使滑枕系统热特 性 动态特性同时得到提高,这些研究主要从机械结 构优化方面荇手改善主轴系统的热特性,很少从主轴 润滑系统主动温度控制的基础上进行部件或整机热刚 度优化设计 而加以考虑 。 为改进I 述问题,推进罔内重型机床企业相关产 加1 精度的提高,优化及改进相应产品性能,本文)r 爬r 相应主轴系统冷却控制分析的基础上对滑枕热 特性进行结构优化方面的研究。
l 有限元建模与相关计算 1.1有限元模型 本义依托“高档数控机床与基础制造装备”国家 科技重大专项项日,以齐齐哈尔二机床厂TK6920DA 刑 数控落地铣镗床主轴一滑枕系统为研究对象。 其CAD 维模 如图l所尔。
图1主轴一滑枕系统CAD三维模型 主轴一滑枕系统包含主轴及主传动系统、滑枕、镗 轴进给系统 主轴轴承 额定最高转速800 r/rain时 的速度冈子达0.248×10。illm・r/rain,具有低速、大功 率和重载荷特点。主轴采j}j双列圆柱滚子轴承和双向 推力角接触球轴承配置方式。铣轴装有四个轴承,前 端的双列圆柱滚子轴承NNU4956和双向推力球轴承 260 FAC用于承受铣削加一 产生的轴向力和径向力, 巾问的双列网柱滚子轴承NNU4952用于承受主传动 系统传递转矩时产生的径向力,末端的深沟球轴承 ・ 64 ・ 6952起辅助支承的作用 图2主轴一滑枕系统网格划分 本文研究主轴环境温度为25 ,镗轴常朋伸H{滑 枕距离为600 mill的空载运行状态 、将模型导入AN— SYS有限元软件进行网格划分后模型如图2所示,网 格节点数量为827628,单元数量为407727。 1.2轴承热流量计算 通过研究表明,轴承发热是由于内部滚动体和内、 外套圈在液压油润滑条件下相互运动作用产热,即摩 擦产热。滚动轴承的热流垃Q计算公式 : Q=1.047 X 10~M・n (1) 式中:n为轴承转速,r/min;M为滚动轴承摩擦力矩, N・m。M包括 。与 两部分。 反映轴承负荷 大小、润滑剂HJ量、粘度及轴承转速有父的摩擦力矩。 .反映和轴承负荷大小、滚动体与滚道问接触弹性变 形量及滑动摩擦有关的摩擦力矩。 M=M0+MI (2) M = P—d (3) 当轴承以中、低速运转的条件下,根据Palmgren 经验公式得 滚动轴承摩擦力矩如下: 当 n≥2000 X 10一。时, M0=10一 (t,n) (4) 当un<2000 X 10一。时, M0=160 X 10一 (5) 式中:d 为轴承中径,mm; 为轴承滑动摩擦当量载 荷,N;fo是和轴承类型和润滑方式村{关的系数;I/ 是 和轴承类型和所受负载相火的系数;u是润滑油(或 脂)的运动粘度,miql /s。 计算出主轴不同转速(单位为r/,nin)下轴承 NNU4956、260TAC、NNU4952、6952的 热牢如表1
所示。 枷 表1主轴轴承的热生成率(W/m ) 转速轴承 200 400 600 8oo NN LI4956 7.97I X10 1.56×10 2.7l6×l0 3.74 X1O 260 FAC 6.483 X10 1.432 X1O 2.53×10 3.6l×l0 NNU4952 5.637×10 I.389 XlO 2.38 Xl0 3.49 X10 6952 8.115×lO 2.036×10 4.57×lO 6.89 X10 1.3传热边界条件的确定 主轴一滑枕系统的传热方式分为:热传导、热对流 和热辐射。由于该系统的温度变化比较小,因此热辐 射所散失的热量很少,所以在本文巾没有考虑热辐射 散失的热量,fnf只考虑了热传导和热对流散热。 主轴]一作时主要采,{{油冷冷却与空气自然对流冷 却 式,其换热形式主要有冷却套筒内冷却液的强迫 对流换热、齿轮箱体里润滑油喷淋循环冷却以及主轴 旋转带动周 空气的流动肜成的强迫对流换热。根据 谢努尔特准则,换热系数 的计算公式’Ⅲ : =学 ㈦ 式lfl1:N..为努谢尔特准则数;A为流体的导热系数, w/(Ill・。C);z为放热壁面的定型尺寸,In。 中,冷却套内冷却液的,v..计算公式为: N..=0.023Re Pr。 (7) 空气的/V『J}r算公式为: N =0.133Re Pr‘ (8) 式lf1:Re为雷讲数2×10 <Re<5.5×10 ;Pr为普朗 特数,0.7<Pr<380。 {室温为25clC,主轴转速为400 r/rain时,根据上 述公式,计算埘流换热系数结果如表2所示。 表2对流换热系数(W/(in ・。C)) 摊轴 端表面 滑枕内主轴丧而 滑枕内表而 所有静止外表面 25.4 21.5 I】.2 9.7 2数值仿真 2.I瞬态温度场分析 材料属性是L.j研究对象几何形状无关的基本属 性,如甯度、导热系数、弹性模量、热膨胀系数、泊松比 等 卞轴一 枕rfl滑枕、传动箱采川}IT300;机床主轴 采J}j 42CrMo;滚珠丝杠采川碳素钢;轴承采用轴承钢。 通过查洵-I-一1.材料手册等技术手册.材料物理性能参 数fnj表3所7J 鬻 Design and Research设计与研究 表3材料物理性能参数 材料 密度/ 导热系数 弹性模龄 膨胀系数 泊松比 名称 (ks/m ) W/(m・℃) /GPa /℃