主軸箱熱變形試驗及仿真分析

■沈陽市裝備制造工程學校 （遼寧 110026） 常小芳

主軸箱熱變形試驗及仿真分析

■沈陽市裝備制造工程學校 （遼寧 110026） 常小芳

摘要：本文使用主軸熱變形分析儀對小型立式加工中心進行測試，在機床運轉4h后，將獲取的溫升數據作為有限元分析邊界條件和驗證數據，經分析與對比后，有限元分析結果與實際試驗數據基本相符，主軸箱熱變形分析結果可以作為主軸箱結構熱特性優化設計關鍵數據參考，為機床優化設計提供重要技術支持。

隨著經濟發展，數控機床在制造業中的使用越來越普遍，對加工精度和精度穩定性要求也越來越高。在加工過程中，由于機床內外熱源影響，各部件發生不同的熱變形，這會使初始裝配精度發生變化，對于所有加工尺寸由預先編制的數控機床而言，這種精度變化會對工件精度造成很大影響。根據日本京都大學的統計表明：在精密加工中，由機床熱變形引起的制造誤差占總制造誤差的40%～70%。

由于技術進步，數控機床功能越來越強大，但是結構越來越簡單，主軸是機床的主要部件，同時也是機床工作中的主要熱源。機床結構熱態特性優化設計可以非常有效的抑制和減小機床溫升變形對加工的影響，因此對主軸箱的優化設計、對降低熱變形誤差至關重要。通過對機床樣機的熱變形分析，了解機床熱變形規律，是機床優化設計的重要過程與步驟。物理試驗可以獲得直觀、準確的數據，但是無法完整得到部件溫升變形分布狀況，有限元分析雖然可以彌補這個缺點，但是邊界條件以及參數的確定需要物理試驗的有效支撐。因此，本文將采用物理試驗與有限元分析相結合的方式對小型立式加工中心主軸箱進行熱變形分析，以有限元優化設計的思想，使用試驗結果作為優化目標，從而獲得模型的輸入參數，并同時得到機床主軸箱變形規律，為機床主軸箱的優化設計提供重要數據支持。

1. 主軸箱模型的建立

（1）主軸箱幾何模型建立（見圖1）。為了更有針對性的進行仿真分析，忽略了主軸箱大部分部件，僅考慮主軸及主軸箱箱體。使用Pro/E建立了機床主軸箱的實體模型，并對結構特性影響不大的特征，如孔、臺肩、凹槽及翻邊等進行了簡化或忽略。

圖1　機床主軸箱模型

（2）主軸箱熱力學分析模型建立。熱分析中，熱量的傳遞方式主要有以下3種：熱傳導、熱對流及熱輻射。主軸在工作時由電

動機帶動，前后軸承摩擦生熱，成為主軸箱體的主要熱源。由于機床較小，外防護相對密閉，因此忽略箱體與周圍環境的熱對流。在主軸箱體熱變形分析中，主要采用熱傳導、熱輻射的熱傳遞方式。

熱傳導遵循傅里葉定律

兩物體之間的熱輻射可以用史蒂芬-玻爾茲曼方程表示

式中，Q為熱流率；ε為吸收率；σ為斯蒂芬·玻爾茲曼常數；Ti為輻射面I的絕對溫度；Tj為輻射面J的絕對溫度。

2. 主軸箱工作熱變形試驗

為了獲得有限元分析的溫升邊界條件，同時獲取仿真過程的驗證結果，對該小型立式加工中心進行了主軸工作熱變形分析。檢測儀器采用美國雄獅精儀的主軸熱變形分析儀，檢測方法：機床主軸轉速保持在3 000r/min升溫試驗連續運行240min，測試主軸徑向和軸向偏移情況以及主軸前軸承、主軸箱上下端面溫度變化情況，其中，溫度傳感器在主軸前軸承設置1個測點，主軸箱上下端面各兩個測點。儀器安裝及部分傳感器布置如圖2所示，試驗結果如圖3、4所示。

隨著工作轉速提升，主軸熱溫升增大，隨之主軸徑向熱偏移增大。主要體現在Y向正方向偏移38.26μm，X向負方向偏移2.83μm，停機冷卻后略微恢復，Z向熱伸長29.1μm，停機冷卻后略微恢復。如表1所示為主軸前軸承在試驗過程中溫升變化，可以作為有限元分析的邊界條件。主軸箱上下端面溫升數據則可用作有限元結果驗證。

3. 主軸箱熱變形有限元分析

對所建模型進行熱結構耦合分析。有限元模型材料全為灰鑄鐵HT300，彈性模量E=1.2×1011N/m2，泊松比μ=0.28，密度ρ=7 190kg/m。由于物理試驗中后軸承位置因工件阻擋無法直接獲取，假定主軸安裝理想，前后軸承一致，邊界條件前后軸承都如表1所示。熱流密度設為6.25 W/m2，黑度為0.3。分析結果如圖5～圖7所示。

圖2　主軸熱變形分析試驗儀器安裝及傳感器布置

圖3　主軸箱上下端面與前軸承溫升變化

圖4　主軸溫升位移變化

圖5　有限元分析溫升分布

圖6　主軸箱Y向變形

試驗數據與有限元分析結果對比如表2、表3所示。

表1　主軸前軸承溫升變化

對比試驗數據與有限元分析結果，可以看出有限元分析結果與試驗數據相符，有限元分析溫

升變形分布與實際基本相符。

圖7　主軸箱X向變形

表2　試驗數據與有限元結果溫升對比

表3　試驗數據與有限元結果Y軸變形對比

分析發現，主軸前后軸承熱傳遞穩定后，主軸箱溫度由主軸前軸承附近向主軸箱導軌結合面處遞減，主軸軸頭附近溫度最高。熱變形結果可以看出，主軸軸頭附近變形最大，同樣向主軸箱導軌結合面處遞減，由于變形的連續性，這樣的溫升變形造成軸頭處向Y軸正方向彎曲，這與試驗結果基本相符。而在X向，由于主軸箱是左右對稱結構，變形由兩側向中央集中，兩邊平衡，主軸箱側壁向內凹陷，而實測結果是X向負方向變形，但是變形量很小，僅為2.83μm，這與箱體鑄造質量以及裝配非對稱性有關。

4. 結語

采用主軸熱變形分析儀對主軸溫升變形進行測試，所得數據作為有限元分析邊界條件，并對有限元結果進行驗證，有限元結果基本符合主軸箱實際溫升變形。主軸箱體熱穩定后，主軸箱溫度由主軸前軸承附近向主軸箱導軌結合面處遞減；主軸軸頭附近熱變形最大，變形量同樣由軸頭附近箱主軸箱導軌結合面處遞減。主軸箱兩側壁向內部變形凹陷，兩側平衡。根據分析結果與試驗結果對比，主軸箱溫升熱變形有限元分析為主軸箱結構熱特性優化設計提供了關鍵分析技術及重要數據參考。

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收稿日期：（20150301）