基于數(shù)控車(chē)床主軸的熱態(tài)分析畢業(yè)論文

1、目錄摘要1ABSTRACT2第一章 緒論31.1研究的目的和意義31.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.3 主要研究?jī)?nèi)容5第二章Pro/E及3D建模62.1 Pro/E簡(jiǎn)介62.2 CK1416 數(shù)控車(chē)床主軸3D建模7第三章ANSYS簡(jiǎn)介及機(jī)床主軸熱特性有限元建模83.1 ANSYS簡(jiǎn)介83.2 ANSYS 熱分析類(lèi)型83.3 有限元熱分析基礎(chǔ)83.4 建立ANSYS分析模型12第四章 主軸的溫度場(chǎng)分析214.1 機(jī)床熱變形理論214.2 軸承發(fā)熱量計(jì)算224.3主軸系統(tǒng)熱傳遞方式及性能參數(shù)確定264.4主軸系統(tǒng)溫度場(chǎng)分布274.5本章結(jié)論30結(jié)論與展望32參考文獻(xiàn)33致謝34摘要現(xiàn)代機(jī)械造向著高效率、

2、高速度、高質(zhì)量和高精度發(fā)展，數(shù)控車(chē)床加工已逐漸成為加工業(yè)的發(fā)展方向，并成為提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力的關(guān)鍵技術(shù)。機(jī)械加工精度的提高也是產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，其中，機(jī)床主軸系統(tǒng)的熱變形是影響機(jī)床加工精度的主要原因之一，因此機(jī)床主軸系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)在機(jī)床設(shè)計(jì)中占據(jù)重要地位，針對(duì)主軸在高速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量使主軸溫度升高，導(dǎo)致主軸變形，從而影響加工精度這一不利因素，因此有必要對(duì)主軸熱變形進(jìn)行大量研究，提出補(bǔ)償措施，提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。其研究?jī)?nèi)容如下：1. 建立機(jī)床主軸的三維CAD模型，通過(guò)模型可以形象生動(dòng)的顯示出數(shù)控車(chē)床主軸的結(jié)構(gòu)。2. 在分析機(jī)床主軸內(nèi)部熱源的基礎(chǔ)上，建立機(jī)床主軸溫度場(chǎng)的有限元分析

3、模型?；谟邢拊獙?duì)機(jī)床主軸溫度進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為CK1416數(shù)控機(jī)床主軸的熱變形奠定了基礎(chǔ)。3. 利用ANSYS強(qiáng)大的熱分析功能，對(duì)車(chē)床主軸進(jìn)行參數(shù)化建模并設(shè)置好參數(shù)，得出穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布情況，成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)床主軸熱變形分析的目標(biāo)。關(guān)鍵詞：數(shù)控車(chē)床，建模，有限元分析，溫度場(chǎng)，穩(wěn)態(tài)分析ABSTRACTModern machinery develop toward high efficiency, high speed, high quality and high precision, CNC lathe processing industry has become the development

4、direction, and also become the key technology of improving international competitiveness.Improving the precision of machining is an important part of quality control. Among them, the thermal deformation of machine tool spindle of machining accuracy is one of the main spindle systems so the machine d

5、esign, thermal design occupies an important position, domestic and international research in this field has made great progress though, but the theory andthe breadth and depth of engineering is not enough. High-speed movement of the spindle in a lot of heat generated in the process so that the spind

6、le temperature, it is necessary to carry out a large number of spindle thermal deformation of proposed compensation measures to improve the CNC machine toolsprecision.Its context for the study is as follows:1. To establish three-dimensional CAD model of machine tool spindle, the model can display Sp

7、indle structure lively.2. On the basis of analyzing the internal heat of spindle, establish the temperature field finite element analysis model of spindle.Finite element of the spindle based on a detailed analysis of the temperature, so it lays the foundation of machine tool spindle thermal deformat

8、ion for the CK1416 CNC Machine.3. Taking advantage of Powerful ANSYS thermal analysis function, parametric modeling lathe spindle and set parameters, obtained steady-state temperature distribution, successfully achieve the target of the machine tool spindle thermal deformation analysis.Keywords: CNC

9、 lathe, modeling, finite element analysis, temperature, steady-state analysis第一章 緒論1.1研究的目的和意義加工技術(shù)具有極其古老的歷史，它伴隨著人類(lèi)的誕生而出現(xiàn)，伴隨著人類(lèi)的進(jìn)步而發(fā)展。尤其是在當(dāng)代，機(jī)床工業(yè)是國(guó)家基礎(chǔ)工業(yè)的基礎(chǔ)，它直接影響到國(guó)家各個(gè)工業(yè)部門(mén)的裝備自動(dòng)化水平，勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高和國(guó)防現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)。隨著生產(chǎn)和科技的迅速發(fā)展，機(jī)床向高速，高效，高精度和自動(dòng)化的方向發(fā)展。但目前我國(guó)由于機(jī)床開(kāi)發(fā)理念落后，較少考慮熱態(tài)和動(dòng)態(tài)，設(shè)計(jì)出的機(jī)床不僅性能差，結(jié)構(gòu)笨重，精度不高，自動(dòng)化水平低，而且設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，制造成本高，

10、更新?lián)Q代慢，使得我國(guó)生產(chǎn)的高速精密數(shù)控機(jī)床無(wú)法與國(guó)外相抗衡。為此，我國(guó)數(shù)控加工機(jī)床制造企業(yè)必須盡快將動(dòng)態(tài)和熱態(tài)的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到高檔高速數(shù)控機(jī)床開(kāi)發(fā)中去，快速開(kāi)發(fā)出結(jié)構(gòu)合理、加工精度高、自動(dòng)化水平高、低成本的高速精密數(shù)控機(jī)床，積極參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。提高國(guó)家的整體水平1。隨著加工零件精度要求的提高和產(chǎn)品產(chǎn)量的迅速增長(zhǎng)，要求機(jī)床產(chǎn)品不斷向高精度、高剛度、高速度，自動(dòng)化的方向發(fā)展，所以因此對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的要求也越來(lái)越高，在這眾多因素中，機(jī)床的熱性能表現(xiàn)的越來(lái)越重要，它已成為影響數(shù)控機(jī)床性能的主要因素之一。據(jù)研究表明，機(jī)床熱變形對(duì)加工精度的影響是十分重要的因素之一。就機(jī)械加工而言，尤其是在現(xiàn)代高速切削機(jī)

11、床中，隨著機(jī)床轉(zhuǎn)速和零件表面加工質(zhì)量的提高，切削深度與走刀量一般都比較小，而切削力也不大，所以工藝系統(tǒng)受力變形對(duì)加工精度的影響與熱變形相比處于次要的地位。因此，減少機(jī)床的熱變形就成為提高機(jī)械加工精度的重要手段。機(jī)床在工作過(guò)程中，在各種熱源的作用下，形成的溫度場(chǎng)，導(dǎo)致加工部位發(fā)生不同程度的熱變形，影響工件與刀具間的相對(duì)位移造成加工誤差。大量的研究表明，主軸系統(tǒng)運(yùn)行中所產(chǎn)生的熱量是整機(jī)熱源中最重要的來(lái)源之一，由此在引起的機(jī)床熱變形誤差的諸多因素中主軸系統(tǒng)的熱變形誤差更突出、更明顯，主軸系統(tǒng)的熱變形對(duì)機(jī)床的加工精度、表面粗糙度和生產(chǎn)率影響是直接的，已成為進(jìn)一步提高機(jī)床性能的主要制約因素。目前，機(jī)床的

12、主軸系統(tǒng)有兩類(lèi)，一類(lèi)主軸系統(tǒng)的高速回轉(zhuǎn)部分由自帶冷卻系統(tǒng)的電主軸提供，如高架橋式高速五坐標(biāo)龍門(mén)加工中心，該加工中心主軸系統(tǒng)控制主軸繞X 和Y 旋轉(zhuǎn)，其自身的熱誤差對(duì)加工精度有影響；另一類(lèi)主軸系統(tǒng)的高速回轉(zhuǎn)部分由沒(méi)有冷卻系統(tǒng)的主軸等部件組成，如CK1416數(shù)控車(chē)床，該數(shù)控車(chē)床主軸高速旋轉(zhuǎn)，在機(jī)床運(yùn)行中產(chǎn)生很多熱量，是機(jī)床主要熱源之一，其產(chǎn)生的熱變形對(duì)加工精度有重要影響。因此，本論文應(yīng)用有限元法建立兩類(lèi)機(jī)床有限元模型，對(duì)其熱特性進(jìn)行分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高高速精密數(shù)控的加工精度。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)際上對(duì)機(jī)床熱變形的理論研究始于20 世紀(jì)60 年代,陸續(xù)發(fā)表了一些有關(guān)機(jī)床熱變形理論方面的文章

13、。開(kāi)始階段是利用熱工學(xué)理論知識(shí)研究機(jī)床熱變形問(wèn)題,初步建立了溫度場(chǎng)與熱變形之間的定性關(guān)系。直到70 年代初,由于計(jì)算機(jī)等分析工具和遠(yuǎn)紅外熱像儀、激光全息照相等測(cè)試技術(shù)在熱變形研究中的有效應(yīng)用,使機(jī)床熱變形研究進(jìn)入了定量分析的新階段,開(kāi)始利用有限差分法和有限元法計(jì)算復(fù)雜的機(jī)床基礎(chǔ)件的瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和熱變形。在近20年來(lái)，特別是90年代以來(lái)，隨著商品經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，數(shù)控切削技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。隨著數(shù)控加工機(jī)理、數(shù)控主軸單元、高加（減）直線(xiàn)進(jìn)給電機(jī)及高性能控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)控加工技術(shù)在制造領(lǐng)域的成功應(yīng)用提供了基本條件。德國(guó)切削物理學(xué)家薩洛蒙（Carl.Salomon）就對(duì)數(shù)控

14、切削技術(shù)進(jìn)行了研究。薩洛蒙發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削速度超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，隨切削速度增大，切削溫度不升反降，這與常規(guī)速度切削現(xiàn)象相反，而且這一臨界速度值與工件材料的特性有關(guān)。美國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)在上世紀(jì)70 年代進(jìn)行了高速切削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：切削力下降，表面質(zhì)量提高，加工效率提高3倍左右。其它西方發(fā)達(dá)國(guó)家也在高速加工技術(shù)方面做了許多工作，尤其德國(guó)，在高速數(shù)控加工機(jī)床、刀具、控制系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)方面，均走在世界的前列。日本對(duì)于高速加工的機(jī)理研究也比較早，并積極地將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于制造領(lǐng)域，90年代以來(lái)，日本已成為世界上為數(shù)不多的主要高速數(shù)控機(jī)床的供應(yīng)者之一。我國(guó)在20 世紀(jì)50 年代就開(kāi)始了機(jī)床熱變形的研究，當(dāng)時(shí)大連工學(xué)院

15、在一臺(tái)內(nèi)圓磨床上定程磨削一批零件并進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)法對(duì)零件尺寸誤差進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)床熱變形是引起零件加工誤差的主要原因。20 世紀(jì)6070 年代，北京機(jī)床研究所，上海機(jī)床廠等單位對(duì)熱變形做了大量的研究工作，浙江大學(xué)等院校、科研單位對(duì)機(jī)床熱態(tài)幾何精度超差問(wèn)題進(jìn)行了攻關(guān)。此后，許多學(xué)者在熱變形方面做過(guò)較深入的研究 ，如清華大學(xué)的高賽、曾理江等人提出使用三路單光束干涉儀對(duì)機(jī)床主軸熱誤差進(jìn)行非接觸式的實(shí)時(shí)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法快速、準(zhǔn)確，測(cè)量誤差可達(dá)到1.0m。東南大學(xué)的郭策博士利用有限元法建立了主軸系統(tǒng)的三維溫度場(chǎng)模型，對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的熱性能分析，在獲得主軸系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算出

16、主軸系統(tǒng)在熱-力結(jié)構(gòu)耦合條件下的變形。我國(guó)在熱設(shè)計(jì)方面雖然取得一些成果，但與國(guó)外相比仍有較大差距。目前減少熱誤差，提高機(jī)床加工精度有兩種基本方法，第一種是誤差預(yù)防法，這是一種“硬技術(shù)”，其通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)和制造途徑消除或減少可能的熱誤差源，提高制造精度，或者控制溫度來(lái)滿(mǎn)足加工精度要求；第二種是誤差補(bǔ)償技術(shù)，人為地造出一種新的誤差去抵消當(dāng)前成為問(wèn)題的原始誤差，是一種既有效又經(jīng)濟(jì)的提高機(jī)床加工精度的手段。本文采用誤差預(yù)防法對(duì)機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其散熱特性好，提高其加工精度。1.3 主要研究?jī)?nèi)容本論文研究的目的是結(jié)合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)急需的若干種高速精密數(shù)控機(jī)床的開(kāi)發(fā)，以機(jī)床主軸系統(tǒng)熱態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的提高為

17、目標(biāo)，為我國(guó)機(jī)床制造業(yè)上水平提供理論和技術(shù)支持。論文以CK1416數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)作為研究對(duì)象。建立機(jī)床主軸溫度場(chǎng)的有限元分析模型。基于有限元對(duì)機(jī)床主軸溫度進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為CK1416數(shù)控機(jī)床主軸的熱變形奠定了基礎(chǔ)。論文著重研究主軸3D建模、溫度場(chǎng)有限元分析及基于穩(wěn)態(tài)的熱變形分析。所得結(jié)果是理論上的最優(yōu)解，所研究的主軸系統(tǒng)具有良好的熱態(tài)特性。為高精度、高效率、自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第二章Pro/E及3D建模2.1 Pro/E簡(jiǎn)介Pro/Engineer操作軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱(chēng)，

18、是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。Pro/E第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決特征的相關(guān)性問(wèn)題。另外，它采用模塊化方式，用戶(hù)可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過(guò)程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)上。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)

19、、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶(hù)可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。1 參數(shù)化設(shè)計(jì)相對(duì)于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無(wú)論多么復(fù)雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。2 基于特征建模Pro/E是基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫(huà)草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計(jì)者提供了在設(shè)計(jì)上從未有過(guò)的簡(jiǎn)易和靈活。3 單一數(shù)據(jù)庫(kù)（全相關(guān)）Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫(kù)上，不象一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)上

20、。所謂單一數(shù)據(jù)庫(kù)，就是工程中的資料全部來(lái)自一個(gè)庫(kù)，使得每一個(gè)獨(dú)立用戶(hù)在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個(gè)部門(mén)的。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會(huì)自動(dòng)更新；組裝工程圖如有任何變動(dòng)，也完全同樣反應(yīng)在整個(gè)三維模型上。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)。這一優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場(chǎng)，價(jià)格也更便宜2。2.2 CK1416 數(shù)控車(chē)床主軸3D建模查閱相關(guān)資料3可得出CK6140數(shù)控車(chē)床主軸的尺寸大小，一來(lái)可以形象生動(dòng)的顯示主軸的三維圖形，了

21、解主軸軸承對(duì)主軸的受力的簡(jiǎn)單示意圖，而來(lái)為后期的ANSYS的溫度場(chǎng)分析做基礎(chǔ)。三維圖如圖2-1所示：圖2-1 CK6140車(chē)床主軸通過(guò)對(duì)主軸三維圖形的繪制，加深了對(duì)Pro/E的熟悉程度，同時(shí)對(duì)車(chē)床主軸在機(jī)器中的定位有了一個(gè)大概的了解，它是由個(gè)軸承支撐，為前支撐A、中間支撐B和后支撐C。如圖2-2 所示。圖2-2 軸承支撐區(qū)域第三章ANSYS簡(jiǎn)介及機(jī)床主軸熱特性有限元建模3.1 ANSYS簡(jiǎn)介ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車(chē)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)

22、電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶(hù)可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線(xiàn)性分析、非線(xiàn)性分析和高度非線(xiàn)性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線(xiàn)顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線(xiàn)形式顯示或輸出4。3.2 ANSYS 熱分析類(lèi)型a) 相變（融化及凝固

23、），即金屬合金在溫度變化時(shí)的相變，如鐵合金中馬氏體與奧氏體的轉(zhuǎn)變。b) 內(nèi)熱源(例如電阻發(fā)熱)，存在熱源問(wèn)題，例如在加熱爐中試件進(jìn)行加熱。c) 熱傳導(dǎo)，是熱傳遞的一種方式，當(dāng)相接處的兩物體存在溫度差時(shí)發(fā)生。d) 熱對(duì)流，是熱傳遞的一種方式，當(dāng)存在流體，氣體和溫度時(shí)發(fā)生。e) 熱輻射，是熱傳遞的一種方式，只要存在溫度差時(shí)九發(fā)生，可以在真空中進(jìn)行。3.3 有限元熱分析基礎(chǔ)3.3.1 傳熱學(xué)經(jīng)典理論熱分析遵循熱應(yīng)力學(xué)第一定律，即能量守恒定律：對(duì)于一個(gè)封閉的系統(tǒng)（沒(méi)有質(zhì)量的流入或流出）式中： Q 熱量；W 作功；U 系統(tǒng)內(nèi)能；KE 系統(tǒng)動(dòng)能；PE 系統(tǒng)勢(shì)能。對(duì)于大多數(shù)工程傳熱問(wèn)題：KE=PE=0；通常

24、考慮沒(méi)有做功，W=0，則：Q=U；對(duì)于熱穩(wěn)態(tài)分析：Q=U=0，即流入系統(tǒng)的熱量等于流出的熱量；對(duì)于瞬態(tài)熱分析：，即流入或流出的熱傳遞速率q等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化。3.3.2 三種基本熱傳遞方式a) 熱傳導(dǎo)當(dāng)物體內(nèi)部存在溫差，即存在溫度梯度時(shí)，熱量從物體的高溫部分傳遞到低溫部分；而且不同溫度的物體相互接觸時(shí)熱量會(huì)從高溫物體傳遞到低溫物體。這種熱量傳遞的方式稱(chēng)為熱傳導(dǎo)。圖 3-1 熱傳導(dǎo)示意圖如圖3-1所示，圖中左右兩表面均維持均勻溫度，分別為和， ，熱量從左側(cè)平面向右側(cè)平面?zhèn)鬟f，且滿(mǎn)足以下關(guān)系式：式中：Q為時(shí)間t內(nèi)的傳熱量或熱流量，K為熱傳導(dǎo)率或熱傳導(dǎo)系數(shù)，T為溫度，A為平面面積，d為兩平面之間的距

25、離。上式所表達(dá)的即為傅里葉定律，又稱(chēng)為熱傳導(dǎo)基本定律。b) 對(duì)流熱對(duì)流是指固體的表面與它周?chē)佑|的流體之間，由于溫差的存在而引起的熱量交換。高溫物體（如暖氣片）表面常常發(fā)生對(duì)流現(xiàn)象，這是因?yàn)楦邷匚矬w表面附近的空氣因受熱而膨脹，密度降低并向上流動(dòng)。與此同時(shí)，密度較大的冷空氣下降代替原來(lái)的受熱空氣，如圖3-2所示。圖 3-2 對(duì)流示意圖熱對(duì)流可分為兩類(lèi)：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流用牛頓冷卻方程來(lái)描述：式中：h為對(duì)流換熱系數(shù)（或稱(chēng)為膜傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)等），為固體表面的溫度，為周?chē)黧w的溫度5。c) 熱輻射熱輻射是指物體發(fā)生電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒崃拷粨Q過(guò)程。物體溫度越高，單位

26、時(shí)間內(nèi)輻射的熱量越多。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流都需要傳熱介質(zhì)，而熱輻射無(wú)需任何介質(zhì)。實(shí)質(zhì)上，真空中的熱輻射效率最高。3.3.3 熱分析材料基本屬性與熱分析直接相關(guān)的材料屬性包括：熱傳導(dǎo)率（Thermal Conductivity），比熱容（Specific Heat）、對(duì)流換熱系數(shù)（Convection film coefficient）、焓（Enthalpy）、輻射系數(shù)（Emissivity）、生熱率（Heat generation rate）。3.3.4 邊界條件和初始條件為了使得每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱平衡方程具有唯一解，需要附加一定的邊界條件和初始條件，統(tǒng)稱(chēng)為定解條件。a) 三類(lèi)邊界條件：（1） 第一類(lèi)邊

27、界條件物體邊界上的溫度函數(shù)已知，用公式表示為：；為物體邊界，為已知溫度，為已知溫度函數(shù)。（2） 第二類(lèi)邊界條件物體邊界上的熱流密度已知，用公式表示為：；Q為熱流密度（常數(shù)），為熱流密度函數(shù)。（3） 第三類(lèi)邊界條件與物體相接觸的流體介質(zhì)的溫度和換熱系數(shù)已知，用公式表示為：為流體介質(zhì)的溫度，為換熱系數(shù)。和可以是常數(shù)，也可以是隨時(shí)間和位置而變化的函數(shù)。b) 初始條件初始條件是指?jìng)鳠徇^(guò)程開(kāi)始時(shí)物體在整個(gè)區(qū)域中所具有的溫度為已知值，用公式表示為：為已知溫度函數(shù)。3.3.5 熱載荷ANSYS提供了6種載荷，可以施加在實(shí)體模型或單元模型上，包括：溫度、熱流率、對(duì)流、熱流密度、生熱率和熱輻射率。溫度：作為第一

28、類(lèi)邊界條件可以施加在有限元模型的節(jié)點(diǎn)上，也可以施加在實(shí)體模型的關(guān)鍵點(diǎn)、線(xiàn)段及面上。熱流率：熱流率（Heat Flow）是一種節(jié)點(diǎn)集中載荷，只能施加在節(jié)點(diǎn)或關(guān)鍵點(diǎn)上，主要用于線(xiàn)單元模型。當(dāng)溫度和熱流率同時(shí)施加在某一節(jié)點(diǎn)上，則ANSYS讀取溫度值進(jìn)行計(jì)算。對(duì)流：對(duì)流（Convection）是一種面載荷，用于計(jì)算流體與實(shí)體的熱交換。它可以施加在有限元模型的節(jié)點(diǎn)及單元上，也可以施加在實(shí)體模型的線(xiàn)段和面上。熱流密度：又稱(chēng)熱通量（Heat Flux）,單位為W/。熱流密度是一種面載荷，表示通過(guò)單位面積的熱流率。當(dāng)通過(guò)單位面積的熱流率已知時(shí)，可以在模型相應(yīng)的外表面施加熱流密度。若輸入值為正，則表示熱流流過(guò)單

29、元；反之，則表示熱流流出單元。它可以施加在有限元模型的節(jié)點(diǎn)及單元上，也可以施加在實(shí)體模型的線(xiàn)段和面上。熱流密度與對(duì)流可以施加在同一外表面，但ANSYS將讀取最后施加的面載荷進(jìn)行計(jì)算6。3.4 建立ANSYS分析模型建立模型包括設(shè)定分析作業(yè)名和標(biāo)題，定義單元類(lèi)型和實(shí)常數(shù)，定義材料屬性，建立幾何模型，劃分有限元網(wǎng)格幾部分。3.4.1 設(shè)定分析作業(yè)名和標(biāo)題1） 從實(shí)用菜單中選擇Utility Menu: FileChange Jobname命令，將打開(kāi)Change Jobname(修改文件名)對(duì)話(huà)框，如圖3-3示。圖 3-3 【修改文件名】對(duì)話(huà)框2） 在Enter new jobname 文本框中輸

30、入名字shaftdata ，單擊 【OK】按鈕，完成文件名的修改。3） 從實(shí)用菜單中選擇Utility Menu: File Change Title 命令，將打開(kāi)Change Title（修改標(biāo)題） 對(duì)話(huà)框，如圖3-4。在Enter new title （輸入新標(biāo)題）文本框中輸入“shaft analysis”，單擊“OK”按鈕，完成對(duì)標(biāo)題的指定。圖3-4 【修改標(biāo)題】對(duì)話(huà)框4） 從實(shí)用菜單中選擇Utility Menu: Plot Replot命令，指定的標(biāo)題“shaft analysis”將顯示在圖形窗口左下角。5） 從主菜單中選擇Main Menu: Preference 命令，將打開(kāi)

31、Preferences of GUI Filtering（菜單過(guò)濾參數(shù)選擇）對(duì)話(huà)框，選中Thermal復(fù)選框，單擊“OK”按鈕確定。如圖3-5 所示。圖3-5 菜單過(guò)濾參數(shù)選擇3.4.2 定義單元類(lèi)型有限元模型是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元，并在每一個(gè)單元中設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，將連續(xù)體看作是只在節(jié)點(diǎn)處相聯(lián)系的一組單元的集合體，同時(shí)選定場(chǎng)函數(shù)的節(jié)點(diǎn)作為基本未知量，并在第一單元中假設(shè)一插值函數(shù)以表示單元中場(chǎng)函數(shù)的分布規(guī)律，進(jìn)而利用力學(xué)中的某些變分原理去建立用以求解節(jié)點(diǎn)未知量的方程，從而將一個(gè)連續(xù)域中的無(wú)限自由度轉(zhuǎn)化為離散域中的有限自由度問(wèn)題。在對(duì)機(jī)床主軸熱特性的分析中，計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)單元的自由度是溫度，

32、而在計(jì)算熱變形時(shí)需要將熱分析單元轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)分析單元，其自由度為位移。機(jī)床主軸熱特性分析中，需要計(jì)算溫度場(chǎng)，選擇的單元必須滿(mǎn)足下列條件：I.自由度為溫度的熱單元；II.具有熱傳導(dǎo)、對(duì)流能力。確定選擇SOLID70單元。SOLID70具有三個(gè)方向的熱傳導(dǎo)能力。該單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn)且每個(gè)節(jié)點(diǎn)上只有一個(gè)溫度自由度，可以用于三維靜態(tài)或瞬態(tài)的熱分析。該單元能實(shí)現(xiàn)勻速熱流的傳遞。假如模型包括實(shí)體傳遞結(jié)構(gòu)單元，那么也可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，此單元能夠用等效的結(jié)構(gòu)單元代替（如SOLID45單元）。如圖3-6所示。該單元存在一個(gè)選項(xiàng)，即允許完成實(shí)現(xiàn)流體流經(jīng)多孔介質(zhì)的非線(xiàn)性靜態(tài)分析。選擇了該選項(xiàng)后，單元的熱參數(shù)將被轉(zhuǎn)換成相類(lèi)

33、似的流體流動(dòng)參數(shù)，例如溫度自由度將變?yōu)榈刃У膲毫ψ杂啥?。圖3-6 SOLID70的節(jié)點(diǎn)分布為了避免網(wǎng)格錯(cuò)誤較多，且模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在本文中最終采用自由網(wǎng)格劃分的形式。設(shè)置步驟：從主菜單中選擇Main Menu :PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，將打開(kāi)Element Type（單元類(lèi)型）對(duì)話(huà)框。如圖3-7示。單擊Add按鈕，將打開(kāi)Library of Element Type （單元類(lèi)型庫(kù)）在對(duì)話(huà)框左邊的列表中選擇Solid選項(xiàng)，即選擇實(shí)體單元類(lèi)型。在對(duì)話(huà)框右邊的列表中選擇Solid70選項(xiàng)。單擊“OK”選項(xiàng)，將添加Brick 8node 70

34、單元，關(guān)閉單元類(lèi)型庫(kù)。返回到單元類(lèi)型對(duì)話(huà)框，單擊“Close”按鈕，關(guān)閉單元類(lèi)型對(duì)話(huà)框，結(jié)束單元類(lèi)型設(shè)置。圖3-7 【單元類(lèi)型】對(duì)話(huà)框3.4.3 定義材料屬性材料屬性是與幾何模型無(wú)關(guān)的本質(zhì)屬性。根據(jù)不同的應(yīng)用，材料屬性可以是線(xiàn)性或非線(xiàn)性。在本文中，溫度在20100范圍里變化，材料屬性可以認(rèn)為是常數(shù)。在對(duì)機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行熱特性分析中，進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)必須確定下列參數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)、密度、比熱；熱變形分析時(shí)則必須確定彈性模量、泊松比、密度、熱膨脹系數(shù)8。機(jī)床主軸材料為45鋼，導(dǎo)熱系數(shù)為51.83W/(m)，對(duì)流系數(shù)10W/(m)；彈性模量220GPa，泊松比0.3，熱膨脹系數(shù)為11.59e-6

35、。設(shè)置步驟：1）從主菜單中選擇Main Menu :Preprocessor Material PropsMaterial Model 命令，將打開(kāi)Define Material Model Behavior(定義材料模型屬性)窗口，如圖3-8所示。圖3-8 【材料屬性】對(duì)話(huà)框2）依次點(diǎn)擊ThermalConductivityIsotropic命令，設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)為51.83。如圖3-9所示。圖3-9 【導(dǎo)熱系數(shù)】設(shè)置對(duì)話(huà)框3）在Define Material Model Behavior 窗口中，從菜單中選擇Material Exit命令，或者單擊右上角的退出按鈕，退出定義材料模型屬性窗口，完

36、成材料模型屬性的定義。3.4.4 建立主軸三維實(shí)體模型1） 點(diǎn)擊右側(cè)工具欄圖標(biāo)，打開(kāi)等軸測(cè)視界面。2） 從主菜單中選擇MainMenu: PreprocessorModelingCreateVolumesConeBy picking。打開(kāi)界面如圖3-10所示。在WP X與WP Y分別輸入0、0，在Rad-1、Rad-2、Depth分別輸入32、35、3，建立如下圖所示錐體9。 圖3-10 軸端面視圖3） 點(diǎn)擊應(yīng)用菜單WorkPlaneOffset WP by increments，彈出Offset WP對(duì)話(huà)框，在Snaps X,Y,Z offsets輸入0，0，3點(diǎn)擊“OK”按鈕。如3-10右

37、圖所示。4） 從主菜單中選擇Main Menu: PreprocessorModelingCreateVolumesCylinderSolid cylinder。打開(kāi)界面如3-11左圖所示。在WP X與WP Y分別輸入0、0，在Radius中輸入35，在Depth中輸入28。點(diǎn)擊“OK”按鈕。完成圖形如圖3-11右圖所示。 圖3-11 建立軸體模型5） 重復(fù)步驟3，Snaps X,Y,Z offsets輸入0，0，28，點(diǎn)擊“OK”按鈕。然后根據(jù)圖形要求重復(fù)步驟2、3、4。完成主軸的外輪廓的建立，如圖3-12所示。圖3-12 主軸的外輪廓 6）點(diǎn)擊應(yīng)用菜單WorkPlaneoffset WP

38、toGlobal Origin。使工作界面回到初使界面。圖3-13 回到初始界面圖7）重復(fù)步驟2)、3)、4)，根據(jù)數(shù)據(jù)完成主軸內(nèi)孔的繪制。然后再根據(jù)ANSYS中自帶的布爾運(yùn)算將主軸變成空心。選擇Main Menu: PreprocessorModelingOperateBooleansSubtractVolumes，選擇圖3-14建立的幾何體，使其成為一個(gè)整體。最終生成我們所需的模型。圖3-14 CK6140主軸實(shí)體模型3.4.5 劃分網(wǎng)格由于主軸的各節(jié)之間的尺寸過(guò)渡問(wèn)題，選用自由網(wǎng)格方式對(duì)軸體劃分網(wǎng)格。從主菜單中選擇Main Menu: PreprocessorMeshingMeshVol

39、umesFree命令，彈出對(duì)話(huà)框，點(diǎn)擊“Pick All”按鈕。完成網(wǎng)格的劃分如圖3-15所示：圖3-15 網(wǎng)格劃分結(jié)果第四章 主軸的溫度場(chǎng)分析4.1 機(jī)床熱變形理論4.1.1 熱平衡和溫度場(chǎng)機(jī)床一方面在工作時(shí)產(chǎn)生熱量，另一方面又向周?chē)l(fā)散熱量。如果單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量一定，則開(kāi)始時(shí)，機(jī)床溫度較低，與周?chē)h(huán)境之間的溫差小，散熱較小，溫度升高較快。隨著機(jī)床溫度的升高，溫差加大，散熱也增加。所以，溫度升高將逐步減慢，最后一定會(huì)達(dá)到某一溫度，這單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量等于散熱量，即達(dá)到了熱平衡。如果熱平衡溫度為，在升溫過(guò)程中，經(jīng)過(guò)時(shí)間（小時(shí)）與達(dá)到的溫度t之間的關(guān)系為10：（）（s）式中 時(shí)間常數(shù)（s）；

40、k 向周?chē)h(huán)境的散熱系數(shù)（W/）； A 散熱面積（）； c 比熱容（J/kg.）； m 發(fā)熱物質(zhì)的質(zhì)量（kg）。在各種條件不變的情況下，達(dá)到熱平衡的時(shí)間是很長(zhǎng)的。為方便起見(jiàn)，如果每小時(shí)的溫升不超過(guò)5，就認(rèn)為達(dá)到了熱平衡。這時(shí)的溫度就認(rèn)為是穩(wěn)定溫度。一般機(jī)床約需運(yùn)轉(zhuǎn)二至三小時(shí)，才能達(dá)到熱平衡。機(jī)床的溫度不可能是到處都相同的：熱源處溫度較高，其他地方溫度較低。機(jī)床上的熱源主要是電動(dòng)機(jī)、主軸軸承、高速運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌、液壓油池、液壓缸等。上述的穩(wěn)定溫度和溫升，指的就是熱源處的溫度和溫升。對(duì)于一般機(jī)床的主軸箱來(lái)說(shuō)就是主軸箱軸承處的溫度和溫升。JB2278-78規(guī)定了當(dāng)主軸以最高轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)達(dá)到熱平衡時(shí)的軸承溫度

41、和溫升，對(duì)于滑動(dòng)軸承，溫度不得超過(guò)60，溫升不得超過(guò)30；對(duì)于滾動(dòng)軸承，溫度不得超過(guò)70，溫升不得超過(guò)40。這是因?yàn)闇厣龑⒏淖兓瑒?dòng)軸承的間隙，溫升過(guò)高將導(dǎo)致間隙消失而“抱軸”。對(duì)于滾動(dòng)軸承，由于裝配時(shí)已預(yù)緊（有過(guò)盈），溫升后過(guò)盈加大，會(huì)使軸承進(jìn)一步發(fā)熱甚至損壞。機(jī)床主軸滑動(dòng)軸承的間隙很小，容許的間隙變化量更小，故滑動(dòng)軸承允許的溫升比滾動(dòng)軸承要低一些。溫度過(guò)高會(huì)使?jié)櫥偷恼扯冉档?，或是?rùn)滑脂融化流失，故還需規(guī)定機(jī)床的最高溫度。機(jī)床的熱量主要是從某幾個(gè)熱源發(fā)出的，所以熱源處溫度最高，離熱源處越遠(yuǎn)則溫度越低，這就形成了溫度場(chǎng)。通常，溫度場(chǎng)是用等溫線(xiàn)表示的。4.1.2 熱變形和熱應(yīng)力零件受熱膨脹有兩種

42、可能：一種是均勻的熱膨脹，一種是不均勻的熱膨脹。一般情況下，由于溫度不均勻和零件形狀復(fù)雜，熱膨脹是不均勻的。不均勻的熱膨脹對(duì)精度的影響比均勻熱膨脹更大。例如車(chē)床的主軸箱，主軸軸承的發(fā)熱使主軸軸線(xiàn)上升。如果前后軸承的溫升相同，則上升后的主軸軸線(xiàn)仍平行于溫升前的軸線(xiàn)；如果前軸承的溫度高于后軸承，則主軸軸線(xiàn)將向上傾斜。如果零件兩端受到限制而不能自由膨脹，則將產(chǎn)生熱應(yīng)力，它會(huì)影響工作條件。例如傳動(dòng)軸的兩端如果裝有圓錐滾子軸承，冷態(tài)時(shí)無(wú)間隙，工作一段時(shí)間后，由于箱體的散熱條件比較好，軸的溫度將高于箱體的溫度；熱膨脹使軸承內(nèi)產(chǎn)生軸向附加載荷，這個(gè)載荷又將使軸承進(jìn)一步發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞軸承。主軸滑動(dòng)軸承由于

43、軸瓦固定于箱體內(nèi)，散熱條件較好，因而溫度將低于軸頸，運(yùn)轉(zhuǎn)后間隙將減??；主軸滾動(dòng)軸承則因外環(huán)散熱條件優(yōu)于內(nèi)環(huán)，運(yùn)轉(zhuǎn)后過(guò)盈將加大。4.1.3 熱變形有限元法熱變形計(jì)算的有限元法的基本思路是，把部件分割為有限（一定）數(shù)量的單元。每一個(gè)單元的的溫度可以近似地看作是均勻的。這樣就可以用差分的原理，把描述熱傳導(dǎo)的復(fù)雜的偏微分方程簡(jiǎn)化為若干個(gè)線(xiàn)性代數(shù)方程，并且利用電子計(jì)算機(jī)，解出各個(gè)單元的溫度分布。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，就可以畫(huà)出等溫線(xiàn)。由于溫度的變化，每個(gè)單元都要產(chǎn)生熱變形。但是，單元又是整體的一部分，它是受約束的，不能自由變形。因此，在單元與單元聯(lián)接的節(jié)點(diǎn)上引起了熱應(yīng)力。把熱應(yīng)力看作是等效的外力，就可以求出在等

44、效外力作用下構(gòu)建的變形，也就是構(gòu)建的熱變形。這樣，就可以把熱變形的計(jì)算問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為靜剛度的計(jì)算問(wèn)題。 4.2 軸承發(fā)熱量計(jì)算4.2.1 計(jì)算主要理論軸承的發(fā)熱量主要是軸承的摩擦力矩引起的，軸承的發(fā)熱量可由下式計(jì)算式中，n 軸承轉(zhuǎn)速（rpm）； M 軸承摩擦力矩（Nmm）；軸承摩擦力矩又可以概括為兩部分負(fù)荷項(xiàng)和速度項(xiàng)之和。負(fù)荷項(xiàng)與上述第(1)、（2）、（3）項(xiàng)有關(guān)，它決定了起動(dòng)摩擦力矩和低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦力矩的大小，反映了彈性滯后和局部差動(dòng)滑動(dòng)的摩擦損耗。速度項(xiàng)與第（3）、（4）、（5）項(xiàng)有關(guān)，反映了潤(rùn)滑劑的流體動(dòng)力損耗。（Nmm）式中， 與軸承類(lèi)型和所受負(fù)荷有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)； 確定軸承摩擦力矩的計(jì)

45、算負(fù)荷（N）； 軸承中徑（mm）。當(dāng)運(yùn)動(dòng)粘度與轉(zhuǎn)速n的乘積大于2000時(shí)（Nmm）小于2000時(shí)（Nmm）式中， 與軸承類(lèi)型和潤(rùn)滑方式相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)； 工作溫度下潤(rùn)滑劑的運(yùn)動(dòng)粘度（對(duì)于潤(rùn)滑脂取基油的粘度）（cSt）。傳遞全功率的最低轉(zhuǎn)速處于低速傳動(dòng)組內(nèi)，所有動(dòng)力通過(guò)小齒輪以26：58的比例傳給主軸。車(chē)床的車(chē)削力中主切削力最大，其余兩個(gè)相比之下影響較小，所以忽略不計(jì)。其中Fr，F(xiàn)t分別表示主軸上大齒輪所受軸向力和切向力。F3表示刀具對(duì)工件的主切削力，T1表示由Ft產(chǎn)生的力矩，T2表示F3產(chǎn)生的扭矩11。主軸扭矩計(jì)算公式如下12： 其中T為主軸傳動(dòng)的扭矩，單位，P表示軸的計(jì)算功率，單位KW，n表示

46、主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，CA6140數(shù)控車(chē)床以1200r/min的正常轉(zhuǎn)速計(jì)算。機(jī)床電機(jī)功率P=7.5KW，取效率0.9，切削過(guò)程中，主軸平穩(wěn)，所以可以認(rèn)為處于平衡狀態(tài)，因此當(dāng)主軸以1200r/min傳遞功率時(shí)，動(dòng)力通過(guò)齒數(shù)58，f240mm的齒輪傳遞到主軸上，因此可由T1推導(dǎo)出13:切向力：軸向力：切削時(shí)，取工件半徑0.1m，由此估算主軸傳遞扭矩時(shí)的主切削力：計(jì)算得軸承支承處A、B、C三點(diǎn)的作用力為： 4.2.2 各軸承發(fā)熱量取滾動(dòng)摩擦系數(shù)：CA6140數(shù)控車(chē)床所用潤(rùn)滑油代號(hào)為：L-AN46，40環(huán)境下，運(yùn)動(dòng)粘度為41.4-56.6，取=2000則?。海∟mm）圖4-1 軸承承載部位（1） 后支撐選

47、用3015軸承（圖4-1 A）（Nmm）（Nmm）（2）中間支撐選用6216軸承（圖4-1 B）（Nmm）（Nmm）（Nmm）(W)（3）前支撐選用3012軸承（圖4-1 C）（Nmm）（Nmm）（Nmm）(W)計(jì)算出主軸系統(tǒng)各個(gè)軸承的發(fā)熱量，軸承A發(fā)熱量，B發(fā)熱量，C發(fā)熱量。將其作為熱載荷施加于主軸系統(tǒng)有限元模型的軸承體上，就可以進(jìn)一步計(jì)算主軸箱系統(tǒng)的溫度場(chǎng)。4.3主軸系統(tǒng)熱傳遞方式及性能參數(shù)確定查閱資料可知機(jī)床正常工作時(shí)溫升不超過(guò)40，溫升較小，輻射散失的熱量很小，因此只考慮熱傳導(dǎo)和對(duì)流兩種傳熱方式。需要確定的有限元模型的邊界條件和初始條件有：主軸前后體上的熱流率、主軸系統(tǒng)與空氣的對(duì)流換熱

48、、溫度分布初始條件以及機(jī)床主軸部件的熱傳導(dǎo)。機(jī)床主軸材料為45鋼，密度，比熱容,導(dǎo)熱系數(shù)為51.83W/(m)，彈性模量220GPa，泊松比0.3，熱膨脹系數(shù)為11.59e-6。1導(dǎo)熱系數(shù)：根據(jù)傳熱學(xué)理論，CA6140主軸材料為45鋼，導(dǎo)熱系數(shù)為51.83W/(m)。2對(duì)流換熱系數(shù)：主軸系統(tǒng)與空氣間的對(duì)流換熱問(wèn)題，可利用努謝爾特準(zhǔn)則方程計(jì)算。在強(qiáng)迫對(duì)流條件下，當(dāng)主軸以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，與空氣間的對(duì)流換熱系數(shù)可按下式計(jì)算： （）式中， 努謝爾特?cái)?shù)； 雷諾數(shù)，； Pr 普朗特?cái)?shù)； h 對(duì)流換熱系數(shù)； 空氣導(dǎo)熱系數(shù)； 主軸當(dāng)量直徑，； 主軸角速度； 空氣運(yùn)動(dòng)粘度。CA6140車(chē)床主軸轉(zhuǎn)速范圍為450

49、-1400rpm，取轉(zhuǎn)速為1200rpm時(shí)計(jì)算。查閱得：空氣普朗特?cái)?shù)：Pr=0.7 空氣導(dǎo)熱系數(shù)： 空氣運(yùn)動(dòng)粘度：得：雷諾數(shù)：則，努謝爾特?cái)?shù)：所以有：計(jì)算得，對(duì)流換熱系數(shù)h=50.8 W/(m)4.4主軸系統(tǒng)溫度場(chǎng)分布以環(huán)境溫度40，CA6140數(shù)控車(chē)床主軸導(dǎo)熱系數(shù)k為51.83W/(m)。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n=1200rpm時(shí)，計(jì)算得到對(duì)流換熱系數(shù)h=50.8 W/(m)。軸承A發(fā)熱量，B發(fā)熱量，C發(fā)熱量。在ANYSY中輸入相關(guān)參數(shù)如下：1) 從主菜單中選擇SolutionAnalysisNew Analysis，選擇分析類(lèi)型為Steady-State（穩(wěn)態(tài)）。如圖4-2所示。圖4-2 分析類(lèi)型對(duì)話(huà)

50、框2) 選擇圖4-1 中的A、B和C處得表面的所有節(jié)點(diǎn)并施加載荷，就A而言，選擇Utility MenuSelectEntities命令，出現(xiàn)Select Entities對(duì)話(huà)框，在第一個(gè)列表框中選擇Area選項(xiàng)，在第二個(gè)下拉列表中選擇By Num/Pick選項(xiàng)，再選擇From Full單選按鈕，單擊OK按鈕，出現(xiàn)Select Area菜單，點(diǎn)擊A表面。再選擇Utility MenuSelectEntities命令，出現(xiàn)Select Entities對(duì)話(huà)框，在第一個(gè)列表框中選擇Nodes選項(xiàng),在第二個(gè)下拉列表中選擇Attached to選項(xiàng)，在選擇Areas All單選按鈕，單擊OK。再選擇主

51、菜單SolutionDefine LoadsApplyThermalHeat FluxOn Nodes，如圖4-3所示，輸入計(jì)算所得的熱通量的值。再重復(fù)以上步驟，依次選擇B和C表面的所有節(jié)點(diǎn)施加同樣的載荷。圖4-3 表面節(jié)點(diǎn)選擇后施加載荷3) 對(duì)空心部分施加Convection載荷，按照步驟2的方法選擇主軸內(nèi)孔的所有節(jié)點(diǎn)，施加對(duì)流載荷，選擇主菜單SolutionDefine LoadsApplyThermalConvectionOn Nodes,如圖4-4所示。輸入相關(guān)參數(shù)。 圖4-4 主軸空心部分對(duì)流載荷施加對(duì)話(huà)框4) 求解。選擇主菜單選擇主菜單SolutionSolveCurrent LS

52、.計(jì)算機(jī)此時(shí)通過(guò)計(jì)算及分析，對(duì)車(chē)床主軸進(jìn)行了溫度場(chǎng)的分析。5) 查看結(jié)果。選擇主菜單General PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，出現(xiàn)Contour Nodal Solution Data對(duì)話(huà)框，如圖4-5所示，選擇Nodal Temperature.圖4-5 查看結(jié)果6) 最終計(jì)算得到主軸溫度場(chǎng)分布云圖。在環(huán)境溫度40，主軸轉(zhuǎn)速n=1200rpm工作時(shí) ，最低溫度是25，最高溫度是47，發(fā)生在軸和C軸發(fā)熱體連接處。如圖4-6所示。圖4-6 主軸溫度場(chǎng)分布云圖4.5本章結(jié)論在計(jì)算軸承發(fā)熱量過(guò)程中得到，軸承發(fā)熱量主要原因是軸承轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中潤(rùn)滑劑的流體動(dòng)力損耗有關(guān)，主軸的負(fù)荷（主要與起動(dòng)摩擦力矩和低速