基于热网络法的电主轴热结构耦合计算

为了更准确地对电主轴系统进行温度场的预测,建立了综合考虑接触热阻、轴承热变形和气隙变化等因素影响的热网络模型和热结构耦合热网络瞬态温度平衡方程(简称热平衡方程)。首先计算了接触热阻、轴承热变形、电机的定子与转子由于热变形导致的气隙变化以及电机与轴承的生热;然后选择电主轴主要部件作为温度节点,建立了电主轴系统的热网络模型及热平衡方程;最终通过MATLAB软件编程进行热平衡方程的求解,得到电主轴各主要部件的瞬态温度变化情况,通过不断更新接触热阻、轴承生热和电机生热等热特性参数,对电主轴进行温度和结构变形的耦合计算。计算结果表明:在达到平衡状态前,电主轴运转的时间越长,轴承的温度越高,轴承生热功率越低;电机温度随对流换热系数增高而降低;考虑热特性参数变化的热计算所得到的结果更加准确。通过与相同条件下的热结构耦合仿真结果进行对比表明,该热网络瞬态温度模型(热网络模型)可以正确预测温度场分布。     

基于分形理论的电主轴系统热态分布特性研究

分形理论中的Weierstrass-Mandelbrot(W-M)函数描述了微观接触表面的连续性、自相似性、自亲和性等数学特性,能够很好地考虑三种变形状态(弹性,弹塑性和塑性状态)下圆弧接触面之间的接触热阻.以分形理论为基础建立了电主轴系统的热阻网络模型,对电主轴系统的热态分布特性进行了相关研究.分别列出了电主轴系统的关键节点热平衡方程,分析节点的稳态和瞬态温度.分形参数识别试验和热传导试验验证了圆弧形接触面间接触热阻的准确性,电主轴系统的温升试验验证了热阻网络模型的准确性.结果 表明:电主轴系统各部件的温度在一定时间内迅速上升后趋于稳定;同时,分形维数D的升高将导致节点温度的降低;分形幅度系数G的升高会导致电主轴系统温度的升高.     

接触热阻效应下的数控机床主轴系统热态特性

为了更为精确地获取数控机床主轴系统的热态特性,基于W-M分形函数与赫兹接触理论获取主轴系统的接触热阻,并在综合考虑机床热源、传热系数计算等因素影响的情况下,建立了主轴系统热态特性分析模型。通过有、无加载接触热阻的主轴系统模型仿真分析与实验研究可知:有接触热阻的主轴系统热态特性模型相较于无热阻的有更高的精度。有接触热阻的主轴系统热态特性模型仿真结果与实验测点获得的温度结果最大绝对误差和相对误差分别1.25℃、4.74%,而热变形结果的绝对误差和相对误差分别为0.73μm、4.27%。该研究为数控机床的热设计与分析提供了参考。     

高速电主轴热特性建模与冷却系统参数优化方法研究

电主轴热变形是影响加工精度的主要因素之一，而热变形主要由电主轴温升引起，其中冷却系统是影响电主轴温升的关键因素。为了优化冷却系统关键技术参数，以某型号高速电主轴为例，建立了考虑主轴不同旋转面换热系数的热特性模型，提高了温度场和热误差的仿真精度，并进行了主轴不同转速的温升与热误差实验，验证了仿真模型的正确性；基于所建立的电主轴热特性仿真模型，利用正交试验法进行了冷却系统参数优化，冷却参数优化后的仿真实验结果表明，电主轴最高温度降低了2.0℃，热变形减小了25.76μm，为电主轴冷却系统优化提供了理论参考。     

多因素对电主轴热态特性的影响

为了精确表征电主轴运转过程中的热态特性,综合考虑热诱导预紧力与黏温效应的影响,建立了新的轴承生热动态模型,在热边界条件引入接触热阻的基础上,采用有限元方法得到主轴系统稳态温度场分布,并分析了主要因素对电主轴热态特性的影响。计算结果表明:接触热阻的存在使主轴系统整体温度梯度增加,比没有考虑接触热阻时的温升高;温升引起的热变形,不仅生成了热诱导预紧力而且增加了轴承的温升;为了降低轴承产热,低转速下应选用高粘度润滑油,低转速下应选用高粘度润滑油。     

考虑接触热阻的高速列车制动盘热机耦合行为分析

接触界面间存在的接触热阻对制动盘内部热流传递过程有重要影响，进而影响制动盘热机耦合仿真分析的准确性。通过建立考虑接触热阻的有限元模型，结合制动台架试验，系统分析某高速列车轮装制动盘在紧急制动过程中的温度分布、盘面变形、螺栓载荷以及螺栓孔边应力等热机耦合行为。结果表明，选定的接触热阻模型得到的仿真结果与台架试验结果在较大的速度范围内吻合较好。制动系统内的温度梯度导致制动盘体产生较大的热应力并发生离面变形，是导致螺栓载荷增大的主要原因。制动盘面螺栓孔边沿制动盘半径方向的0°和180°位置附近的周向应力变化量较大，且处在较高的平均应力水平，是最容易产生制动热疲劳裂纹的两个方向。     

角接触球轴承传热机理及其对高速电主轴性能的影响分析

在传热学的基础上,建立了接触区等效热阻的角接触球轴承传热模型,并用离散热节点的方法建立热阻网络模型,提出了根据热能量守恒建立热节点微分方程对节点温度进行预测的方法,采用有限元法对电主轴及其轴承温度场进行仿真,并探讨了电主轴转速对轴承接触区等效热阻的影响,以及等效热阻对电主轴温度场分布的影响。结果表明:轴承接触区等效热阻对电主轴温度场分布有较大影响,电主轴转速越高,轴承接触区等效热阻越大,轴承组件中的热梯度越大,在高速精密电主轴热设计中接触区等效热阻不可忽视。     

考虑结合面接触热阻的角接触球轴承温度场分析

在对滚动轴承摩擦学及传热学进行分析的基础上,计算了角接触球轴承的摩擦热,建立了考虑结合面接触热阻的角接触球轴承热传递模型。利用ANSYS获得了轴承的温度场,对比了在考虑接触热阻和不考虑接触热阻两种情况下角接触球轴承温度场的分布情况。结果表明:考虑接触面之间的接触热阻时,轴承的温度要略高于不考虑接触热阻时,且结合面的两表面之间存在温差。     

电主轴温度场与热变形的仿真与实验研究

以Setco 231A240型高速电主轴为研究对象,考虑了内置电机的损耗生热和轴承的摩擦生热,计算了电主轴各部分之间的传热系数,利用有限元软件Workbench建立电主轴有限元模型,分析得到了电主轴在不同因素影响下的温度场分布,基于电主轴热-结构耦合关系分析得到了温度影响下电主轴的热变形。仿真结果显示,较低转速下电主轴转子温度最高,转速对电主轴温度影响较大;电主轴头尾部热变形较大,主要为轴向变形。最后,将温度场仿真数据与实验数据对比,验证了仿真分析的准确性。     

液体静压电主轴系统热-结构耦合特性研究

对某液体静压电主轴系统进行热态特性研究,分析系统热源和散热方式,建立基于热-结构耦合的电主轴系统有限元分析模型,通过对电主轴系统进行热-结构耦合分析,得到某工况下电主轴系统的温度场和不同方向的热变形分布。结果表明:电主轴系统的最高温度出现在主轴前轴承处;电主轴系统轴向最大热变形出现在主轴前端砂轮安装处,沿径向的热变形偏大,影响加工精度。     

液体静压主轴热态特性多物理场耦合仿真与实验研究

液体静压主轴在加工过程中受热源影响发生热变形,会影响机床加工精度。针对一种超精密卧式辊筒加工机床的液体静压主轴,建立主轴生热与散热的理论模型,采用有限体积法与有限单元法建立主轴的流-热-固耦合仿真模型,考虑油膜区域散热条件,分析主轴工作到稳态下的温度场以及产生的轴向热误差,并通过试验验证仿真模型的正确性和准确性。应用该模型分析主轴转速、供油压力、液压油黏度、油膜间隙以及轴向封油边长度对主轴温升的影响。结果表明,主轴温升随主轴转速、液压油黏度、封油边长度的增大而增大,随供油压力、油膜间隙的增大而减小。因此,在满足主轴性能的前提下,使用较低的主轴转速、较大的供油压力,选择小黏度的液压油、较大的油膜间隙以及较短的封油边长度可以有效地降低主轴的温升。     

高速电主轴热态特性仿真分析

在分析电主轴温度场理论的基础上,建立某高速磨床电主轴系统的有限元模型,计算了电主轴热特性分析的边界条件,利用有限元软件ANSYS Workbench分析其热态特性,得到了主轴系统的稳态温度场分布和热变形情况;同时分析计算了不同转速对主轴系统温升及热变形的影响.结果表明:主轴转速越高,相应主轴单元的温升变化及主轴热变形也越大.此分析为改善电主轴温度场分布及减小热变形提供了理论依据.     

150MD24Z7.5型电主轴动态误差和热变形实验研究

电主轴的动态误差和热变形是影响数控机床精度的重要指标,其对定位精度和工件表面加工质量的影响尤为显著。采用主轴误差分析仪,对150MD24Z7.5型主轴的各项动态误差及各方向的热变形量进行实验研究。通过试验结果数据分析,获得了主轴系统在不同转速下的同异步误差、热平衡时间及不同方向的热变形量等,为主轴动态误差补偿和热变形智能预测提供了准确的数据支撑。     

Dynamic modeling for thermal error in motorized spindles

This paper proposes a new modeling methodology to predict thermal error in motorized spindles. The dynamic model predicts thermal errors that are caused by deformation in the motorized spindle structure due to heat flow from internal sources. These thermally induced errors become more serious and dominate the total error when it comes to high speed and high precision. If these thermal errors can be predicted, they can be compensated in real time. In this paper, a new thermal errors model (ARX model) is presented which capitalizes on the notion that the motorized spindle thermoelastic system has very complicated dynamics. Furthermore, the selection principle of temperature key points, which are indispensable for building a robust thermal error model, is provided using the thermal error sensitivity technology. At last, an experiment on the thermal error in a motorized spindle is conducted to verify the effectiveness of the ARX model, the experimental results show that above 80 % of axial thermal errors are predicted for a variety of motorized spindle cycles and the dynamic model has good accuracy and robustness.     

基于FANUC 31i的主轴热变形补偿方法

主轴高速旋转时,主轴轴承内外环高速摩擦产生大量热量,这些热量使主轴轴向和空间姿态发生变化,产生热伸长、热倾斜和热漂移等形变,这些形变又引起刀具与工件相对位置发生变化,导致工件加工精度变差。采用五点测量法对这些形变量进行测量,生成主轴温升与热变形的误差曲线,再根据误差曲线编制数控系统可执行的C语言热补偿程序或PMC热补偿程序,数控系统根据温差变化自动更新外部机械原点偏移量,纠正刀具与工件的相对位置偏差,可有效减小主轴热变形引起的误差,提高工件加工精度。     

基于信息粒化支持向量机的主轴热误差综合预测模型

主轴热变形是影响数控机床加工精度的主要因素。为提高主轴热误差的预测精度,提出了基于信息粒化支持向量机(SVM)的主轴热误差综合预测模型。使用信息粒化方法对采样温度数据与主轴热误差数据进行预处理,分别建立基于SVM的主轴热误差的回归预测模型和时间序列模型,通过计算两个模型权重系数,最终建立主轴热误差综合预测模型。以2MZK7150五轴数控可转位刀片工具磨床为研究对象,实验表明,较之于单一模型该模型具有良好的泛化能力和较高建模精度。     

超精密光学磨床主轴的温度场分布及其优化设计

为了提高所设计的超精密光学磨床精度和提高温度场分析的准确性,利用有限元分析软件ANSYS和热力学理论,分析了超精密光学磨床主轴的温度场分布。首先,建立自由电子气模型,计算出自主设计的超精密光学磨床主轴材料的热导率;进而研究分析不同结构、不同环境下机床主轴的温升规律;最后,提出了基于热力学分析结果的一系列主轴结构优化方法,采取对主轴和点接触件进行优化设计,减小热源与主轴之间的接触面积等方法,减小机床主轴的热变形,从而提高超精密光学磨床的精度。     

高速加工中心电主轴热态特性研究

高速加工过程中,由电机生热及滚动轴承的摩擦生热而引起的电主轴的温升及热变形是影响加工中心精度的关键因素.对高速加工中心电主轴的热态特性进行了分析研究,详细论述了电主轴内部两大热源的生机理以及电主轴单元的传热机理最后总结并提出了改善电主轴单元热态特性的措施.     

Thermal influence of the Couette flow in a hydrostatic spindle on the machining precision

Hydrostatic spindles are increasingly used in precision machine tools. Thermal error is the key factor affecting the machining accuracy of the spindle, and research has focused on spindle thermal errors through examination of the influence of the temperature distribution, thermal deformation and spindle mode. However, seldom has any research investigated the thermal effects of the associated Couette flow. To study the heat transfer mechanism in spindle systems, the criterion of the heat transfer direction according to the temperature distribution of the Couette flow at different temperatures is deduced. The method is able to deal accurately with the significant phenomena occurring at every place where thermal energy flowed in such a spindle system. The variation of the motion error induced by thermal effects on a machine work-table during machining is predicated by establishing the thermo-mechanical error model of the hydrostatic spindle for a high precision machine tool. The flow state and thermal behavior of a hydrostatic spindle is analyzed with the evaluated heat power and the coefficients of the convective heat transfer over outer surface of the spindle are calculated, and the thermal influence on the oil film stiffness is evaluated. Thermal drift of the spindle nose is measured with an inductance micrometer, the thermal deformation data 1.35 μm after running for 4 h is consistent with the value predicted by the finite element analysis's simulated result 1.28 μm, and this demonstrates that the simulation method is feasible. The thermal effects on the processing accuracy from the flow characteristics of the fluid inside the spindle are analyzed for the first time.