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1、基于有限元方法的数控铣床整机热特性分析hanjuan导语：XK717数控铣床主轴及主轴箱部件是温度和热变形最为严重的部件摘要:使用有限元方法,对新设计的XK717数控铣床进展了整机热特性分析,并与XK510数控铣床成熟产品的分析结果进展比拟,根据比拟结果,找出XK717数控铣床热特性的薄弱部件,进而为进步XK717数控铣床的整机热特性指明了改良的方向.关键词:热特性;有限元;数控铣床在机械加工中,工艺系统在各种热源摩擦热、切削热、环境温度、热辐射等的作用下,产生温度场,致使机床、刀具、工件、夹具等产生热变形,进而影响工件与刀具间的相对位移,造成加工误差,进而影响零件的加工精度.根据英国伯明翰大
2、学J.Pe2clenik教授调查统计说明,在精细加工中,热变形引起的制造误差,占总制造误差的40%70%.所以,怎样减少热变形,进步加工精度,是机床设计中非常棘手和重要的问题.目前,有很多学者通过试验和理论分析,对机床的热变形进展研究.如浙江大学,对弹性热接触问题用有限元方法进展研究,而且对有限元系统进展开发,并应用于TKA6916数控落地铣镗床的构造优化上,获得了一定的成果1.Okuyama等人,通过实验测量了在平面研磨机工作经过中,砂轮主轴和工作台的相对热位移,并使用有限元方法对研磨机的热变形进展理论研究,结果说明理论与实验结论相一致2.Moriwaki等人通过实验和有限元方法研究了由于环
3、境温度变化引起的热变形对加工中心的影响3.本文将通过有限元方法,对新设计的XK717数控铣床进展整机热特性分析,并与XK510数控铣床成熟产品的分析结果进展比拟,根据比拟结果,找出XK717数控铣床热特性的薄弱部件,进而为进步数控铣床的热特性指明了改良的方向.1整机有限元模型考虑到XK717数控铣床的构造相当复杂,为了便于有限元分析,对其构造进展适当的简化.并采用20节点体单元SOLID95进展网格划分,整机有限元模型如图1所示.2分析条件XK717数控铣床的主轴系统前支承采用7020C轴承,成对串联、开口朝下安装,中间支承也采用7020C轴承,成对串联、开口朝上安装,设计预紧力为500N,后
4、支承采用7018C轴承,成对背靠背安装,设计预紧力为200N,轴承布置如图2所示.对于典型的铣削工艺,使用立铣刀高速钢直径为40mm,齿数为Z=6,对碳钢进展加工,其铣削深度asubp/sub=20mm,铣削宽度asube/sub=2mm,每齿进给量asubf/sub=0.01mm,转速为3500r/min,假设工作台上的能量沿X方向的分布,如图3所示.并假设被工作台吸收的总能量为切削能量的10%.根据这些条件可计算出热分析的边界条件,详细的计算方法见文献4.机床各局部材料特性如表1所示.3结果分析图4为主轴转速在3500r/min时,XK717数控铣床整机温度场云图.从图中可以看出,铣床温度
5、比拟高的部位在主轴的前支承部位;前、中、后支承的平均温度值分别为62.13,57.44,45.35.图5为XK717数控铣床整机热变形云图,从图中可以看出,主轴箱前面局部热变形比拟严重,而主要影响加工精度的主轴前端面平均热变形量为0.143mm.align=center/align图6、图7分别为在一样仿真条件下,XK510数控铣床的温度场和热变形场的云图.前、中、后支承的平均温度值分别为52.7,52.71,36.5,而主轴前端面平均热变形量为0.062mm.通过比拟可知,XK717数控铣床的轴承温升比XK510数控铣床的温升要高,而主轴前端面热变形量大2倍多.这主要是由于:align=ce
6、nter/align1XK717数控铣床的轴承个数多,前、中、后各2个,共6个,而XK510铣床只有4个,前支承两个,中、后支承各1个;2XK717铣床是大型数控铣床,主轴直径为0.1m左右,而XK510铣床只有0.065m,这就说明在选择轴承时,新设计的XK717数控铣床的轴承尺寸要比原铣床的大的多.上述2个原因直接影响到数控铣床轴承的发热量,进而影响到轴承的温升和主轴的热变形.由于XK510数控铣床是成熟产品,在使用中,加工精度一直比拟高,而分析结果说明新设计的XK717数控铣床热变形精度明显没有XK510数控铣床的精度高.因此,很有必要对XK717数控铣床采取一些措施,来减少机床的热变形.从结果云图可以看出,主轴及主轴箱部件是影响主轴热变形的关键所在.4结语通过对新开发设计的XK717数控铣床进展整机热特性分析,并与XK510数控铣床的结果进展比拟,结果说明XK717数控铣床的热变形精度没有原铣床的精度好,并且对其原因进展了分析,而且从结果云图中可以看出,XK717数控铣床主轴及主轴箱部件是温度和热变形最为严重的部件,因此,应采取相应的措施来进步主轴和主轴箱部件的热特性.0