基于接触热阻的主轴热特性有限元分析

第25卷第2期机电工程Vol. 25 No. 22008年2月MECHANICAL ELECTRICAL ENGINEERING MAGAZINEFeb.2008基于接触热阻的主轴热特性有限元分析曹骏,胡佩俊,应济(浙江大学现代制造研究所,浙江杭州310027)摘要:在考虑了轴承、主轴和箱体接触区域的接触热阻影响的基础上,利用大型有限元分析软件ANSYS对某型号机床的主轴系统进行了溫度场建模,并综合分析了整个系统的热态特性。论述了热源和边界条件等因素的计算方法,考虑了以往建模时较少考虑的接触热阻因素,对模型在有、无热阻两种情况下进行了分析、对比。对比结果表明,接触热阻对系统的影响是显著的,对于精密机床的研究,建模时不应忽略这一重要因素。关键词:接触热阻;有限元分析;热特性中图分类号:TG502.15文献标识码:A文章编号:1001-4551(2008)02-0020-03Finite element analysis of spindle thermal character based on thermal contact resistanceCAO Jun, HU Pei-jun, YING JiManufacturing Research Center, Zhejiang University, hangzhou 310027, China)Abstract: Considering the influence of thermal contact resistance at the contact area of bearing, spindle and headstock,athermal model of machine tool spindle system was built and its thermal characters were analyzed synthetically in ANSYS. Thecalculation methods of heat source and boundary conditions were discussed, and the model was anlyzed and compared with orwithout thermal resistance, in terms of the factor of thermal contact resistance which is usually ignored. The result indicates thatthe influence of thermal contact resistance on the system is obvious. In the research of precision machinery, the factor has to beonsideredKey words: thermal contact resistance; finite element analysis(FEA); thermal character0前言特性分析上作了很多的尝试和创新,试图建立完善的计算模型以取得精确的结果。但是在这些研究中,大当前,随着制造业的发展,精密及超精密加工已经多没有考虑接触热阻对系统的影响,这种情况下得到成为各工业发达国家为加快经济发展采用的重要手段的计算结果无疑与实际值存在差距,因为未考虑热阻之一,作为精密加工技术发展的重要指标之一,精密机条件下相当于两接触面间热导为无穷大,根本没有任床的开发和制造一直受到各国学者的重视。在影响机何热损失存在。本研究中将考虑接触热阻对模型结果床加工精度的因素中,温升所带来的热变形是主要原的影响。因,约占整个加工误差的40%-70%,而主轴系统在主轴系统中有很多的结合点处,例如轴承和主作为直接参与加工过程的重要部分,其精度将极大程轴的界面,轴承和轴承座,箱体和机体等。当热流通过度地关系到加工质量的好坏。因此,有必要对机床主两相互接触的表面时,实际用来支撑机械载荷的面积轴系统的热变形作深入的研究和分析。仅是理论接触面积的一小部分(约为1/1000),而大本研究主要介绍基于接触热阻的主轴热特性有限部分是通过实际接触的离散接触点实现的,这种由于元分析表面接触不完全而导致热流线收束、在交界面产生明1接触热阻计算显的成的拉阳被为接触热阻(如图1所示)。中国煤化工性能中扮演着很重要近年来,也有不少学者在对主轴及主轴系统的热的角CNMHG高精度加工技术方收稿日期:2007-08-01作者简介:曹骏(1983-),男,安徽宣城人,主要从事精密机械方面的研究。第2期曹骏.等:基于接触热阻的主轴热特性有限元分析屡当>3.33×10-3m2·r/s2时:M2=10f(tn)2d2(5)当2时M2=160×10%d(a)按触表面形貌b)按触面温度降示意图式(3)~式(5)中∫1一与轴承类型和所受负荷有关的系数;P1一确定轴承摩擦力矩的计算负荷,f和p1皆图1接触热阻的形成机理可以通过查阅资料获得;dn一轴承中径;n-轴承转显得尤为重要。速;-在工作温度下润滑剂的运动粘度f6-与轴承自前苏联科学家 Kapitza研究低温下液氮和固体类型和润滑方式有关的常数。表面间的热阻以来,人们对固体表面间的接触热阻进从上面的公式可以看出,轴承的生热率与润滑剂行了广泛的研究。但是大部分研究都仅限于特定情况的流动速度有关,而随着温度的升高润滑剂的流动速(如真空环境下、低温环境下),而直接测量又并非轻度会降低,必将导致轴承生热率的升高轴承的温升曲而易举,所以工程技术人员一直想探求一种易于使用线,如图2所示。的理论方法或者半经验方法。在文献[2]中,通过实验和有限元方法验证了几种接触模型的比较,给出了接触热阻的近似计算公式:R,(1)+k2A2+k3A3式中h,表面粗糙度;A1、A2、A3一接触面材料和间隙物质的传热系数;k1、k2、k3一待定系数,由接触面实际情况决定。2计算参数和边界条件图2轴承的温升曲线本研究中的主轴系统主要由主轴、主轴箱、前后轴所以给定的轴承生热率也不是常量,而是变量。承、轴承盖等主要部件组成,在三维软件Pro/E中建好(3)换热系数的确定模型,然后导入 ANSYS9.0中,忽略模型中倒角等微采用怒谢尔特准则方程计算。在强迫对流条件下小结构。在 ANSYS9.0中建立有限元模型,整个模型当主轴以一定的转速旋转时,与空气间的对流换热系拥有46932个实体单元对于模型的热源和边界条件数可按下式计算:的计算,大多按下面的半经验公式进行(1)确定导热系数。d对于主轴和箱体其导热系数分别取5183W/(m式中a-零件表面与空气间的对流换热系数;kan℃)和46.81W/(m:℃)。空气的导热系数;当对流换热发生在圆柱表面时,d(2)热源计算。该柱面的直径。对于主轴系统来说,主要热源就是前后端的轴承,不同条件下,怒谢尔特数N可由雷诺数Re和普对于轴承发热,有统一的计算公式“:朗特数Pr求得。在本研究条件下,怒谢尔特数N为:Hr=1.047×10nM(2)N.=0.133Re2Pr1(8)式中n一轴承转速;M—轴承摩擦力矩。式中,Re<4.3×103,0.7