基于接触热阻的高速精密电主轴热特性分析 基于接触热阻的高速精密电主轴热特性分析

基于接触热阻的高速精密电主轴热特性分析

  • 期刊名字:北京工业大学学报
  • 文件大小:260kb
  • 论文作者:刘志峰,马澄宇,赵永胜,方翠
  • 作者单位:北京工业大学先进制造技术北京市重点实验室
  • 更新时间:2020-09-03
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论文简介

第42卷第1期北京工业大学学报Vol. 42 No. 1JOURNAL OF BELJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYJan.2016基于接触热阻的高速精密电主轴热特性分析刘志峰,马澄宇,赵永胜,方翠(北京工业大学先进制造技术北京市重点实验室,北京100124)摘要:主轴系统热冋题是高精度杋床必须要考虑的关键冋题,接触热阻的大小影响机床的传热性能,从而影响其加工精度,利用表面接触的分形理论,计算接触面的量纲一的接触面积,针对接触微凸体的热阻由基体热阻和收缩热阻形成接触对,建立了一个考虑接触界面基体热阻和收缩热阻的表面接触热阻模型,讨论了不同的分形参数对接触热阻的影响.以立式加工中心电主轴系统为研究对象,分析了电机的损耗发热和轴承的摩擦发热,运用有限元软件对电主轴模型在有无接触热阻2种情况下的稳态温度场和稳态热变形进行仿真分析.讨论了有无热阻情况下电主轴温度和变形变化量,论证了接触热阻对电主轴热温度场和热变形的影响.结果表明:电主轴考虑接触电阻时温度将升高,变形将增加关键词:接触热阻;电主轴;分形;热特性中图分类号:TH161.4文献标志码:A文章编号:0254-0037(2016)01-0017-0doi:10.11936/ butch2015050085Analysis of High Speed Motorized Spindle Thermal CharacteristicsBased on Thermal Contact ResistanceLIU Zhifeng, MA Chengyu, ZHAO Yongsheng, FANG CuiBeijing Key Laboratory of Advanced Manufacturing TechnologyBeijing University of Technology, Beijing 100124, ChinaAbstract: The spindle system heat problem is a key problem that must be considered for high precisionmachine tool. The thermal contact resistance( TCR) affects the heat transfer performance of a machinetool, which affects the machining accuracy. In this paper, a model considerating the bulk resistance andhrink resistance surface of tcr was established by using the fractal theory of the contact surface. motorheat and bearing friction heat in a vertical machining center motorized spindle system were analyzed. Incase of considering TCR and without considering TCR, steady state temperature field and the steady statethermal deformation were analyzed. Results demonstrate the importance of TCr to the problem thermalcharacteristics of motorized spindle. The temperature will be higher and the deformation will be seriouswhen tcr is consideredKey words: thermal contact resistance(TCR ); motorized spindle; fractal; thermal characteristics随着机械工业的高速发展,对机床的加工精度电杋发热和轴承摩擦发热对高速高精密机床的影响要求越来越高.电主轴虽然对传统机械主轴而言刚更中国煤化工善和提高机床的加工度较髙、力学性能较好、弹性变形较小,但电主轴的精CNMHG具有重要意义.在机收稿日期:2015-05-27基金项目:国家自然科学基金资助项目(51375025);北京市自然科学基金资助项目(3132004作者简介:刘志峰(1973-—),男,教授,主要从事数字化设计与制造、制造信息化与信息管理系统方面的研究,E-mail:t@北京工业大2016械结构设计等领域中,接触热阻是很重要参数之一,所有尺度上的不规则性;γ为大于1的常数,对于服其取值是否精确直接关系到机械结构的内部传热的从正态分布的随机表面,γ=1.5较符合高频谱密度效率、因此,通过研究粗糙表面的接触热阻对电主轴系和相位随机的情况;n为空间频率序数;γ"为轮廓曲统热特性的分析从而保证机床精度具有实际意义线的空间频率,对应于粗糙表面波长An的倒数2009年, Chang等提出了一种比热结构耦合(y=1/);m是与曲线结构的最低截止频率相对应模型更为直接的位移测量系统,可更精确地监控和的序数,n1依赖于取样长度L,可由y"=1/L确定补偿高速电主轴系统的热增长.2010年, Hookup当粗糙表面与刚性光滑表面接触时,界面上存等对滚动轴承提出了基于有限元方法的热结构在无数大小不等的接触点并且接触点尺寸越小其数耦合模型,并实验验证了热结构主轴模型的温度分量就越多.结合面接触示意图如图1所示布和热变形,以及在制定工作环境下的轴承的刚度和接触载荷.2012年, Uhlmann等3考虑高速电主粗糙表面刚性接触平面轴各部件间的热源、接触、对流等复杂的热边界条2件,提出了三维有限元模型来预测高速电主轴的热行为,并进行了实验验证.分形接触热阻模型方面,Ⅻu等结合分形接触理论和经典热传递理论,基于图1粗糙表面与刚性平面相互接触W-M函数的改进MB分形接触模型,建立了一定假Fig. I Rough surface contact with rigid plane设条件下的结合面接触热阻模型,并推导出具有尺度独立性的接触热阻理论解析公式.姬翠翠等56由W-M函数可得微凸峰截面积的分布函数为采用三维W-M分形函数模拟粗糙表面,综合考虑接(2)触微凸体的弹性、弹塑性和塑性3种变形形式建立了预测接触界面热导的分形模型.Zou等基于式中:a为微凸峰变形后的截面积;为微观接触的分形理论建立了一个计算接触表面间接触热导的随域扩张系数;a1为最大微凸峰截面积机模型根据文献[9-10],微观接触的域扩张系数为本文考虑了微凸体间的基体传热和收缩传热220-(1+-3)-2(3)种传热途径,建立接触热阻分形模型,计算了主轴轴承系统的热边界条件,运用有限元分析软件对立式加工中心电主轴在有无接触热阻的条件下分别进行则小区域内实际接触面积A可得了温度场和热变形分析与验证A= n(a)ade(4)1粗糙表面的分形热阻模型根据弹性力学可知,最大微凸峰截面积a′和接触面积之间存在关系式a=2a1.1分形表征由分形模型,临界微凸体接触面积可给出具有分形特征的粗糙表面的轮廓曲线可用能够生成分形曲线和曲面的著名的 Weierstrass-HMandelbrot函数(简称W-M函数)来模拟生成.试2A样长度L必须小于一个临界值L,这样才能反映出式中:H为两接触材料较软的硬度;E为复合弹性模微凸体高度的微观特征,所以对于小区域长度LWM函数可写为量E EI ExE1、E2、t1、32分别为两接触材料量和泊松比z(x)=Lla时,有的微(1)凸体发生塑性变形,有的微凸体发生弹性变形式中:z(x)为粗糙表面轮廓的高度;x为粗糙表面轮对于小区域长度L上的量纲一接触面积A,即廓的位移坐标;G为分形粗糙度参数,反映x(x)幅实际接触面积A与名义接触面积A的比,可给出值的大小;D为轮廓分形维数,定性反映表面轮廓在当a1

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