可控预紧高速电主轴热力耦合建模研究.pdf

第 期 年 月组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 .文章编号:():./.收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()辽宁省应用基础研究计划项目(/)辽宁“百千万工程人才工程”培养经费资助项目()作者简介:李颂华()男教授博士研究方向为精密与超精密加工、智能电主轴等().通信作者:王永华()女讲师硕士研究方向为高速全陶瓷轴承优化设计高速电主轴全陶瓷轴承动力学特性().可控预紧高速电主轴热力耦合建模研究李颂华裴家兴王永华王伟楠(沈阳建筑大学.机械工程学院.高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室沈阳)摘要:为研究可控预紧高速电主轴在运行过程中力学与热态性能提出一种基于多软件平台联合的热力耦合建模方法 在进行轴承拟静力学建模时考虑离心膨胀、热变形以及载荷的多因素影响根据电主轴热源与换热条件进行温度场 有限元建模并基于.与 混合编程以及 二次开发技术建立了可控预紧高速电主轴热力耦合模型并进行了有效性验证和仿真分析 结果表明该模型准确性可以满足要求在可控预紧下轴承工作预紧力随径向载荷与转速的增加而增大径向刚度及主轴热伸长量均随初始预紧力的增加而提高对轴承施加合理的预紧力有助于提高主轴加工性能关键词:可控预紧电主轴热力耦合拟静力学中图分类号:文献标识码:(.):.:引言电主轴作为高档数控机床的重要部件其动态与热态性能对加工质量与工作效率有直接影响 角接触球轴承作为支撑主轴的关键性部件其运行状态与使用寿命是影响电主轴性能的重要因素 通过对轴承进行合理预紧不仅可以提高刚度和减少振动噪声还能够抑制高速运转时滚动体打滑降低摩擦产热延长使用寿命 在主轴运行阶段电主轴力学特性决定着其内部生热机理与边界条件同时不均匀温升产生的热预紧又进一步引起接触状态的变化这是一个复杂的耦合过程而预紧力是力学特性与热态特性产生交互耦合的桥梁 因此为了研究可控预紧技术建立电主轴热力耦合模型是十分必要的对于主轴的热力耦合特性相关的工作许多学者做出了一定研究 胡腾等考虑了角接触球轴承的生热机制和边界条件基于多软件协同计算平台进行热力耦合建模并分析了热诱导预紧力的变化规律以及对轴承运行刚度的影响 等利用所建的主轴热力学模型分析了主轴静态刚度和热变形对主轴加工精度的影响状况 周子超等通过建立机床主轴系统热力耦合模型分析了温升对热诱导预紧力和刚度的影响 康跃然等通过分析主轴内部各参量之间相互耦合作用建立了考虑热诱导预紧力等因素的电主轴热力耦合计算方法并分析了电主轴的热特性 等提出了一种高速电主轴热力耦合动力学建模方法并基于所建模型讨论了主轴热变形对动态特性的影响在上述研究中轴承预紧方式为定压或是定位预紧但有关可控预紧方式下电主轴的性能仍有待研究为此在充分考虑预紧力相关的耦合因素前提下进行轴承拟静力学建模时考虑离心膨胀、热变形以及载荷多因素影响同时根据电主轴热源与换热条件建立电主轴 语言的温度场有限元模型最后基于.与 混合编程以及 二次开发计算将拟静力学模型与有限元模型进行结合建立了可控预紧高速电主轴热力耦合模型并仿真分析了轴承工作预紧力、运行刚度以及主轴热伸长量的变化规律 该研究可为预紧力可控技术的发展提供技术支撑 多因素影响的轴承拟静力学模型.轴承预紧力耦合因素影响分析轴承预紧力的影响因素及耦合关系如图 所示图 轴承预紧力影响因素及耦合关系对于可控预紧方式将初始预紧力作为控制变量载荷以及转速等工况条件作为输入变量 主轴在高速运转阶段离心效应使内圈产生径向离心位移主轴内部不均匀温升也会导致轴承内外圈产生径向与轴向的相对热位移在加工时还会承受载荷变化在以上因素的共同作用下使得滚动体与内外圈接触参数发生变化进而改变工作预紧力 同时工作预紧力的变化又会进一步影响轴承生热量改变其力学特性因此在这个交互耦合过程中预紧力起着至关重要的连接作用基于以上分析建立考虑离心膨胀、热变形及载荷变化的多因素影响的轴承拟静力学模型.多因素影响下的轴承拟静力学模型建立.轴承几何位置关系可控预紧方式的轴承结构参数变化分析如图 所示 通过调节施加在外圈的预紧力 改变轴承的轴向压入量 由于内圈、主轴与隔圈间存在位移约束在运转过程中 始终保持不变图 可控预紧方式下轴承结构变化滚动体与沟道曲率中心位置如图 所示 当处于静止状态下 个中心处于同一直线上高速运转时外圈沟道曲率中心位置恒定滚动体受到离心力的作与内、外圈的接触角分别变为、图 滚动体与沟道曲率中心位置.轴承的离心膨胀与热变形轴承内圈在高速旋转时的径向离心膨胀位移 计算公式为:()()()式中:为轴承内径为内圈沟道直径 为轴承钢的密度 为角速度 为弹性模量 为泊松比在电主轴的热效应的作用下轴承温度升高而滚动体和内、外圈表面温度通常存在差异因而轴承内外圈会产生轴向和径向的热变形通常采用以下公式计算热变形:()式中:为热膨胀系数 为温升为零件直径.考虑离心效应和热变形的变形协调方程考虑离心膨胀与热变形作用沟道曲率中心与滚动体中心的几何关系为:(.)(.)()式中:为内圈沟道曲率中心的轨迹半径、分别为轴向和径向热变形 为角变形为滚动体热变形后直径和 分别为内外圈接触变形根据勾股定理可得:()()().滚动体和内圈受力平衡方程图 所示高速运行时滚动体受力平衡方程为:()组合机床与自动化加工技术 第 期图 滚动体受力平衡图根据轴承内圈平衡条件则有:()()()()以上公式参数说明可参考文献基于以上理论应用 软件对上方程进行编程建模求解后可获得轴承接触变形参数进而求得轴承刚度 运转状况下轴承实际工作预紧力的大小可由式()求得:()().轴系结构参数电主轴在加工过程中工件会对主轴前端产生切削载荷仅研究径向切削载荷对主轴性能的影响轴系结构等效模型如图 所示各轴段参数如表 所示电主轴前后分别采用两对型号为 和 的角接触球轴承结构与材料参数如表 所示图 轴系结构等效模型表 各轴段参数()轴段编号轴段直径轴段长度表 轴承结构与材料参数轴承型号内径/外径/滚动体/滚动体个数接触角.轴承型号内沟道曲率半径外沟道曲率半径弹性模量/密度/()泊松比.基于 的电主轴温度场有限元建模.电主轴生热电主轴的生热主要来自内置电机与前后轴承 内置电机的生热量与机械损耗和电磁损耗有关 轴承的生热量则主要来自滚动体与内外圈滚道之间的摩擦.电机生热计算电机生热量中转子占近/定子占近/考虑到感应电机的负载有如下关系:()()式中:为电机效率为输入有效功率为总损耗功率 为功率因数.轴承生热计算高速运转下轴承生热量 可由式()计算:.()式中:为摩擦力矩 润滑剂的粘性产生的粘性摩擦力矩:()/()式中:与轴承设计类型和润滑有关取 为润滑剂黏度为轴承中径轴承载荷作用产生的摩擦力矩:()式中:与轴承结构和载荷有关为计算轴承载荷.电主轴换热类型电主轴换热类型主要为固体表面与流体间的对流换热如图 所示主要发生在:.轴端和外部空气之间.轴承和压缩空气之间.气隙和压缩空气之间.定子和冷却水套之间.壳体和外部空气之间具体换热系数计算方法可参考文献图 电主轴边界散热方式.基于 语言的电主轴温度场有限元建模 是由 提供的一种可以通过编写命令流的方式实现参数化建模、求解、后处理等功能的语言 首先将 建立/电主轴模型转换成.格式文件使用 命令导入 命令定义单元属 性 命 令 定 义 材 料 属 性 使 用 和 命令划分网格 将热载荷与边界散热参数设置为变量通过不断改变参数以实现模型动态输入使用 和 命令施加载荷 载荷施加完毕使用设置求解器条件并 命令进行求解使用 命令进入通用后处理获得温升及热变形云图以及关键点温升数据 基于.电主轴热力耦合建模.电主轴热力耦合模型结构组成建立如图 所示的可控预紧高速电主轴热力耦合模型 基于前文分析载荷与转速作为模型输入初始预紧力为控制变量运行刚度、热伸长量作为输出并将工作预紧力、温升等中间变量进行保存运算 年 月 李颂华等:可控预紧高速电主轴热力耦合建模研究图 可控预紧高速电主轴热力耦合模型组成.电主轴热力耦合计算流程电主轴热力耦合计算流程如图 所示 根据设定工况条件计算初始状态下生热量和热边界参数然后通过电主轴温度场有限元模型获取节点温度并计算热变形同时根据转速计算离心膨胀量将以上计算结果带入由式()式()组成的非线性方程组通过迭代求解获得工作预紧力并对初始条件进行更新 每次迭代结束时输出节点温升直至主轴系统温升满足收敛即可认定系统达到平衡图 可控预紧高速电主轴热力耦合计算流程.基于.的热力耦合建模热力耦合模型的建立需要使用 求解非线性方程组以及对 命令流文件的不断更新利用 平台基于.与 混合编程以及 二次开发技术实现了电主轴热力耦合模型的建立 可控预紧高速电主轴性能分析.模型验证为验证所建电主轴热力耦合模型准确性对如图 所示的预紧力可调电主轴样机进行温升测试可控预紧结构原理如图 所示 由 个压电陶瓷圆周分布前端与后轴承座接触可将力传递至轴承外圈后端螺栓进行初始预紧调节压电陶瓷驱动电源图 预紧力可调电主轴样机的输出电压实现预紧力的主动控制压力传感器可检测预紧力值 润滑方式为油气润滑使用 温度传感器采集不同转速和预紧力下轴承温升同时在相同条件下利用所建模型进行仿真图 预紧结构原理图表 为实验方案实验温升与仿真温度的对比如图 所示 由图可知当主轴转速处于低速段时相图 温升数据实验与仿真对比对误差为.中速段相对误差减小处于高速段时相对误差有一定波动但轴承温升趋势相同且总 体 误 差 小 于 因此该模型的准确性可以满足使用需求表 实验方案状态转速/()初始预紧力/低速段中速段 高速段 .可控预紧高速电主轴力学性能仿真分析.可控预紧下轴承工作预紧力的变化规律由于角接触球轴承在承受较大径向载荷时预紧力不足会造成部分滚动体受力不均甚至脱离内圈因此在不同的转速段需选取合适的径向载荷范围图 所示是初始预紧力分别为、时主轴在对应转速段内工作预紧力随径向载荷变化情况()()()图 工作预紧力随径向载荷变化由图 可知工作预紧力随径向载荷的增加不断增大这是由于载荷的变化首先引起滚动体与内外圈接触参数改变进而影响摩擦力矩导致生热量增加同时转速也是引起摩擦生热量发生变化的重要因素组合机床与自动化加工技术 第 期当转速由/增至/时工作预紧力增加了约 当转速由 /增至 /时工作预紧力增加了约 转速由 /增至 /时工作预紧力增加约 因此转速越高工作预紧力的变化更为明显.可控预紧下轴承运行刚度的变化规律图 所示为轴承所受径向载荷恒定为 时改变初始预紧力轴承的径向刚度随着转速变化状况由图可知转速提高径向刚度随之不断增加 当转速为 /时初始预紧力由 增至 径向刚度增加了约 /当转速为 /时径向刚度增加了约/转速越高初始预紧力增加时径向刚度的增幅更为明显这是由于在该预图 轴承径向刚度随转速变化紧方式下轴承外圈在预紧力的作用下保持固定同时内圈、主轴与隔圈间存在位移约束热力耦合效应下工作预紧力不断增加适当提高预紧力有利于 提 高 轴 承 的 径 向刚度.可控预紧高速电主轴热态性能分析电主轴在加工过程中温升会导致内部零件产生热变形而主轴总热变形来自各个部件热变形的叠加图 所示是径向载荷恒定为 转速设定为/轴承初始预紧力为 工况条件通过仿真得到的热变形云图 由图可知最大的热伸长位于主轴前端约为.图 电主轴总热变形云图图 为轴承径向载荷恒定为 时不同初始预紧力下热伸长量随转速变化情况 可以看出随着转速提高电主轴热伸长量随之增大 随初始预紧力增加当转图 电主轴热伸长量随转速变化速为/时热伸长量由.变为.增加了.当转速为 /时增加的热伸长量约为.增幅更为明显 因此转速越高预紧力对主轴热态特性的影响越大适当减少预紧力有利于降低热变形 结论提出了一种可控预紧高速电主轴热力耦合特性的建模方法研究了在不同工况下对轴承施加不同的初始预紧力时电主轴的力学与热态性能得到如下结论:()通过预紧力可调电主轴样机对所建模型进行温升验证在各个转速段温升趋势相同且总体误差小于 确定该模型准确性可以满足使用需求()径向载荷的增加会引起滚动体与内外圈接触参数改变进而影响摩擦力矩同时转速也是引起摩擦生热量发生变化的重要因素 转速越高工作预紧力的变化更为明显()转速越高径向刚度随初始预紧力变化时的增幅更为明显主轴的热伸长量随转速增加而增大同时转速与预紧力越高对主轴热态性能的影响越大 因此对轴承施加合理的预紧力有助于提高主轴加工性能参考文献 李颂华曲秋红王子男等.基于权重法的机床主轴可变预紧力确定方法.沈阳建筑大学学报(自然科学版)():.李小虎张燕飞万少可等.定位预紧和定压预紧下角接触球轴承动态特性研究.轴承():.胡腾殷国富邓聪颍.角接触球轴承热力学耦合模型与分析方法.四川大学学报(工程科学版)():.():.周子超王伊卿吴文武等.机床主轴轴承热诱导预紧力及刚度计算与实验研究.西安交通大学学报():.康跃然史晓军高建民等.多参量耦合的电主轴热特性建模及分析.西安交通大学学报():.():.():./.:.():.于洁李松生袁伟等.考虑热变形影响的主轴轴承动态特性.航空动力学报():.():.孟令聪李陈涛余兵等.基于热载荷优化修正的电主轴热特性分析方法.机械强度():.张珂许文治张丽秀.接触热阻对高速电主轴热态特性影响研究.组合机床与自动化加工技术():.张丽秀李超群李金鹏等.高速高精度电主轴温升预测模型.机械工程学报():.张珂吴智鹏王子男等.考虑温度场影响的电主轴最佳间隙量研究.沈阳建筑大学学报(自然科学版)():.(编辑 赵 蓉)年 月 李颂华等:可控预紧高速电主轴热力耦合建模研究