加工中心皮带轴热力学仿真分析*

何 强，李安玲，叶 军

(1.安阳工学院 机械工程学院，河南 安阳 455000;2.洛阳轴承研究所，河南 洛阳 4710393;3.清华大学 航天航空学院，北京 100084)

0 引言

皮带轴是加工中心关键部件之一，皮带轴工作时，主轴内部热源主要由轴承的高速旋转摩擦产生热量，主轴各个部分会产生不同程度的温度变化。当温度上升后，主轴和机床其他部件的空间相对位置和尺寸都将与开机前有所不同，因而形成不同的温度场，产生热交换，如不及时对主轴系统进行冷却，必将对精密部件产生不同程度的热变形，导致加工误差［1］。尤其是高速主轴，热变形引起的误差尤为突出［2］。目前国内外研究主轴系统热态特性的学者较多如:韩国学者Jin Kyung Choi 等［3］用大型有限元软件ANSYS 分析了五轴加工中心的主轴轴承热态特性，分析结果与实验所得数据相近，研究结果表明:如果选用合适的主轴传热系数，则有限元法是主轴系统热态分析的合适工具。美国BernBossnns 和JayTu 教授［4］提出了一个有限差分模型来描述高速电主轴能量分布，分析了电主轴的传热机制，特别是热传递的特性，进一步提出了高速电主轴的能量流动模型，并分析了主轴发热的定量特性，通过定制的高性能磨床电主轴证实该模型正确性。韩国的Sun-Min Kim 等［5］对高速电主轴轴承的热态特性进行了详细的研究，研究了轴承预紧力、轴承热变形、过盈等的变化，提供了一个简单仿真方法。

综上所述，目前国内外主要研究为电主轴，而高速皮带轴较少。本文以高速加工中心皮带轴为研究对象，通过有限元分析软件，建立了高速加工中心皮带轴三维模型，分别对主轴以及轴承进行瞬态、稳态热分析，了解主轴整体的温度分布情况。通过本文分析和计算，为高速加工中心皮带轴提供一种理论分析以及仿真方法，使设计者可以根据发热量计算预测皮带轴的温升，为加工中心皮带轴优化设计奠定基础。

1 皮带轴内部结构

本文加工中心皮带轴简介:主轴用于立式加工中心，主轴锥孔为BT50，主轴拉刀为四瓣爪式拉紧，拉刀力为13000 ±1000N，主轴转速4500rpm，前轴承为4 套NSK-7017C/P4 角接触轴承预压负荷为1100N，后轴承为2 套NSK-7015C/P4 角接触轴承预压负荷为700N，碟簧为90 片，三片叠合后再对合，预压11mm，带刀打刀行程8mm，空刀打刀行程11mm，轴承内填NBU15 润滑脂，循环水冷。图1 是试验用加工中心皮带轴剖面图。

图1 皮带轴结构简图

2 电主轴热分析的热载荷及对流系数的选取

本文皮带轴热分析是在室温下，不考虑周围环境之间的热传递。对于主轴系统来说，热量主要由前后轴承的高速旋转产生，生热率q 是指热源单位体积的发热量，如下式所示:

式中:Q—热源的发热量计算方法见参考文献［6－9］，W;

V—热源的体积，m3。

轴承生热率的计算结果如下表1 所示:

表1 轴承生热率计算

3 有限元模型

根据建立有限元模型的基本原则建立加工中心皮带轴的有限元模型，在建立有限元模型时，对加工中心皮带轴的发热体轴承部分进行简化，把轴承和隔垫当做一个整体，选用同样的材料，这样有利于进行分析。如图2 所示是没有简化前的后轴承和隔垫的装配图，图3 所示是简化后的后轴承的装配图。

图2 简化前的后轴承装配图

对模型简化后得到主轴和轴承的装配图，装配图如图4 所示。

对模型简化后利用SolidWorks 的有限元软件Simulition 对模型进行网格划分，同时为了更好的进行分析，对轴承局部网格细化处理。利用“生成网格”命令将建立好三维模型的生成网格。网格选取标准网格，网格单元大小为12.13mm，公差为0.60mm，雅可比点为4 点:对轴承局部进行网格细化处理。利用网格控制命令对轴承局部进行网格细化处理，细化处理后的部分网格单元大小为3.5mm，比率大小为1.5，有限元模型共有20674 个单元，35342个节点。如图5 所示。

图4 主轴与轴承装配图

图5 轴系部分网格划分

4 主轴稳态热分析时结果分析

电主轴的稳态热分析在以下条件下进行:

(1)环境温度为T=25℃;

(2)电主轴转速为n=4500r/min。

将计算所得的热量，初始边界条件和接触热阻加载到轴系三维模型上，得到加工中心皮带轴轴系的稳态温度场分布情况，如图6 所示。

图6 皮带轴系温度场分布图

从图6 可得出:整个轴系中，前、后轴承温度高于整个主轴的温度前轴承最高温度为318.2K，即45℃，后轴承最高温度为316.5K，即43.4℃，前后轴承最高温度都在的工作温度范围内，两者相对环境温度(25℃)的温升分别为20℃和18.4℃，温升小于25℃符合国标。该加工中心皮带轴由于采用的是脂润滑，轴承高速旋转时产生摩擦，进而转换为热量，而轴承本身由密封圈封闭空间更小，无法与周围空气直接接触对流，主要传热方式以辐射传热和循环冷却水为主，因此轴承处的温度也比较高。又因为轴承外圈有循环水能带走热量，所以轴承产生最高温度的部位在内圈处。而前轴承由于承受较大的磨削力，故而它的温升略高于后轴承。

由最高转速轴系温度场分布图可知，前后轴承的温升符合国标要求，且前后轴承的温差较小，不容易造成轴承不同的径向跳动，可以稳定的保持主轴单元的精度，因此该加工中心皮带轴设计合理。

5 结束语

采用有限元分析方法，借助Solidworks 分析软件，对加工中心皮带轴进行了深入的热态分析，得到了加工中心皮带轴温度场分布情况，仿真结果显示，该皮带轴前后轴承温升在合理范围之内，散热性较好，前后轴承温差不大，该仿真结果可为加工中心皮带轴结构设计提供依据以及重要参考。

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