《毕业论文某型重型数控机床滑枕设计及温度场仿真分析.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业论文某型重型数控机床滑枕设计及温度场仿真分析.doc（25页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、北京信息科技大学 毕业设计（论文） 题 目： 某型重型数控机床滑枕设计及温度场仿真分析 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 周 鹏 班级/学号 机械1006/2010010173 指导老师/督导老师： 孙江宏 起止时间： 2014 年 2月 24 日 至 2014年 6月8日 摘 要在汽车、发电设备、矿山、航空航天、能源、冶金、国防等与机械行业有关的加工行业方面，重型数控落地镗铣机床作为工业生产制造的最基础也是最重要的设备一直扮演着不可替代的角色。大型数控落地镗铣机床的主轴在滑枕内进行移动，伸出最大长度为1200mm，工作过程中滑枕从主轴箱中伸出的长度在120
2、0mm。本文对TH6920大型数控落地镗铣床的主轴滑枕进行了自主设计，同时建立了有限元模型，通过理论计算结合有限元仿真分析的方法，分析研究主轴滑枕以及整机床的温度场变化，同时对其热变形进行简略分析,用于验证设计中所存在的错误和缺陷。本文首先研究滑枕设计包括初步设计滑枕的结构以及校核。然后在确定好滑枕与主轴的模型参数后，根据弹塑性力学、材料力学以及有限元分析的基本理论，利用soldworks软件建立其三维模型，接着进行温度场仿真分析。在分析计算滑枕系统内部热源、边界条件的基础上，运用有限元软件ANSYS建立滑枕系统的有限元计算模型。运用有限元方法计算出系统的稳态温度场分布以及热平衡时间，为进一步
3、计算热变形奠定了基础。在确定约束条件和热载荷的基础上，简单分析了系统的热变形。 关键词：TK6920；数控落地镗铣床；滑枕设计；三维建模；温度场；仿真分析； AbstractIn the automotive, power generation equipment, mining, aerospace, energy, metallurgy, national defense and other machinery industry related processing industries, heavy CNC floor-type boring and milling machine as
4、 the most basic and most important industrial manufacturing equipment has played an irreplaceable role. Large CNC floor-type boring and milling machine tool spindle in mobile within the slippery pillow, out of a maximum length of 1200 mm, work in the process of the ram out of the spindle box in 1200
5、 mm in length.In this paper, the TH6920 large CNC floor-type boring and milling machine spindle ram to carry on the independent design, the finite element model was set up at the same time, through the theoretical calculation in combination with the method of finite element simulation analysis, anal
6、ysis and study the spindle ram and the temperature field of whole machine, a brief analysis is made to the thermal deformation at the same time, is used to validate the existence of errors in the design and defects.This paper studies the slippery pillow design including preliminary design structure
7、of the ram, and check. Then when determining the model parameter of ram and spindle, based on the elastic-plastic mechanics, material mechanics and the basic theory of finite element analysis, its three-dimensional model is established by using soldworks software, then the simulation analysis on tem
8、perature field. Analysis and calculation in the slippery pillow system, on the basis of internal heat source and boundary conditions, using the finite element software ANSYS to establish the finite element calculation model of ram system. Using the finite element method to calculate the steady tempe
9、rature field distribution of the system and the thermal equilibrium time, laid the foundation for calculating thermal deformation. In determining the constraint conditions and thermal load, on the basis of simple analysis of the thermal deformation of the system.Keywords: TK6920；CNC boring and milli
10、ng machine；the slippery pillow design；3 d modeling；Temperature field; simulation analysis；目录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题来源11.2 课题背景11.3 研究意义21.4 国内外研究现状分析和成果21.5 研究内容与方案4第二章 滑枕设计及三维建模62.1 TK6920重型落地镗铣机床简介62.2 三维模型建立72.3 滑枕设计72.3.1 滑枕躯体设计72.3.3 铣轴设计92.3.4 主轴轴承选择分析102.3.5 滚珠丝杠副选择11第三章 滑枕及整机系统温度场与热变形分析1
11、33.1 滑枕系统有限元模型的建立133.1.1 单元类型与选择133.1.2 材料的属性133.1.3 网格划分143.2 参数选择和计算143.2.1 滑枕系统的热源143.2.2 轴承发热量的计算143.2.3 对流热换系数153.3 滑枕系统温度场分析163.3.1 有限元分析及其结果163.4 整机温度场分析17结束语19参考文献20第一章 绪论1.1 课题来源“TK6920型重型数控机床滑枕设计及温度场仿真分析”课题是国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项重型数控机床关键共性技术创新能力平台课题的子项目。以齐齐哈尔第二机床厂生产的TK6920重型数控镗铣床为研究对象，运用有
12、限元思想，借助一系列的软件对机床的滑枕以及温度场仿真分析从而达到提高机床加工精度的目的。1.2 课题背景随着现代工业科学技术的发展和工艺水平的提高，要求机床具有能够进行高效率、高精度和低成本的加工性能。事实证明，机床的加工性能又与其结构的动态、稳态特性密切相关，通过改善机床的动态态特性，可以提高机床的抗振性能、加工精度和效率、降低机床的机械噪声，改善稳态特性提高机床的使用寿命和可靠性。因此，为了满足机床越来越高的加工性能的要求，机床就必须具备相应良好的结构特性。随着人们认识问题和解决问题能力的不断提高，机床整机静态、动态特性的分析和研究己成为今天机床制造行业中新产品研制的重要环节。数控机床行业
13、是装备制造业的基础产业，它不仅是最为先进制造技术的载体，而且是发展新兴高新技术产业和尖端工业(如信息技术及其产业、航空、航天等国防工业产业)的最基本装备，同时还是关系到国民经济发展和国防事业的战略性产业。世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。重型数控落地镗铣机床的研究分析起源于上世纪50年代起，国外特别是美、德、日三国是当今世上在数控重型机床科研、设计、制作和应用上,技巧最先进、经验最多的国家。美国的数控机床的主机设计、制作及数控系统基础扎实,且一贯器重科研和创新,故其高性能数控机床技巧在世界也一直领先。德国的数控机床质量及性能
14、良好、先进实用、货真价实,出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别器重数控机床主机及配套件之先进实用,其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功效部件,在质量、性能上居世界前列。日本充分发展大批生产自动化,继而全力发展中小批柔性生产主动化的数控机床。国内中国在1958年研制出第一台数控机床,通过不懈努力，在50余年间,数控机床的设计和制作技巧有较大前进，但是机床结构的设计多半仍然处于经验设计，设计计算时使用一般的结构计算方法，虽然这些计算具有可靠性、科学性，但是对于复杂的机床结构仅有计算和试验是不够的。这导致国内重型数控落地镗铣机床产品和国外产品还存在着很大的差距。1.3
15、 研究意义 随着国内经济建设的快速发展，工业企业的不断发展壮大，大型箱体类零件的加工已成为国内急需解决的关键性问题，要求机床生产厂家发展能够制造大型箱体类件加工的落地式镗铣机床，以满足国内重型机械、工程机械、机车车辆、大型电机、水轮机、汽轮机、船舶、核电、大型环保设备等市场发展的需要，加之其它重型机械行业发展的需求，我们可以预见其广阔的市场前景，由此也可见其在国民经济发展中的所起到的重要作用及所处的重要地位。同时为应对当前金融危机，国家制订并出台了装备制造业振兴规划，其中一大领域的重大科技专项就将大型数控机床列为振兴规划发展的重大装备，这意味着重型数控机床行业面临着一次发展的机遇，当然也是一次
16、挑战。这项文件是继“高档数控机床与基础制造装备科技重大专项之后的又一次将大型数控机床列入我国未来几年的振兴规划目标。这项举措既表明了国家对重型机床装备制造的高度重视，又体现了重型机床在国家装备制造业中的重要战略地位。面对我国航空、航天、核电、风电、船舶等国家重点领域的重大工程项目对大型、重型数控机床这一关键装备的迫切需求，大型数控镗铣机床具备了高效率、大批量、高精度的特点，是上述重大工程项目所需复杂盘类零件加工设备的首选。 我国是制造大国，工业制造是国家的经济命脉。随着现代工业的发展以及工艺水平的提高，高效率、高精度、低成本加工性能机床的需求越来越多，而且随着加工产品的大型化，自动化的趋势，重
17、型数控落地镗铣机床的需求量越来越高。重型数控落地式镗铣床已列为振兴国家装备制造业“数控机床发展专项规划”，是我国重点扶持的行业，但由于重型数控落地镗铣机床的体积大，吨位重，生产制造成本高，这有必要在设计时进行多方面的分析，降低机械振动，减少部件的弯曲变形从而提高加工工件的生产质量。本课题重点研究重型数控落地镗铣机床的关键部件的稳态特性，以及整机的温度场影响变形。课题的结果对提高机床整机的性能以及加工精度具有重大的借鉴意义。对于大型落地式镗铣床变形问题的设计具有推动作用。1.4 国内外研究现状分析和成果本次课题研究共查阅相关文献共52篇，年份分布图1所示图1年份分布图从图中看出文献主要集中在20
18、11-1012年，这说明文献的实时性较强，对本论文研究具有重大的借鉴意义。所有文献基本全部以滑枕为主体，进行滑枕的加工工艺、结构设计、变性补偿、静动态分析以及系统热特性介绍和分析。具体情况如图2所示： 图2 文献内容分类数量统计从图中看出文献总体分为六大类别，分别是对滑枕的加工工艺、设计、变形补偿、静动态分析、热特性分析以及其他机床介绍。整体方面，文献主要是从机床的机构设计分析、动态分析和热特性三个方面进行研究的。主要采用ANSYS 有限元软件对机床的结构建模，分析机床的结构找到刚度的薄弱环节进行优化，对机床进行热特性分析为整机的冷却系统提供理论，同时改进装置提高加工精度。对于机床的动力分析时
19、采用有限元及结构优化（CAE）技术相结合的手段，提高机床性能。通过文献可以总结出以下两方面观点。1. 滑枕的加工是数控落地镗铣床机械加工的重点及难点，对其加工方法从自主创新、工艺攻关、小批试制、批量生产过程中逐渐总结成熟经验。通过不断的学习和实践，对滑枕的加工技术的一些粗浅经验和总结。在今后的工作中滑枕的加工仍需解决：(I)滑枕的la腔孔测量采用更精确的激光、电子等手段测晕，使测量结果更可靠。(2)提高重大型数控镗铣床滑枕两端孔与内腔孔的同轴度精度。机床滑枕分析主要分为滑枕的结构设计、稳态特性分析、热特性分析以及滑枕的热变形四个方面。（1）结构设计时主要运用有限元分析的方法对滑枕的内部结构的静
20、、动特性进行分析，提高滑枕的灵敏度。（2）动态分析时首先进行三维建模，进而采用ANSYS对滑枕进行动特性分析 。（3）热特性分析时主要运用有限元软件仿真计算滑枕系统的稳态温度场分布以及热平衡时间，得出且温度分布均匀程度是影响热变形的关键因素。（4）滑枕的热变形分析时首先采用PRO/E建模，之后用有限元分析方法对滑枕进行静态分析，从而建立一系列的平衡方程,找出滑枕的分析方法。纵观文献内容发现目前重型数控落地镗铣机床的发展方向是高速铣削，其功能通过滑枕组件来完成。在理论论证时需要对滑枕、滑枕、立柱等部件进行强度、刚度分析，以保证镗铣床的加工精度以及可靠性。现在国内外对机床进行静态、模态分析多采用计
21、算机辅助工程( CAE ) 技术，通过PRO/E，CAD、matlab以及Solid Works对机床部件建模，运用ANSYS、matlab以及CAE软件，根据实际工作情况，将实际中的经验数据加载到模型中，进一步分析,这样可以找到机床的薄弱点，并且对问题点进行修改和优化。 2. 我国的机床热变形研究始于上世纪中叶，虽然起步比较晚，但是发展较快，取得的研究成果也颇丰。当时，某高校在一台内圆磨床上加工并测量一批零件，在对零件尺寸误差进行分析时，应用统计法来分析误差，在对导致零件加工误差的因素进行总结分析时，发现其中最重要的因素是热变形。随后，北京的机床研究所和上海一些机床厂等相关单位都在机床热变形
22、方面做了大量深入的研究，包括浙江大学在内的一些高校和科研单位等深入研究了机床热态几何精度超差的问题。天津大学用在线检测软件对误差进行补偿，并在基于Windows平台上开发出误差补偿的软件。上海交通大学在最小二乘原理的基础上开发出递推最小二乘原理，所得出的模型不是一个固定公式，而是通过一种算法的形式来体现，此建模方法的特点是其补偿模型可以根据输入的新数据来更新自身的状态，所以可用于在线建模补偿。沈阳航空工业学院开发出一种基于人工神经网络的可以对数控机床的热误差进行预报的补偿系统，之后又在无线冲击响应网络理论的基础上，提出了一种热误差预报模型。通过将输出前的状态储存在延时单元中，然后把时问信号展成
23、空间表示，输入给静态的前馈网络，使模型具有动态性质，这样就可以在热误差产生的时候，对其进行实时补偿，这种实时补偿的方法为误差补偿问题开辟了新的道路。 1.5 研究内容与方案在机床设计阶段，根据某厂里提供的参数数值建立二维与模型，在三维软件中将所建模型组装起来，检测滑枕各部件之间是否有干涉等，以完善图纸设计中的不足之处。使用大型通用的有限元分析软件ANSYS对TK6920镗铣床重要部件进行分析，进而确定主要部件的刚、强度是否符合要求。本文主要是针对滑枕进行设计与温度变形分析，行软件仿真分析，分析系统稳态特性。滑枕的设计有以下两个方案：方案一：计算相关数据，利用Pro /E对滑枕进行建模，如图3-
24、1-1所示：将在Pro /E 中建立好的模型导入到ANSYS Workbench中，建立有限元模型如图3-1-2所示，并且运用ANSYS对滑枕进行温度场仿真分析以及传动系统引起的温度变形。方案二：初步计算相关数据，运用 SolidWorks 建立滑枕以及整体机床的三维模型。将图形导入ANSYS中进行分析，进而对滑枕的结构进行优化。方案评价：总体来看方案一二都是通过三维建模软件进行建模，再利用有限元软件进行滑枕的静动态分析以及结构上的优化。ProE操作软件是美国参数技术公司(PTC)旗下的CADCAECAM一体化的三维软件。ProE软件在目前的三维建模软件领域中占有着重要地位，以参数化著称，是参
25、数化技术的最早应用者，采用模块化方式可以解决产品多样性的问题。Solid Works为达索公司集团为制造业提供系统及生产相关的服务，提供涵盖整个产品周期的系统，包括设计、制造、工程和产品数据管理等领域。Solid works软件组件繁多，功能强大、易学易用和技术创新是Solid Works的特点，这使得Solid Works成为主流的、领先的三维CAD解决方案。Solid Works能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。因此在三维建模方面主要运用Solid Works软件进行建模。温度场仿真的设计有以下几个方案：方案一：基于ANSYS软件，进行机床整机及滑枕部件温度场分
26、析，确定传动系统引起的温度变形。根据所建立的滑枕系统有限元模型，在上述材料参数和边界条件下，设环境温度为20，当主轴转速为1 600rmin时，计算系统的稳态温度场，得到热平衡时系统的温度分布情况如图32所示。图是滑枕系统热平衡时的温度场分布，系统的最高温度为75463，最低温度为67359。高温区主要集中在滑枕前端，这是由于系统前端比较封闭，无法通过空气很好地散热，且有一部分切削热也会传递到滑枕上。在对滑枕系统温度场分析的基础上，把系统的稳态温度场作为热载荷，对系统进行热一结构耦合分析，计算出滑枕系统的热变形。方案二：基于Hypermesh软件，进行机床整机及滑枕部件温度场分析，确定传动系统
27、引起的温度变形。已有方案列举：1运用三维软件Solidworks建立TK6920数控铣镗床整机三维模型，并对整机进行虚拟装配；对关键部位进行精确建模，为建立其有限元模型做准备。2在分析计算滑枕系统内部热源、边界条件的基础上，运用有限元软件ANSYS建立滑枕系统的有限元计算模型。对滑枕系统进行稳态热分析，求出系统的温度场分布情况；对系统进行瞬态热分析，得到滑枕系统的温升曲线。3在确定约束条件和热载荷的基础上，计算出滑枕系统的热变形和铣轴头部的最大跳动量，并确定滑枕系统热变形对机床加工精度的影响程度。 4设计出改善滑枕热特性的方案，用ANSYS中的APDL编程语言，在对滑枕系统进行参数化建模的基础
28、上，对滑枕的结构进行优化设计，以期实现既改善滑枕系统的热特性，又提高其动态特性的目标。方案评价：ProE软件在目前的三维建模软件领域中占有着重要地位，以参数化著称，而Solid Works能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量,根据自己学习掌握程度，选择Solid Works更加适合进行cad三维建模.在仿真模块，Hypermesh软件对于目前的学习过于复杂，选择ANSYS建立滑枕系统的有限元计算模型，简单，实用。最后确定方案如下：根据对文献的分析以及自身基础的评价确定了如下方案。(1)初步设计滑枕的结构。(2)采用Solid Works软件对TK6920重型数控落地镗铣
29、机床的滑枕进行CAD三维建模。(3)利用利用 ANSYS 软件对滑枕进行稳态温度场分析并对结果做出评价。(4)初步设计滑枕及整机床温度创仿真分析，确定温度变形。(5)利用ANSYS软件对模型进行温度仿真，分析仿真结果。第二章 滑枕设计及三维建模2.1 TK6920重型落地镗铣机床简介TK6920大型数控铣镗床由齐齐哈尔第二机床厂设计研制，该机床性能优良，工艺范围广，生产效率高，可在大型、中型工件一次装夹中完成如钻孔、扩孔、镗孔、铰孔、切沟槽、铣削平面和曲面等多种加工。TK6920数控铣镗床由床身、主轴箱、滑枕、滑座、立柱、数控系统、伺服驱动系统、电气系统、液压系统、冷却系统、润滑系统及防护系统
30、等构成，机床总尺寸约为：17200mm4298mm9490mm，总质量约为120吨。本论文采用三维建模软件SolidWorks建立机床三维实体模型，如下图所示。TK6920铣镗床的基本工作原理是：床身通过地角螺栓固定；立柱安装在滑座上，在进给箱的驱动作用下，立柱和滑座一起在床身上做伸缩移动：主轴箱的平衡锤装置在立柱的空腔内，在滚珠丝杠的作用下，主轴箱可以在立柱导轨上做竖直方向的上下运动；镗杆装在铣轴内，通过花键与导向键的传动实现镗杆与铣轴的同步转动；铣轴装在滑枕内，滑枕沿着主轴箱的方孔水平移动，从而实现铣轴与镗杆的进给。滑枕多为长方体结构，内腔有多处深孔，材料为灰铸铁，中心装配有主轴，其上表面
31、安装有主轴电机及减速器。当代许多大型数控加工装备大都具有滑枕结构。它需要具备结构性强，接触面宽的特点，并且必须配合整体进行精密研磨加工，实现非常高的配合精度，通过导轨和滑块与机床床身立柱相配合可实现竖直方向上的运送。因此在加工过程中，十字滑座带动滑枕可沿床身立柱上下升降，同时滑枕可沿滑座中的水平滑块做伸出和回缩运动，以此完成各种复杂的加工要求。2.2 三维模型建立 滑枕是数控镗铣床重要部件，主要用于布置铣刀及装夹镗杆。其结构强度的好坏，关系到机床的整体性能，除了铣削时要保证加工精度外，在镗孔时还要保证加工轴线的直线度。数控镗铣床在加工过程中，滑枕伸出主轴箱要承受很大的切削力，因此滑枕应具备较高
32、的刚度和强度指标，否则会严重影响加工精度。本文采用SolidWorks软件来建立机床的整体模型，通过软件的装配功能，在模型装配时分析研究对象的整体运动特性和受力情形，同时检验机床图纸设计中是否有不完善之处。滑枕系统是机床中重要的部件之一，铣轴与镗杆的结构强度和热态特性的好坏，直接影响到产品的加工精度。而滑枕用于安装铣轴跟镗杆，要保证铣削与镗孔时的轴线直线度。因此，滑枕必须具备较高的结构强度与热性能指标。本论文以滑枕系统为研究对象，设计滑枕以及内部零件等，分析其热态特性。2.3 滑枕设计2.3.1 滑枕躯体设计 本次设计采用方滑枕（480*520），在主轴箱内沿w轴水平移动。由公式计算受力，其中
33、：d:空心直径；F:主铣削力；p：机床主电机功率；n：主轴转速。由镗铣经验公式有：、，其中x为轴向代表轴向镗削力，y为径向代表径向切削力。铣削力加载在滑枕前端部位。将机床主电机功率P=71kw、d=200mm、主轴转速n=3.15800r/min（取最大值n=800r/min），在考虑滑枕自重的情况下，得到、。TK69系列重型数控落地镗铣机床主轴滑枕躯体采用材料为HT250，弹性模量120GPa，密度为7400Kg/m3，工作行程为1200mm。在得到受力时，将滑枕躯体可看做外伸梁。由上述受力图计算：（1）滑枕惯性矩：，得到结果为。（2）抗弯界面系数：，其中e为形心到边缘或顶点的距离。，得到结
34、果，。（3）假设最大弯矩为10050，由得知。又，根据材料属性与力分析查的， 。由此，最终得出结论，L=3600mm合适。2.3.2 镗轴设计TK6920机床镗轴主要用于大、中型部件镗孔，通过滚珠丝杠带动进行轴向伸缩运动，进给范围为1-3000mm/min。由于TK69系列机床生产厂家很多，有多种标准规定，本论文选用的是齐齐哈尔第二机床厂型号标准，8镗轴直径为200mm（加导向），镗轴行程为1200mm，转速为3.15-800r/min,选用进给电机为1FT6/05 8AB-71(41 1500r/min)。由公式可求得轴外力偶矩M=847.6。已知=10050，做设计计算时选取最大值，即M=
35、10050。由上述计算得：（1） 极惯性矩：；（2） 抗扭截面模量：；（3） 根据公式3390mm。由计算，得=8.5。轴材料选用45刚，查标准，=290，即。又由，计算得。查找标准得知，一般轴，精密传动轴，所以L=3390mm合适。由于镗轴颈端有一锥孔采用ISo-60标准用于安装镗刀或安装法盘进行加工行为，所以镗轴端面直径为224mm。为保证镗轴与铣轴在同时进行回转运动，用上下两个平行键连接来实现轴和轴之间的径向固定以传递运动和转矩。查机械设计手册得，其中极限偏差为，平键轴槽的长度公差用H14，基本尺寸偏差为。2.3.3 铣轴设计铣轴为中空，装在方滑枕内，在高精度双列短圆柱滚子轴承上回转，用
36、稀油润滑。镗轴由铣轴滑动轴承支撑，它带有刀具自动夹紧装置。由材料已知铣轴轴端直径D=320mm，通过轴承与镗、铣轴配合，得到初步铣轴外径d为260mm。在铣轴内的镗轴沿两个固定在铣轴上的专用成形键做无间隙滑动，并通过此成形键传递铣轴回转动力。铣轴材料使用，弹性模量为2.12E+11，泊松比为0.280，密度为7.85E+3，线膨胀系数为1.24E-5。由于铣轴做回转运动，主要承受径向力，且为空心轴，轴的跨度以及载荷的位置不能准确确定时，可用降低许用应力的办法估算后轴径，即 查表，得，D=200mm，A=97，由上式可推出，所以铣轴外径d确定为260mm。2.3.4 主轴轴承选择分析根据镗轴与铣
37、轴的受力与安装方式，选择主轴前端轴承采用高精度双列短圆柱滚子轴承加双向角接触球轴承组合方式。中间支承采用双列短圆柱滚子轴承，后支承为深沟球轴承。轴承名称安装位置新、旧型号简图个数基本尺寸d*D*B双列短圆柱滚子轴承前、中新：NNU4956旧：44829562280*380*100双向角接触球轴承前新：71926c/DT旧：14369262280*380*120深沟球轴承后新：61952旧：10009521280*380*100其中，（1）圆柱滚子轴承一般用来承受径向载荷。与相同尺寸的深沟球轴承相比，有较大的径向负载能力。与该类轴承如需安装在承受轴向负载荷作用的主机部件中，只有在同时使用其他类型
38、轴承去承受轴向负载前提下才可使用。（2）深沟球轴承一般由一堆套圈、一组保持架、一组钢珠组成。该类型轴承主要承受径向载荷，也可承受一定量任意方向的轴向负载。深沟球轴承安装在轴后端，可使轴或外壳的轴向位移限制在轴承的轴向范围内。（3）角接触球轴承壳承受径向负载荷轴向负载，能在较高转速下工作。双向角接触球轴承使一对轴承外圈相同端面相对，即宽面对宽端面，窄端面对窄端面，可避免引起附加轴向力。 承载能力轴承类型径向轴向深沟球轴承中双向双向角接触球轴承优双向双列短圆柱滚子轴承优无查询轴承与空心轴的配合公差，前端轴承属于过盈配合，进行过盈量的选择： 确定所取过盈量大于安装实心轴直径。查阅手册，得到，所以此时
39、安装于空心轴所需的平均过盈量。2.3.5 滚珠丝杠副选择主轴由进给驱动电机驱动，经高精度齿轮降速后，电机驱动无间隙滚珠丝杠副，丝杠一端固定，一端采用轴承支承，丝母为预压式双螺母结构，以便于消除间隙。查询TK系列标准手册选取型号为VE063/8-1438/1874.5-4c3,德国BLIS或西班牙BSG公司产品。其中公称直径D=63mm，导程=8mm，螺纹长度=1438mm，丝杠全长1874.5mm，卷珠数=4，精度为c3，采用右旋方式。（1） 螺距：=4mm；（2） 当量最高转速：，其中v为进给速度，i为传动比。（3） 有效行程：，其中为螺栓长度，为余程。（4） 选择轴承：背对背角接触球轴承。
40、（5） 使用寿命：查询手册，得到高精度、高转速数控机床使用寿命为15000h。第三章 滑枕及整机系统温度场与热变形分析对滑枕以及整机系统进行温度场分析验证时，比较了实验法、解析法和数值法的利弊之后，本文选择数值解析法求解滑枕系统的温度场。本章采用有限元软件ANSYS 14.0来分析滑枕系统的温度场，通过分析得到滑枕系统的温度场分布情况以及系统达到热平衡的时间，并以滑枕系统内各点的温度作为热载荷，对滑枕系统进行热变形分析。3.1 滑枕系统有限元模型的建立3.1.1 单元类型与选择 ANSYS在求解热分析时的基本原理是把分析对象划分成有限个单元，在一定的边界条件和初始条件下，根据能量守恒建立每一节
41、点处的热平衡方程，求解各点的温度值，再在此基础上求出其他相关量。三维实体模型在转化为有限元模型之前需要先定义单元类型。通常我们用自由度来描述物理场的响应特征，在有限元分析中，只求解节点处的自由度。本论文在计算温度场时，选用的是热单元，单元自由度是温度，而后面在计算热变形时则需要把热分析单元转为结构分析单元，其自由度是位移。 单元选择是有限元计算中极其重要的问题，根据研究对象的力学性能特性不同而定义的。在有限元单元中有杆、梁、板、壳、平面、轴对称、实体单元、温度场单元以及定义特殊要求的弹簧单元、间隙单元、耦合单元等多种类型，选择单元类型要根据结构类型和受力状态等的不同而不同。3.1.2 材料的属
42、性 材料属性是物体的本质属性，不与单元类型以及几何模型联系在一起。在进行热分析时，需要用到的材料属性主要有：比热容、热传导率、辐射系数、对流换热系数和生热率等。滑枕系统的材料参数如下：名称滑枕铣轴镗轴轴承材料导热系数48444181弹性模量1.69E+112.12E+112.10E+112.19E+11泊松比0.2570.280.2780.3密度7.06E_37.85E+37.86E+37.83E+3线膨胀系数1.01E-51.24E-51.20E-51.25E-5比热5.01E+24.60E+24.54E+24.60E+23.1.3 网格划分有限元分软件在计算之前，需要对模型划分网格，网格划
43、分是非常重要的一步，通过划分网格将几何模型转化为由节点和单元构成的有限元模型。网格质量的好坏直接影响到有限元分析精度的高低。本文利用ANSYS 14.0软件来建立机床滑枕系统的有限元模型，建模时严格按照厂方提供的设计尺寸。滑枕建模时采用实体单元，在不影响分析结果的前提下，为了方便计算，将轴承简化为内、外径及宽度与实际轴承尺寸相同的套圈，且将尺寸较小的圆角简化为直角。划分网格时采用8节点六面体单元的SOLID70单元，划分网格后的模型如下图： 3.2 参数选择和计算3.2.1 滑枕系统的热源TK6920数控铣镗床的滑枕系统主要由滑枕、轴承、铣轴、镗杆、拉杆、电机和进给系统等部件构成。一般来说，对
44、机床的热态特性产生影响的热源主要有：切削热，电机热，传动摩擦热以及辐射热。在本论文的研究对象中，由于电机装在滑枕外部，电机产生的热量大部分通过鼓风机的作用发散到外部空气中，因此，电机热对滑枕系统的热特性影响很小，所以，本文在计算热源时只考虑传动摩擦热。目前，轴承的摩擦机理还不能给摩擦损耗的计算提供精确的理论值，因此，具体的摩擦损耗计算一般是根据经验公式做近似计算。3.2.2 轴承发热量的计算 对机床热特性产生影响的发热源主要有切削热，电机热，传动摩擦热以及辐射热。本论文中，由于设计电机装在滑枕外部，电机发热对滑枕整个系统的热特性影响很小。所以，本文在计算发热源时只考虑传动摩擦热。滑枕装配体的热
45、源主要为前、中、后三组轴承的摩擦发热： 其中n为主轴转速，rmin；M为摩擦力矩，Nm。由上式可知轴承的发热量与轴承的摩擦力矩有关，而试验表明，轴承的摩擦力矩是相当离散的，即使同一套轴承，随着运转时间的变化，摩擦力矩也会产生变化。因此，计算所得出的摩擦力矩只是在正常工作条件下的近似值，轴承的摩擦力矩计算公式中总摩擦力矩为，而：外加载荷引起的摩擦力矩；：轴承类型与所受负荷有关的系数；：径向负荷；：轴承中径；：黏性摩擦力矩，当时，； 当时，。：轴承类型与润滑有关的经验常数； ：轴承转速（）；：润滑剂在工作温度下的运动粘度；由上述的关系与公式可以得到滑枕系统中三组轴承的发热量和发热生成率，下图为发热生成率计算结果： 发热生成率前轴承组 中轴承组 后轴承组 14420000 2370000 3140000 3.2.3 对流热换系数首先，对流热换系数的概念为当物体表面与它周围的空气温度相差为1时，在单位时问内，物体单位面积上通过对流传热与附近空气交换的热量。在进行热分析时，边界条件的准确性将对仿真结果产生重要的影响，在本论文中，最重要的边界条件就是确定热源功率和表面的对流换热系数。对流系数采用努谢尔特准则方程计算。在强迫对流条件下，当主轴以一定的转速旋转时，空气以恒定速度沿着主轴表面且与主轴转速相反的方向流动，此时主轴与空气间的对流换热系数可按
