高速车床主轴系统热变形仿真分析与实验研究

论文摘要

机床主轴系统和进给系统热变形是引起机床热误差（因机床各部件热变形而引起的加工误差）的主要原因。大量研究证实,机床热误差占机床总加工误差的40%-75%。高速机床转速高,进给速度快,发热量大。热误差控制及补偿是提高高速机床加工精度的关键技术。本课题来源于“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项。综合专项要求,本文利用有限元法和实验测试对CH7516GS系列高速切削中心热特性进行研究,提出了高速机床热误差的控制方法,设计了热变形补偿系统。本文研究内容：1、基于网格装配思路,对主轴系统进行有限元网格划分,大幅降低了大型装配体网格划分的难度。计入接触热阻,对CH7516GS高速切削中心主轴系统的温度场与热变形等热特性进行了有限元仿真分析。采用最小二乘圆法对主轴轴线漂移进行了理论研究。2、对CH7516GS高速切削中心进给系统进行了热特性分析。3、构建了主轴系统温度场和热变形实施测试系统。利用数字信号处理的方法对实验数据进行处理,实验研究了主轴热变形和主轴端面跳动。所选测温点被企业用于新一代高速车床。4、研究了高速机床的热误差控制方法,提出针对高速机床的恒温暖机的方案,可以极大提高暖机效率,减小冷机状态加工误差；5、在现有BP神经网络模型的基础上,设计了基于超磁致伸缩驱动的热变形补偿驱动器,构建了热变形补偿系统。本文研究结论：1、高速机床主轴系统热变形与转速正相关。转速超过3000转／分后,温升和热变形显著；2、高速机床主轴系统发热量比普通机床大,要求高速机床有更好的热结构和热特性,不是普通机床的简单升级；3、主轴端面跳动随转速和时间的增加而逐渐减小；4、恒定冷却水温暖机可以提高效率,减小冷机加工误差。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 高速切削与高速机床的发展现状
• 1.2 机床热误差与补偿研究现状和存在问题
• 1.3 课题来源和意义
• 1.4 本文主要内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 高速电主轴系统热特性仿真研究
• 2.1 高速电主轴系统结构
• 2.2 计入接触热阻的电主轴系统有限元模型
• 2.2.1 数学模型
• 2.2.2 网格划分研究与网格模型
• 2.3 电主轴系统载荷分析与简化
• 2.3.1 边界条件
• 2.3.2 初始条件
• 2.4 电主轴系统有限元分析的接触定义
• 2.4.1 接触定义的Marc实现
• 2.4.2 接触热阻计算
• 2.5 材料定义
• 2.6 加载工况
• 2.7 后处理
• 2.7.1 温度数据处理方法
• 2.7.2 热变形数据处理方法
• 2.8 仿真结果及分析
• 2.8.1 温度场仿真结果及分析
• 2.8.2 热变形仿真结果及分析
• 2.9 本章小结
• 第三章 导轨系统热特性仿真研究
• 3.1 进给系统结构
• 3.2 导轨耦合分析的数学模型
• 3.3 导轨系统有限元模型
• 3.4 导轨系统载荷研究
• 3.5 材料、接触与研究工况
• 3.6 导轨系统热变形仿真结果
• 3.7 本章小结
• 第四章 机床热特性测试与数据分析
• 4.1 主轴系统温度场测试系统
• 4.2 主轴系统热变形测试系统
• 4.2.1 主轴系统热变形测试硬件系统
• 4.2.2 主轴系统热变形测试软件系统
• 4.3 测试实施
• 4.3.1 主轴系统热特性测试
• 4.3.2 导轨系统热特性测试
• 4.4 测试数据处理方法
• 4.4.1 主轴系统温度数据处理方法
• 4.4.2 主轴系统热变形数据处理方法
• 4.5 机床热特性测试结果
• 4.5.1 主轴系统测试结果
• 4.5.2 导轨测试结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 热误差控制研究
• 5.1 热误差的控制方法介绍
• 5.2 暖机方案优化
• 5.2.1 两种暖机方案仿真比较
• 5.2.2 两种暖机方案实验测试比较
• 5.3 本章小结
• 第六章 热变形补偿研究
• 6.1 热误差补偿系统工作原理
• 6.2 热误差检测和建模
• 6.3 热误差补偿驱动器
• 6.3.1 超磁致伸缩材料介绍
• 6.3.2 基于超磁致伸缩的热误差补偿驱动器
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 参考文献
• 研究成果
• 致谢