高速高精数控车床滚珠丝杠进给系统热态特性研究

论文摘要

数控机床的高速化,不仅要求主轴转速不断提高,而且进给速度也要求越来越快。滚珠丝杠螺母副的高速化旋转,必将产生大量的摩擦热,而滚珠丝杠温升引起的热变形通常是进给系统定位误差的主要组成部分。因此,作为数控车床关键部件之一的滚珠丝杠进给系统的热态特性分析与热误差控制对提高和保证机床加工精度至关重要,是高速高精数控车床必须考虑的关键技术之一。本论文是针对江西省教育厅“光机电一体化”产学研重点项目“高速高精数控车床研发”的内容进行研究的。本论文采用ANSYS有限元分析软件,针对GSCK200A型高速数控车床的滚珠丝杠进给系统进行热力学特性分析,从而验证进给系统的热稳定性。本文研究的主要内容如下:（1）广泛查阅机床热态特性研究的相关文献,了解机床整机与滚珠丝杠进给系统的热态特性研究的概况,了解国内外学者对滚珠丝杠进给系统的热态特性研究的常用方法及主要研究成果。（2）分析GSCK200A型数控车床的Z轴进给系统的结构,对Z轴滚珠丝杠螺母副进行选型计算,并校核其各项性能参数。分析Z轴滚珠丝杠螺母副在低速粗车削与高速硬车削两种不同工况条件下的受力载荷情况。（3）介绍热分析的基本理论,建立热传导微分方程,运用加权残数法推导出稳态热传导与瞬态热传导的有限元方程,然后分析热变形与热应力的求解方法。在合理简化的基础上建立了滚珠丝杠进给系统的有限元模型,定义了材料的热物理参数,并对模型划分了网格。（4）在不同工况载荷条件下,分析GSCK200A型数控车床的Z轴滚珠丝杠进给系统的热源,确定了系统各部分的热边界条件,运用ANSYS有限元软件求解了滚珠丝杠进给系统的稳态温度场,并研究其热态特性。（5）以热分析的稳态温度场结果为基础,对GSCK200A型数控车床的Z轴滚珠丝杠进给系统进行了热-结构耦合分析,求解出其热变形。通过本文的研究,验证了GSCK200A型数控车床的进给系统具有优良的热稳定性,并可为相似型号的数控车床研发提供理论参考依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源
• 1.2 课题研究背景及意义
• 1.3 国内外研究概况
• 1.3.1 机床整机热态特性研究概况
• 1.3.2 滚珠丝杠进给系统热态特性研究概述
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 Z轴进给系统的结构与工况分析
• 2.1 Z 轴进给系统结构设计
• 2.2 滚珠丝杠螺母副的选择与计算
• 2.2.1 滚珠丝杠螺母副导程的确定
• 2.2.2 滚珠丝杠螺母副的载荷及转速计算
• 2.2.3 滚珠丝杠螺母副预期额定动载荷的计算
• 2.2.4 按精度要求确定允许的滚珠丝杠最小螺纹底径
• 2.2.5 滚珠丝杠螺母副规格型号的确定
• 2.3 Z 轴滚珠丝杠螺母副的校核
• 2.3.1 滚珠丝杠压杆稳定性校核
• 2.3.2 滚珠丝杠副极限转速校核
• 2.3.3 滚珠丝杠副dn值校验
• 2.3.4 滚珠丝杠副额定静载荷校核
• 2.3.5 丝杠轴拉压强度校核
• 2.4 Z 轴滚珠丝杠螺母副工况分析
• 2.4.1 低速粗车削的切削力计算
• 2.4.2 高速硬车削的切削力计算
• 2.4.3 Z 轴滚珠丝杠螺母副受力分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 滚珠丝杠热态特性有限元建模
• 3.1 基于有限元的滚珠丝杠热分析
• 3.1.1 热传导理论基础
• 3.1.2 热传导微分方程
• 3.1.3 温度场的边值条件
• 3.1.4 稳态热传导
• 3.1.5 瞬态热传导
• 3.1.6 热变形与热应力
• 3.2 滚珠丝杠进给系统有限元模型的创建
• 3.2.1 滚珠丝杠二维模型的简化
• 3.2.2 定义单元类型
• 3.2.3 定义材料热性能参数
• 3.2.4 划分网格、创建有限元模型
• 3.3 本章小结
• 第四章 滚珠丝杠进给系统热态特性有限元分析
• 4.1 Z 轴进给系统热源分析
• 4.1.1 滚动轴承发热量的计算
• 4.1.2 滚动轴承生热率的计算
• 4.1.3 滚珠丝杠螺母副摩擦热的计算
• 4.1.4 丝杠轴热流密度的计算
• 4.1.5 伺服电机发热量的计算
• 4.2 滚珠丝杠进给系统对流换热边界条件
• 4.2.1 无限空间自然对流换热
• 4.2.2 旋转轴的空气强迫对流换热
• 4.2.3 滚动轴承的润滑脂强迫对流换热
• 4.2.4 滚珠丝杠螺母副的润滑油强迫对流换热
• 4.2.5 旋转轴端部的对流换热
• 4.2.6 轴承座静态表面的对流换热
• 4.3 滚珠丝杠进给系统的温度场有限元分析
• 4.3.1 滚珠丝杠进给系统热特性模型的假设条件
• 4.3.2 滚珠丝杠进给系统热特性分析的边界条件
• 4.3.3 滚珠丝杠进给系统的稳态温度场分析
• 4.3.4 滚珠丝杠进给系统在不同工况下的稳态温度场对比分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 滚珠丝杠进给系统热态特性的改善
• 5.1 滚珠丝杠进给系统热变形分析
• 5.1.1 滚珠丝杠轴的预拉伸
• 5.1.2 不同工况条件下滚珠丝杠轴的热变形
• 5.1.3 极限工况条件下滚珠丝杠轴的热变形
• 5.2 滚珠丝杠进给系统热态特性的改善
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文
• 致谢