零传动滚齿机热特性分析及试验研究

论文摘要

“零传动”又称直接驱动,其在齿轮加工机床上的应用,完全取消滚齿机传动链的齿轮传动机构,不仅完全消除了传动链的几何误差对加工精度的影响,而且消除了齿轮传动机构生成的热误差对加工精度的影响。但是无法消除电机、轴承等其他因素发热对加工精度的影响。而且由此产生的热误差也在机床所有的误差项中所占的比例大大增加,由原来的40%~70%增加到60%~80%。本文在研究零传动数控滚齿机YK3610结构的基础之上,分析其热特性,重点从理论分析和试验角度研究零传动滚齿机热变形对加工精度的影响,为高效高精度零传动滚齿机热误差补偿提供依据。首先分析了零传动滚齿机的热特性,主要包括热源分析、传热方式和传热计算、发热计算及热变形分析。电机定子和转子发热是零传动滚齿机的主要热源,其中定子发热占电机总发热的三分之二以上。另外,对于高效高精度机床而言,主轴轴承发热也是一个很大的热源,主轴轴承的配置数量和安装方式直接影响其发热量。零传动滚齿机热变形对加工精度的影响是本文研究重点。分析零传动滚齿机由于电机和轴承受热对工件主轴和滚刀主轴可能产生的变形方式,对各种热变形情况进行计算分析,进一步对反映在加工工件上的相关误差进行了数学计算。工件主轴的径向热变形严重影响工件的齿向加工精度,而滚刀主轴的轴向和径向热变形对工件的齿距偏差和齿向偏差都产生很大的影响。从试验的角度主要研究工件主轴和滚刀主轴的热变形。试验发现,受到主轴热结构的影响,工件主轴在径向热变形Y向明显大于X向,对工件加工精度有很大影响,工件主轴轴向热变形很大,但是对加工精度影响很小;而滚刀主轴由于受热结构的影响,径向热变形X向明显大于Z向,对加工精度产生直接影响,而且滚刀主轴的轴向热变形受到尾架的影响,变形比较复杂;利用热变形试验数据计算其对齿轮加工精度的影响。最后,本文主要从结构优化和热误差补偿两方面来研究机床热变形控制技术,以工件主轴为例分析改进电机冷却系统,有利于减小热变形对加工精度的影响;而热误差补偿技术成本低效果明显,文中提出了热误差补偿的建模方法和补偿的实施过程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 滚齿机的发展
• 1.1.1 全数控化
• 1.1.2 零传动技术的应用
• 1.1.3 高速、高精度
• 1.1.4 环保复合化
• 1.1.5 网络智能化
• 1.2 零传动滚齿机的研究进展
• 1.3 机床热特性国内外研究现状
• 1.4 课题的来源及研究意义
• 1.4.1 课题的来源及背景
• 1.4.2 课题的研究意义
• 1.5 课题研究内容
• 2 零传动滚齿机结构及热特性分析
• 2.1 零传动滚齿机及其设计中的热特性考虑
• 2.1.1 机床的传动系统
• 2.1.2 各轴的传动
• 2.1.3 床身及排屑系统
• 2.2 零传动滚齿机的主轴结构
• 2.2.1 工件主轴结构
• 2.2.2 滚刀主轴结构
• 2.3 零传动滚齿机的热源分析
• 2.3.1 工件主轴发热因素分析
• 2.3.2 滚刀主轴发热因素分析
• 2.3.3 加工点切削热分析
• 2.3.4 其他热源分析
• 2.4 零传动滚齿机的传热分析
• 2.4.1 热传递的基本形式
• 2.4.2 轴承传热
• 2.4.3 电机定子和冷却系统的热交换
• 2.4.4 电机定子和转子的热交换
• 2.4.5 电机与周围空气的热交换
• 2.5 零传动滚齿机热源的发热量计算
• 2.5.1 工件主轴热源的发热计算
• 2.5.2 滚刀主轴热源的发热计算
• 2.5.3 切削热计算
• 2.5.4 其他热源发热计算
• 2.6 本章小结
• 3 零传动滚齿机热变形对加工精度的影响
• 3.1 齿轮加工误差与分析
• 3.1.1 齿轮加工误差的分类
• 3.1.2 齿轮加工误差的计算系统
• 3.2 工件主轴热变形对加工精度的影响
• 3.2.1 工件主轴热变形机理
• 3.2.2 工件主轴热变形对加工精度的影响
• 3.3 滚刀主轴热变形对加工精度的影响
• 3.3.1 滚刀主轴热变形机理
• 3.3.2 滚刀主轴热变形对加工精度的影响
• 3.4 加工点热变形对加工精度的影响
• 3.5 进给机构热变形对加工精度的影响
• 3.6 本章小结
• 4 零传动滚齿机热特性试验研究
• 4.1 试验原理
• 4.1.1 试验介绍
• 4.1.2 电容式传感器的工作原理
• 4.2 工件主轴热变形、温升试验
• 4.2.1 工件主轴热变形试验
• 4.2.2 工件主轴温升试验
• 4.2.3 工件主轴热变形对齿轮加工影响计算实例
• 4.3 滚刀主轴热变形、温升试验
• 4.3.1 滚刀主轴热变形试验
• 4.3.2 滚刀主轴温升试验
• 4.3.3 滚刀主轴热变形对齿轮加工影响计算实例
• 4.4 加工精度试验
• 4.4.1 高效切削试验
• 4.4.2 精切加工精度试验
• 4.4.3 二次加工试验
• 4.5 本章小结
• 5 零传动滚齿机热变形控制技术研究
• 5.1 结构的热优化设计
• 5.1.1 主轴热结构分析
• 5.1.2 结构的热优化设计
• 5.2 热误差补偿技术研究
• 5.2.1 热误差建模方法
• 5.2.2 热误差补偿技术
• 5.3 本章小结
• 6 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录