高精度数控车床主轴系统及其部件热特性研究

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现代数控机床正向着高速、高精度、高性能方向发展,以液体动静压轴承为支撑的主轴系统在数控机床中的应用越来越广泛。液体动静压轴承作为主轴系统的核心部件之一,其良好的承载能力、温升特性等对提高数控机床的设计制造水平,进而提高数控机床的最终加工精度具有重要意义。同时主轴系统作为数控机床的重要组成部分,其热态性能对机床整机的加工质量影响很大。在主轴系统工作过程中,液体动静压轴承生热和电机生热组成的热源,使得机床主轴系统及其部件发生不同程度的热变形,进而影响机床的加工精度。因此,本文以高精度数控车床主轴系统及其部件为研究对象,对其热态特性进行深入的研究。论文的主要研究内容包括:(1)在查阅国内外相关文献的基础上,综述了液体动静压轴承的油膜特性和主轴系统热特性的研究现状和最新进展,确定课题的研究内容和主要研究方法。(2)研究深浅腔液体动静压轴承的组成及工作原理,建立深浅腔液体动静压轴承的理论模型,并用有限差分法对深浅腔液体动静压轴承的压力分布进行求解计算,分析了轴承油膜压力分布规律。(3)采用三维实体建模软件建立轴承油膜几何模型,采用计算流体动力学软件FLUENT实现轴承油膜分块处理、网格划分、物性参数设置、边界条件设定和求解参数的设置。分析了不同油腔形状、主轴旋转方向对油膜承载能力的影响,求解了在不同主轴转速、供油压力、偏心率、油膜厚度、深腔夹角、进油孔直径等参数下油膜压力场、温度场、承载力和进油孔流量的变化情况,并分析其变化规律。(4)建立了以液体动静压轴承为支撑的主轴系统的有限元模型,分析了系统的热源和传热机理,计算主轴系统部件的热载荷和对流换热系数,并加载到主轴系统的有限元模型中,分析获得主轴系统的温度场分布,进而对主轴系统进行热-结构耦合分析,分析了主轴系统热变形情况;分析了主轴转速和供油压力对主轴温升和热变形的影响;分析了电机冷却水流量对电机温升和热变形的影响。(5)基于一套主轴系统热特性的测试系统,对主轴箱上关键点的温度和主轴的热变形进行了测试,将实验结果与有限元仿真分析结果进行对比,验证仿真结果的正确性。本文中以高精度数控车床主轴系统及其部件为研究对象,对其热特性进行了研究。重点研究了不同工况和结构参数下轴承油膜特性的变化情况,并对主轴系统的温度场和热变形进行了详细分析。研究成果对动静压轴承的设计提供了参考,对提高机床的加工精度有一定的指导意义。
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