1、熱結(jié)構(gòu)耦合的主軸變形計(jì)算

  高速數(shù)控車床主軸在高速回轉(zhuǎn)條件下的切削量較小,因此載荷也非常小,這樣由切削力引起的主軸變形亦很小.大量資料表明,熱變形是引起主軸變形的主要原因.因此,本文把主軸系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)的溫度場(chǎng)作為熱載荷,結(jié)合切削力載荷計(jì)算主軸變形,并依此判斷主軸頭部變形是否滿足跳動(dòng)要求。

   根據(jù)計(jì)算得到的主軸頭部任一圓周的節(jié)點(diǎn)徑向位移以及任一直徑處的節(jié)點(diǎn)軸向位移數(shù)據(jù),編制Matlab程序,計(jì)算得到主軸頭部的徑向跳動(dòng)和端跳分別為313和218μm,超過了設(shè)計(jì)要求中規(guī)定的2μm.為此,本文通過加設(shè)散熱筋板改進(jìn)箱體結(jié)構(gòu),從而減小主軸頭部的熱變形

2、散熱筋板的布局方案

   由于高速數(shù)控車床主軸箱基本功能的要求及在整機(jī)結(jié)構(gòu)中的位置和尺寸約束,其外形尺寸保持不變.散熱筋板主要布置在箱體的前后側(cè)面上,根據(jù)主軸系統(tǒng)溫度場(chǎng)的分布確定具體位置,筋板的厚度取10mm,高度取25mm

方案a2根散熱筋板,分別布置在箱體前側(cè)面的前、后軸承處；
方案b前后散熱筋板位置不變,第3根筋板布置在中間靠前位置；
方案c4根散熱筋板,其中2根布置在后軸承處；
方案d在方案b的基礎(chǔ)上,在箱體后側(cè)面的后軸承處加設(shè)第4根筋板。

3、計(jì)算結(jié)果

   根據(jù)4種方案,分別計(jì)算高速數(shù)控車床主軸熱變形,得到主軸頭部的徑跳和端跳值，從中可以看出,采用方案c的筋板布置,主軸頭部的跳動(dòng)值均小于等于2μm.同時(shí),通過對(duì)比方案還可以看出,盡管方案d比方案b多設(shè)置了一根散熱筋,但主軸頭部的端跳不僅沒有減小反而增大了.這說(shuō)明按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,盲目設(shè)置多條散熱筋板并不能有效減小主軸頭部的熱變形.為此,本文進(jìn)行了多種筋板布置方案的對(duì)比分析,確定在方案c的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)筋板的位置及尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4、散熱筋板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

   利用ANSYS中的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL進(jìn)行散熱筋板的優(yōu)化設(shè)計(jì).優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可描述為目標(biāo)函數(shù)minE=ER+EA。式中,ER為主軸頭部的徑向跳動(dòng);EA為主軸頭部的端跳;ER,EA又稱為狀態(tài)變量.設(shè)計(jì)變量t1為主軸箱后部?jī)山畎彘g的間距;t2為筋板的厚度;t3為筋板的寬度;t4為中間筋板距主軸箱前端面的距離，由于隨機(jī)搜索法不需要對(duì)目標(biāo)函數(shù)求偏導(dǎo)數(shù)并可進(jìn)行多次循環(huán),因此,本文采用隨機(jī)搜索法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算.得到*設(shè)計(jì)參數(shù)為t1=919mm,t2=12113mm,t3=1515mm,t4=8415mm,主軸頭部zui小徑向跳動(dòng)1155μm,zui小端跳1163μm.與優(yōu)化前的筋板布置方案c相比,雖然主軸頭部端跳沒有進(jìn)一步減小,但主軸頭部徑向跳動(dòng)降低了14%,可見,優(yōu)化效果還是非常明顯的。