基于接觸熱阻的高速精密電主軸熱特性分析

第42卷第1期北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報Vol. 42 No. 1JOURNAL OF BELJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYJan.2016基于接觸熱阻的高速精密電主軸熱特性分析劉志峰,馬澄宇,趙永勝,方翠(北京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗室,北京100124)摘要:主軸系統熱冋題是高精度杋床必須要考慮的關(guān)鍵冋題,接觸熱阻的大小影響機床的傳熱性能,從而影響其加工精度,利用表面接觸的分形理論,計算接觸面的量綱一的接觸面積,針對接觸微凸體的熱阻由基體熱阻和收縮熱阻形成接觸對,建立了一個(gè)考慮接觸界面基體熱阻和收縮熱阻的表面接觸熱阻模型,討論了不同的分形參數對接觸熱阻的影響.以立式加工中心電主軸系統為研究對象,分析了電機的損耗發(fā)熱和軸承的摩擦發(fā)熱,運用有限元軟件對電主軸模型在有無(wú)接觸熱阻2種情況下的穩態(tài)溫度場(chǎng)和穩態(tài)熱變形進(jìn)行仿真分析.討論了有無(wú)熱阻情況下電主軸溫度和變形變化量,論證了接觸熱阻對電主軸熱溫度場(chǎng)和熱變形的影響.結果表明:電主軸考慮接觸電阻時(shí)溫度將升高,變形將增加關(guān)鍵詞:接觸熱阻;電主軸;分形;熱特性中圖分類(lèi)號:TH161.4文獻標志碼:A文章編號:0254-0037(2016)01-0017-0doi:10.11936/ butch2015050085Analysis of High Speed Motorized Spindle Thermal CharacteristicsBased on Thermal Contact ResistanceLIU Zhifeng, MA Chengyu, ZHAO Yongsheng, FANG CuiBeijing Key Laboratory of Advanced Manufacturing TechnologyBeijing University of Technology, Beijing 100124, ChinaAbstract: The spindle system heat problem is a key problem that must be considered for high precisionmachine tool. The thermal contact resistance( TCR) affects the heat transfer performance of a machinetool, which affects the machining accuracy. In this paper, a model considerating the bulk resistance andhrink resistance surface of tcr was established by using the fractal theory of the contact surface. motorheat and bearing friction heat in a vertical machining center motorized spindle system were analyzed. Incase of considering TCR and without considering TCR, steady state temperature field and the steady statethermal deformation were analyzed. Results demonstrate the importance of TCr to the problem thermalcharacteristics of motorized spindle. The temperature will be higher and the deformation will be seriouswhen tcr is consideredKey words: thermal contact resistance(TCR ); motorized spindle; fractal; thermal characteristics隨著(zhù)機械工業(yè)的高速發(fā)展,對機床的加工精度電杋發(fā)熱和軸承摩擦發(fā)熱對高速高精密機床的影響要求越來(lái)越高.電主軸雖然對傳統機械主軸而言剛更中國煤化工善和提高機床的加工度較髙、力學(xué)性能較好、彈性變形較小,但電主軸的精CNMHG具有重要意義.在機收稿日期:2015-05-27基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51375025);北京市自然科學(xué)基金資助項目(3132004作者簡(jiǎn)介:劉志峰(1973-—),男,教授,主要從事數字化設計與制造、制造信息化與信息管理系統方面的研究,E-mail:t@北京工業(yè)大2016械結構設計等領(lǐng)域中,接觸熱阻是很重要參數之一,所有尺度上的不規則性;γ為大于1的常數,對于服其取值是否精確直接關(guān)系到機械結構的內部傳熱的從正態(tài)分布的隨機表面,γ=1.5較符合高頻譜密度效率、因此,通過(guò)研究粗糙表面的接觸熱阻對電主軸系和相位隨機的情況;n為空間頻率序數;γ"為輪廓曲統熱特性的分析從而保證機床精度具有實(shí)際意義線(xiàn)的空間頻率,對應于粗糙表面波長(cháng)An的倒數2009年, Chang等提出了一種比熱結構耦合(y=1/);m是與曲線(xiàn)結構的最低截止頻率相對應模型更為直接的位移測量系統,可更精確地監控和的序數,n1依賴(lài)于取樣長(cháng)度L,可由y"=1/L確定補償高速電主軸系統的熱增長(cháng).2010年, Hookup當粗糙表面與剛性光滑表面接觸時(shí),界面上存等對滾動(dòng)軸承提出了基于有限元方法的熱結構在無(wú)數大小不等的接觸點(diǎn)并且接觸點(diǎn)尺寸越小其數耦合模型,并實(shí)驗驗證了熱結構主軸模型的溫度分量就越多.結合面接觸示意圖如圖1所示布和熱變形,以及在制定工作環(huán)境下的軸承的剛度和接觸載荷.2012年, Uhlmann等3考慮高速電主粗糙表面剛性接觸平面軸各部件間的熱源、接觸、對流等復雜的熱邊界條2件,提出了三維有限元模型來(lái)預測高速電主軸的熱行為,并進(jìn)行了實(shí)驗驗證.分形接觸熱阻模型方面,Ⅻu等結合分形接觸理論和經(jīng)典熱傳遞理論,基于圖1粗糙表面與剛性平面相互接觸W-M函數的改進(jìn)MB分形接觸模型,建立了一定假Fig. I Rough surface contact with rigid plane設條件下的結合面接觸熱阻模型,并推導出具有尺度獨立性的接觸熱阻理論解析公式.姬翠翠等56由W-M函數可得微凸峰截面積的分布函數為采用三維W-M分形函數模擬粗糙表面,綜合考慮接(2)觸微凸體的彈性、彈塑性和塑性3種變形形式建立了預測接觸界面熱導的分形模型.Zou等基于式中:a為微凸峰變形后的截面積;為微觀(guān)接觸的分形理論建立了一個(gè)計算接觸表面間接觸熱導的隨域擴張系數;a1為最大微凸峰截面積機模型根據文獻[9-10],微觀(guān)接觸的域擴張系數為本文考慮了微凸體間的基體傳熱和收縮傳熱220-(1+-3)-2(3)種傳熱途徑,建立接觸熱阻分形模型,計算了主軸軸承系統的熱邊界條件,運用有限元分析軟件對立式加工中心電主軸在有無(wú)接觸熱阻的條件下分別進(jìn)行則小區域內實(shí)際接觸面積A可得了溫度場(chǎng)和熱變形分析與驗證A= n(a)ade(4)1粗糙表面的分形熱阻模型根據彈性力學(xué)可知,最大微凸峰截面積a′和接觸面積之間存在關(guān)系式a=2a1.1分形表征由分形模型,臨界微凸體接觸面積可給出具有分形特征的粗糙表面的輪廓曲線(xiàn)可用能夠生成分形曲線(xiàn)和曲面的著(zhù)名的 Weierstrass-HMandelbrot函數(簡(jiǎn)稱(chēng)W-M函數)來(lái)模擬生成.試2A樣長(cháng)度L必須小于一個(gè)臨界值L,這樣才能反映出式中:H為兩接觸材料較軟的硬度;E為復合彈性模微凸體高度的微觀(guān)特征,所以對于小區域長(cháng)度LWM函數可寫(xiě)為量E EI ExE1、E2、t1、32分別為兩接觸材料量和泊松比z(x)=Lla時(shí),有的微(1)凸體發(fā)生塑性變形,有的微凸體發(fā)生彈性變形式中:z(x)為粗糙表面輪廓的高度;x為粗糙表面輪對于小區域長(cháng)度L上的量綱一接觸面積A,即廓的位移坐標;G為分形粗糙度參數,反映x(x)幅實(shí)際接觸面積A與名義接觸面積A的比,可給出值的大小;D為輪廓分形維數,定性反映表面輪廓在當a1