1、熱結(jié)構(gòu)耦合的主軸變形計算

  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)達到熱平衡時的溫度場作為熱載荷,結(jié)合切削力載荷計算主軸變形,并依此判斷主軸頭部變形是否滿足跳動要求。

   根據(jù)計算得到的主軸頭部任一圓周的節(jié)點徑向位移以及任一直徑處的節(jié)點軸向位移數(shù)據(jù),編制Matlab程序,計算得到主軸頭部的徑向跳動和端跳分別為313和218μm,超過了設(shè)計要求中規(guī)定的2μm.為此,本文通過加設(shè)散熱筋板改進箱體結(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、計算結(jié)果

   根據(jù)4種方案,分別計算高速數(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,主軸頭部的跳動值均小于等于2μm.同時,通過對比方案還可以看出,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.這說明按傳統(tǒng)設(shè)計方法,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,本文進行了多種筋板布置方案的對比分析,確定在方案c的基礎(chǔ)上,進一步對筋板的位置及尺寸進行優(yōu)化設(shè)計。

4、散熱筋板的優(yōu)化設(shè)計

   利用ANSYS中的參數(shù)化設(shè)計語言APDL進行散熱筋板的優(yōu)化設(shè)計.優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可描述為目標函數(shù)minE=ER+EA。式中,ER為主軸頭部的徑向跳動;EA為主軸頭部的端跳;ER,EA又稱為狀態(tài)變量.設(shè)計變量t1為主軸箱后部兩筋板間的間距;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，由于隨機搜索法不需要對目標函數(shù)求偏導(dǎo)數(shù)并可進行多次循環(huán),因此,本文采用隨機搜索法進行優(yōu)化計算.得到*設(shè)計參數(shù)為t1=919mm,t2=12113mm,t3=1515mm,t4=8415mm,主軸頭部zui小徑向跳動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一步減小,但主軸頭部徑向跳動降低了14%,可見,優(yōu)化效果還是非常明顯的。