加工中心皮带轴热力学仿真分析

0 引言

    皮带轴是加工中心关键部件之一，皮带轴工作时，主轴内部热源主要由轴承的高速旋转摩擦产生热量，主轴各个部分会产生不同程度的温度变化。当温度上升后，主轴和机床其他部件的空间相对位置和尺寸都将与开机前有所不同，因而形成不同的温度场，产生热交换，如不及时对主轴系统进行冷却，必将对精密部件产生不同程度的热变形，导致加工误差。尤其是高速主轴，热变形引起的误差尤为突出。目前国内外研究主轴系统热态特性的学者较多如：韩国学者Jin Kyung Choi等用大型有限元软件ANSYS分析了五轴加工中心的主轴轴承热态特性，分析结果与实验所得数据相近，研究结果表明：如果选用合适的主轴传热系数，则有限元法是主轴系统热态分析的合适工具。美国BernBossnns和JayTu教授提出了一个有限差分模型来描述高速电主轴能量分布，分析了电主轴的传热机制，特别是热传递的特性，进一步提出了高速电主轴的能量流动模型，并分析了主轴发热的定量特性，通过定制的高性能磨床电主轴证实该模型正确性。韩国的Sun Min Kim等对高速电主轴轴承的热态特性进行了详细的研究，研究了轴承预紧力、轴承热变形、过盈等的变化，提供了一个简单仿真方法。

    综上所述，目前国内外主要研究为电主轴，而高速皮带轴较少。本文以高速加工中心皮带轴为研究对象，通过有限元分析软件，建立了高速加工中心皮带轴三维模型，分别对主轴以及轴承进行瞬态、稳态热分析，了解主轴整体的温度分布情况。通过本文分析和计算，为高速加工中心皮带轴提供一种理论分析以及仿真方法，使设计者可以根据发热量计算预测皮带轴的温升，为加工中心皮带轴优化设计奠定基础。

1 皮带轴内部结构

    本文加工中心皮带轴简介：主轴用于立式加工中心，主轴锥孔为BT50，主轴拉刀为四瓣爪式拉紧，拉刀力为13000+1000N，主轴转速4500rpm，前轴承为4套NSK-7017C/P4角接触轴承预压负荷为1100N，后轴承为2套NSK-7015 C/P4角接触轴承预压负荷为700N，碟簧为90片，三片叠合后再对合，预压11mm，带刀打刀行程8mm，空刀打刀行程11mm，轴承内填NBU15润滑脂，循环水冷。图1是试验用加工中心皮带轴剖面图。

图1 皮带轴结构简图

2 电主轴热分析的热载荷及对流系数的选取

    本文皮带轴热分析是在室温下，不考虑周围环境之间的热传递。对于主轴系统来说，热量主要由前后轴承的高速旋转产生，生热率q是指热源单位体积的发热量，如下式所示：