銑車復(fù)合加工中心雙驅(qū)絲杠靜動熱態(tài)特性分析及尺寸優(yōu)化.pdf

1、本課題來源于國家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”(項(xiàng)目編號:2010ZX04001-032)——動梁無滑枕立式銑車復(fù)合加工中心。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動精度和定位精度對工件的加工精度起著關(guān)鍵性的作用。滾珠絲杠作為立式銑車復(fù)合加工中心進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要的傳動功能部件之一，它具有傳動效率高、摩擦阻力小、靈敏度高、運(yùn)動平穩(wěn)、低速無爬行、使用壽命長、精度保持性好、定位精度和重復(fù)定位精度高、同步性好等優(yōu)點(diǎn)，故主要用于精密機(jī)床、數(shù)控機(jī)床等的進(jìn)給機(jī)

2、構(gòu)。進(jìn)給機(jī)構(gòu)的動態(tài)性能是影響高速立式加工中心工作性能及其加工工件質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。立式加工中心在工作時(shí)，切削速度較高，快速移動速度也較大，故滾珠絲杠的發(fā)熱量和慣量也很大，進(jìn)而引起絲杠產(chǎn)生熱變形和振動，最終會降低工件的加工精度和表面加工質(zhì)量，同時(shí)機(jī)床的精度保持性和刀具的耐用度也會相應(yīng)下降。所以，數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給傳動系統(tǒng)的基本要求，首先是要“三高”，即靜剛度高、動剛度高和熱剛度高;其次是運(yùn)動部件要盡可能輕量化，以此來減小慣量。本文主要運(yùn)用計(jì)算機(jī)

3、建模和有限元仿真分析技術(shù)，對雙驅(qū)滾珠絲杠的有限元建模、結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、熱力學(xué)分析以及尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了深入分析和研究，最后得到的優(yōu)化結(jié)果為加工中心滾珠絲杠的尺寸優(yōu)化與選擇提供了一定的理論依據(jù)。本文的具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)以彈性支承約束來近似模擬絲杠兩端軸承組的支承作用，彈性支承的基礎(chǔ)剛度用軸承的徑向剛度來表示。在充分考慮了雙驅(qū)滾珠絲杠兩端軸承結(jié)合部對其靜態(tài)特性的影響下，通過合理簡化建立了雙驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)的

4、有限元模型，并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。得到了雙驅(qū)滾珠絲杠在典型銑削工況下的靜力變形云圖。仿真結(jié)果表明，雙驅(qū)滾珠絲杠的靜力最大變形量均在5μm內(nèi)，符合雙驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)在工況下的靜剛度設(shè)計(jì)要求。
　　(2)基于滾珠絲杠的計(jì)算模態(tài)分析理論和諧響應(yīng)分析理論為基礎(chǔ)，對滾珠絲杠進(jìn)行了計(jì)算模態(tài)分析，得到了滾珠絲杠的前6階固有頻率與模態(tài)振型。仿真結(jié)果顯示，絲杠的最大轉(zhuǎn)速明顯低于其一階狀態(tài)下的臨界轉(zhuǎn)速，故在銑削工況下的有效轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)滾珠絲杠將不會發(fā)生共

5、振;在絲杠模態(tài)分析的基礎(chǔ)上又對其進(jìn)行了正弦激振力作用下的諧響應(yīng)分析，得到了絲杠的諧響應(yīng)幅頻特性曲線。得到滾珠絲杠在正弦激振力作用下，在頻率為55～60Hz時(shí)的振幅得到最大值。故在實(shí)際切削工況中，機(jī)床應(yīng)避免此頻率下的動載荷，以免造成機(jī)床產(chǎn)生較大的振動，進(jìn)而影響工件的加工精度。
　　(3)依據(jù)相關(guān)熱力學(xué)理論，對高速中空滾珠絲杠進(jìn)行主要發(fā)熱源的分析，并對其發(fā)熱量進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，計(jì)算出了中空滾珠絲杠的熱邊界條件，仿真出了絲杠在實(shí)際工況下的

6、溫度場分布。再將絲杠的穩(wěn)態(tài)溫度場分布作為“熱載荷”施加到滾珠絲杠上，對其進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得到了中空滾珠絲杠的熱位移云圖。得到工況下絲杠螺母處的溫度最高，約為65.374℃。絲杠兩端與軸承配合處溫度次之，約為49.65℃。整個絲桿螺紋段只有螺母附近溫度稍高些。其余部分接近室溫20℃，最高不超過21℃。絲杠在工況下的最大熱位移量為33.535μm。最后，在保證絲杠應(yīng)有適量預(yù)拉伸量的前提下，求出了中空滾珠絲杠的預(yù)拉伸力應(yīng)取8275.53