铣车复合加工中心双驱丝杠静动热态特性分析及尺寸优化

【摘要】本课题来源于国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”(项目编号：2010ZX04001-032)——动梁无滑枕立式铣车复合加工中心。数控机床进给系统的传动精度和定位精度对工件的加工精度起着关键性的作用。滚珠丝杠作为立式铣车复合加工中心进给机构主要的传动功能部件之一,它具有传动效率高、摩擦阻力小、灵敏度高、运动平稳、低速无爬行、使用寿命长、精度保持性好、定位精度和重复定位精度高、同步性好等优点,故主要用于精密机床、数控机床等的进给机构。进给机构的动态性能是影响高速立式加工中心工作性能及其加工工件质量的关键指标。立式加工中心在工作时,切削速度较高,快速移动速度也较大,故滚珠丝杠的发热量和惯量也很大,进而引起丝杠产生热变形和振动,最终会降低工件的加工精度和表面加工质量,同时机床的精度保持性和刀具的耐用度也会相应下降。所以,数控机床对进给传动系统的基本要求,首先是要“三高”,即静刚度高、动刚度高和热刚度高；其次是运动部件要尽可能轻量化,以此来减小惯量。本文主要运用计算机建模和有限元仿真分析技术,对双驱滚珠丝杠的有限元建模、结构静力学分析、结构动力学分析、热力学分析以及尺寸优化设计等方面进行了深入分析和研究,最后得到的优化结果为加工中心滚珠丝杠的尺寸优化与选择提供了一定的理论依据。本文的具体研究内容如下：(1)以弹性支承约束来近似模拟丝杠两端轴承组的支承作用,弹性支承的基础刚度用轴承的径向刚度来表示。在充分考虑了双驱滚珠丝杠两端轴承结合部对其静态特性的影响下,通过合理简化建立了双驱进给系统的有限元模型,并对其进行结构静力学分析。得到了双驱滚珠丝杠在典型铣削工况下的静力变形云图。仿真结果表明,双驱滚珠丝杠的静力最大变形量均在5μm内,符合双驱进给系统在工况下的静刚度设计要求。(2)基于滚珠丝杠的计算模态分析理论和谐响应分析理论为基础,对滚珠丝杠进行了计算模态分析,得到了滚珠丝杠的前6阶固有频率与模态振型。仿真结果显示,丝杠的最大转速明显低于其一阶状态下的临界转速,故在铣削工况下的有效转速范围内滚珠丝杠将不会发生共振；在丝杠模态分析的基础上又对其进行了正弦激振力作用下的谐响应分析,得到了丝杠的谐响应幅频特性曲线。得到滚珠丝杠在正弦激振力作用下,在频率为55-60Hz时的振幅得到最大值。故在实际切削工况中,机床应避免此频率下的动载荷,以免造成机床产生较大的振动,进而影响工件的加工精度。(3)依据相关热力学理论,对高速中空滚珠丝杠进行主要发热源的分析,并对其发热量进行计算。同时,计算出了中空滚珠丝杠的热边界条件,仿真出了丝杠在实际工况下的温度场分布。再将丝杠的稳态温度场分布作为“热载荷”施加到滚珠丝杠上,对其进行热-结构耦合分析,得到了中空滚珠丝杠的热位移云图。得到工况下丝杠螺母处的温度最高,约为65.374℃。丝杠两端与轴承配合处温度次之,约为49.65℃。整个丝杆螺纹段只有螺母附近温度稍高些。其余部分接近室温20℃,最高不超过21℃。丝杠在工况下的最大热位移量为33.535μm。最后,在保证丝杠应有适量预拉伸量的前提下,求出了中空滚珠丝杠的预拉伸力应取8275.53-10399.31N。(4)以相关尺寸优化设计理论为基础,对滚珠丝杠相关尺寸参数进行了优化。仿真结果表明,丝杠在同时使静、动、热刚度达到最优的前提下,得到了最佳设计变量。对比优化前后的模型,优化后的模型在静、动、热态特性方面均有所提升。从而提高了双驱进给的刚度,一定程度了也降低了双驱系统的同步传动误差。
【作者】闫冰；
【导师】谢黎明；
【作者基本信息】兰州理工大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】滚珠丝杠；静动态特性；热态特性；尺寸优化；

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