基于ANSYSWorkbench的研球机主轴热态特性分析

薛会民　田朋

摘 要：以研球机主轴为研究对象，通过三维实体软件UG对主轴进行几何建模，利用ANSYS Workbench平台建立了主轴热态特性有限元分析模型，对主轴进行了热态特性分析。通过分析，得到了机床主轴温度场的变化，热通量大小分布以及热变形的大小分布，为有效控制主轴热变形，保证机床的加工精度提供了理论依据。

关键词：主轴；热态特性；加工精度

引言

随着现代加工技术的不断发展，高精度加工已逐渐成为现代工业化生产的主流。在精密机械加工过程中，影响机床加工精度的因素很多，其中，机床主轴一直是影响机床加工精度的关键部件，主轴的转动和摩擦产生的热会造成主轴的热变形，而主轴的变形会直接影响机床的加工精度。文章以ANSYS Workbench为平台，对研球机主轴的热态特性进行了分析。

1 主轴有限元模型的建立

该研球机为陶瓷球研磨机床，其主轴组件主要包括主轴、轴承、研磨盘等零件。文章通过UG6.0三维实体软件对主轴进行了几何建模，然后通过UG输出转换文件，导入到ANSYS Workbench分析软件中。该分析主要是进行的热应力的部分分析，通过采用直接耦合法来求解得出耦合场的分析结果，即温度在主轴上的分布和结构的变形。

在ANSYS Workbench中对主轴进行网格划分，因为轴承所对应的主轴部分是发热的主要部分和受力处，在主轴转动时产生较多的热量，因此对该部位的网格划分要更加细密。该研球机主轴的有限元模型如图1所示。

2 主轴的热源以及稳态热分布分析

在研球机工作过程中，主轴主要受到两种热源：一是周围环境的空气对流以及阳光等一些外在的辐射热源；二是主轴转动与轴承产生的摩擦发出的热。在一般情况下，机床加工通常处于室温的稳定情况，所以，我们主要考虑主轴与轴承在转动过程中产生的发热量。

当轴承在高速轻载条件下，M0占主要部分；当轴承在低速重载条件下，M1占主要部分。该分析所用研球机运行过程中主轴转速75r/min，并且带动研磨板进行运动，主轴工作压力是25kN，属低速重载条件，因此在该研球机主轴的摩擦力矩中M1占主要部分。

主轴热分析时，将轴承的发热载荷加于轴承安装位置，通过计算，可得出前后轴承安装位置的生热率。通过热对流和导热的经验公式设定有限元模型的边界条件，得出温度载荷，将轴承与主轴摩擦产生的温度载荷施加到主轴上，如图2所示：

该分析只是对轴承摩擦产生热量的分析，主轴的工作情况为常温条件25℃，转速为75r/min，主轴材料为45钢，导热系数50.2W/（m·K），将上述条件施加到主轴的有限元模型上，通过分析可得出稳态后主轴的温度分布云图如图3所示，热通量云图如图4所示。

从图3上可以看出，主轴上的温度分布是从轴端也就是最大负载开始逐级递减，但是在第一个轴承的安装处是温度最高的地方，表明摩擦对温度变化的影响，而且第一轴承处温度远远高于第二个轴承处的温度。从图4中可以看出，在不考虑其它发热源的情况下，第二轴承处单位时间单位面积流过的热量是最多的，这是因为该处摩擦产生的热量比较多而轴径相对较小而产生的。

3 主轴热变形的计算与分析

主轴的变形通常是由于多方面的原因造成的，对于精密加工机床，主轴的热变形是影响主轴回转精度的一项重要因素。主轴的热变形，一般可通过下面的公式进行估算。

文章通过有限元分析软件ANSYS Workbench，根据经验公式求出一些列主轴的加载条件，然后作为边界条件加载在主轴上，求解得出主轴的温度场如图3温度分布云图。根据该主轴的温度分布云图，同样可以在ANSYS Workbench中可模拟分析出主轴的热变形云图，如图5所示。

对比理论估算和有限元分析的结果，可以看出两者变形量之间虽有一定误差，但变形情况基本一致。从热变形图可以看出，在主轴达到热平衡时，主轴的两端均有较大的变形，尤其是主轴的前端（即负载研磨盘的轴端）变形最大，它直接影响主轴运转的平稳性，进而影响机床的加工精度，应采取措施加以改进。

4 结束语

文章通过ANSYS Workbench有限元分析软件，构建了主轴的热态特性有限元模型，分析了主轴的热源及主轴的温度场，得出了主轴的温度分布云图，主轴上前轴承处温升最高，云图反映了主轴运动过程中发热量的产生和负载带来的影響。对于主轴的热变形，有限元分析与理论计算基本一致，主轴在前端变形量最大，影响着机床的加工精度。分析结果对优化主轴结构控制主轴的热变形提供了理论依据。

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