基于昆虫翅脉仿生流道的数控机床主轴系统冷却结构热设计

主轴系统的热误差是影响数控机床加工精度的主要因素。根据自然界昆虫的翅脉结构,设计了一种基于鳞翅目昆虫翅脉仿生流道的新型主轴系统冷却结构。建立了昆虫翅脉仿生流道冷却结构模型,在数值传热学相关理论基础上,通过Fluent有限元软件对传统螺旋形流道和新型昆虫翅脉仿生流道冷却结构进行流固耦合仿真对比分析,结果显示后者比前者具有更好的散热效果和流动特性:在相同边界条件下,冷却液最大流速约为1.839m/s,出入口压降为3 181Pa,加热面最高温度降低了约17.8%、最低温度降低了约4.6%,且冷却结构的温度场分布更均匀。研究结果可为数控机床主轴系统冷却结构的热设计提供参考。

数控机床主轴-立柱系统热态特性分析与测试

针对数控机床主轴-立柱系统因受热变形而影响机床加工精度的问题,本文基于能量守恒定律建立了主轴-立柱系统耦合分析模型来获取其热态特性。该模型综合考虑了热源计算、传热系数计算、结构约束以及散热面放置情况等因素,并采用风速法来获取主轴与空气间的传热系数。为了验证主轴-立柱系统耦合分析模型的有效性,本文设计并搭建了数控机床热态特性试验平台,以具体数控机床为研究对象获得了其主轴-立柱系统的温度场分布、热变形以及热平衡时间等热态特性。试验结果表明:各测点数据中温度的最长绝对误差和最大相对误差分别为0.71℃,2.94%,出现在主轴体的测点处,热变形的绝对误差和相对误差分别为1.49μm,8.71%,采用风速法建立的主轴-立柱系统耦合分析模型所获得的热态特性与试验获得的结果基本一致。本文的研究成果为数控机床减少热误差,提高精度保持性提供了参考。

基于热设计的立式数控铣床主轴箱多目标设计与研究

主轴箱作为主轴系统不可或缺的一部分,其热误差是影响数控机床加工精度的重要因素之一。以热设计为核心,通过结合田口法和有限元法,对主轴箱进行多目标优化设计与研究。搭建了主轴系统热态特性实验平台,以某机床厂的立式数控铣床为研究对象,获得其主轴系统的温度数据;根据实验测得的数据建立9组主轴箱优化模型;采用有限元法对温度-结构场耦合的9组模型进行仿真分析,得到各组模型的温度场分布云图和热变形分布云图,并进一步获得主轴箱结构优化结果和较优水平的主次因素参数组合。结果表明:对主轴箱热变形影响程度由高到低的因素为底板长度L、距离B、肋板宽度A、距离C;对主轴箱质量影响程度由高到低的因素为底板长度L、距离B、距离C、肋板宽度A。该研究为降低数控机床研发成本提供了参考。