高速五轴联动龙门加工中心进给系统热-结构耦合特性研究

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机床设计、制造、调试技术的成熟发展使机床的几何误差得到严格控制,故热误差已成为影响高速精密机床加工精度的主要误差。为尽可能降低关键零部件的热变形,提高机床加工精度,以某智能型高速五轴联动龙门加工中心X向进给系统的关键功能部件—滚珠丝杠副、导轨副、轴承为研究对象,综合运用传热学、有限元及多物理场耦合分析理论,开展高速精密机床热态性能分析及优化技术研究。主要研究内容如下:(1)机床三维瞬态热-结构耦合分析技术研究。以该型机床进给系统真实CAD模型为基础,运用有限元技术建立滚珠丝杠副、导轨副、轴承装配结构的三维瞬态热-结构耦合有限元模型。通过创建接触对模拟接触传热、设计具有代表性的循环模拟工况、优化载荷施加方法等技术手段保证有限元模型的可靠性,为准确模拟机床进给系统复杂传热现象奠定基础。(2)滚珠丝杠副、导轨副热态性能优化研究。以滚珠丝杠副、导轨副的预紧力为研究变量,借助ANSYS平台对比分析滚珠丝杠副、导轨副在该类型机床常用几种预紧力状态下的温度场和热变形,定量研究预紧力在丝杠、导轨热误差敏感方向上对进给系统定位精度的影响规律。(3)轴承热态性能分析及配合公差优化设计。为减小轴承配合公差设计不当对轴承温升的不良影响,借助ANSYS平台仿真分析轴承在不同工况下的温度场及热变形,定量研究轴承座孔、轴承内外圈、丝杠轴颈的热变形量对轴承原始配合公差的影响规律,并以该机床进给系统轴承为算例,运用轴承精度设计方法完成轴承配合公差的优化设计。论文研究得到了滚珠丝杠副和导轨副预紧力、轴承配合公差对机床进给系统热态性能的影响规律,为根据机床结构及加工特点合理设计预紧力、配合公差及综合运用热误差控制技术提高机床加工精度提供了理论参考及建议。具有一定的工程应用价值。
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