[发明专利]一种高速电主轴力-热耦合建模方法

说明书

技术领域

本发明属于高速电主轴结构热学及力学建模分析设计领域，更具体地，涉及一种高速电主轴力-热耦合建模方法。

背景技术

高速电主轴在在现代制造业中已经取得了广泛的应用。随着航空，汽车等制造业的发展，对不锈钢，钛合金，铝合金这些难加工金属的加工需求越来越多。这一类金属的加工需要在15000rpm下提供很高的切削扭矩，这就要求主轴有较大的直径及大功率内置电机。主轴直径的提升会显著加大主轴轴承的发热量，同时加剧主轴内各部件的力、热相互作用，这就导致主轴轴承故障时有发生，大大限制了主轴的效率。主轴轴承故障是一个复杂的问题，涉及到轴承安装参数、冷却参数及润滑方式，它还与轴承周围的结构息息相关。为了提高主轴可靠性，优化主轴的设计参数，这就需要建立一个高精度的力-热耦合的主轴性能预测模型。

传统的主轴力-热耦合模型分为两个大类型。第一类模型采用简化方法，将主轴各部件简化为简单的梁和集中质量点处理，通常将结合面作为固定连接处理而轴承用弹簧和热阻简化；第二类采用有限元或者类似技术依据主轴结构建立主轴模型，结合面用间隙或者固结方式处理，轴承用弹簧和热阻简化。他们的输入条件通常为主轴的负载、转速、预紧力，可以计算主轴的温度、变形、刚度、固有频率。

然而，现有的模型存在以下问题：1、传统的主轴模型通常将结合面固结或者作为间隙来处理，这会导致该模型存在较高的结合面误差；2、传统的主轴模型的结合面部分采用经验公式，须通过实际样机实验标定后才能达到足够精度，无法在主轴设计阶段实现主轴性能预测；3、传统的主轴模型中结合面和轴承的参数在仿真过程中不会更新，但是主轴模型在运行过程中结合面和轴承的负载是在变化的，这会导致计算误差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高速电主轴力-热耦合建模方法，其目的在于降低现有方法中结合面所引起误差、模型结合面及轴承力学和热学参数不更新导致的误差，还可以在设计阶段实现主轴性能预测。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高速电主轴力-热耦合建模方法，包括以下步骤：

（1）分别获取轴承与主轴待结合的表面、以及主轴与轴承待结合的表面的工程参数，并利用分形接触理论以及赫兹接触理论计算轴承与主轴之间结合面的刚度和热传递系数与接触压力和接触间隙的映射模型；本步骤包括以下子步骤：

（1-1）分别获取轴承与主轴待结合的表面的粗糙度Rz、分形参数D、G、L_u、ψ；

（1-2）根据轴承及主轴各自材料的弹性模量E₁和E₂、泊松比v₁和v₂计算轴承与主轴之间结合面的等效弹性模量E′，具体采用以下公式：

1/E′=(1-v12)/E1+(1-v22)/E2]]>

（1-3）依据步骤（1-1）中获得的参数获得轴承与主轴之间结合面的接触面积比例A^*和厚度L_g，其计算公式分别为：