[发明专利]一种数控机床主轴冷却水套通道布局优化设计方法

说明书

一种数控机床主轴冷却水套通道布局优化设计方法，先进行等效模型的构建，然后进行基结构有限元模型的初始化，再进行柔性生长单元的构建，然后进行有限元分析，再进行自适应生长，生长竞争与构型重构在MMA算法更新下不停迭代，直到材料用量达到初始化时设定的最大值β₀，本发明能在设计阶段通过有限元的方法获得水套的性能参数，提高了设计的可靠性，相较于传统设计具有更高的设计效率，能够获得更优的设计结果，同时降低了设计成本。

技术领域

本发明涉及水套通道设计技术领域，特别涉及一种数控机床主轴冷却水套通道布局优化设计方法。

背景技术

主轴的精度是影响工件加工精度最重要的因素之一，主轴中内置电机的损耗发热是不可避免的，且负载和转速越高，发热越严重，热变形也越大，而热变形对主轴性能有极大的影响，从而对水套导热性能提出了更高的要求。

现有的水套通道设计仍然采用传统方法，即设计人员依靠经验与直觉进行初始设计，再通过多次实验来对初始设计进行修正。这种设计效率低下，阻碍了水套性能的提高，无法满足设计要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种数控机床主轴冷却水套通道布局优化设计方法，在提高水套导热性能的同时极大地提高了设计效率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种数控机床主轴冷却水套通道布局优化设计方法，包括以下步骤：

1)等效模型的构建：将选定的水套实体等效为具有导热率λ₀的材料，并将此材料作为模型中低热导率基底的材料，具有高热导率λ_p的水套通道(即冷却液)在基底材料上部生长形成；

2)基结构有限元模型的初始化：根据所需设计的主轴尺寸，以等效水套实体的材料参数建立设计域即基结构的有限元模型，根据主轴的实际发热情况，对基结构施加热载荷边界条件；

水套由相同的两部分包覆形成，将其中一部分取出展开，得到的设计域是矩形，其中一条边中点为热沉，设计域中均匀受热；采用1mm×1mm大小的二维壳单元对基结构进行建模；

3)柔性生长单元的构建：水套通道的最终构型是由若干柔性生长单元组成，柔性生长单元通过取水平集函数的零水平集来显式表达；

水平集函数为

其中

(x_i,y_i)是柔性生长单元A点的坐标，L是单元半长，θ是单元倾角，t₁,t₂,t₃分别是柔性生长单元A，B，C三点的半宽，这7个表示柔性生长单元几何参数的变量能够定义一个柔性生长单元：

X_i＝[x_i,y_i,L,t₁,t₂,t₃,θ]^T

基结构上的任意一个坐标为(x,y)的节点对第i个柔性生长单元能够求出一个对应的水平集函数的值φ_i，节点的最终水平集函数值取所得各值的最大值φ^s(x,y)＝max(φ₁,φ₂,φ₃,…,φ_n)，n为柔性生长单元的个数；

4)有限元分析：在获得水平集函数值后，基结构上每个四边形壳单元的热导率能够由其四个节点的热导率插值得到，则由有限元方法有：