[发明专利]一种应用于高速主轴单元热动态性能的分析方法

说明书

本发明公开了一种应用于高速主轴单元热动态性能的分析方法，本发明明确了热影响下的角接触球轴承的内部几何相容关系，建立了更准确的不同安装方式下的轴承套圈热位移计算公式，在考虑接触热阻的情况下，确定了不同润滑方式下的主轴单元热传递网络模型；考虑了热影响下的主轴单元热位移与轴承摩擦热之间的动态耦合关系，并建立了耦合计算流程，从而能够更加准确合理的掌握高速主轴单元的热动态性能。

技术领域

本发明属于机械领域，尤其涉及一种应用于高速主轴单元热动态性能的分析方法。

背景技术

随着工业技术的不断发展，机床加工精度日益提高，其中主轴单元即主轴轴承系统扮演着重要角色。而滚动轴承相比于滑动轴承，具有结构简单、安装方便、耗油少且能同时承受径向和轴向负荷等优点，所以目前各类主轴单元中，广泛采用滚动轴承作为主轴支承件之一，其中以高速角接触球轴承居多。在机床主轴系统高速运转过程中，轴承摩擦生热是系统主要热源之一，大量的摩擦热会导致主轴单元温度上升并产生不均匀热变形，影响机床加工精度，而主轴转速上升又会导致轴承摩擦加剧，致使轴承使用寿命下降，同时轴承所受离心力增大，使主轴单元刚度软化，这些共同影响着主轴单元的热动态性能，包括精度、速度和刚度性能等，因此，准确计算高速下的主轴单元中轴承的摩擦热和了解主轴单元温度场分布对分析掌握主轴单元的热动态性能有着重要意义。

目前，计算高速主轴单元中角接触球轴承的摩擦热主要是通过建立考虑热效应的球轴承拟静力学模型，求得平衡状态下的球轴承内外圈接触角和接触载荷，进而求得轴承摩擦热，并通过有限单元法或节点网络法求得主轴单元温度场分布，通过微分或球轴承刚度串并联关系求得轴承的动态刚度矩阵。

在已有的技术理论中，计算角接触球轴承摩擦热时往往忽略了高速下轴承内外圈接触角的动态变化对轴承摩擦生热的影响。事实上，由于高速球轴承摩擦热的产生，主轴单元温度上升而发生热膨胀，而轴承座、转轴以及轴承本身的热膨胀又会影响轴承内外圈接触角与接触载荷，进而影响轴承摩擦热的大小，这是一种动态耦合过程，所以要想更加准确求得轴承摩擦热的大小，必须考虑主轴单元热膨胀与轴承产热之间的动态耦合关系。在求得动态平衡后的轴承摩擦热之后，需要建立主轴单元热传递模型，在现有文献中，建立的主轴单元热传递模型往往忽略了各结合面的接触热阻，即认为在热传递过程中，互相配合的零件表面为完全结合，不会产生热传递阻力，但实际上，由于两个名义上互相接触的固体表面，实际上接触仅仅发生在一些离散的面积元上，在未接触的界面之间的间隙常常充满了空气，热量将以导热的方式穿过这种气隙层，这种情况下便增加了附加的热传递阻力，即为接触热阻。因此现有的主轴单元热传递模型与实际情况相差较大，预测不够准确。高速主轴一般只转速超过10000转/min。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种应用于高速主轴单元热动态性能的分析方法，本发明明确了热影响下的角接触球轴承的内部几何相容关系，建立了更准确的不同安装方式下的轴承套圈热位移计算公式，在考虑接触热阻的情况下，确定了不同润滑方式下的主轴单元热传递网络模型；分考虑了热影响下的主轴单元热位移与轴承摩擦热之间的动态耦合关系，并建立了耦合计算流程，从而能偶更加准确合理的掌握高速主轴单元的热动态性能。

为达到上述技术效果，本发明的技术方案是：

一种应用于高速主轴单元热动态性能的分析方法，包括如下步骤：步骤一、建立角接触球轴承拟静力学模型，所述角接触球轴承拟静力学模型包括热位移和内圈离心位移的轴承内部几何相容关系、滚动体与轴承内圈的受力关系以及轴承整体所受载荷和位移的关系；

步骤二、分析不同安装方式下的轴承套圈热位移和离心位移变化情况；

步骤三、对主轴单元进行模型简化并划分热网络节点，确定不同润滑方式下的轴承热传递路径，建立基于热阻的主轴单元热传递网络模型和主轴单元热传递方程；

步骤四、拟定主轴单元热动态性能分析计算流程，选定算法进行求解；