[发明专利]考虑力热耦合效应的高性能电主轴热动态特性确定方法

说明书

本发明公开了供一种考虑力热耦合效应的高性能电主轴热动态特性确定方法，本发明充分考虑了电主轴高速运转过程中的力热耦合效应，通过数值计算方法得到电主轴稳态温度场分布和系统支承刚度的大小，更为准确的得到电主轴的热动态特性。

技术领域：

本发明涉及机械领域，尤其涉及一种考虑力热耦合效应的高性能电主轴热动态特性确定方法。

背景技术：

随着时代的发展，高性能电主轴已成为现代高速加工机床的核心部件，为机床加工精度提供了极大的保障。而电主轴在运转过程中不可避免的产生大量的热量，使电主轴系统产生不均匀热变形，同时还会导致系统支承刚度软化，从而影响零件的加工质量，严重时还会导致系统失效而无法工作，这严重阻碍了高速加工技术的持续发展。电主轴热动态特性主要包括稳态温度场的分布和系统支承刚度的大小，有效的预测电主轴稳态温度场和准确的计算系统支承刚度的大小对高速加工技术的发展尤为重要。

目前，计算电主轴稳态温度场的方法主要有数值计算法和有限元仿真计算法，数值计算法是通过建立电主轴的热网络模型并求出特定条件下的电主轴热源发热量，然后经过解方程求得电主轴稳态温度场，这种方法求解简单，计算效率高，但需要考虑热源发热量的时变性。有限元仿真计算法是通过建立系统的有限元模型，然后将求得的热源发热量、换热条件等作为边界条件加载到有限元模型上，这种方法可准确获取电主轴每个部分的温度大小，但求解效率往往不高，且忽略了边界条件的时变性。而计算电主轴支承刚度的方法则主要是解析法，对机械式电主轴来说，目前已有的考虑热效应的轴承刚度计算方法则是在轴承运动学方程中加入轴承热位移，目前计算主轴-轴承系统的支承刚度则主要是采用此方法，而对结构复杂、轴承数量多的高性能电主轴来说，这种方法还有待改进。

而且在现有技术中，电主轴热态特性和动态特性往往作为两个独立的研究目标，但实际上，电主轴在高速运转过程中，将不可避免的出现力热耦合效应，即电主轴运转时产生的热会改变电主轴内部力的大小，而力的分布情况又会改变热源发热量的大小，只有综合考虑才能更为准确的得到电主轴的热动态特性。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种考虑力热耦合效应的高性能电主轴热动态特性确定方法，本发明充分考虑了电主轴高速运转过程中的力热耦合效应，通过数值计算方法得到电主轴稳态温度场分布和系统支承刚度的大小，更为准确的得到电主轴的热动态特性。

为解决上述问题，本发明的技术方案是：

一种考虑力热耦合效应的高性能电主轴热动态特性确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、建立轴承力热耦合模型，分析考虑力热耦合效应的轴承内部几何相容关系并进行轴承受力分析和轴承产热分析；

步骤二、建立基于热阻的高性能电主轴热传递网络模型，并分析不同类型热阻的计算表达式；

步骤三、建立电机损耗模型，分析电机产热；

步骤四、分析不同安装方式下的轴承套圈热位移变化情况；

步骤五、拟定考虑力热耦合效应的高性能电主轴热动态特性的分析计算流程，并选定算法进行求解；

步骤六、输出计算结果，得到电主轴热动态参数。

进一步的改进，所述电主轴热动态参数包括选定节点温度和系统各轴承支承刚度随主轴转速的变化规律。

进一步的改进，所述步骤一包括如下步骤：建立轴承力热耦合模型，进行轴承几何分析、受力分析和产热分析：