加长型直角角度头温度场分布及热变形仿真

作     者：赵金磊 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李金良;张修科

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：加长型直角角度头 热态特性 温度场 热变形 水冷 

摘      要：加长型直角角度头可以扩大数控机床的加工范围并且提高加工效率,其精度影响加工精度。由于角度头内部空间狭小,内部生热不易扩散,致使角度头的整体温度升高,温度场分布不均而产生热变形。热变形引起的误差在所有误差中占比近一半以上。因此研究角度头热变形影响规律对提高角度头性能具有重要的指导意义,同时设计的冷却结构从根本上降低了热变形对角度头精度的影响。论文主要内容包括:(1)分析了角度头热态特性。先对其内部结构进行分析,之后确定角度头的主要热源以齿轮与轴承摩擦生热为主;其传热方式为热传导和热对流,对流换热包括齿轮、轴承与润滑剂和旋转主轴、角度头外表面与空气,并通过经验公式计算出其热流密度与对流换热系数。并且提出了一种迭代方法用于解决角度头外表面与空气的自然对流换热系数因温差而不准确的问题,提高了其计算精度。(2)进行了角度头温度场仿真。以热流密度和对流换热系数作为边界条件,经过固体网格无关性验证便可得到角度头稳态和瞬态温度场仿真结果,分析了形成原因以及温度场稳定时间。之后单因素分析出径向力、轴向力、扭矩和转速对角度头温度场均有影响。正交实验分析四种因素均有显著性影响。(3)进行了角度头热变形仿真。以温度场结果作为热载荷并且设置好约束条件得到角度头稳态和瞬态热变形结果,分析了其整体和X、Y、Z方向热变形情况以及输出轴前端面热变形量随时间的变化情况。然后进行单因素和正交实验,得出除轴向力外,其他三种因素对角度头输出轴前端面热变形均有显著性影响。(4)进行了水冷角度头流热固耦合分析。设计了周向S型冷却水套和轴向S型冷却水套,采用流热固耦合的方式提取冷却水的近壁面温度和壁面对流换热系数。编写的Profile文件解决了冷却水壁面温度不准确的问题,提高了仿真精度。经过流体网格无关性验证并且通过不断迭代得到冷却水流场相关信息,之后便得到两款水冷角度头的温度场以及热变形,相比普通角度头温度场和热变形均有显著性降低。