1、热结构耦合的主轴变形计算

  高速数控车床主轴在高速回转条件下的切削量较小,因此载荷也非常小,这样由切削力引起的主轴变形亦很小.大量资料表明,热变形是引起主轴变形的主要原因.因此,本文把主轴系统达到热平衡时的温度场作为热载荷,结合切削力载荷计算主轴变形,并依此判断主轴头部变形是否满足跳动要求。

   根据计算得到的主轴头部任一圆周的节点径向位移以及任一直径处的节点轴向位移数据,编制Matlab程序,计算得到主轴头部的径向跳动和端跳分别为313和218μm,超过了设计要求中规定的2μm.为此,本文通过加设散热筋板改进箱体结构,从而减小主轴头部的热变形

2、散热筋板的布局方案

   由于高速数控车床主轴箱基本功能的要求及在整机结构中的位置和尺寸约束,其外形尺寸保持不变.散热筋板主要布置在箱体的前后侧面上,根据主轴系统温度场的分布确定具体位置,筋板的厚度取10mm,高度取25mm

方案a2根散热筋板,分别布置在箱体前侧面的前、后轴承处；
方案b前后散热筋板位置不变,第3根筋板布置在中间靠前位置；
方案c4根散热筋板,其中2根布置在后轴承处；
方案d在方案b的基础上,在箱体后侧面的后轴承处加设第4根筋板。

3、计算结果

   根据4种方案,分别计算高速数控车床主轴热变形,得到主轴头部的径跳和端跳值，从中可以看出,采用方案c的筋板布置,主轴头部的跳动值均小于等于2μm.同时,通过对比方案还可以看出,尽管方案d比方案b多设置了一根散热筋,但主轴头部的端跳不仅没有减小反而增大了.这说明按传统设计方法,盲目设置多条散热筋板并不能有效减小主轴头部的热变形.为此,本文进行了多种筋板布置方案的对比分析,确定在方案c的基础上,进一步对筋板的位置及尺寸进行优化设计。

4、散热筋板的优化设计

   利用ANSYS中的参数化设计语言APDL进行散热筋板的优化设计.优化数学模型可描述为目标函数minE=ER+EA。式中,ER为主轴头部的径向跳动;EA为主轴头部的端跳;ER,EA又称为状态变量.设计变量t1为主轴箱后部两筋板间的间距;t2为筋板的厚度;t3为筋板的宽度;t4为中间筋板距主轴箱前端面的距离，由于随机搜索法不需要对目标函数求偏导数并可进行多次循环,因此,本文采用随机搜索法进行优化计算.得到*设计参数为t1=919mm,t2=12113mm,t3=1515mm,t4=8415mm,主轴头部zui小径向跳动1155μm,zui小端跳1163μm.与优化前的筋板布置方案c相比,虽然主轴头部端跳没有进一步减小,但主轴头部径向跳动降低了14%,可见,优化效果还是非常明显的。