摘 要: 為了減少熱變形,提高高速精密磨床砂輪主軸系統(tǒng)的精度,將隔熱涂層應(yīng)用于深淺油腔動(dòng)靜壓軸承.應(yīng)用FLUENT 和ANSYS 兩個(gè)有限元軟件聯(lián)合仿真分析了不同厚度與不同熱導(dǎo)率的隔熱涂層在不同的動(dòng)靜壓軸承供油壓力、主軸轉(zhuǎn)速等因素下的軸承熱結(jié)構(gòu)特性.結(jié)果表明:動(dòng)靜壓軸承的溫度和熱變形以及它們的均布程度,都隨著隔熱涂層厚度的增大逐漸降低,隨著隔熱涂層熱導(dǎo)率的減小而減小,隨著軸承供油壓力的增加而減小,隨著軸承主軸轉(zhuǎn)速的減小而減小;隔熱涂層還具有均化軸承溫度場(chǎng)和熱變形分布的作用.高性能隔熱涂層將明顯降低軸承主軸熱變形并且使其熱變形均布,最終明顯提高高速精密磨床砂輪主軸系統(tǒng)的加工精度.
關(guān)鍵詞: 高速精密磨床;主軸;液體動(dòng)靜壓軸承;隔熱涂層;溫度場(chǎng);熱變形熱誤差是數(shù)控機(jī)床的主要誤差源之一,由溫度升高以及分布不均引起的誤差占機(jī)床總誤差的40%——70%,對(duì)于磨床這樣的超精密機(jī)床影響尤其重大,熱問(wèn)題已經(jīng)成為了影響精密磨削機(jī)床精度的關(guān)鍵因素[1-2].熱誤差是指機(jī)床部件在加工過(guò)程中因溫度變化而發(fā)生熱變形,導(dǎo)致工件和刀具之間產(chǎn)生的相對(duì)位移.其對(duì)工件加工精度產(chǎn)生不利影響.對(duì)于高速精密磨床而言,砂輪主軸系統(tǒng)性能至關(guān)重要,而決定主軸性能的關(guān)鍵部件就是軸承.目前廣泛應(yīng)用在高速精密磨床上的軸承為液體動(dòng)靜壓軸承,它綜合了靜、動(dòng)壓軸承的特點(diǎn),具有精度高、剛性好、磨損小、承載能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)特性好等突出優(yōu)點(diǎn).
動(dòng)靜壓軸承在高轉(zhuǎn)速、大載荷等工況下,存在較高溫升以及溫度分布不均等問(wèn)題,進(jìn)而使軸承產(chǎn)生較大的和不均勻的熱變形,最終影響到磨床砂輪主軸的磨削加工精度.怎樣降低軸承的溫升和使溫升均布,從而減小軸承的熱變形和其對(duì)主軸系統(tǒng)精度的不利影響,已成為當(dāng)下高速精密磨削機(jī)床主軸系統(tǒng)研究領(lǐng)域里一項(xiàng)非常重要的課題[3].在降低溫升的措施中,有較多的文獻(xiàn)提到了在內(nèi)燃機(jī)、飛行器以及許多重要裝備上涂上隔熱涂層來(lái)進(jìn)行降低溫升和熱變形[4 - 5 ],并且取得了較好的效果.但目前隔熱涂層用到高速精密機(jī)床主軸軸承系統(tǒng)中來(lái)降低溫升和減少熱變形還沒(méi)有報(bào)道.
本文首次提出將隔熱涂層應(yīng)用于高速精密磨床砂輪主軸液體動(dòng)靜壓軸承,并建立油膜涂層軸承流固耦合計(jì)算分析模型,應(yīng)用FLUENT-ANSYS 兩個(gè)有限元軟件聯(lián)合仿真分析了不同厚度與不同熱導(dǎo)率的隔熱涂層在不同的軸承供油壓力、主軸轉(zhuǎn)速等因素下的軸承熱結(jié)構(gòu)特性,為隔熱涂層在高速精密磨床動(dòng)靜壓砂輪主軸上的應(yīng)用提供理論依據(jù).
1 、油膜涂層軸承流固耦合模型
1 .1 軸承三維建模
本文中的高速精密磨床砂輪主軸深淺腔動(dòng)靜壓軸承兼具靜壓和動(dòng)壓的優(yōu)點(diǎn),其外部毛細(xì)管節(jié)流器的深油腔具有較高靜壓承載能力,同時(shí)在階梯淺油腔及封油面上產(chǎn)生較強(qiáng)的流體動(dòng)壓承載能力.工作原理就是主軸啟動(dòng)時(shí)以深腔靜壓效應(yīng)和淺腔階梯靜壓效應(yīng)將主軸托起;主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的淺腔階梯效應(yīng)以及淺腔動(dòng)壓楔形效應(yīng)會(huì)使軸承的動(dòng)靜壓承載能力大大增強(qiáng),參數(shù)匹配得當(dāng)就可以有效地對(duì)軸承的承載能力、剛度以及溫升進(jìn)行控制,是一種綜合性能較優(yōu)的高速精密磨床砂輪主軸動(dòng)靜壓軸承.軸承的結(jié)構(gòu)和三維模型如圖1 所示(因模型沿O-XY 平面對(duì)稱(chēng)(即軸承是軸向?qū)ΨQ(chēng)的),故可以只取一半模型來(lái)提高計(jì)算效率).軸承的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示.
軸承展-2017年廣州國(guó)際軸承及其裝備展覽會(huì)-2017 China(Guangzhou) Int’l Bearing and Equipment Exhibition |
