摘 要: 為了減少熱變形,提高高速精密磨床砂輪主軸系統的精度,將隔熱涂層應用于深淺油腔動靜壓軸承.應用FLUENT 和ANSYS 兩個有限元軟件聯合仿真分析了不同厚度與不同熱導率的隔熱涂層在不同的動靜壓軸承供油壓力、主軸轉速等因素下的軸承熱結構特性.結果表明:動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,隨著軸承主軸轉速的減小而減小;隔熱涂層還具有均化軸承溫度場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的加工精度.
關鍵詞: 高速精密磨床;主軸;液體動靜壓軸承;隔熱涂層;溫度場;熱變形熱誤差是數控機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床總誤差的40%——70%,對于磨床這樣的超精密機床影響尤其重大,熱問題已經成為了影響精密磨削機床精度的關鍵因素[1-2].熱誤差是指機床部件在加工過程中因溫度變化而發生熱變形,導致工件和刀具之間產生的相對位移.其對工件加工精度產生不利影響.對于高速精密磨床而言,砂輪主軸系統性能至關重要,而決定主軸性能的關鍵部件就是軸承.目前廣泛應用在高速精密磨床上的軸承為液體動靜壓軸承,它綜合了靜、動壓軸承的特點,具有精度高、剛性好、磨損小、承載能力強、使用壽命長、動態特性好等突出優點.
動靜壓軸承在高轉速、大載荷等工況下,存在較高溫升以及溫度分布不均等問題,進而使軸承產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主軸系統精度的不利影響,已成為當下高速精密磨削機床主軸系統研究領域里一項非常重要的課題[3].在降低溫升的措施中,有較多的文獻提到了在內燃機、飛行器以及許多重要裝備上涂上隔熱涂層來進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床主軸軸承系統中來降低溫升和減少熱變形還沒有報道.
本文首次提出將隔熱涂層應用于高速精密磨床砂輪主軸液體動靜壓軸承,并建立油膜涂層軸承流固耦合計算分析模型,應用FLUENT-ANSYS 兩個有限元軟件聯合仿真分析了不同厚度與不同熱導率的隔熱涂層在不同的軸承供油壓力、主軸轉速等因素下的軸承熱結構特性,為隔熱涂層在高速精密磨床動靜壓砂輪主軸上的應用提供理論依據.
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靜壓軸承兼具靜壓和動壓的優點,其外部毛細管節流器的深油腔具有較高靜壓承載能力,同時在階梯淺油腔及封油面上產生較強的流體動壓承載能力.工作原理就是主軸啟動時以深腔靜壓效應和淺腔階梯靜壓效應將主軸托起;主軸高速運轉時產生的淺腔階梯效應以及淺腔動壓楔形效應會使軸承的動靜壓承載能力大大增強,參數匹配得當就可以有效地對軸承的承載能力、剛度以及溫升進行控制,是一種綜合性能較優的高速精密磨床砂輪主軸動靜壓軸承.軸承的結構和三維模型如圖1 所示(因模型沿O-XY 平面對稱(即軸承是軸向對稱的),故可以只取一半模型來提高計算效率).軸承的相關結構參數如表1 所示.
軸承展-2017年廣州國際軸承及其裝備展覽會-2017 China(Guangzhou) Int’l Bearing and Equipment Exhibition |
