卧式镗铣加工中心的主轴轴承温度场的建立及有限元分析
3.3机床主轴轴承温度场的建立及有限元分析主轴上安装的角接触球轴承两两采取背对背成对安装的形式，观察表可知，3号 轴承的发热量******，所以本节将对3号轴承建立温度场分析计算。3.3.1 SEB 170角接触球轴承的有限元分析建模SEB 170角接触球轴承的材料选用的是轴承钢GCrl5，材料的物理性质对热分析 过程有着重要的影响，比如材料的导热率、材料的线膨胀系数以及材料的弹性模量等 参数，而这些数据则会随着温度的变化而变化，轴承材料的参数数值可见下表，因为机床主轴轴承的工作温度一般不能超过ioo°c，所以表中只列出来材料在室温还有 ioo°c时候的数值，而其他温度的情况下，其参数值可以通过数值分析的方法加以求 得。而表3.4则列出了 SEB 170主轴轴承的外形尺寸参数。根据表中所列尺寸参数，使用SolidEdge软件对轴承进行三维建模，然后将模型 导入ANSYS Workbench有限元分析软件中去，然后对其进行网格划分。轴承的内圈、 外圈形状规则，采用的是自动网格划分的形式，模型总共被划分为4282个单元，11236 个节点，网格划分如图3.6所示：在对模型进行加载热载荷之前，需要对轴承模型中的各部分之前的接触方式进行设置。球滚子在轴承内圈外圈滚道之间发生旋转滚动，这过程之中虽然会有摩擦，但 是在计算轴承的摩擦力矩的时候，“摩擦”这一因素己经考虑过，所以在这里不用再设 置，即设置滚子与内外圈滚道的接触方式为“不分离”。将载荷加载到轴承的内圈和外圈滚道，以及球滚子的外表面，载荷加载的方式设 置为“Heat flow”，单位设置为W。虽然TH6213主轴轴承的润滑方式采用的是循环油 润滑，但是，上节中交代了，润滑油带走的热量为整个轴承系统的热量，不分配到单 个轴承，所以此处只考虑轴承本身的发热。3_3_2 SEB 170角接触球轴承的有限元温度场结果与分析通过ANSYS Workbench热分析模块的建模及分析，得出了轴承内夕卜圈的温度场 分布结果，如图3.7、图3.8所示。轴承的外圈最高温度为52.685°C，而轴承内圈的最 高温度则达到了52.2°C。在内外圈滚道上，有间隔分布的高温区域，这是因为轴承滚 动体与滚道设置为相对静止，所以会出现这样的温度分布。分析上面的仿真分析结果可知，内外圈滚道上温度分布不连续，在滚动体与滚道 接触的地方有明显的圆形的高温区域，而实际情况中，滚动体沿滚道高速运转，温度 分布应该呈现连续分布的状态，所以与实际不符。而且TH6213主轴箱为卧式，轴承 外圈安装在主轴箱上，二者相对静止，所以，在主轴运转过程中，外圈将呈现半周受 力的情况，而这一点在上述分析结果中也没有得到体现，所以现在需要对轴承模型以 及分析过程进行检查并改进。滚道接触点的切向速度约为24.4m/s，而球滚子与轴承外圈滚道接触点的切向速度约 为27.9m/s。SEB170轴承内圈滚道周长为0.623m，外圈滚道周长为0.792m。比较二者 可知，球滚子在滚道内旋转的速度很快，并且与内外滚道上每个点都有接触，综合以 上，可以将高速运转中的球滚子简化为一个一个静止的圆环。通过这种方法对有限元 模型进行了改进，然后重新进行网格划分，这一次模型被划分为948个单元，节点4448 个，由此可见，改进后的模型有效地减少了单元的数量，从而缩短了计算机运算的时间。然后再一次对模型施加相同的载荷，然后得到改进后的有限元分析结果，见图 3.11、图3.12。这一次由仿真结果可以看出，轴承内外圈滚道上温度变化均匀，没有 像之前那样出现不连续分布的高温区域，同时，轴承内圈的温度也有所降低，这是因 为轴承模型经过改进后，体现出了球滚子在滚道的旋转过程中，不断带走热量并且与 滚道的每一个接触点发生热的交换，从而使内外圈的滚道呈现出均匀分布的温度场。 这样更符合轴承在实际运转过程中的发热情况。本节通过对SEB170角接触球轴承的有限元模型的改进、温度场的分析，得出了 其温度场分布的结果，为接下来对机床主轴温度场的分析提供了依据。