本发明涉及一种温度场的测算方法，特别是涉及一种干切滚削过程中刀架部组温度场的测算方法。
背景技术：
：干切数控滚齿机加工过程中，人们往往忽视刀架部组的受热情况，一是因为刀架部组的温度场难以测算，即使测算出来，误差也较大；二是误认为刀架部组的发热量低，不影响使用，因此常导致刀架部组发生变形，影响精度。因此本领域技术人员致力于开发一种精确度高的干切滚削过程中刀架部组温度场的测算方法。技术实现要素：有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种精确度高的干切滚削过程中刀架部组温度场的测算方法。为实现上述目的，本发明提供了一种干切滚削过程中刀架部组温度场的测算方法，包括以下步骤：1)计算滚削过程中的热源强度：a1.计算滚刀与工件之间因摩擦和金属塑性变形产生的切削热：Q1＝Fv1Q1＇＝k1Q1其中Q1为切削热功率，单位为W；F为主切削力，此处取值为滚削切向力,单位为N；v1为切削速度，单位为m/s；d为滚刀外径，单位为m；n为滚刀主轴转速,单位为r/min；Q1＇为实际工况下，输入到刀架的切削热，单位为W；k1为切削热传热比例，取值为1％～10％；b1.计算主轴电机产热:Q2＇＝k2Q2其中，Q2为主轴电机产热，单位为W；N为电机输入功率，单位为W；Mt为电机输出力矩，单位为Nm；z为电机转速，单位为r/min；η为电机效率；d为滚刀外径，单位为m；Ft为滚削切向力，单位为N；Q2＇为电机输入到刀架的切削热，单位为W；k2为电机产热传热比例，取值为8％～12％；c1.计算轴承发热：Q3＝1.047×10-4MnM＝M0+M1式中，Q3为轴承发热量，单位为W；n为滚刀主轴转速，单位为r/min；M为轴承的总摩擦力矩，单位为N·mm；M0为与轴承类型、转速和润滑油性质有关的力矩，单位为N·mm；M1为与轴承所受负荷有关的的摩擦力矩，单位为N·mm；其中：M1＝f1P1Dm其中，Dm为轴承平均直径，单位为mm；fo为与轴承类型和润滑方式有关的系数；q为轴承转速，单位为r/min；p为润滑剂在工作温度下的运动粘度，单位为mm2/s；f1为与轴承类型和所受载荷有关的系数；P1为确定轴承摩擦力矩的计算负荷,单位为N；f1和P1的取值确定方法如下：①单列向心球轴承f1取值0.0009(P0/C0)0.55，P1取值3Fa-0.1Fr；②双列向心球面球轴承f1取值0.0003(P0/C0)0.4，P1取值1.4YFa-0.1Fr；③单列角接触球轴承f1取值0.0013(P0/C0)0.33，P1取值Fa-0.1Fr；④双列角接触球轴承f1取值0.001(P0/C0)0.33，P1取值1.4Fa-0.1Fr；⑤带保持架向心短圆柱滚子轴承f1取值0.00025～0.0003，P1取值Fr；⑥双列向心球面滚子轴承f1取值0.0004～0.0005，P1取值1.2YFa；⑦圆锥滚子轴承f1取值0.0004～0.0005，P1取值2YFa；⑧推力球面滚子轴承f1取值0.0005～0.0006，P1取值Fa(Frmax≤0.55Fa)；其中，P0为轴承当量静载荷，单位为N；C0为轴承额定静载荷，单位为N；Fa为轴承所受轴向力，单位为N；Fr为轴承所受径向力，单位为N；Y为当Fa/Fr＞e时的轴向载荷系数；其中，若P1＜Fr，则取P1＝Fr；P0的取值方法如下；其中X0为径向静载荷系数；Y0轴向静载荷系数；2)计算热边界条件：a2.确定定性温度：其中，t为定性温度，tw为固体表面温度，t∞为流体温度；b2.根据定性温度计算滚刀表面的对流换热系数Nu＝CRebPr1/3其中，α为主轴表面与空气间的对流换热系数，单位为W/(m2℃)；Nu为努塞尔数；λ为空气导热系数，单位为W/(m·k)；L为特征长度，此处取为滚刀外径，单位为m；Re为雷诺数；Pr为普朗特数；ρ为空气密度,单位为kg/m3；v2为空气流速,单位为m/s；d1为当量直径，此处取滚刀外径,单位为m；g为空气动力粘度,单位为kg/(m·s)或Pa·s；C、b为常数，取值方法如下：Re为0.4～4时，C取值0.989、b取值0.330，Re为4～40时，C取值0.911、b取值0.385，Re为40～4000时，C取值0.683、b取值0.466，Re为4000～40000时，C取值0.193、b取值0.618，Re为40000～400000时，C取值0.0266、b取值0.805；3)根据滚削过程中的热源强度和热边界条件的计算结果，利用有限元仿真软件即可算出刀架部组温度场。较佳的，所述刀架部组使用润滑脂时，p为润滑脂在工作温度下的运动粘度，取值为基油粘度，单位为mm2/s。较佳的，fo的取值确定方法如下：①单列向心球轴承油雾润滑取0.7～1，横轴油浴润滑或脂润滑取1.5～2，立轴油浴润滑或喷油润滑取3～4；②双列向心球面球轴承油雾润滑取0.7～1，横轴油浴润滑或脂润滑取1.5～2，立轴油浴润滑或喷油润滑取3～4；③单列角接触球轴承油雾润滑取1，横轴油浴润滑或脂润滑取2，立轴油浴润滑或喷油润滑取4；④双列角接触球轴承油雾润滑取2，横轴油浴润滑或脂润滑取4，立轴油浴润滑或喷油润滑取8；⑤带保持架向心短圆柱滚子轴承油雾润滑取1～1.5，横轴油浴润滑或脂润滑取2～3，立轴油浴润滑或喷油润滑取4～6；⑥双列向心球面滚子轴承油雾润滑取2～3，横轴油浴润滑或脂润滑取4～6，立轴油浴润滑或喷油润滑取8～12；⑦圆锥滚子轴承油雾润滑取1.5～2，横轴油浴润滑或脂润滑取3～4，立轴油浴润滑或喷油润滑取6～8；⑧推力球轴承油雾润滑取0.7～1，横轴油浴润滑或脂润滑取1.5～2，立轴油浴润滑或喷油润滑取3～4。较佳的，X0和Y0的取值方法如下：单列、并列组合的情况下，接触角为15°时，X0取值为0.5、Y0取值为0.46，接触角为18°时，X0取值为0.5、Y0取值为0.42，接触角为25°时，X0取值为0.5、Y0取值为0.38，接触角为30°时，X0取值为0.5、Y0取值为0.33，接触角为40°时，X0取值为0.5、Y0取值为0.26；背对背组合、面对面组合的情况下，接触角为15°时，X0取值为1、Y0取值为0.92，接触角为18°时，X0取值为1、Y0取值为0.84，接触角为25°时，X0取值为1、Y0取值为0.76，接触角为30°时，X0取值为1、Y0取值为0.66，接触角为40°时，X0取值为1、Y0取值为0.52。本发明的有益效果是：本发明创造性的利用空气横掠单管时的对流换热系数计算方法，对干切滚削过程中滚刀与压缩空气间的强制对流换热系数进行计算，能准确计算出干切滚削过程中刀架部组温度场。为滚齿机的热误差补偿、刀架部组的结构优化等提供所需的理论依据。附图说明图1是本发明一具体实施方式的温度场测算结果结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：以某数控干切滚齿机刀架部组为例，其加工参数如表1所示：表1某数控干切滚齿机刀架部组参数表根据表1参数，依照本发明方法计算如下：1)计算滚削过程中的热源强度：a1.计算滚刀与工件之间因摩擦和金属塑性变形产生的切削热：Q1＝Fv1Q1＇＝k1Q1其中Q1为切削热功率，单位为W；F为主切削力，此处取值为滚削切向力,单位为N；v1为切削速度，单位为m/s；d为滚刀外径，单位为m；n为滚刀主轴转速,单位为r/min；Q1＇为实际工况下，输入到刀架的切削热，单位为W；k1为切削热传热比例，取值为1％～10％，本实施例中取值5％；Q1＇＝k1Q1＝5％×1498.1＝74.905Wb1.计算主轴电机产热:Q2＇＝k2Q2其中，Q2为主轴电机产热，单位为W；N为电机输入功率，单位为W；Mt为电机输出力矩，单位为Nm；z为电机转速，单位为r/min；η为电机效率；d为滚刀外径，单位为m；Ft为滚削切向力，单位为N；Q2＇为电机输入到刀架的切削热，单位为W；k2为电机产热传热比例，取值为8％～12％；本实施例中取值10％；结合本实施例中的工艺参数，计算如下：Q2＇＝k2Q2＝10％×0.264KW＝26.4Wc1.计算轴承发热：Q3＝1.047×10-4MnM＝M0+M1式中，Q3为轴承发热量，单位为W；n为滚刀主轴转速，单位为r/min；M为轴承的总摩擦力矩，单位为N·mm；M0为与轴承类型、转速和润滑油性质有关的力矩，单位为N·mm；M1为与轴承所受负荷有关的的摩擦力矩，单位为N·mm；其中：M0反映了润滑剂的流体动力损耗，可按下式计算：M1反映了轴承弹性滞后和局部差动滑动的摩擦损耗，可按下式计算：M1＝f1P1Dm其中，Dm为轴承平均直径(dmin为内径，Dmax为外径)，单位为mm；fo为与轴承类型和润滑方式有关的系数；q为轴承转速，单位为r/min；p为润滑剂在工作温度下的运动粘度，单位为mm2/s；f1为与轴承类型和所受载荷有关的系数；P1为确定轴承摩擦力矩的计算负荷,单位为N；其中，fo的取值方法如表2：表2fo取值表其中，f1和P1的取值确定方法如表3：表3f1和P1取值计算式表轴承类型f1P1单列向心球轴承0.0009(P0/C0)0.553Fa-0.1Fr双列向心球面球轴承0.0003(P0/C0)0.41.4YFa-0.1Fr单列角接触球轴承0.0013(P0/C0)0.33Fa-0.1Fr双列角接触球轴承0.001(P0/C0)0.331.4Fa-0.1Fr带保持架向心短圆柱滚子轴承0.00025～0.0003Fr双列向心球面滚子轴承0.0004～0.00051.2YFa圆锥滚子轴承0.0004～0.00052YFa推力球面滚子轴承0.0005～0.0006Fa(Frmax≤0.55Fa)表3中，P0为轴承当量静载荷，单位为N；C0为轴承额定静载荷，单位为N；Fa为轴承所受轴向力，单位为N；Fr为轴承所受径向力，单位为N；Y为当Fa/Fr＞e时的轴向载荷系数；其中，若P1＜Fr，则取P1＝Fr；表3中，轴承当量静载荷P0是一种假想载荷，即在轴承静止情况下，在承受最大载荷的滚动体和滚道之间的接触部分，此假想载荷产生的最大接触应力与实际载荷条件下产生的最大接触应力大小相同。对于向心轴承，当量静载荷P0可由下式计算，并取计算结果的最大值作为最终结果。P0的取值方法如下；其中X0为径向静载荷系数；Y0轴向静载荷系数；X0和Y0的取值如表4：表4静载荷系数X0和Y0的取值表本实施例中，刀架部分共选用9个单列角接触球轴承，其中4个安装在托座上，4个安装在刀架主轴前端，1个安装在刀架主轴尾端，所选轴承型号和参数如表5：表5轴承型号和参数表根据上述参数及计算方法，本实施例中刀架部组各轴承组的发热功率计算结果如表6：表6本实施例中刀架部组各轴承组的发热功率轴承组位置发热量(W)托座24刀架主轴前端52.92刀架主轴尾端7.762)计算热边界条件：a2.确定定性温度：其中，t为定性温度，tw为固体表面温度，t∞为流体温度；本实施例中，经测算定性温度t为33℃，空气流速v2＝3.335m/s，压强P＝0.4MPa。b2.热边界条件只考虑空气对流换热系数。刀架部组表面的对流换热分为强迫对流换热和自然对流换热两类。其中，刀架外表面及其他静止部分与空气的对流换热为自然对流换热，根据经验，自然对流换热系数取为10W/(m2℃)。而滚削过程中，刀架主轴以一定转速旋转，压缩空气以恒定的速度略过滚刀表面，这与空气横掠单管的情形类似，这种对流换热被称为强迫对流换热。根据空气横掠单管的对流换热系数计算方法，滚刀表面的对流换热系数可由下式计算：即根据定性温度计算滚刀表面的对流换热系数Nu＝CRebPr1/3其中，α为主轴表面与空气间的对流换热系数，单位为W/(m2℃)；Nu为努塞尔数；λ为空气导热系数，单位为W/(m·k)；L为特征长度，此处取为滚刀外径，单位为m；Re为雷诺数；Pr为普朗特数；ρ为空气密度,单位为kg/m3；v2为空气流速,单位为m/s；d1为当量直径，此处取滚刀外径,单位为m；g为空气动力粘度,单位为kg/(m·s)或Pa·s；C、b为常数，取值方法如表7：表7C和b取值表ReCn0.4～40.9890.3304～400.9110.38540～40000.6830.4664000～400000.1930.61840000～4000000.02660.805上述各空气物理特性参数见表8：表8标准大气压下干空气的热物理特性参数表上表参数中，仅空气密度与压强相关。查表可得，压强P＝0.4MPa时，空气密度约为4.558kg/m3,故因为40000＜Re,C取值0.0266、b取值0.805，Nu＝CRebPr1/3＝0.0266Re0.805Pr1/33)计算热边界条件：根据滚削过程中的热源强度和热边界条件的计算结果，利用有限元仿真软件即可算出刀架部组温度场。滚刀1示意处温度为47.916℃，刀杆2示意处温度为41.192℃，托座顶部3示意处温度为32.235℃，托座端盖4示意处温度为30.003℃，后板5示意处温度为26.575℃，托座底部6示意处温度为29.711℃，电机罩底部7示意处温度为26.847℃，电机罩8示意处温度为29.767℃，电机罩9示意处温度为26.371℃，电机罩10示意处温度为26.646℃。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本
技术领域：
中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。当前第1页1 2 3