数控车床主轴系统热特性分析与验证

陈维范，薛丹

（1.辽宁装备制造职业技术学院，沈阳 110161；2.沈阳机床股份有限公司，沈阳 110142）

0 引言

主轴系统是机床的关键功能部件，其热态特性在很大程度上决定了机床的切削速度和加工精度，是影响机床精度提升的最重要因素[1]。研究表明，由机床热变形引起的误差占总误差的40%～70%[2]。

近年来，国内外一些学者对机床主轴系统热特性研究，并取得了一定的成果。E. Creighton等[3]对微型数控铣床主轴组件轴承和电动机发热引起的主轴热变形进行有限元分析，并进行实测，两者吻合性良好。仇健等[4]通过有限元与试验测试结合的方式，研究了加工中心主轴温度场和热误差分布规律，研究发现，卧式加工中心热变形与温度有较好的对应关系。

本文以某型数控车床为研究对象，利用ANSYS Workbench软件对主轴系统热进行特性分析，通过实测对有限元分析的结果进行验证。

1 主轴系统结构及热载荷计算

1.1 主轴部件结构

数控车床主轴最高转速为5000 r/min，主轴电动机功率为15 kW，主轴电动机与主轴通过16008 MHP型同步带传动。主轴部件结构如图1所示。

图1 主轴部件结构图

主轴前支承选用两对角接触球轴承110BNR10H，组合形式为DBB；后支承选用角接触球轴承100BNR10S，组合形式为DB；前后轴承均采用L预紧。主轴采用前端固定的形式，轴承用高速锂基润滑脂润滑。

1.2 热载荷计算

机床空载运行时，主轴系统发热主要包括同步齿形带传动发热及前后轴承发热。

1.2.1 同步齿形带传动发热计算

同步齿形带传动效率按98%计算，取主轴带轮上的发热量为总发热量的一半[5]，其发热量为