[发明专利]高速加工机床整机结构热力学建模与热设计方法

权利要求书

1.一种高速加工机床整机结构热力学建模与热设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：高速加工机床三维数字化建模：采用三维数字化软件，将拟设计的高速加工机床的初步结构转化为三维CAD模型；

步骤2：高速加工机床主要热源发热功率和相关换热系数计算：采用Palmgren经验公式计算滚动轴承发热功率，采用传热学理论计算相关部位对流换热系数；为高速加工机床整机热态建模提供基础数据；高速加工机床整机主要热源为高速电主轴、工件主轴、切削液二次热源；典型结合部为平面结合部、滚动结合部；

步骤3：机床平面结合部热阻参数计算：采用分形几何理论，计算机床平面结合部接触热阻；

步骤4：高速加工机床整机结构热力学建模与热特性计算：建立含主要热源与典型结合部接触热阻的高速加工机床的整机热力学模型；开展机床关键零部件、水冷系统物理参数对高速加工机床整机热力学灵敏度分析与计算，寻找影响机床热力学性能的薄弱环节；

步骤5：高速加工机床整机结构热态设计方法：针对步骤4寻找到的影响机床热力学性能的薄弱环节，以提高机床热态性能为目标，提出高速加工机床整机结构动态设计方法。

2.根据权利要求1所述的高速加工机床整机结构热力学建模与热设计方法，其特征在于，所述步骤1：高速加工机床三维数字化建模，采用三维数字化软件Solidworks或者Pro-E，将拟设计的高速加工机床的初步结构转化为三维CAD模型。

3.根据权利要求1所述的高速加工机床整机结构热力学建模与热设计方法，其特征在于，所述步骤2：高速加工机床主要热源发热功率和相关换热系数计算，分为以下三步：

步骤2a：高速加工机床电主轴与工件主轴发热功率计算

1)滚动轴承发热功率Q₁计算，

Q₁＝1.047×10^-4(M₀+M₁)·n (1)

M₁＝f₁p₁d_m (3)

式中：M₀为润滑剂的流体动力损耗，M₁为弹性滞后和局部差动滑动的摩擦损耗，n为轴承转速，其单位是r/min；d_m为轴承中径，其单位是mm；f₀为与轴承类型和润滑方式有关的经验常数，v为在工作温度下润滑剂的运动粘度，其单位是cst，f₁为与轴承类型和所受负荷有关的参数；p₁为确定轴承摩擦力矩的计算负荷，其单位是N；

2)电主轴电机转子、定子发热功率Q计算

设P₀为额定功率，其单位为W，电机功率系数α1，效率η_电，则Q＝P₀α1(1-η_电)，式中：Q-电主轴电机转子、定子发热功率，其单位为W，规定电机热损耗的2/3分布在电机转子，热损耗1/3分布在电机定子；

3)工件主轴带传动发热功率q_belt计算

q_belt＝P_beltin(1-η_带) (3)

式中：P_beltin为带传动输入功率，其单位是W；η_带为带传动效率，带传动的热损耗一半传递到皮带上，一半传递到带轮上，且主动轮和从动轮上的摩擦生热按两带轮的皮带包角等比例分配；

步骤2b：高速加工机床电主轴与工件主轴对流换热系数计算

换热系数α2和努赛尔数Nu的关系：

式中：λ为流体导热系数，Nu为努赛尔数；D为几何特征的定型尺寸，

1)电主轴内置电机定子冷却水套强制对流换热系数h₁计算

式中：λ为流体导热系数；Nu为努赛尔数；Pr为普朗特数；Re为雷诺数；L为冷却水流道长度；

2)电主轴电机定子内表面与转子外表面的传热系数h₂计算

式中：λ为流体导热系数；Nu为努赛尔数；r₁为转子外径，其单位是m；σ为定、转子间气隙，其单位是m；Re为雷诺数；

3)工件主轴旋转表面与空气间的对流换热系数h₃计算

式中：λ为流体导热系数；Re为雷诺数；Pr为普朗特数；Nu为努赛尔数；

4)工件主轴带轮对流换热系数h₄计算

h₄＝9.7+5.33×U^0.8 (8)

式中：h₄-工件主轴带轮对流换热系数，其单位是W/(m²·K)；U-带轮表面线速度，其单位是m/s；

5)主轴外表面与空气间的对流换热系数，取复合传热系数为

h₅＝9.7W/(m²·K)

步骤2c)切削液“二次热源”的建模方法

切削液溅到的表面的对流换热系数是将切削液流道对流系数乘以0.6，得到该表面的对流换热系数。