[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

说明书

本发明提供了一种高速加工机床整机结构热力学建模与热设计方法，其包括以下步骤：步骤1：高速加工机床三维数字化建模；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计算；步骤3：机床平面结合部热阻参数计算；步骤4：高速加工机床整机结构热力学建模与热特性计算；步骤5：高速加工机床整机结构热态设计方法。采用本发明提供的高速加工机床整机结构热力学设计方法，能够大幅提高高速加工机床整机结构热力学建模精度，缩短设计周期。不仅便于高速加工机床的正向设计，而且提高一次设计成功率。

技术领域

本发明涉及一种高速加工机床整机结构热力学建模与热设计方法，属于数控机床设计领域。

背景技术

数控机床正朝着高速与高精度方向发展，产业界对高速加工机床的热态性能要求越来越高。建立高速加工机床整机热力学模型，开展整机热力学分析，继而完成机床的热力学设计，是高速机床研发的首要技术环节。

建立高精度的高速加工机床热力学模型，是开展高速加工机床热力学设计的理论基础。近年来，国内外学者围绕着机床热力学建模与热特性计算，开展了大量的研究，概括起来，其主要研究工作包括：

①电主轴热力学：考虑主轴中滚动轴承和内置电机转子、定子作为主要热源，计算主轴各表面的换热系数，建立电主轴的热力学模型，通过有限元法，计算出电主轴的温度场和热位移场。

②机床结合部热阻：建立机床主要结合面热阻，以机床床身为研究对象，建立机床局部热力学模型，通过有限元法，计算考虑热阻的机床床身温度场和热位移场。

应该看出，以上两种机床热力学单一因素建模与设计方法，均不能满足高速加工机床的设计要求。从机床的正向热设计角度出发，应该建立考虑主要热源(高速电主轴、工件主轴、切削液二次热源)与结合部(平面结合部、滚动结合部)接触热阻的高速加工机床的整机热力学模型，基于该模型，可以开展高速加工机床热力学特性分析，继而提出高速加工机床整机热设计，提升机床的热态性能。

发明内容

技术问题：针对高速加工机床整机热力学建模与热设计中存在的问题，本发明专利提出了高速加工机床主要热源(高速电主轴、工件主轴、切削液二次热源)与典型结合部(平面结合部、滚动结合部)接触热阻的建模方法，继而建立了高速加工机床的整机热力学模型；基于高速加工机床整机热力学灵敏度分析结果，提出了高速加工机床整机热力学设计方法。本发明专利不仅便于高速加工机床正向设计，而且提高机床热态设计准确性和一次设计成功率。

技术方案：本发明的一种高速加工机床整机结构热力学建模与热设计方法包括以下步骤：

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；

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。

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。

所述所述步骤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：