数控机床滚动直线导轨热力耦合特性研究

摘要

随着机床精度的不断提高，机床进给系统热力耦合特性对机床最终的加工精度乃至整机性能的影响也越来越明显。滚动直线导轨是数控机床进给系统中常见的关键功能部件之一，研究滚动直线导轨的热力耦合特性，对于进一步研究进给系统特性对机床整机性能的影响，实现机床整机性能的提升具有重要的意义。本文以某公司生产的HSR系列滚动直线导轨为研究对象，对其热力耦合特性理论建模和仿真分析过程中的关键技术问题进行研究，并构建了滚动直线导轨实验平台，验证了理论建模和仿真分析的正确性。论文进行的主要研究工作具体如下: (1)查阅了国内外研究滚动直线导轨的文献，综述了导轨的国内外研究情况和最近进展，确定了本论文的研究内容及研究方法。 (2)研究了滚动直线导轨的摩擦特性。建立了导轨接触区理论模型，研究了滚动直线导轨接触区摩擦力的产生机理，进而研究了导轨所承受外力、导轨副的接触力以及摩擦力间的关系模型，并对接触区的基本参数进行了求解，为滚动直线导轨的有限元分析研究提供了基础数据。 (3)建立了滚动直线导轨副温度场和应力场的理论模型。基于滚动直线导轨的导热微分方程，建立了导轨系统温度场以及应力场模型，研究了导轨系统的温度分布规律以及应力随温度的变化关系，为深入研究导轨热力耦合特性提供理论依据。 (4)采用大型有限元分析软件，建立了滚动直线导轨热力耦合特性仿真分析模型。计算求解得到滚动直线导轨副的温度场分布，研究了导轨温度随时间的变化规律;并将结构分析与热力耦合分析应力与位移进行了对比分析，研究了热特性与力学特性间的相互影响。 (5)构建了滚动直线导轨热特性测试实验装置，对导轨热特性进行实验研究。利用铂热电阻传感器对实际工作状态下的导轨系统进行温度的测量，并且将有限元仿真结果同实验得到的数据进行对比分析。 综上所述，本论文对滚动直线导轨热力耦合特性的研究，为深入研究导轨对机床的影响规律提供了依据，对于机床生产厂家合理地选择导轨具有一定的指导意义。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景

1．2机床滚动直线导轨国内外研究现状

1．2．1滚动直线导轨静动态特性国内外研究现状

1．2．2导轨热特性的国内外研究现状

1．3机床系统国内外研究现状

1．3．1机床热误差补偿的研究

1．3．2机床进给系统热特性的研究

1．3．3机床轴承的研究

1．4课题研究的目的和意义

1．5课题的主要研究内容

第2章滚动直线导轨摩擦特性研究

2．1滚动导轨承载区的接触理论

2．1．1点接触理论的通用模型

2．1．2滚动直线导轨接触理论模型

2．2滚珠在导轨承载区的运动分析

2．3滚动摩擦的产生机理

2．3．1差动滑动摩擦力产生机理

2．3．2弹性滞后引起的纯滚动摩擦力

2．3．3自旋运动引起的摩擦力

2．4接触区摩擦力与过盈量关系研究

2．5本章小结

第3章滚动直线导轨热力耦合数学模型

3．1滚动直线导轨的热传导模型

3．1．1滚动直线导轨的传热方式

3．1．2滚动直线导轨的导热微分方程

3．2滚动直线导轨温度场模型

3．2．1导轨轴向导热微分方程的建立

3．2．2导轨轴向导热微分方程的求解及其分析

3．3导轨温度对力学特性的影响

3．4导轨系统热应力模型

3．4．1导轨热应力模型

3．4．2滚珠热应力模型

3．5本章小结

第4章滚动直线导轨热力耦合特性分析

4．1滚动直线导轨边界条件

4．1．1滚动直线导轨摩擦生热

4．1．2滚动直线导轨接触区升温计算

4．1．3滚动直线导轨接触区热边界条件

4．2滚动直线导轨有限元仿真前处理

4．2．1滚动直线导轨系统材料的设置以及模型的导入

4．2．2滚动直线导轨系统网格划分

4．2．3滚动直线导轨系统接触对的建立

4．2．4滚动直线导轨系统工况假设

4．3滚动直线导轨有限元仿真结果分析

4．3．1瞬态及稳态温度场分析

4．3．2热力耦合场分析

4．4本章小结

第5章滚动直线导轨热特性实验

5．1实验目的与意义

5．2实验设备与原理

5．2．1实验设备

5．2．2实验原理

5．3实验内容与步骤

5．3．1驱动导轨系统运行

5．3．2导轨系统温度测量与数据采集

5．4实验数据记录与处理

5．5实验结论

5．6本章小结

第6章结论与展望

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢

附录