高速精密数控冲床的热平衡设计与仿真研究

论文摘要

随着高速精密数控冲床向高速、精密方向的发展,冲床的热态特性以及由此带来的热变形问题成为迫切解决的课题之一。论文以国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”项目“高速精密数控冲床”为背景,以某型高速冲床为研究对象做以下研究。首先,通过研究冲床的热源、受力状况、传热机制,运用MATLAB软件求解了冲床的曲轴的受力,计算了冲床的传热系数,为冲床的热分析提供参考依据。其次,利用Solidworks建立了曲轴系统、导轨系统以及冲床整机的三维模型,运用ANSYS软件分别对曲轴系统、导轨系统以及整机进行热-结构耦合分析,求解了温度场和应力场,验证了有限元模型的正确性,分析了各因素对冲床热变形的影响,提出了提高冲床加工精度的有效措施。再次,研究了冲床冷却系统的热平衡设计过程,并设计了冲床的热平衡冷却系统,对冷却系统各部件进行了认真的选型和计算,然后从控制的角度分析了冲床冷却系统的热平衡控制流程。最后,运用Solidworks对冷却系统的油路进行建模,使用FULENT软件对冷却油路进行仿真分析,验证了冷却系统设计的正确性。分析了冷却油量对冷却系统出口温度的影响,分析表明在冷却油量为34.6L/min时冲床的温度场和热变形能够得到最佳改善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.2 国内外高速冲床的发展现状和趋势
• 1.2.1 国内外冲床的发展现状
• 1.2.2 高速冲床的发展趋势
• 1.3 高速冲床热变形问题以及研究现状
• 1.4 论文的研究内容
• 1.5 论文的组织结构
• 2 高速冲床的关键结构及热态特性
• 2.1 高速冲床的结构和工作原理
• 2.2 冲床关键部件的结构和参数
• 2.2.1 冲床的主要技术参数
• 2.2.2 曲轴系统结构
• 2.2.3 床身和横梁
• 2.3 高速冲床的热特性
• 2.3.1 高速冲床的热变形机理
• 2.3.2 高速冲床的热源及散热
• 2.4 本章小结
• 3 高速冲床的热计算
• 3.1 高速冲床运动学分析
• 3.2 高速冲床惯性力的计算
• 3.3 曲轴的受力计算
• 3.4 高速冲床的发热计算
• 3.4.1 轴承的发热计算
• 3.4.2 导轨的发热计算
• 3.5 本章小结
• 4 高速冲床的传热
• 4.1 轴承的传热
• 4.1.1 轴承与润滑冷却油的对流传热
• 4.1.2 滚动轴承滚动体与滚道之间的传热
• 4.2 导轨的传热
• 4.3 曲轴与空气的传热
• 4.4 冲床与周围空气的传热
• 4.5 本章小结
• 5 高速冲床热变形的仿真分析
• 5.1 热分析有限元理论
• 5.1.1 有限元法基础
• 5.1.2 三类边界条件
• 5.1.3 稳态热传导有限元法
• 5.1.4 瞬态热传导有限元法
• 5.1.5 热变形和热应力计算
• 5.2 ANSYS的热-结构耦合分析
• 5.2.1 ANSYS热-结构耦合分析的基本原理
• 5.2.2 ANSYS热-结构耦合分析的基本步骤
• 5.3 冲床模型的建立
• 5.3.1 曲轴部件的有限元模型
• 5.3.2 导轨部件的有限元模型
• 5.3.3 冲床整机的有限元模型
• 5.4 冲床的热分析
• 5.4.1 冲床曲轴系统的热分析
• 5.4.2 导轨系统的热分析
• 5.4.3 整机热分析
• 5.5 影响整机热变形因素的分析
• 5.5.1 润滑油粘度的影响
• 5.5.2 空气流量的影响
• 5.5.3 冷却油流量的影响
• 5.6 改善高速冲床热态特性的措施
• 5.6.1 热态特性优化设计
• 5.6.2 合理的热变形补偿
• 5.6.3 温度控制
• 5.7 本章小结
• 6 冲床冷却系统的热平衡设计及仿真分析
• 6.1 冲床润滑冷却系统的热平衡控制
• 6.1.1 系统热平衡的工作过程
• 6.1.2 系统的热平衡控制
• 6.2 冷却系统的热平衡设计
• 6.2.1 供油量的计算
• 6.2.2 液压阀的选择
• 6.2.3 加热器的选择和计算
• 6.2.4 冷却器的选择和计算
• 6.2.5 过滤器的选择
• 6.2.6 油箱的设计和计算
• 6.2.7 管路的设计和计算
• 6.3 系统的热平衡控制设计
• 6.4 冷却系统的仿真分析
• 6.4.1 FLUENT软件在冷却系统中的应用
• 6.4.2 冷却系统的仿真建模
• 6.4.3 冷却系统的仿真结果分析
• 6.5 小结
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录