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3.3機(jī)床主軸軸承溫度場(chǎng)的建立及有限元分析
主軸上安裝的角接觸球軸承兩兩采取背對(duì)背成對(duì)安裝的形式，觀察表可知，3號(hào) 軸承的發(fā)熱量大，所以本節(jié)將對(duì)3號(hào)軸承建立溫度場(chǎng)分析計(jì)算。
3.3.1 SEB 170角接觸球軸承的有限元分析建模
SEB 170角接觸球軸承的材料選用的是軸承鋼GCrl5，材料的物理性質(zhì)對(duì)熱分析 過程有著重要的影響，比如材料的導(dǎo)熱率、材料的線膨脹系數(shù)以及材料的彈性模量等 參數(shù)，而這些數(shù)據(jù)則會(huì)隨著溫度的變化而變化，軸承材料的參數(shù)數(shù)值可見下表，因?yàn)闄C(jī)床主軸軸承的工作溫度一般不能超過ioo°c，所以表中只列出來材料在室溫還有 ioo°c時(shí)候的數(shù)值，而其他溫度的情況下，其參數(shù)值可以通過數(shù)值分析的方法加以求 得。而表3.4則列出了 SEB 170主軸軸承的外形尺寸參數(shù)。
根據(jù)表中所列尺寸參數(shù)，使用SolidEdge軟件對(duì)軸承進(jìn)行三維建模，然后將模型 導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元分析軟件中去，然后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。軸承的內(nèi)圈、 外圈形狀規(guī)則，采用的是自動(dòng)網(wǎng)格劃分的形式，模型總共被劃分為4282個(gè)單元，11236 個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分如圖3.6所示：
在對(duì)模型進(jìn)行加載熱載荷之前，需要對(duì)軸承模型中的各部分之前的接觸方式進(jìn)行設(shè)置。球滾子在軸承內(nèi)圈外圈滾道之間發(fā)生旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)，這過程之中雖然會(huì)有摩擦，但 是在計(jì)算軸承的摩擦力矩的時(shí)候，“摩擦”這一因素己經(jīng)考慮過，所以在這里不用再設(shè) 置，即設(shè)置滾子與內(nèi)外圈滾道的接觸方式為“不分離”。
將載荷加載到軸承的內(nèi)圈和外圈滾道，以及球滾子的外表面，載荷加載的方式設(shè) 置為“Heat flow”，單位設(shè)置為W。雖然TH6213主軸軸承的潤滑方式采用的是循環(huán)油 潤滑，但是，上節(jié)中交代了，潤滑油帶走的熱量為整個(gè)軸承系統(tǒng)的熱量，不分配到單 個(gè)軸承，所以此處只考慮軸承本身的發(fā)熱。
3_3_2 SEB 170角接觸球軸承的有限元溫度場(chǎng)結(jié)果與分析
通過ANSYS Workbench熱分析模塊的建模及分析，得出了軸承內(nèi)夕卜圈的溫度場(chǎng) 分布結(jié)果，如圖3.7、圖3.8所示。軸承的外圈高溫度為52.685°C，而軸承內(nèi)圈的 高溫度則達(dá)到了52.2°C。在內(nèi)外圈滾道上，有間隔分布的高溫區(qū)域，這是因?yàn)檩S承滾 動(dòng)體與滾道設(shè)置為相對(duì)靜止，所以會(huì)出現(xiàn)這樣的溫度分布。
分析上面的仿真分析結(jié)果可知，內(nèi)外圈滾道上溫度分布不連續(xù)，在滾動(dòng)體與滾道 接觸的地方有明顯的圓形的高溫區(qū)域，而實(shí)際情況中，滾動(dòng)體沿滾道高速運(yùn)轉(zhuǎn)，溫度 分布應(yīng)該呈現(xiàn)連續(xù)分布的狀態(tài)，所以與實(shí)際不符。而且TH6213主軸箱為臥式，軸承 外圈安裝在主軸箱上，二者相對(duì)靜止，所以，在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，外圈將呈現(xiàn)半周受 力的情況，而這一點(diǎn)在上述分析結(jié)果中也沒有得到體現(xiàn)，所以現(xiàn)在需要對(duì)軸承模型以 及分析過程進(jìn)行檢查并改進(jìn)。

滾道接觸點(diǎn)的切向速度約為24.4m/s，而球滾子與軸承外圈滾道接觸點(diǎn)的切向速度約 為27.9m/s。SEB170軸承內(nèi)圈滾道周長為0.623m，外圈滾道周長為0.792m。比較二者 可知，球滾子在滾道內(nèi)旋轉(zhuǎn)的速度很快，并且與內(nèi)外滾道上每個(gè)點(diǎn)都有接觸，綜合以 上，可以將高速運(yùn)轉(zhuǎn)中的球滾子簡(jiǎn)化為一個(gè)一個(gè)靜止的圓環(huán)。通過這種方法對(duì)有限元 模型進(jìn)行了改進(jìn)，然后重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這一次模型被劃分為948個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)4448 個(gè)，由此可見，改進(jìn)后的模型有效地減少了單元的數(shù)量，從而縮短了計(jì)算機(jī)運(yùn)算的時(shí)間。
然后再一次對(duì)模型施加相同的載荷，然后得到改進(jìn)后的有限元分析結(jié)果，見圖 3.11、圖3.12。這一次由仿真結(jié)果可以看出，軸承內(nèi)外圈滾道上溫度變化均勻，沒有 像之前那樣出現(xiàn)不連續(xù)分布的高溫區(qū)域，同時(shí)，軸承內(nèi)圈的溫度也有所降低，這是因 為軸承模型經(jīng)過改進(jìn)后，體現(xiàn)出了球滾子在滾道的旋轉(zhuǎn)過程中，不斷帶走熱量并且與 滾道的每一個(gè)接觸點(diǎn)發(fā)生熱的交換，從而使內(nèi)外圈的滾道呈現(xiàn)出均勻分布的溫度場(chǎng)。 這樣更符合軸承在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的發(fā)熱情況。

本節(jié)通過對(duì)SEB170角接觸球軸承的有限元模型的改進(jìn)、溫度場(chǎng)的分析，得出了 其溫度場(chǎng)分布的結(jié)果，為接下來對(duì)機(jī)床主軸溫度場(chǎng)的分析提供了依據(jù)。