一种干切滚削过程中刀架部组温度场的测算方法

专利类型：发明专利 

语 言：中文 

申 请 号：CN201711464808.5 

申 请 日：20171228 

发 明 人：唐倩刘志涛邹政邓峰宋军 

申 请 人：重庆大学 

申请人地址：400044 重庆市沙坪坝区沙正街174号 

公 开 日：20180608 

公 开 号：CN108133110A 

代 理 人：宫兆斌 

代理机构：重庆创新专利商标代理有限公司 50125 

摘　　要：本发明公开了一种干切滚削过程中刀架部组温度场的测算方法，包括以下步骤：1)计算滚削过程中的热源强度，包括计算滚刀与工件之间因摩擦和金属塑性变形产生的切削热、主轴电机产热、轴承发热；2)计算热边界条件，包括确定定性温度、根据定性温度计算滚刀表面的对流换热系数；3)根据滚削过程中的热源强度和热边界条件的计算结果，利用有限元仿真软件即可算出刀架部组温度场。本发明创造性的利用空气横掠单管时的对流换热系数计算方法，对干切滚削过程中滚刀与压缩空气间的强制对流换热系数进行计算，能准确计算出干切滚削过程中刀架部组温度场。为滚齿机的热误差补偿、刀架部组的结构优化等提供所需的理论依据。 

主 权 项：一种干切滚削过程中刀架部组温度场的测算方法，其特征是：包括以下步骤：1)计算滚削过程中的热源强度：a1.计算滚刀与工件之间因摩擦和金属塑性变形产生的切削热：Q₁＝Fv₁$v_1=\frac{\pi dn}{60}$Q₁＇＝k₁Q₁其中Q₁为切削热功率，单位为W；F为主切削力，此处取值为滚削切向力,单位为N；v₁为切削速度，单位为m/s；d为滚刀外径，单位为m；n为滚刀主轴转速,单位为r/min；Q₁＇为实际工况下，输入到刀架的切削热，单位为W；k₁为切削热传热比例，取值为1％～10％；b1.计算主轴电机产热:$Q_2=N\left(1-\eta \right)=\left(\frac{M_{t}z}{9550}\right)\left(\frac{1-\eta }{\eta }\right)$$M_t=\frac{F_{t}d}{2}$Q₂＇＝k₂Q₂其中，Q₂为主轴电机产热，单位为W；N为电机输入功率，单位为W；M_t为电机输出力矩，单位为Nm；z为电机转速，单位为r/min；η为电机效率；d为滚刀外径，单位为m；F_t为滚削切向力，单位为N；Q₂＇为电机输入到刀架的切削热，单位为W；k₂为电机产热传热比例，取值为8％～12％；c1.计算轴承发热：Q₃＝1.047×10^?4MnM＝M₀+M₁式中，Q₃为轴承发热量，单位为W；n为滚刀主轴转速，单位为r/min；M为轴承的总摩擦力矩，单位为N·mm；M₀为与轴承类型、转速和润滑油性质有关的力矩，单位为N·mm；M₁为与轴承所受负荷有关的的摩擦力矩，单位为N·mm；其中：$M_0=\left\{\begin{array}{cc}{10}^{-7}{f}_0{\left(pq\right)}^{\frac{2}{3}}{D}_m^3,& pq\ge 2000\\ 160\times {10}^{-7}{f}_0{D}_m^3,& pq\ge 2000\end{array}\right.$M₁＝f₁P₁D_m其中，D_m为轴承平均直径，单位为mm；f_o为与轴承类型和润滑方式有关的系数；q为轴承转速，单位为r/min；p为润滑剂在工作温度下的运动粘度，单位为mm²/s；f₁为与轴承类型和所受载荷有关的系数；P₁为确定轴承摩擦力矩的计算负荷,单位为N；f₁和P₁的取值确定方法如下：①单列向心球轴承f₁取值0.0009(P₀/C₀)^0.55，P₁取值3F_a?0.1F_r；②双列向心球面球轴承f₁取值0.0003(P₀/C₀)^0.4，P₁取值1.4YF_a?0.1F_r；③单列角接触球轴承f₁取值0.0013(P₀/C₀)^0.33，P₁取值F_a?0.1F_r；④双列角接触球轴承f₁取值0.001(P₀/C₀)^0.33，P₁取值1.4F_a?0.1F_r；⑤带保持架向心短圆柱滚子轴承f₁取值0.00025～0.0003，P₁取值F_r；⑥双列向心球面滚子轴承f₁取值0.0004～0.0005，P₁取值1.2YF_a；⑦圆锥滚子轴承f₁取值0.0004～0.0005，P₁取值2YF_a；⑧推力球面滚子轴承f₁取值0.0005～0.0006，P₁取值F_a(F_rmax≤0.55F_a)；其中，P₀为轴承当量静载荷，单位为N；C₀为轴承额定静载荷，单位为N；F_a为轴承所受轴向力，单位为N；F_r为轴承所受径向力，单位为N；Y为当F_a/F_r＞e时的轴向载荷系数，e为判断系数，轴承手册中可查得；其中，若P₁＜F_r，则取P₁＝F_r；P₀的取值方法如下；$P_0=\left\{\begin{array}{c}{X}_0{F}_r+Y_0{F}_a\\ F_r\end{array}\right.$其中X₀为径向静载荷系数；Y₀轴向静载荷系数；2)计算热边界条件：a2.确定定性温度：$t=\frac{\left(t_w+t_{\infty }\right)}{2}$其中，t为定性温度，t_w为固体表面温度，t_∞为流体温度；b2.根据定性温度计算滚刀表面的对流换热系数$\alpha =\frac{N_u\lambda }{L}$N_u＝CR_e^bP_r^1/3$\mathrm{Re}=\frac{{\mathrm{\rho v}}_2{d}_1}{g}$其中，α为主轴表面与空气间的对流换热系数，单位为W/(m²℃)；N_u为努塞尔数；λ为空气导热系数，单位为W/(m·k)；L为特征长度，此处取为滚刀外径，单位为m；Re为雷诺数；Pr为普朗特数；ρ为空气密度,单位为kg/m³；v₂为空气流速,单位为m/s；d₁为当量直径，此处取滚刀外径,单位为m；g为空气动力粘度,单位为kg/(m·s)或Pa·s；C、b为常数，取值方法如下：Re为0.4～4时，C取值0.989、b取值0.330，Re为4～40时，C取值0.911、b取值0.385，Re为40～4000时，C取值0.683、b取值0.466，Re为4000～40000时，C取值0.193、b取值0.618，Re为40000～400000时，C取值0.0266、b取值0.805；3)根据滚削过程中的热源强度和热边界条件的计算结果，利用有限元仿真软件即可算出刀架部组温度场。 

关 键 词：温度场;中刀架;滚刀;对流换热系数;刀架;热边界;热源;定性;测算;热误差补偿;仿真软件;换热系数;结构优化;金属塑性;强制对流;温度计算;压缩空气;主轴电机;滚齿机;切削热;产热;单管;轴承;发热;变形;摩擦 

法律状态：公开 

IPC专利分类号：G06F17/50(2006.01)I