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4.3 TH6213機(jī)床ZF減速箱熱變形分析
在機(jī)床主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)熱、各齒輪軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量以及變速齒輪嚙合面產(chǎn)生的摩擦熱，都是減速箱的主要熱源。在這些熱源的作用下，齒輪軸產(chǎn)生變形，嚙合齒輪產(chǎn)生變形，以及減速箱箱體也產(chǎn)生變形，在這些變形的疊加作用下，傳動(dòng)軸的間距產(chǎn)生變化，甚至影響傳動(dòng)，使機(jī)床主軸無法正常工作。本節(jié)則對(duì)變速箱在熱源作用下的熱變形進(jìn)行定量分析。
4_3_1 ZF箱熱變形分析
減速箱與主軸箱部件裝配關(guān)系的約束設(shè)定：減速箱采用螺紋緊固連接的方式固定在主軸箱上，底面6個(gè)自由度被限定；減速箱下部嵌入到主軸箱體里面，幾個(gè)方向的變形也受到限定。
選定齒輪軸軸線為Y軸，計(jì)算后可得減速箱的熱變形情況。結(jié)果見圖4.8。圖示為減速箱總體在兩個(gè)方向上的熱變形云圖，減速箱上端面邊緣產(chǎn)生較大的變形，與主軸箱連接處變形較小，這是因?yàn)闇p速箱與主軸箱采用螺釘緊固連接，限制了中間部分的變形。而下部陷入到主軸箱之中，所以，變形也受到限制，只有上端面暴露在空氣中，沒有變形限制，從而產(chǎn)生了向四周延伸的較大的變形。
把減速箱熱變形量分解到X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)方向，以達(dá)到量化減速箱熱變形結(jié)果的目的，見圖4.9,減速箱在X方向產(chǎn)生的熱變形量較大，最大值出現(xiàn)在側(cè)邊處，約為
124pm; Y方向上，熱變形最大處出現(xiàn)在遠(yuǎn)離電機(jī)的側(cè)邊處，約為133pm;而在Z方向上，熱變形的最大值就出現(xiàn)在上端蓋處，約為160um。

4.3.2 ZF減速箱嚙合齒輪及齒輪軸熱變形分析
如果減速箱齒輪軸在熱源作用下產(chǎn)生過大的熱變形，齒輪副的正常工作將會(huì)受到影響。為了探宄熱平衡狀態(tài)下變速箱是否能維持正常工作，對(duì)減速箱嚙合齒輪及齒輪軸進(jìn)行熱一結(jié)構(gòu)耦合分析。
在ZF減速箱中，齒輪軸通過軸承與箱體安裝配合。所以，當(dāng)減速箱箱體在熱源作用下產(chǎn)生熱變形，齒輪軸的約束也會(huì)受到影響，從而干擾到其正常工作。接下來對(duì) 齒輪軸的熱變形情況進(jìn)行分析。
表4.7所示為齒輪軸熱變形分析結(jié)果，齒輪的安裝位置用箭頭指出。觀察表中數(shù) 據(jù)，齒輪軸的熱變形趨勢(shì)表明齒輪軸在熱源作用以及減速箱體約束作用下，產(chǎn)生一定程度的彎曲變形。表4.8所示為各軸齒輪安裝位置熱變形量。

表4.8各齒輪軸安裝位置熱變形量
軸號(hào)	X(\|im)	Z(\|im)
I	2.15 ?12.78	12.36 ?37.60
II	0.76 ?9.64	2.02 ?11.35

觀察圖4.10、圖4.11所示嚙合齒輪熱變形分析結(jié)果可知，對(duì)于軸I、軸II上的一對(duì)嚙合齒輪，嚙合位置所形成的最大的熱變形量約為0.028mm;對(duì)于軸II、主軸上的一對(duì)嚙合齒輪，嚙合位置所形成的最大熱變形量約為0.035_。為了避免熱變形導(dǎo)致的齒輪卡死現(xiàn)象，在齒輪副安裝的過程中事先留有間隙，根據(jù)TH6213減速箱齒輪的安裝中心距以及模數(shù)，由TH6213產(chǎn)品計(jì)算說明書可以得到，軸I、軸II嚙合齒輪的額定間隙為〇.〇6_，而軸II、主軸嚙合齒輪的額定間隙為0.059_。考察有限元分析結(jié)果可知，熱變形量均小于最小間隙值即額定間隙，所以，變速箱可以正常工作。

4.4本章小結(jié)
在本章中，首先對(duì)減速箱齒輪的嚙合情況進(jìn)行了分析，接著對(duì)齒輪嚙合面的受力情況進(jìn)行了分析，通過計(jì)算確定了在齒輪工作過程中嚙合面產(chǎn)生的熱力密度的大小，并對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行了有限元計(jì)算。接著計(jì)算了各嚙合齒輪以及齒輪軸的熱流密度、軸承的發(fā)熱量以及各換熱面的對(duì)流系數(shù)，分析了減速箱工作時(shí)的溫度場(chǎng)，為機(jī)床熱誤差的補(bǔ)償以及冷卻回路的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。并用熱穩(wěn)態(tài)的溫度場(chǎng)進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算，得到減速箱以及內(nèi)部嚙合齒輪、齒輪軸在正常工作狀態(tài)下的熱變形，與TH6213 產(chǎn)品計(jì)算書所規(guī)定的額定間隙進(jìn)行比對(duì)，得到變形小于最小間隙的結(jié)論，證明了在熱源作用下，機(jī)床減速箱仍能正常工作。

臥式鏜銑加工中心ZF減速箱熱變形分析

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