机床主轴动态冷却的固-液两相纳米流体冷却液优化方法技术

一种机床主轴动态冷却的固

【技术实现步骤摘要】
机床主轴动态冷却的固
‑
液两相纳米流体冷却液优化方法


[0001]本专利技术涉及精密机床
，具体涉及一种机床主轴动态冷却的固液两相纳米流体冷却液优化方法。

技术介绍

[0002]精密机床在开始加工之前，通常需要较长时间预热以达到热平衡；利用对刀来调整工件坐标系与机床坐标系间的相对位置关系，补偿掉主轴热误差的稳定不变部分。因此，在加工过程中，主轴热误差的变化波动部分是影响末端精度的主要原因；尽管现有主轴主动冷却策略虽可大幅减小热误差，但均难以维持热误差的长期平稳。当前主轴主动冷却方法的局限性概括为：
①
基于恒温或离线模型调控的主动冷却难以适应动态变化的主轴热特性，无法使热误差长时间保持平稳；
②
实时耗散各热源的生热量可使主轴结构热变形最小，但会导致较大冷却能耗，并带来复杂流道结构和多回路冷却系统等额外成本；
③
附加冷却装置可能改变主轴的动力学特性。
[0003]因此，有策略(1.Mohan Lei,Feng Gao,Yan Li,et al.Feedback control
–
based active cooling with pre
‑
estimated reliability for stabilizing the thermal error of a precision mechanical spindle[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2022,121:2023
–
2040.2.Mohan Lei,,Yang J,Gao F,et al.Closed
‑
loop thermal error control with a physical
‑
based ensemble model for the precision spindle of amachine tool.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2023,125:1859
–
1877.)将主动冷却与精密主轴热误差视为闭环控制系统，将环境温度变化与热源部件生热视为扰动，利用闭环系统受扰后可调整至原平衡状态的性能，使主轴热误差长时间保持平稳。通过对刀补偿热误差的平稳部分，将主轴热误差对机床末端加工精度的影响限制在极小范围内。上述策略以维持主轴热误差长期平稳为目标，不追求主轴整体结构热变形的最小化，因此冷却能耗较低；利用单回路冷却即可实现，无需改造流道结构或附加冷却装置，不改变主轴动力学特性。此闭环热误差控制系统以冷却系统为执行机构，冷却流体温度、压力、流速等为控制变量，热误差为被控变量，利用温度在线监测、热误差数据模型输出提供实时反馈。但是，在加工过程中，主轴受电机、载荷下轴承及切削生热影响，热误差上升与变化非常剧烈、热特性更为复杂；现有最大冷却速率(饱和极限)不足以使主轴热误差明显下降，冷却执行器的饱和问题非常严重。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供了一种机床主轴动态冷却的固
‑
液两相纳米流体冷却液优化方法，以大幅提升机床主轴中冷却液的对流传热速率，从而使高速加工中的精密机床主轴热误差长期平稳，进而通过对刀消除主轴热误差对机床加工精度的影响。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0006]一种机床主轴动态冷却的固
‑
液两相纳米流体冷却液优化方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：使用公开及实测的纳米流体对流传热实验数据，采用聚类方法进行参数变量的敏感性/相关性分析，找出与对流传热特性强相关的纳米流体参数；
[0008]步骤2：根据Prasher团簇模型描述纳米颗粒聚合的渗流结构，基于Koo
‑
Kleinstreuer的热导率k
nf
模型与Masoumi有效粘度μ
nf
模型，代入有限元仿真；
[0009]步骤3：采用FLUENT软件及其UDF(User Defined Function)开展基于Lagrangian
–
Eulerian模型的固
‑
液两相流体数值仿真，分析纳米流体的工况参数与制备参数中影响导热与对流传热的规律，确定主轴冷却中纳米流体的关键参数；
[0010]步骤4：结合ANSYS软件，开展步骤3中确定的关键参数的正交仿真实验，定性地分析使对流传热系数h具有明显增大趋势的参数优化组合，由此定性地选出纳米流体关键参数的若干优化组合；
[0011]步骤5：根据步骤4中纳米流体关键参数的优化组合，依据“两步法”制备纳米流体；
[0012]步骤6：针对步骤5中制备的纳米流体进行对流传热实验，横向比较纳米流体的实验结果，定量的选择具有最大平均对流传热系数h的纳米流体。
[0013]所述的步骤3中工况参数包括冷却液温度、流速等，制备参数包括纳米颗粒材料物性、尺寸大小、体积分数、基底液物性等。
[0014]所述的步骤5中“两步法”制备纳米流体具体为：
[0015]5.1)将金属、金属化合物纳米固体颗粒，按照体积分数加入基底液；
[0016]5.2)加入分散剂，使用磁力搅拌器对纳米颗粒悬浮液进行搅拌，采用功率110W、频率40
±
5kHz的超声脉冲振荡设备对悬浮液超声波振荡30min以上，使纳米颗粒均匀分散。
[0017]和现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0018]纳米流体参数及工况对其对流传热速率的耦合影响较为复杂，本专利技术采取数据与有限元定性分析、对流传热实验定量研究的方法，有效地优化纳米流体的参数以提升其在主轴流道中传热效率，从而显著改善主轴闭环热误差控制中执行器饱和的问题，所以具有高效、精准和实用的优点。
附图说明
[0019]图1为本专利技术方法的流程图。
[0020]图2为本专利技术实施例纳米流体对流传热实验示意图，其中点1、2、3、4、5、6为磁吸式温度传感器的安装位置。
[0021]图3为本专利技术实施例优化纳米流体后，对于主轴冷却效率提升效果的仿真示意图；其中，(a)为主轴热变形场云图；(b)展示了在恒温预热30分钟后，在1个控制周期(300秒)内对主轴实施最大速率冷却(即最低冷却液温度5℃)时的效果；(c)展示了分别采用纳米流体与单相冷却流体时，一个控制周期内的最大速率冷却使主轴热误差降低的效果及对比。
具体实施方式
[0022]下面将结合附图和实施例对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0023]参照图1，一种机床主轴动态冷却的固
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液两相纳米流体冷却液优化方法，包括以
下步骤：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机床主轴动态冷却的固
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液两相纳米流体冷却液优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：使用公开及实测的纳米流体对流传热实验数据，采用聚类方法进行参数变量的敏感性/相关性分析，找出与对流传热特性强相关的纳米流体参数；步骤2：根据Prasher团簇模型描述纳米颗粒聚合的渗流结构，基于Koo
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Kleinstreuer的热导率k
nf
模型与Masoumi有效粘度μ
nf
模型，代入有限元仿真；步骤3：采用FLUENT软件及其UDF(User Defined Function)开展基于Lagrangian
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Eulerian模型的固
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液两相流体数值仿真，分析纳米流体的工况参数与制备参数中影响导热与对流传热的规律，确定主轴冷却中纳米流体的关键参数；步骤4：结合ANSYS软件，开展步骤3中确定的关键参数的正交仿真实验，定性地分析使对流传热系数h具有明显增大趋势的参数优化组合，由此定性地选出纳米流体关键参数的若干优化组合；步骤5：根据步骤4中纳米流体关键参数的优化组合，依据“两步法”制备纳米流...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏平，高龙飞，雷默涵，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：