TH5650立式加工中心電主軸的熱分析.pdf

1、近幾十年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，機(jī)床產(chǎn)品與設(shè)備也日益向高速、高效、精密、多功能和自動(dòng)化方向發(fā)展。一種將交流高頻電機(jī)和主軸合二為一的新型主軸系統(tǒng)——電主軸技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于高速機(jī)床產(chǎn)品之上。由于電機(jī)內(nèi)置并且工作時(shí)軸承高速旋轉(zhuǎn)，整個(gè)系統(tǒng)特別是主軸部分的溫升以及溫度場(chǎng)的分布狀況直接決定著整臺(tái)機(jī)床加工性能的優(yōu)劣。本論文就是以交大昆機(jī)生產(chǎn)的TH5650立式加工中心的電主軸為分析對(duì)象，為提高其熱性能指標(biāo)而立題并展開(kāi)研究的。 為了分析電主軸的熱

2、態(tài)特性，本研究采用有限元理論建立電主軸的熱模型，然后進(jìn)行溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)分析；最后確定并分析對(duì)電主軸熱態(tài)特性影響較大的因素并提出改進(jìn)措施。 本文就軸承的發(fā)熱及計(jì)算、傳熱邊界條件的計(jì)算和分析，電主軸溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分析，改善電主主軸熱態(tài)特性的方法方面作了深入的分析。在假定主軸空載運(yùn)行在其設(shè)計(jì)的最高轉(zhuǎn)速nMAX=8，0007rain的工況下，本次研究完成的主要工作如下： (1)分析軸承在預(yù)緊情況下的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和受力關(guān)系。分析軸

3、承發(fā)熱的原因并計(jì)算每個(gè)軸承的發(fā)熱量，分析影響軸承發(fā)熱量的主要因素。 (2)利用傳熱學(xué)的基本原理和相關(guān)公式，計(jì)算各部分的對(duì)流換熱系數(shù)(即有限元熱分析模型的邊界條件)。 (3)在大型有限元計(jì)算機(jī)分析軟件ANSYS9．0中，建立電主軸的2D軸對(duì)稱幾何模型。劃分網(wǎng)格、細(xì)化局部網(wǎng)格使之成為有限元模型。 (4)根據(jù)(1)、(2)計(jì)算結(jié)果，對(duì)有限元模型施加載荷與熱邊界條件：利用ANSYS程序計(jì)算各單元節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)溫度值。

4、 (5)根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析電主軸關(guān)鍵部位的溫度場(chǎng)變化情況以及溫升情況，討論改善電主軸熱態(tài)特性的措施以及提出改進(jìn)建議。 (6)借助ANSYS分析軟件對(duì)電主軸有限元模型施加溫度載荷后所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算；對(duì)關(guān)鍵部件和部位的熱應(yīng)力情況進(jìn)行分析和討論。 通過(guò)對(duì)電主軸的熱分析和熱應(yīng)力的分析，得出如下結(jié)論： (1)當(dāng)電主軸內(nèi)達(dá)到熱平衡時(shí)，通過(guò)對(duì)電主軸進(jìn)行熱分析，理論分析結(jié)果顯示由于軸承自身發(fā)熱以及受到電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱的影響，

5、主支承軸承外圈的平均溫度接近50~C，四個(gè)軸承滾珠的最高溫度均超過(guò)50~C，各軸承的平均溫度接近于設(shè)計(jì)的臨界最高溫度50~C。 (2)主軸軸向外表面最高溫度為563150C，最低溫度為25．663℃，溫差接近3l。C；通過(guò)對(duì)熱應(yīng)力的進(jìn)一步分析表明整個(gè)主軸的軸向應(yīng)力跨度很大，這對(duì)主軸的熱位移影響較大。 (3)由于電主軸特殊的結(jié)構(gòu)形式，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量不能通過(guò)更多有效的途徑傳出，以致在關(guān)鍵部位中的溫升或溫度梯度很大；目前現(xiàn)有

6、的散熱途徑不合理(如：電機(jī)一一主軸一一機(jī)箱)或效果不佳(如：軸承外圈恒溫油冷卻系統(tǒng))。 綜合上述分析結(jié)果，提出改善電主軸熱態(tài)特性的建議： (1)在轉(zhuǎn)子與主軸間增加隔熱套，或者增加對(duì)電機(jī)部分的軸向強(qiáng)迫對(duì)流換熱措施。 (2)改變或增加主軸的散熱途徑，如考慮對(duì)主軸中心采用恒溫油冷卻方式。 (3)改進(jìn)主支承部分恒溫油冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和冷卻油的牌號(hào)。 本文的分析和計(jì)算過(guò)程為高速、精密類的主軸系統(tǒng)的熱分析提