TH5650立式加工中心電主軸的熱分析.pdf

1、近幾十年來，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)置并且工作時軸承高速旋轉(zhuǎn)，整個系統(tǒng)特別是主軸部分的溫升以及溫度場的分布狀況直接決定著整臺機(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象，為提高其熱性能指標(biāo)而立題并展開研究的。 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、熱應(yīng)力場分析；最后確定并分析對電主軸熱態(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)熱及計算、傳熱邊界條件的計算和分析，電主軸溫度場和應(yīng)力場的分析，改善電主主軸熱態(tài)特性的方法方面作了深入的分析。在假定主軸空載運行在其設(shè)計的最高轉(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)緊情況下的運動關(guān)系和受力關(guān)系。分析軸

3、承發(fā)熱的原因并計算每個軸承的發(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，計算各部分的對流換熱系數(shù)(即有限元熱分析模型的邊界條件)。 (3)在大型有限元計算機(jī)分析軟件ANSYS9．0中，建立電主軸的2D軸對稱幾何模型。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)計算結(jié)果，對有限元模型施加載荷與熱邊界條件：利用ANSYS程序計算各單元節(jié)點的穩(wěn)態(tài)溫度值。

4、 (5)根據(jù)計算結(jié)果分析電主軸關(guān)鍵部位的溫度場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)力場進(jìn)行計算；對關(guān)鍵部件和部位的熱應(yīng)力情況進(jìn)行分析和討論。 通過對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，通過對電主軸進(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，四個軸承滾珠的最高溫度均超過50~C，各軸承的平均溫度接近于設(shè)計的臨界最高溫度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；通過對熱應(yīng)力的進(jìn)一步分析表明整個主軸的軸向應(yīng)力跨度很大，這對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，運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱量不能通過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，或者增加對電機(jī)部分的軸向強(qiáng)迫對流換熱措施。 (2)改變或增加主軸的散熱途徑，如考慮對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。 本文的分析和計算過程為高速、精密類的主軸系統(tǒng)的熱分析提