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高速磨削电主轴热—结构耦合分析

王鹏  
【摘要】:传统切削加工在高速加工技术出现之后,开始进入了一个新纪元。作为高速加工的主要载体与工作母机,高速切削机床逐步替代传统切削机床,成为了当代机械加工行业的主流机床。而电主轴作为高速机床上的核心部件,其精度、质量与工作性能的稳定性成为影响高速加工机床性能和速度提升的主要因素。本文以3DL24型高速磨削电主轴为研究对象,通过传统理论研究与现代仿真技术相结合的方法,使用有限元仿真分析软件对电主轴内部温度分布情况与主轴轴头变形量进行了分析,具体研究内容如下:首先,文章对电主轴工作系统的组成部件进行了详细的介绍,并在此基础上,对其系统中的核心技术部件进行重点分析与选型,包括电主轴内部支撑轴承的选型、润滑方式的选择、冷却系统的选择与变频调速系统的使用要求等。在对电主轴系统获得深入分析的基础上,本文应用经典热力学理论,结合电主轴内部结构,分析主要发热源与发热原因,确定了电主轴内部两大发热源:内装电动机功率损耗引起的发热与前后轴承因高速旋转所产生的摩擦热。对此主要热源周围应用传热学理论进行热传递方式和热传递过程分析,确定了电主轴的散热方式:冷却水套中冷却水流动对定子的散热、转子旋转时周围空气高速流动对转子的冷却、电机气隙中空气对流对定子与转子的散热、油气润滑系统喷出的压缩空气对轴承的散热以及电主轴外壳与周围空气之间的散热。在理论分析的基础上,为了得到电主轴内部热量传递与温度分布情况,本文将计算出的电主轴主要热源的生成热量与各个散热方式的换热系数加载到有限元仿真分析软件Ansys workbench中,在建立电主轴有限元仿真分析模型的前提下,对模型进行稳态热分析与瞬态热分析,得到电主轴在额定转速15000r/min工作状态下的内部温度分布云图与电主轴达到稳定工作状态过程中的温度变化状态云图,并获得电主轴前后轴承与电机温升曲线。将其结果作为热-结构耦合分析的载荷,在额定转速15000r/min的条件下,确定电主轴整体热变形情况以及轴头综合形变大小。经过热-结构耦合分析得到电主轴轴头热变形较大,由此对其内部结构进行了改进设计。通过分析引入了特殊的后轴承室结构―轴承碗‖,将电主轴轴承定位方式由前后轴承完全固定,改为前轴承完全固定、后轴承浮动的结构形式,并再次进行仿真分析,对比改进前后主轴内部温度分布与主轴轴头热变形情况。经过改进前后对比,结果表明:以―轴承碗‖为基础的后轴承室结构可以较为有效地降低电主轴内部温升,减小主轴轴头约14%热变形。本论文通过对电主轴进行热态分析与热-结构耦合分析,得到电主轴内部温度分布状态与主轴轴头热变形大小,提出―轴承碗‖后轴承室结构改进方案,并验证其可行性,为今后对电主轴系统进行结构形式改进提供了理论与仿真依据,同时也为数控磨削系统热误差补偿研究提供了理论基础。


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