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木材加工用四头高速电主轴的热态特性研究

陈礼生  
【摘要】:高速电主轴作为高速加工机床的主要热源和核心部件,内装于电主轴单元的电机因功率损耗和轴承旋转所引起的摩擦发热却不能避免,如果热源所产生的热量没能及时排出,就会引起高速电主轴的热变形,热变形量超过允许范围会影响电主轴的运行精度。因此,将高速电主轴进行热态特性分析对于电主轴的结构设计和优化具有重要意义。本文选用GRP 135/110RC型四头高速电主轴作为研究对象,运用有限元软件对其热态特性进行了深入分析,主要做了以下工作:(1)分析了四头高速电主轴的结构特点以及工作原理,并对高速电主轴的热态特性进行了研究,主要研究内容包括高速电主轴的热变形原理、热源和改善电主轴热态特性的措施,并着重分析了与四头高速电主轴热态性能相关的冷却方式。(2)计算了四头高速电主轴内的定子、转子和主轴轴承的产热量以及生热率,确定其进行有限元分析时的热载荷。研究了电主轴系统内热量传递的方式和过程,计算了高速电主轴壳体散热所需的冷却空气量、定子和冷却空气之间的换热系数、转子端部与周围空气的换热系数、高速电主轴与外部空气之间的换热系数以及轴承与冷却空气之间的换热系数等,从而确定了四头高速电主轴的边界条件。(3)介绍了ANSYS Workbench的相关知识以及用它进行热分析的基本步骤,采用solidworks软件建立了四头高速电主轴的几何模型,并分别在有和无冷却装置的情形下,对电主轴进行了稳态热分析、瞬态热分析以及热-结构耦合分析,对比了两种情形下的高速电主轴在温度场分布、温升规律以及热变形上的差异,并提出了提高电主轴运行精度的方法。研究结果表明:电主轴温升较大的区域主要集中于主轴轴承附近处,由于2.2kW和7.5kW主轴单元因配置和预紧方式等因素有差异,导致温度场也不同。电主轴的温度随着运转时间的延长而升高,但温升速度却逐渐降低,最终趋于0,此时温度基本达到稳定状态。2.2kW主轴单元前端的热变形量大于后端,径向大于横向,轴承处转轴部分比其两端的变形要小,而7.5kW电主轴单元热变形呈对称分布,两端大,中间和轴承处转轴部分小,且横向大于径向。在有强制风冷装置作用时,两个主轴单元内的转轴温升和热变形较小,满足木材加工的要求;在无强制风冷装置时,7.5kW主轴单元的稳态温度最高,热变形量也最大,为了提高运行精度,可在使用强制风冷装置的前提下,先对机床进行预热,然后再加工。


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