（机械工程专业论文）划片机气静压电主轴热变形研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文针对影响划片桃加工精度的最主要因素一气静压电主轴的热变形问题，系统的 研究了主轴的热源及热传递，用有限元软件a n s y s 分析主轴的热态特性及热变形援律， 鹭在援出减少主辘燕变形的裰本办法，提高翔片辊的切裁精度。 本文首先分析了气静压电主轴的电机功率损耗发热、空气轴承气膜的剪切摩擦发 热。应用馈热学理论计算主敬电机冷却水、切割冷却水、主轴外袋露及空气轴承摊气时 的热传递。在此基础上建立了气静匿电主轴的有限元模型，雳有隈元软 孛a n s y s 对主 轴的热态特性及热变形进行了全面分析；研究了气静压电主轴的漱度场分布及热变形规 终。最后根据气静压电主辅的发热是睦 主轴电棍戆功率损耗发热秘空气轴承的气膜剪韬 摩擦发热造成的；冷却水的流量及溘爱决定着主轴静对流换热系数；永磁式电机的转子 不发热；空气轴承可通过0 形橡胶圈加稳等结论。提出采用永磁式电机，将空气轴承的 固定扶传统的过盈配合改为o 形橡胶爨热稳，裸露止搂辜鸯霞的经囱表嚣拥强散热等低膨 胀主轴酶设计思路。 有限元分析对低膨胀主轴的验证表明：低膨胀主轴达到热平衡后主轴温腹升高较 小，各部分滠度分布比较均匀，主轴的热变形小，楚减小热变形驰理想结构。 通过本文的研究找出了划片机气静压电主轴热变形a n s y s 脊限元分析的途径。设 计的低膨胀主轴，对划片机的发展有极大的促进作用。 关键词：气静压电主轴热变形温度场有限元法a n s y s 低膨胀主轴 华中科技大学颟士学位论文 a b s t r a c t a na i rs p i n d l e st h e r m ld e f o r m a t i o ni st h ek 州f a c to r ，w h i c ha 娲c t st h ed i c i n gs 删s m a c h i n i n gp r e c i s i o n t h i sp a p e rs y 吐e m i c a l l ys t u d i e sa na i rs p i n d l e sh e a ts o u f c e sa n dt h e f m a l t r 鑫拄s 黼趣s i o n ，a 赫蠢蠢珏a v z e sl h e 瓣fs p i n 蘸l 搴s 氆e f m a l 馥甜a t 酬s t i ca n dt h e r m a ld e 蠡) r m a t i o n m l eb yt h ef i n i t e e l e m e n ts o f h v a r ea n s y s ，a i m i n ga tf i n d i n gm e a s u r e sf o rd e c r e a s i n gt h ea i r s p i n 攒o s 瞧e 黼菸d b r m 越l o 珏i 糯萍o v oas a w sd i e i n g e d s 呈。珏， f i r s t l v h e a tc a u s e db vt h es p i n d l em o t o r sp o w e rl o s sa n dt h ea i r1 a y o r ss h e a rf r c t i o n a r ea n a l y z e dt h et h e r f n a it r a n s m i s s i o n ，a st h ea 婶s p i n d l ei sc o o l e db ya i rs p i n d l em o t o f e i n gw a t e r ，c u t t i n gc o o l i n gw a t e r ，a n dt h es p i n d i es u r f a c ea n dt h ea i r b e a r i n gc x h a u s t i n i sc o m p u t e da c c o r d i n gt ot h eh e 砒t r a n s f e rt h e o f yo nt h eb a s i so fa b o v ea n a i y s i s ，t h ea i r s p i 翻l e 强壬强。矗e 1 8 dt h e nt 莪ea rs p i n d l e s 穗馨m a l 藤a f a c t e 蠡s t i ca n dt h e f m a ld e f o f m a t i o na r e a n a l v z e db vt h on n i t o e l e m e n ts o f t w a r oa n s y s ，a n d ，t h es p i n d l e st e m p e r a t u r ef i e l d d i s t f i b t l t i o na 棚t h et h e r 翔a l 娃e 恕f 强a t i o nm l e 甜es t 畦d i e d 戴黻l 甄a e e o 堪i 毪鏊o 巍e c o n c h l s i o n st h a tas p i n d i e sh e a t ，u pi sm a i n l vc a u s e db yt h eb u i l d - i nm o t o r sp o w e rl o s sa n d t h ea i r1 8 v e r ss h e a rf r i c t i o n ，t h a th e a tc o n v e c t i o nc o e 氆c i e n ti su pt o 也ec o o l i n g 、瑚l e r sn u x a 越t e m p e r a 沁f 岛氆a t 馕ep e 啪a 辩m m a g n e tf o t o rd o e s n th e 髓一u p ，a n dt h a tt h e a i rb e a r i n gc a n b en x e dw h hr u b b e rr l n g ss u p p o r t ，t h i sp a p e rp r e s e m ss o m ei d e a st od e s i g nal o we x p a n s i o n 印i n d l eb y 珏s i 聪g 臻ep 料m 8 拄e 珏耄一搬曩g 鞋e 童攥o t o e 魏藏热g i 稚gt 沁基fb e a f i 珏g s 蠡x e dm e h o d o m t h ec o n v e n t i o n a lt i g h tmt ot h er u b b e rr i n g ss u p p o r ta n de n h a n c i n gh e a te m i s s i o nb yb a “n g t h et l l i u s tb e a “n g sf a 出a ls u r f a c ei nt h es p i n d l es t m c t u r ed o s 遮n 酗摊矗n i t e 。e i e m e n ta n a l v s i ss h o w st h a tt h el o we x p a n s i o ns p i n d l e s t r u c t u r ei si d e a lf o r d e c r e a s i n gt h et h e r m a ld e f o r m a t i o nb e c a u s et h a ta n e ri tc o m e st oah e a t i b a l a n c es t a t u st h e t e 拯戮l f 箍耱f e 矗蠢狂gi ss 煳稿l ，t e 礅雕船l 醢孢韪e l d 菇s 撕b u t i o ni ss y m m e t 疽e a l 黼dt h es p 证d l e s t h e r m a ld e f o r m a t i o ni ss m a l l t h es 趣d yf l n d so u ta 趣酿。娃f o f 强艇y z i 氅癞窜i 矗l e st h 盯m 瓣d e 岛嗽啦i 巍羚h 垂氇e f i n i t e e l e m e n ts o r w a r ea n s y s t h ei d e ap r e s e n t o dt od e s i g nal o we x p a n s i o ns p i n d l ei so f g r e a ti m p r o v e m e n tt od g v e l o pad i e i n gs a 懒 k e y w o r d s ：a i rs p i n d l e t h e n n a ld e f b r m a t i o n t e m p e r a t u r ef i e l d f i n i t ee l e m e n tm e t h o d a k s y s l 。w 唧鑫珏s i o 珏肇i f 避l e 独创性声明 本入声甥所呈交羽学位论文鼹我个入在导鄹的指导。f 进行羽研究工伟及取 得的研究成果。尽我所知，除文中融标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或繁体已经发表残撰霉过酶疆究成果。对本文约礤究徽掇炎漱的令人秘集体， 均已在文中戳明确方式标骥。本人宪金意识到本声磷韵法律缩莱由奉入承搦。 学位论文作糟签名：哆椒 秘籁t 彰颦名秀髟滔 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者宛全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，h f 】：举校有 权保留并向国家有关部f 1 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 辔耀。零入援菝华串辩按大攀霹蔽褥零学整谂交豹全部或部分内容缓入襄荧数据 库进行横索，可以采用影印、缩印戏扫描等复制手段保存和溅编本学位论文。 保密r 一，在i年躺密质适用本授权书。 本论文簇予 不保密耐 ( 请在以上方糯内打“”) 擘盈论文佟者签名；多i 坛 日期：口5 单印月形曰 撂霉教郏签名： 日期：乃彩年够月名日 华中科技大学硕士学位论丈 1 1 课题来源 1 绪论 划片机是分割i c 晶片电路单元的精密切割设备。国产划片机很难满足高性能电子 元器件生产的要求，主要原因是气静压电主轴的热变形太大。本文的研究针对划片机气 静压电主轴的热变形问题，本课题是自选课题。 1 2 研究的目的和意义 信息产业是全球最大的产业，也是国家基础性、先导性、战略性的支柱产业。而以 集成电路为核心的微电子元器件是信息产业的基础； 划片机是集成电路产业中分割i c 晶片( w a f e r ) 电路单元( d i e ) 的精密切割设备；是微电子元器件生产过程中的关键工艺设 备。划片机的精度、性能、可靠性是微电子元器件性能的保证。i c 电路工艺的主要步骤 包括“1 ：半导体晶体生长( c r y s t a lg r o w t h ) 、晶片制备( w a f e r i n g ) 、薄膜成型( “1 m f o r m a t i o n ) 、曝光、印刷( 1 i t h o g r a p h y ) 、掺杂工艺( i m p u r i t yd o p i n g ) 、蚀刻工艺 ( e t c h i n g ) 、切片( d i c i n g ) 、封装( p a c k a g i n g ) 等。划片机是切片工序上的精密切割 设备。其结构原理见图l 。 图1 1 划片机结构原理 华中科技大学硕士学位论文 划片机的切割机理魁强力磨削，气静压电主轴正是带动金刚石外圆刀具高速旋转 ( 3 e 6 0 0 0 帮m ) 切割( 强力塞潮) 燕片酶邦俘，葵热态特瞧、别毪、辘线旋转穰度 等动静态特性决定着晶片的切割质量。使用气静压电主轴加工时所显示的比较突出的优 点是口8 】：刃县使用寿命长，能够保证晶片切割精度、废品率低。 气静压懿圭辘采题空气静压辘承支承，止接辜蠡承承受辘自载赞，辘径辘承承受径囱 载荷。感应电机驱动，将带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体内，转予和机床 主轴的旋转部分做成一体，主轴的变速范围完全由交流电机控制，使交流电机和机床主 疆台二为一。实王燕了主辘静“零传动”嘎 主轴电机的绕组相位互差1 2 0 。，通以三相交流电后，三相绕组各自形成一个正弦 交变磁场，磁场转速就是电主轴的同步转速。异步电动机的同步转速n 由输入电机定子 绕组电渡戆频率厂窝电爨定子麓投对鼗尹决定 k = 豹厂，? ，。电主害蠢竣是裂爱交羧浚入电 动机定子绕组的电流频率和激磁电压来获得各种转遮。在加速和制动过程中，通过改变 频率进行加减速，以免电机温升过高。由于电机旋转磁场的方向取决于输入定予的三相 交流电靛稳序，教改变惫主疆臻入惫浚瓣程序，理霹菠交遣主赣瓣旋转方彝翻。 本文以电机后置式气静压电主轴为研究对象。此类主轴具备功率大、安装方便的优 点，结构如图1 2 所示。电主轴采用空气静压轴承支承，止推轴承承受轴向载髓，轴径 赣零承受径舞载蕊，感巍滚李蔻驱动。惫辍定子逶逶冷郄套安装在电圭麓匏壳臻中。毫税 转子采用过蕊配合安装在转轴上，处于电主轴的后部。工作时由过盈配合产生的力来传 递转矩。主轴通过流入、流出主轴的冷却水的热交换来强制冷却。 2 华中科技大学磺士学位论文 一一 3 盛圹最，蕊 骚蝼葺、o h 槲蜒越限一鞲葺嵯一 睡器靼黎菇 觋逮蛰嚣州霉警艋f寒茸磊n二耍 口弭簧幕史舞矗h 磐篙嚣更丽s，6i 趣r蒜器，譬肇媛温，_【i 晦靛，h 激擦蝌蕊懑“nn墨制鼍嚣更丽尽“剥掣葺，一n 萤嚣需越r一啦器相趟r， “黻榭*嚣虫糯蹿h旺燃祷翳史黼举文 蕊趣r一鞲恻潞“ 彗扩螫一 纂群式 草候妲g 罐崾蠢 融榭瞄嚣辩辎静0瞰矿瓣0 华中科技大学硕士学位论文 划片糗各部锌都有狠嵩躲糖度，表l l 为弱本d i s c 0 公司生产懿d f d 6 3 型全自动 剜片虢豹耩度捡溺表，表卜2 为中国电子科技嶷溺公司第西十五毳拜究掰生产的h p 一6 0 2 型划片机的精度检测表。从农卜l 及表卜2 可以猎出，无论是进口全翻动划片机还是国 产半自动划片机，主轴的径向、轴向跳动均小于3u m ，关键精度指标都小于6 u m ，而 在实际工作中发现，由温度变化弓l 超的主轴变形爨可大子t opm 。因此，热变形是影响 强冀瓠蕊王旗麦靛羲主要鬣索。 表卜1 嗣本d i s c o 公司d f d 6 3 4 0 烈全自动划片机精度捡磷表 序号检测项目 误差要求( m m ) 结果 主轴1径向跳动：o 0 0 1 0 ，o o 1 旋转精度 轴向跳动：o ，0 0 1 o o o t 主麓2 经| 鑫壤凌：0 。0 0 o o o 2 旋转耩旋 鞠向虢渤：00 0 1 o o o 水平方向：o 0 0 3 2 1 0o ，0 0 1 3 x 轴齑线度 垂直方向：0 0 0 3 2 1 0 o ，0 0 2 水平方向：o 0 0 3 2 1 0 0 0 0 1 4 y 1 轴戴线度 垂直方向：o 0 0 3 ，2 1 0 o 0 0 2 承平方向：00 0 3 蹬 0 o 。0 0 2 5 y 2 辘誊绫窿 垂矗秀囱：o 0 0 3 理 00 0 0 2 吸箍蕊 c h lo 0 0 6 陀1 0o 0 0 3 6 平行度c h 2o 0 0 6 ，2 1 0o 0 0 3 x 轴与y 轴 7 0 0 0 5 ，1 0 0o 、0 0 2 的正交性 x 辘与主辘 80 。0 0 搿 5 0e 奄g 2 弱正交後 x 轴与主轴2 90 0 5 1 5 0o 0 0 2 的正交性 单步进：o 0 0 2 0 0 0 1 1 0 y 1 轴步进精度 累积：o 0 0 3 o 0 0 1 单步进：0 2e o o y 2 辘步避赣疫 累瑷：e 。3 o 奄奄2 1 2 z 1 轴重复精度 o 0 0 1 s oo 1 3 z 2 轴重复精度 o 0 0 1 5 0o 4 华中科技大学硕士学位论文 表卜2h p _ 6 0 2 型划片机的精度梭蠢表。 l 序号项翻精度指标( m m )检测结果 主轴轴囱跳动 o 0 0 2o 2 l 主鞠衽离蹒动 0 0 0 20 ，2 2 x 轴赢线度 0 0 0 5 1 9 0o0 0 3 1 9 0 y 轴崴线度o ，0 0 5 1 6 0o 0 0 2 1 6 0 3 ￥毒鸯单步分淡定位精度 o 。0 0 3 o 0 0 3 y 辅累积分发定位精度 0 0 0 50 0 0 5 4 z 轴分度定位精度 0 0 0 3 o 0 0 1 本文用有限元软件a n s y s 分析气静压电主轴的温度场分布和主轴的热变形规律。提 窭敬善气静压电主辘熬态蒋攘、缓枣热交影瓣其毒垂接麓，铩谩翊冀辍熬糖工精瘦秘麓王 质鬣。因此，本文是值得深入研究的课题，这对完善划片机气静压电主轴理论有实阍价 值，对发展我圄的电子专用没餐具有实际意义。 1 3 国内外电奎轴热态特性的研究现状 1 3 1 国羚电主辘热态特性的戮究臻技 国际上对高遮电主轴热特性的研究是热点。1 9 9 8 年，韩国学者j i nk y u n gc h o i 等用 大裂有限元软件a n s y s 分析了血轴加工中心的主轴一轴承热态特性，分析结果与实验 繇搿数据籀运。磷究绪采表戮，懿票透露台逡兹主辘传热系数，建鸯羧元法是主鞫系统 热态分析的合适工具【“。2 0 0 1 年美国普渡大学的b e mb o s s m a i l i l s 和j a yf t u 教授进一步 提出了高速电主轴的能量流动模型，并分析了主轴发热的定量特性【5 1 。2 0 0 1 年韩阑的 s u m 遮磁m 对薅速毫主辘颡承盼熬态祷瞧进葺亍了详霸豹疆究，磅究了毒鸯承颈繁力、 霪 盈等的变化【6 j 叽2 0 0 2 年，k u 枷t 大学的m o h a m m e da a l 陆e s 研究了角接触轴承轴向 预紧力对磨床主轴的动力学性能的影响【8 】。2 0 0 3 年b w h u a n g 等学者研究了各种轴 承对遣主辘动力攀往麓的影酶l 稍。2 0 0 3 年蓄渡大学翦学番h o n g q i 己i 霞震动态热力学分 析了轴承结构对主轴所产生的影响 1 0 l ；而c h i w e i l i n 等学者则建立了电主轴的综合的 热态与动态模型，研究了轴承鞭紧力对轴承剐度以及整个主轴的动力学性能的影响鞠离 心力对主辘魂力学性驻静影响并褥毫结论，认为高速电主辘在高速下剐废交小主要楚国 _ _ _ _ w _ m m _ - _ h h _ _ _ _ - _ _ m _ _ _ _ _ _ _ - _ 一一 华中科技大学硕士学位论文 于离心力的影响i i “。 气静压滚主辘采援空气毒蠡承支撑，在空气辘零及翔冀褪气静压电主辘方瑟荧辫嫠步 早。1 9 1 3 年，英国加里森( wj h 拼i s o n ) 在保留连续方程中的密度项、引用等渝假设的 条件下导出了可压缩r e y n o l d s 方程。并给出了无限长气体滑块和轴颈轴承的解，为气体 凌歪润滔羹窥了理逡基旗；黧二毽髭聂专年我至七十年代之瓣，蠡于诗算裁豹窭魂霹 迅速发展，更出于航空航天等高技术发展的需要，空气轴承的理论和实验研究获得了飞 速发展，0 r o s s 【12 1 ，c o n s t a n t i n e s c o ，p o w e l l 【1 4 】等人的多部空气轴承专著出版。从：二十 整纪乏年代末蘩，卡年我褪算莛，这一徐葭戆主要耱煮是诗箕瓤及诗算技术熬蠢度发 展，优化设计，有限元，计算机辅助设计等现代设计方法在空气轴承分析设计中获得应 用，许多学者对空气轴承进行了理论分柝和实验研耕1 6 。虬，所研制的轴承性能得到了明 星提毫，歇蕊镬这释辍承在交努褥到迅速接广应焉。近年鑫享稳d l s e o 公司雯产兹翊 片机，以其卓越的性能占据了世界划片机市场的主导，生产的划片机气静压电毒三轴代表 技术潮流，气静压电主轴的旋转震动馈小于o 5um ，转速达6 0 0 0 0 r p m 【2 0 l 。制造的低膨胀 茎辜鑫婆1 3 残功缝菠嗣在d a d 3 2 2 0 墅翔冀魏一| ! 二，在燕鼗感器俘豹韬粼中毅到羹好豹效暴。 1 3 2 国内高滤电主轴热惑特性的研究现状 嚣凌麸攀离速毫主辘番舜究熬态特懿磅究熬主要怒漆鬻辘承磺突掰、广东王夔大学、 浙江大学等单位。洛阳轴承研究所的栖寤威用热流网络法分析轴承系统温度场，并开发 了名为s y b t e m 的计算糨序1 2 ”。浙江大学的蒋兴奇教授分析了黼速精密角接触球轴承 豹发熬特瞧释稳篱递特戆，并对实嚣魄主辘豹发热与传递特淫遴行了诗篓圈，敛了帮 s l l l l 一m i nk i m 相类似的工作。2 0 0 3 年，台湾学者w 靠y a oh s u 等也提出高速电主轴的热 态数学模型，并通过试验进行了验证【2 引，广东工业大学的研究生黄晓明对高速漱主轴的 热态特注逡抒了有陵：霆分辑甾j ，2 0 0 4 每磅究生范爹蠢瑟高速电主辘懿燕交影逡章亍了分 析【2 6 】，得出了一些有价值的研究方法和结论。在划片机气静压电主轴热态特性方面未作 深入地研究。 我蓬翻菏撬豹磅究怒多浚，冒淹纹有洛疆辘承研究掰能够镄遗翻片辍气静压邀主 轴，主轴型号及主要技术参数见表1 【2 ，这些产品的功率小、热变形量大。 _ _ h p _ _ 一 6 华中科技大学硕士学位论文 表1 _ 1洛阳轴承研究所气静压主轴型号及主要性能参数 转速 电动机 变频器 主卓山型号定位冷却剥l 承轴端连接 “m m k wvah z k w l 8 0 d 3 0 03 0 0 0 0l1 5 3525 0 02 2外径水 气浮轴承 专用刀具 8 0 d 3 00 a3 0 0 0 00 42 2 01 65 0 00 7 5 外径 水 气浮轴承 专用刀具 8 0 d 4 0 04 0 0 0 0o 7 52 2 03 26 6 715外径水气浮轴承 专用刀具 总而言之，我国在高速电主轴热态特性方面的研究水平与工业发达国家相比有很大 的差距，在气静压电主轴热态特性的研究方面有更长的路要走。 1 4 课题的主要研究内容 本文以洛阳轴承研究所生产的8 0 d 4 0q 型气静压电主轴为算例。通过对气静压 电主轴的有限元分析，掌握主轴热变形的规律，找出改善气静压电主轴热态特性，减少 热变形的根本办法，设计出低膨胀气静压电主轴是本文的目标。本文的研究内容主要包 括以下几个方面： 1 ) 研究气静压电主轴的热源 从气静压电主轴的工作机理出发，分析主轴电机功率损耗发热、空气轴承气膜剪切 摩擦发热，计算主轴的热载荷。 2 ) 研究气静压电主轴的冷却及热传递 应用传热学理论计算主轴电机冷却水、切割冷却水、主轴的外表面及空气轴承排气 时的热传递。 3 ) 用有限元分析气静压电主轴的热变形 以计算的热载荷及热量传递系数为边界条件，用大型有限元软件a n s y s 对气静压 电主轴的热态特性进行全面分析，研究气静压电主轴的温度场分布，研究主轴热变形的 规律。 4 ) 低膨胀主轴设计 根据研究结果，分析气静压电主轴热变形的原因；设计低膨胀气静压电主轴；用有 限元分析检验低膨胀气静压电主轴设计的合理性。 一 华中科技大学硕士学位论文 2 气静珏电主轴热源分折 本章分析主轴电机的功率损耗发热、空气轴承气膜剪切摩擦发热，计算气静压电 主辘a n s ￥s 有限元分韦厅的热簸薅。 2 。1 气静压电主轴热源分析 划片帆工作过程中，电主轴主要有2 个热源：即切削热及主轴发热，由于切削热能 够及时被切壤积冷却滚带走，这里只考虑电主辙发热。电主辘发热主溪由内装式电视鲶 电箍笈热秘空气辜鑫零戆孽擦发热两部分组戒。出予内装式电视的冷蠲求处在定子蛩翻， 只能带惫定子产生的部分热燃，转子产生的热量会通过主轴传给轴径轴承，使轴承产生 变形，空气轴承间隙发生变化，摩擦发热加剧。男一方砸，由于切割冷却水流经主轴轴 套，而切割冷却水( 一般采用自来水) 温度随环境变化，即切割冷却水滠度不可能和主 毒盎溢菠完全凑合，一基翻害l 过程中逶泰焉对准及刀痰浚查露不逶承。凑予鼹准霜刀疫硷褒 的时间狠不确定。因此电主轴的发热及切割冷却水温度变化，很容易引起主轴热变形。 产生的形变是影响划片机切割精度的主要因素。 2 1 1 主辘电帆功率损耗发热 电主骞穗结构紧凑、体积小、功率大，在邀秘静泡磁浚诗帮计算过程中要严捂控翻损 耗。同其它电机类似，电主轴的损耗分为4 类，即机械损耗、电损耗、磁损耗和附加损 耗1 2 8 1 。 1 ) 机械损耗 在壤烹矮中，爨壤摸耧圭瑟畜嚣部分缓藏。一是疆承旋转薅产生豹瘁擦菝嚣：二楚鎏l 于转子零部件高速旋转时与空气间的摩擦损耗。 为撮商电主轴的刚度和承受复杂载荷的能力并减小其体积，在电主轴中多采用成对 安装的角接触球轴承，在相同的条件下，它能比其它类型的轴承承受更高的转速。当然， 8 华中科技大学硕士学位论文 这样搬爝鸯鞋了辘承的损耗。滚动轴承敬损耗一般可按下式进 亍计算： 蹦詈 ( 2 - 1 ) 式中： g 轴承的综台裁荷 蠢一经滚珠或滚萋妻中心懿圜躅壹经 讲一主轴旋转匏角速度 女系数，中小型电机多取为o 0 0 2 o 0 0 3 轴承的损耗在电主轴的总损耗中占有相当大的比例，是造成电主轴工作寿命短的 最直接骤素，在设计计算中要给予特剐的重视。 菇靖橇气静压电主辘慕麓空气辘承支撑，空气辘蕊摩擦疆力，j 、，摩擦淹力是交濂辱搴 剪力产生的阻力。摩擦的功率损耗及阻力大小在本文2 2 2 节论述。 转予零部件与空气间的摩擦损耗在高速运转的电主轴中也是要特殊考虑的热源。 定、转子问气隙中空气紊流时的摩擦损耗可按下式计算： 尹= i 聂箍c ，艘秽z 2 - 2 ) 式中； d 、卜一转子的商径和长度 甜一转子的角遮度 p 一空气瓣密发 c ，为流阻系数，可用阿尔特舒尔公式计算： 哆一0 0 5 ( 考+ 秒5 p 。) 式中； 蠢转子表面豹鹭灏高度 艿一气隙 也一雷诺数，托= 譬形，为介质的运动粘度 9 华中科技大学硕士学位论文 2 1 电损耗 在电主辘中，这部分损耗主要廷定子彝转子豹龟损粒，晓较容易诗算： 尹= ，2 r = f 2 皿，s( 2 - 4 ) 式中： r 一导体的电阻 ，定予或转子中静电流 一鲁莽静电隧率，燕滤凌豹线群函鼗 一导体的氏度 s 一导体的截面积 3 ) 磁损耗 在定、转予铁心两蠢磁涝窥溺滚躜造袋豹主要臻勰霉帮芝与主蘧蘧对有效铁心豹蠲 期性反复磁化有关。反复磁化又分为下列三稀：静磁化是在一定限度内磁化电流缓慢 变化时产生的磁化；旋转磁化怒电枢铁心在磁场中旋转时产生的磁化：循环磁化是 由交变电流产生的磁化。循环磁化时单位质量的损耗可朋下述的经验公式液示： 舅= c ，君： ( 2 5 ) 式中： c 一与电工钢有关的常数 厂一磁化频率 嚣纛一磁感应最大值 涡滚攒耗可按下式计纂： 岛舌等( ) 2 ( 2 6 ) 式中； 拶疆镄片黪浮度 y 一铁心的密度 p 一铁心的电阻率 4 ) 附加损耗 1 0 华中科技大学硕士学位论文 电丰凡定予和转予的发热来源于电机的损耗。前三类是主要损耗，还存在一一一定的附 蠢l 损耗，在慧酌损耗中掰占游院铡很小，约占额定功率的1 5 l 猢。 2 。1 2 空气轴承秘瘴攘发热瑚 当流体膜轴承的一个表面相对于另一个表面逡动时，由于流体剪力而产生阻力。阻 力豹大小取决予流体瀚粘浚，并菇不论流体楚液体还楚气体，其视疆从本质上说是类似 的。 图2 一l 示出为粘度为u 的流体所隔开的丽平行板，其问趿为h 。上板固定，下投以 速度u 运动。粘度定义的公式指明，平行于流体膜表面的平面中所产生的与运动方向相 反的力为： 躲2 一l 薅单瓣动轴承 f = 叫祟 ( 2 固 却 式中： a _ 一平板颇积( 4 = 耐) u 一膜中某位置y 上的气体速度。 假定沿x 方向，即沿运动方向的压力不变，则式( 1 ) 可简化为： 氅：o 曲，。 积分之得： 李：bb 为常数 华中科技大学硕士学位论文 秀积分之褥： 代入边界条件 c 为豢数 y = 0 露，”= u _ y = 时，“= o 得： 塑：雪。一竺 方 a 将其代入式( 3 6 ) 褥 f ：腑f 孚( 2 。8 ) 式( 2 8 ) 就激平垫轴承摩擦阻力公式。虽然这个公式可适用于机床的某些导轨，但总 皎亲菠是很少纛接被锼用的。蛰设想滚体膜是囊在壹移为。长发炎三劳以惫速度为国旋 转的圆柱轴径周围，则可直接从式( 2 _ 8 ) 导出同心轴径轴承的摩擦阻力。此时，f _ 棚； 队警m ；以及- - 三，赁嗍于轴径表面的切向旒耻警 ( 2 9 ) 或摩擦力矩为： 曩等：笔鲨( 2 棚) 2 24 鬼 、7 摩擦功率损耗为： 粤￥ ( 2 - 1 1 ) 4 、7 式( 2 1 1 ) 适用于所有的完全同心的圆柱轴径轴承。在偏心轴承中摩擦略有增加，但 对几乎腰有实鼯应用来说，特嬲是偏心搴小予o ，5 时，这静增宓鞋可予以忽略。 有粘度流体隔开的( 间距为 ) 平行平面的圆环止推轴承见图2 2 。膜内径为疗，外 径为6 。这令模型适爨予霾环受难搴蠹承窝其有中央透气孔秘气藏熬篱挚丘雄辘承，因为 在后者情况下，气腔深度使得气腔面积上的摩擦力可忽略不计。 1 2 华中科技大学顽士学位论文 膨钐铴 t6rl 心粼心淤 ! - _ l b 翻2 2尉彤 狴辜 承静溪攥力矩 躐在讨论一个半径为，、宽慰毋的环带部分，将式( 2 s ) 乍如下代捩 磊= 挣：f = 2 ：u = ，脚 则得： ，：掌( 2 越) 或力矩为： e ；掣( 2 m ) 矗 、 然后，从r = a 至r = 6 积分，褥： 黪擦力矩= 兰军( 矿一) ( 2 4 ) z 押 摩擦功损= ! 鍪( 6 4 一d 4 ) ( 2 1 5 ) z 甩 式( 2 - l s ) 娜鼹于估箕几乎所礴城环止难轴承摩擦功损。 邋遥以上努砉露说饔；气黪摄毫主籀熬发热主黉鑫主轴毫瑰豹功率损耗发热蠢空气疆 承气膜的翦切摩擦损耗发热两部分组成。主轴电机的功率损耗分机槭损耗、电损耗、磁 损耗和附加损耗四类。空气睾由承气膜的剪切摩擦损耗与轴承的间隙成反比，与主轴旋转 的角速发的平方成正比。 华中科技大学硕士学位论文 2 28 0 d 4 0q 型气静压电主轴热裁荷计算 洛阳轴承研究所生产豹8 0 d 4 0q 型气静篷电主轴的主轴魄机( f f a m e l e s ss p i n 国e m o t o r ) ，主鼷技术参数见袋2 一l 3 ”。空气轴承( a i rb e a r i n g ) ，部分技术参数见袭2 ，2 。 表2 1 秃羚悫电机主要技术参数 额定功率孙 额定转速最高转遵n 。额定播矩 氐撼定功率损耗p 。 7 5 0 w4 0 0 0 0 r 瑚；n4 0 0 0 0 r i n i n0 1 8 n ml s o w 表2 0 空气辘承部分技术参数 轴承 最高转速n 供气压力耗气量气膜间隙气膜剪切功率损耗 i 轴径轴承 小于 1 0 w 4 0 0 0 0 r f n n0 4 一一o 6 m p l i 推轴承 氇1 5 m 3 a 弧弧3 w 气静压电主轴的热载荷主要是电机的生热率和空气轴承的生热率。生热率指热源单 位体积的发热量，如下式所示： q = 髻( w ，m 3 ) ( 2 1 6 ) 式中： q 一熬源稳发热量，； 矿一热源的体积， m 3 。 a n s y s 热分析中。生熬率既可以错拳车属性的形式定义，同时又可以体载萄的形式 施加到单元上，爱于模援纯学反应生热藏电流生热，其单位是挚谯体积静热流露蛾。 2 2 1 电机的嶷热率 缓定电辍的额定臻攀损耗( 东= 1 5 0 矽) 全部转化为热量繇。对电主辘豹湛液场有限 元分析表明，其热量大部分产生于通电后的定子，转子产生的热爨约占1 3 。其中2 3 由定子产生( 即g = l o o ) ，l 愿热量由转予产生( 即= 5 0 ) 。电枫定子生热率的计算 篼。表2 _ 3 。f 魏机转子生热率的计算觅袭2 4 。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 裳2 3电规定子生热率的诗葵 体积m 3发热鬃w生热率w m r计算依据 外经瓤00 5 5 内径r no 0 2 5 80 ，0 0 0 0 6 1 5 2 6 4 1 61 0 01 6 2 5 3 1 8 1 4 式( 2 1 6 ) 匠度m 0 0 3 5 蔽2 - 4魄机转子生热率的 算 体积m 3发热髓w生热率w m 3 计算依据 ， 径mo 0 2 4 8 l 内径m 0 0 1 6 8 0 0 0 0 0 0 9 4 0 4 9 2 85 05 3 1 6 3 6 1 8 1 式( 2 - 1 6 ) 长度m o 。0 3 6 2 2 2 空气轴承的生热率 假定空气轴承气膜剪切力功率损耗全部转化成热缀，两个止推轴承及两个轴径轴 承产生熬热量宠全相等。怒略凑气壤秘霾气稽簿缡枣麓掏，鬏据式f 4 ，1 ) 旒哥诗簿出气体 轴径轴承和止推轴承的生热率。止推轴承生热率的计算见表2 5 。轴径轴承生热率的计 算觅表2 6 。 袭2 i b 推轴承生热率的计算 体积岔发热鬃w生热率w m 3 计算依据 外径m 0 0 4 4 内径m 0 ，0 2 10 0 0 0 5 6 3 3 1 6i 。52 6 6 2 8 0 式( 2 i 6 ) 长度mo 0 0 4 8 袭2 6 轴裰轴承生热率的计算 镩积m 3 发热鬟w生燕率w ，m 3计算依据 外径m o 0 3 5 肉径mo 0 2 5 40 0 0 0 0 3 9 1 4 4 9 9 8 451 2 7 7 3 0 式( 2 一i 6 ) 长度m0 ，0 8 6 1 5 华中科技大学硕士学位论文 3 气静压电主轴的冷却与热传递研究 本章研究划片机气静压电主轴的冷却，应用传热学理论分析电机定子与主轴电机冷 帮东之润翡霹流族蕊，魄橇定、转予瓣豹婕热，凌澍冷帮东瀛过主辘露弱熟传递，空气 轴承排气时的热传递及主轴与周围环境间的热传递。计算气静压电主轴a n s y s 有限元 分析的热量传递系数。 3 1 气静艨电主轴的冷却 划片概气静压电主獭的冷却系绞如图3 一l 所示。电主辘冷却差要透过三方蠢实现： 一是主辅电机冷却水流过电机定子冷却套对主轴电机强制冷却。二是切割冷却水在流经 主轴和冲洗刀具时带走热懿。三是空气轴承排气时的散热。 圈3 一l 划片机气静压电主轴的热交换冷却系统 值得注意的是，流入电机定子冷却套的冷却水和流出电机定予冷却套的冷却水温度 劳嚣越低越黪。这是霆爻内爱电囊援豹转子无法霜冷嚣隶冷却，慧畜一定弱瀵舞，敌豢 望定子温升值与转子温升值尽量接近d 4 1 。 1 6 华中科技大学顽士学位论文 划片攫工 挈睡，气羚压电圭辘由予肉置电撬麴功攀损耗发热及空气李蜜蚕气貘夔剪翡 摩擦发热，主轴的温度总是比环境温度高。热缀总是从高温处向低温处传递，这就是传 熬。赞热有熬传导、辩流囊辐瓣三耱鏊本熬方式，在这三释基本靛传热方式熬俸瑁下电 主轴与周围环境进行热交换。转子产生的热量一部分通过导热巍接传递给主轴和空气轴 承，勇一部分通过对流及辐射传递给寇子；定予产生的热量一部分通j 曩流经定予冷却套 的主轴电机冷却水进行热对流，另一部分通过对流和辐射传递给定子周围的空气；空气 轴承气膜的剪切摩擦产生的热爨，部分通过艇缩空气进行对流换热，另一部分传递给 主轴乡 爨。电主轴的各外表露则与周围的空气遴行对滚秘辐射抉热。气势压电主辘的热 传递示意图如图3 2 所示，箭头代表热艇传递的方向。 嚣 嚣 潲槲母霄举螂寄“中鞋刑洲1 1 ” 广 烈删删燃一$ ：。 n 。墨虹巍 璺羽| 誓l 矧“孝“苹“毋“ “幽“书“棼一l l u ；葛羞黻一ooo 0 鞋 图3 2气静压电主轴的热传递示意图 3 2 气静压电主轴热传递耕究 3 2 1 墩机定予与主轴电机冷却水间的对流换热 电机定子和主轴电视冷却水之间的热交换属管内流体强迫对流换热，主轴电机冷却 水流过瞧枧定子冷却套时将热爨带走。冷却承在管中躲不同溅态具毒不同的换热援律， 所用的换热系数计算公式也不相同。为此必须先算出雷诺数r e 以判别流态，然后选用 穗应戆公式诗嚣。工程量 算露掌以漆：器霉落数是。= 2 2 0 区分瑟流秘紊滚。 r e 数是一个无量纲的量，被用作层流和紊流的判攒，定义为： r ，业( 3 1 ) 华中科技欠学硕士学位论文 式中： d 几何特征的定爨尺度，搬 “一流体的特征速度， 研s v 一流体的运动粘度，州2 s ，一下标，表示以流体的平均温度为定性温度，以管径d 为定型尺寸 当流体处于紊流状态时，采用下式计算努谢尔特数 协，： m ，= o 0 2 3 r e ，。8 舛4 ( 3 - 2 ) 层流时对流换热热阻较大，换热系数远比素流时小。当流体处于层流状态时，采用 下式计算努谢尔特数m ，： 渤一币e ，岭硝 p s ) 式中： l 一主轴电机冷却求套水流动管的长度。 蒋朗多漆数反姨流体物经，萁表达式如下 p r ，：殳翌：( 3 4 ) 。 式中： c 。一流体的比热，i ，( 幻。c ) p 一流体的密度，堙埘3 v 一流体的粘度，晰2 s 冀一流体导热系数，渺( 卅，。c ) 由j i 数即可求出管内流体强迫对流换热系数掰： 群：坐坐)群= o t j 。j ， 3 2 2 瞧视淀、转子闰的传热 电机转子所产生的热国，部分通过气隙传递绘定予，由定子通过主轴电机冷却水 华中科技大学硕士学位论文 将热量导出；一部分传递给主轴和空气轴承，通过空气轴承的排气将热量导出；还有部 分透过爨溜传入蠲豳f l 冬空气。 当定、转予气隙中的气体处在纯屡浚状态时，热量足通过缒导热由一个表蕊传到另 一个表面，并且热交换强度不取决于转速。 转予端部与周围空气进行对流换热和辐射换热。换热系数口，用下式表示弘】： q = 2 8 ( 1 十o 4 5 k ) ( 3 _ 6 ) 式中： 形一转子藕藩懿弱囱蘧液，瓣s 。 3 2 3 切帮冷却承流邋主轴辩舔热传递 在划片机的工作过程中，切割冷却水的消耗量o 2 4 l m i n 。在功率管、晶体管、 竞魄子等器件豹分割中谤害l 冷帮东均采蠲啻来求。丽自来永的温度受环境的影响、蛰切 割过程逶水冠对准工程中不暹东。这些不确定爱豢对主皴热变形静影响巨大。切割冷龆 水的换热系数计算过程基本与荛轴电机冷却水的计算过程相同。 3 。2 。4 空气轴承排气时的热传递 主辘旋转时空气毒壅承气隙中有车壅囱滚动豹气体，爨时存在蔷气貘戆势留，煞交羧豹 情况比较复杂。 假设压缩空气从喷嘴冲出时为自由射流，动量沿流动方向保持不变，为出口动量值。 根攒动量不变原理，可计算出压缩空气作用于轴承的实际空气流量f 朔。 压缩空气献喷嘴喷密囱辘承绩射，使轴承有一个辩翔的辅商气流。辅向气流在转轴 与皱零耀的滚莉嚣积为： 爿。= 2 翮。幽 ( 3 7 ) 式中： 爿。一气流流过轴承面积，m 2 ； 氐一轴承平均赢径，m ； 矗& 一辘承气豫，m 。 华中葶牛技大学硕士学位论文 重辘高速凌转时，嗣晷空气可在羔三霉蠡的旋转部位产生袋囊秘甥囱气滚，毒交肉蠢甥舞 气流的平均速度可由下式计算： “惝2 + ( 剐 仔s ， 式中： 矗。一辘零乎垮囊经，m ； 功一主轴旋转角速度，m d s ； y 轴承的耗气量，m 3 ，s 。 传热系数是主轴速度期压力气溅量的函数。可爱一个篱单的多壤式函数寒拟合传热系 数： g = 每。+ q 蟊屯 ( 3 9 ) 式中： c 0qc ：是由实验测得的常数。 c 1e ：的掇合值可通过比较在不同的主轴速度和空气流量下轴承的稳态温度 来获褥。文献 3 】中指出，白qc 2 司分别墩为9 ，7 、 5 3 3 、o 8 。 3 2 s 气静压电童轴与阈围环境间的热传递 划片机工作过程中，主轴和周围空气之间进行对流传热的同时还产生辐射传热。电 主鞫巍事摹( 素誊巍体、鬣壳俸、屠盖) 与蠲豳静空气之阉豹传热方式为鑫然对流按热，箕 传热系数同时反映了辎射传热的影响。 3 2 5 。l 主轴静止表面周围环境阉的熟传递 如果周围环境中的其他物体和空气具有租同的温度时，则复合传热的传热系数窿。 为： g ，= 搿。+ 搿， ( 3 一l 国 式中： 盘。一对流换熬系数，形戌掰2 。e ) 口，对流换热系数，妒，( 掰2 。c ) 华中科技大学硕士学位论文 根据文献 3 8 】中静止表面与周围空气之间的传热计算结果，取复合传热系数 口。= 9 7 矿( 2 。c ) 。 3 2 5 2 主轴旋转表面与周围环境间的热传递 主轴高速旋转时，周围空气可在主轴的旋转部位产生轴向和切向气流，轴向和切向 气流的平均速度可由下式计算： 玎= 册d 。6 0( 3 1 1 ) 式中： d ，一旋转表面的平均直径，m ； n 一主轴旋转速度，r m i n 。 传热系数是主轴速度的函数，可用式( 3 9 ) 计算。 3 38 0