（机械设计及理论专业论文）基于ansys的高速电主轴温度场分析.pdf

厂 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 五多掳 日期：yf 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：五移掳 翩戤：高武l 7 切y 日期：朋年多月日 日期：2 力f 年6 月6 日 硕上学位论文坝上学位论文 目录 e jj 素i 摘要i a 】王s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 高速电主轴的发展现状及发展趋势2 1 2 1 电主轴概述2 1 2 2 高速电主轴的发展现状4 1 2 3 高速电主轴的发展趋势6 1 3 高速电主轴热态特性的国内外研究现状7 1 3 1 电主轴热态特性国外研究现状7 1 3 2 电主轴热态特性国内研究现状：9 1 4 本课题的来源与主要研究内容9 1 4 1 课题来源9 1 4 2 课题研究的主要内容9 第2 章高速电主轴的结构与热态特性。1 1 2 1 高速电主轴的结构1 1 2 1 1 高速电主轴结构图1 1 2 1 2 主轴电机一1 l 2 1 3 主轴轴承1 2 2 1 4 主轴轴承的油一一气润滑系统1 3 2 1 5 电机定子油一一水热交换冷却系统1 4 2 2 高速电主轴的热态特性1 5 2 2 1 主轴的热变形机理1 5 2 2 2 高速电主轴的热源l7 2 2 3 高速电主轴的散热分析1 7 2 3 本章小结1 7 第3 章高速电主轴热源的发热计算1 8 3 1 电机定子和转子的发热计算1 8 3 1 3 磁损耗1 9 3 2 混合陶瓷球轴承的发热2 0 3 2 1 滚动轴承摩擦生热2 0 3 2 2 高速角接触球轴承的受力分析及接触负荷的计算2 2 3 2 3 球的自旋角速度、公转角速度和自旋摩擦力矩计算2 4 3 2 4 球与滚道的差动滑动速度计算2 5 3 2 5 保持架与套圈引导面之间的滑动摩擦力和相对滑动速度计算2 5 3 2 6 球的润滑摩擦力计算2 6 3 2 7 轴承预紧方式对轴承发热的影响2 6 3 2 8 轴承发热实例计算与a n s y s 有限元仿真分析2 6 3 3 本章小结2 8 第4 章高速电主轴的传热机制2 9 4 1 轴承与油一一气润滑系统中压缩空气的对流换热2 9 4 2 电动机与油一一水热交换系统冷却油间的对流换热3 0 4 3 电动机转子的换热一3 1 4 4 电主轴前、后密封环的对流换热系数3 1 4 5 电主轴与周围空气的换热3 2 4 6 本章小结3 2 第5 章高速电主轴热态特性的有限元分析。3 3 5 1a n s y s 在传热学中的应用3 3 5 1 1a n s y s 软件应用3 3 5 1 2a n s y s 热分析的基本理论3 3 5 1 3a n s y s 热分析的基本步骤3 4 5 2 高速电主轴热载荷的计算3 4 5 2 1 电机的生热率3 5 5 2 2 轴承的生热率3 5 5 3 高速电主轴边界条件的确定3 5 5 3 1 电主轴内部传热系数一3 5 5 3 2 电主轴外表面与周围环境的对流换热系数3 7 5 3 3 电主轴前、后密封环的对流换热系数3 8 5 3 4 电主轴冷却套与循环冷却油之间的对流传热3 8 5 4 高速电主轴的稳态热分析4 0 硕二f ：学位论文 曼曼曼皇曼曼曼曼皇量i i, 曼曼曼曼鼍曼曼量曼量曼皇曼蔓曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼量暮皇曼舅舅曼曼曼量曼量曼鼍曼曼曼皇曼皇皇蔓曼曼皇曼曼皇笪曼曼曼 5 4 1 几何模型的构建4 0 5 4 2 单元类型的选择与网格划分4 l 5 5 高速电主轴的瞬态热分析4 3 5 6 降低高速电主轴温升，改善温度场分布的措施4 4 5 7 高速电主轴温度场试验4 4 5 7 1 实验方案。4 4 5 7 2 实验原理4 4 5 7 3 实验设备4 5 5 7 4 实验平台的搭建4 6 5 7 5 试验具体步骤4 6 5 7 6 实验数据和仿真数据的对比4 7 5 8 本章小结一4 8 结论与展望。4 9 参考文献。51 致谢5 5 附录a 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 6 硕士学位论文 摘要 高速电主轴作为高速机床的核心部件，同时也是该类机床的主要热源。在高 速机床中，电主轴单元各零件的刚度和精度都比较高，工作负荷却不大，电主轴 因切削力引起的加工误差比较小。然而，电主轴中电机的发热和轴承的摩擦发热 却是不可避免的，这些热源都会使主轴、轴承产生热变形，从而影响加工精度。 这一缺陷大大地限制了高速电主轴的研制与应用。改善电主轴的热态特性，以减 少电主轴的温升和热变形是当前电主轴研究的主要内容之一。本文首先对电主轴 的结构特点及散热特性进行了介绍，随后对电主轴电机发热进行了分析，对轴承 的摩擦发热应用局部法进行了研究，并给出了电主轴的热载荷、热边界条件的计 算方法；最后对本课题所用的电主轴的热态特性利用a n s y s 有限元分析软件进 行了有限元分析，通过实验对其准确性进行了验证。实验证明采用局部法对轴承 进行摩擦发热计算是非常可靠的，为计算电主轴温度场研究提供了准确的热载 荷。为改善该电主轴的热特性，提出了三种改进措施：一是增加对电机及主支承 部分的轴向压缩空气强迫对流换热；二是对主轴轴心采用冷空气冷却方式；三是 考虑让油在冷却槽内的流态处于湍流状态，以提高螺旋冷却槽流体一结构边界的 对流换热系数和换热能力。 关键词：高速电主轴；局部法；温度场；a n s y s ；有限元分析 基于a n s y s 的高速电主轴的温度场分析 a b s t r a c t t h eh i g h s p e e dm o t o rs p i n d l e ，a st h ec o r ec o m p o n e n to fh i g h s p e e dm a c h i n e t o o l s ，i sa l s ot h em a i nh e a ts o u r c eo ft h e m i nh i g h - s p e e dm a c h i n et o o l s ，t h es t i f f n e s s a n da c c u r a c yo fe a c hc o m p o n e n to ft h em o t o rs p i n d l eu n i ti sv e r yh i g h ，w h i l et h e w o r k l o a di sn o tl a r g e t h em a c h i n i n ge r r o r so fm o t o rs p i n d l e sc a u s e db yt h ec u t t i n g f o r c ei sr e l a t i v e l ys m a l l h o w e v e r ，t h eh e a tc a u s e db yt h em o t o ra n dt h ef r i c t i o no f b e a r i n g si si n e v i t a b l e t h e s eh e a ts o u r c e sc a nc a u s et h e r m a ld e f o r m a t i o n o ft h e m o t o rs p i n d l ea n db e a r i n g s ，t h u sa f f e c t i n gt h em a c h i n i n ga c c u r a c y t h i sd e f e c t g r e a t l y l i m i t st h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fh i g h - s p e e dm o t o rs p i n d l e s c u r r e n t l yo n eo ft h em a i na s p e c t so ft h er e s e a r c ho nm o t o rs p i n d l e si st oi m p r o v e t h e i rt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c ss oa st or e d u c et h e i rt e m p e r a t u r ea n de a s et h et h e r m a l d e f o r m a t i o n f i r s t ，t h i st h e s i sa n a l y s e st h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e r m o l y s i s o fm o t o rs p i n d l e s ，t h e na n a l y s e st h eh e a t i n go fm o t o r s b e s i d e s ，i ta l s oa p p l i e st h e p a r t i a lm e t h o dt oa n a l y s et h ef r i c t i o nh e a t i n go fb e a r i n g sa n dp r o v i d e st h ec a c u l a t i n g m e t h o do ft h et h e r m a ll o a da n dt h e r m a lb o u n d a r yc o n d i t i o n so fm o t o r s p i n d l e s f i n a l l y , t h et h e r m a l c h a r a c t e r i s t i co fm o t o rs p i n d l e si n t h i st h e s i si s a n a l y s e db ya n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n de x p e r i m e n t s a r ec a r r i e do u tt o v e r i f yi t sa c c u r a c y e x p e r i m e n t ss h o wt h a tu s i n gt h ep a r t i a lm e t h o dt oc a c u l a t et h e f r i c t i o nh e a t i n go fb e a r i n g si sv e r yr e l i a b l e ，w h i c h p r o v i d e sa c c u r a t et h e r m a l l o a df o rt h er e s e a r c ho nt h et e m p e r a t u r ef i e l do fm o t o rs p i n d l e s t oi m p r o v et h e t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i co fm o t o rs p i n d l e s ，i tp r o p o s e st h r e em e a s u r e s ：t h ef i r s to n ei s t oi n c r e a s ea i rf o r c e dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ro ft h em o t o ra n dt h em a i ns u p p o r t i n g p a r to ft h ea x i a l ；t h es e c o n do n ei st oa d a p tc o l da i rc o o l i n gf o rt h es p i n d l ea x i s ；t h e t h i r do n ei st h a tm a k i n gt h eo i lf l o wi nt h ec o o l i n gt a n kt u r b u l e n tt oi m p r o v et h eh e a t t r a n s f e rc a p a b i l i t i e so fs p i r a lc o o l i n gt a n kf l u i da n ds t r u c t u r eb o u n d a r y k e y w o r d s ：h i g h s p e e dm o t o rs p i n d l e ；p a r t i a lm e t h o d ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；a n s y s ； f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 硕士学位论文 曼曼舅曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼皇曼曼曼量皇曼曼曼量曼曼量曼皇皇量曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼量皇量i l l： i i i 量曼皇曼皇曼皇鼍 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 切削加工是机械加工应用最广泛的加工方法之一，而高速是它的重要发展方 向。高速加工机理、高速主轴单元、高加( 减) 速直线进给电机及高性能控制系 统等关键技术的发展，为高速加工技术在制造领域的成功应用提供了基本条件。 目前高速切削技术已成为当今先进制造技术的一个重要发展方向。高速加工技术 发展异常迅速，高速的加工中心及其相关设备在国际机床市场上已非常流行。 对于高速加工的速度范围目前尚无统一的界定，通常加工速度比常规加工速 度高5 1 0 倍以上的加工称为高速加工。与常规加工相比，高速加工的主要特点是 主轴转速高，每分钟达几万转甚至几十万转。其主要优点： ( 1 ) 单位时间内材料的切削量可提高3 - 6 倍。切削力减小3 0 ，特别是径向 切削力大幅降低，可以提高对薄壁工件和细长杆件等刚性较差的工件的加工精 度。 ( 2 ) 工作中9 5 0 5 以上的切削热能被切屑迅速带走，整个切屑过程中工件基本 保持冷态，因而特别适合于加工易产生热变形的零件。 ( 3 ) 高速加工的激振频率一般远高于机械系统的低阶固有频率，因而工作 平稳、振动小，能加工出非常精密的薄壁零件。高速加工表面质量接近磨削的水 平，故可省去铣削后通常的精加工工序。 早在2 0 世纪3 0 年代，德国切削物理学家萨洛蒙就对高速切削技术进行了研 究。萨洛蒙发现，当切削速度超过某一数值后，随切削速度增大，切削温度不升 反降，这与常规速度切削现象正好相反，而且这一临界速度值与工件材料的特性 有关。美国相关机构在上世纪7 0 年代进行了高速切削实验，结果表明：切削力下 降，表面质量提高，加工效率提高3 倍左右。其他西方发达国家也在高速加工技 术方面做了许多工作，尤其德国，在高速加工机床、刀具、控制系统及相关技术 方面，均走在世界的前列。日本对于高速加工的机理研究也比较早，并积极地将 相关先进技术应用于制造领域，9 0 年代以来，日本已成为世界上为数不多的主要 高速机床的供应者之一。 高速电主轴作为高速机床的核心部件，同时也是该类机床的主要热源。在高 速机床中，电主轴单元各零件的刚度和精度都比较高，但工作负荷不大，电主轴 因切削力引起的加工误差也比较小。然而，电主轴中电机的发热和轴承的摩擦发 热却是不可避免的，这些热源都会使主轴、轴承产生热变形，从而影响加工精度。 有资料表明：在精密加工中，由机床热变形所引起的制造误差占总制造误差的 一 1 2 高速电主轴的发展现状及发展趋势 1 2 1 电主轴概述 高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一，是装备制造业的战 略性产业。高速数控机床的工作性能，首先取决于高速电主轴的性能。数控机床 高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架等几个部分，它影响加工系统 的精度、稳定性及应用范围，其动力学性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。 高速高精度主轴单元系统，应该具有刚性好、回转精度高、运转时温升小、稳定 性好、功耗低、寿命长、可靠性高等优点，同时，制造及操作成本也应适中。要 满足这些要求，主轴的制造及动平衡、主轴的支承( 轴承) 、主轴系统的润滑和 冷却、主轴系统的刚性等是很重要的。 高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴等。不同类型的高 速主轴单元输出功率相差较大。高速加工机床主轴要求在极短的时间内实现升降 速，并在指定位置快速准停。这就需要主轴有较高的角减速度和角加速度。如果 通过传动带等中间环节，不仅会在高速状态下打滑，产生振动和噪声，而且增加 转动惯量，给机床快速准停造成困难。目前，随着电气传动技术( 变频调速技术、 电动机矢量控制技术等) 的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动系统的机 械结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装 式电机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主轴的“零 传动 。这种由内装式电机和机床主轴“合二为一一的传动形式，即采用无外壳 电机，将其空心转子直接套装在机床的主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴 单元的壳体内，形成内装式电机主轴( b u i l d i nm o t o rs p i n d l e ) ，或称高速电主轴 ( h i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e ) 。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动 小、噪声低、响应快等优点，不但转速高、功率大，还具有一系列控制主轴温升 与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全性。使用电主 轴可以减少带轮传动和齿轮传动，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主 轴单元中的一种理想结构。 当然，将电动机内置也会带来不少麻烦，但在高速加工时，采用该举措几乎 2 硕七学位论文 是唯一的选择，也是最佳的选择。具体原因如下： ( 1 ) 如果电动机不内置，仍采用电动机通过带轮或齿轮等方式传动，则在 高速运转条件下，由此产生的振动等，势必会影响高速加工的精度、加工表面粗 糙度，而产生的噪声导致环境质量的恶化，这些问题都很难解决。 ( 2 ) 高速加工的最终目的是为了提高生产率，相应地要求在最短时间内实 现高转速的速度变化，即要求主轴回转时具有很高的角加速度和角减速度。达到 这个要求的最经济的办法是将主轴传动系统的转动惯量尽可能地减至最小。而只 有将电动机内置，省掉带轮和齿轮等一系列中间环节，才有可能达到这一目的。 ( 3 ) 电动机内置于主轴两支承之间，与用带轮和齿轮等作末端传动的结构 相比，可以提高主轴系统的刚度，也就提高了系统的固有频率，从而提高了其临 界转速值。这样，电主轴即使在最高转速运转时，仍可确保低于其临界转速，从 而保证高速运转时的安全。 ( 4 ) 由于没有中间传动环节的传动冲击等外力作用，主轴高速运行更为平 稳，使得主轴轴承的使用寿命相应得到延长。 ( 5 ) 电主轴与传统的主轴传动系统相比有结构简单、紧凑等优点，这样便 于把它用在多轴联动机床、多面体加工机床和并联( 虚拟轴) 机床上。 电动机内置于主轴部件后，不可避免的将会产生发热的问题，从而需要设计 专门用于冷却电动机的油冷或水冷系统。高频电动机要有变频器类的驱动器，以 实现主轴转速的变换。高速轴承有时也要有专门的润滑装置。另外为了保证高速 回转部件的安全，还要有报警及停车用的传感器及其控制系统等一系列支持电主 轴运转的外围设备和技术。因此，“电主轴 的概念不应简单地理解为只是一根 主轴套筒，而是一个完整的、在机床数控系统监控下的子系统，如图1 1 所示。 油气混合模块电主轴 图1 1 完整的电主轴系统 根据主轴电机与主轴轴承相对位置的不同，高速电主轴单元主要有两种结构 布局设计方式： 3 基于a n s y s 的高速电主轴的温度场分析 ( 1 ) 主电机置于主轴前、后轴承之间如图1 2 。它采用两支承结构，支承受力 方式为外撑式。前后轴承均分别采用串联安装方式，后支承选用小尺寸轴承，降 低了速度因数值，对主轴整体刚性影响不大，对保持整个轴系的使用寿命十分有 利。优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度大，功率大，较适合于大中型高 速机床。 图1 2 中置式高速电主轴 ( 2 ) 主电机置于主轴后轴承之后如图1 3 。即主轴箱和主电机作轴向的同轴布 置，这种方式减少了电主轴前端的悬伸量，电机的散热条件较好，但整个电主轴 单元的出力较小，轴向尺寸大，常用于小型高速数控机床。 图1 3 后置式高速电主轴 1 2 2 高速电主轴的发展现状 国外对电主轴的研究开展较早，最早应用于内圆磨床。2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，随着高速切削技术的发展，电主轴逐渐应用于加工中心、数控铣床、数 4 硕士学位论文 前，电主轴已经成为现代数控机床主要的功能部件之一， 工设备的多数机床制造商，基本上都采用电主轴数控产 品。由于电主轴结构简单，传动、联接环节少，因此提高了机床的可靠性，技术 成熟、性能完善的电主轴功能部件又使机床的性能得到进一步改善。同时，世界 上也已经出现了许多著名的机床电主轴功能部件专业制造商，他们生产的电主轴 功能部件已经系列化，如瑞士的f i s c h e r 、s t e p t e c 和i b a g ，德国的g m n 和c y t e c ，意大利的c a m f i o r 和o m l a t 等等。 德国公司生产的s p e c h t 5 0 0 和s p e c h t 6 0 0 高速加工中心，其主轴均为装 有混合陶瓷球轴承的电主轴，采用液态冷却，主轴转速为1 6 0 0 0 r m i n ( 2 2 k w ) 。 瑞士公司生产的h s m 7 0 0 高速加工中心，装有h f 系列陶瓷轴承电主轴，主轴径 向圆跳动在0 5 2 0 9 m 之间，主轴转速已达4 2 0 0 0 r r a i n ( 1 2 k w ) ，切削速度提高 了5 1 0 倍，可对精密和薄壁零件快速连续加工，生产成本减少2 0 8 0 t 6 1 。意 大利的一些公司的精密机床，使用装有内置电动机和陶瓷球轴承的电主轴，主轴 转速达3 0 0 0 0 r r a i n ( 1 7 k w ) ，用于加工重量高达9 0 0 k g 、精度达1 5 胛的壳体零 件。美国公司生产的h v m 型高速机床，主轴转速达2 0 0 0 0 r r a i n ( 2 5 k w ) 。德国 阿亨工业大学研制的d y n a m 并联机床，主轴转速可达1 6 0 0 0 r r a i n ( 1 5 k w ) 。 上述机床由于采用内置电动机主轴单元，提高了机床主轴的转速和加工精度。有 些加工中心的加工精度已从5 m 提高到了+ l g m 。 近年来，国际上大功率高速铣削和钻削电主轴技术发展很快。德国g m n 公 司在d a n n s t a n f 工业大学协助下开发的h c 系列高速电主轴，日本n s k 公司的m 系列，意大利g & f 公司e f a 、e m c 系列，瑞士s t e p t e c 公司的h v c 系列电 主轴都具有功率大、刚度高及调速范围广的特性，完全适用于高速、高效切削。 随着实际应用的需要和机床技术的进步，对数控机床用电主轴提出了越来越高的 要求，其总体发展趋势是：大功率、高转速、高主轴回转精度，其中，主轴转速 不小于1 0 5 ，m i n ，功率不小于1 0 0 k w ，主轴回转精度在5 0 n m 以下。 “九五 期间，我国研制出拥有自主知识产权的加工中心和数控铣床用内装 式电主轴单元，转速8 0 2 4 0 0 0r r a i n ，功率2 5 2 9k w ，扭矩4 8 6 n m ，其噪声低，振 动小，松、拉刀结构可靠，且电主轴具有内冷功能，产品综合精度接近或达到同期 国际水平。产品性能得到主机厂认可，并应用于许多台国产加工中心和数控铣床。 此外，国内部分机床厂也应用户要求，在引进国外公司电动机定、转子配件和配套 编码器、交流伺服驱动器的基础上，也研制出加工中心等数控机床用电主轴。内 装式高速电主轴的开发极大地推动了国内加工中心、数控铣床、虚拟机床和数控 车床的发展，为主机厂提供了广阔的选择余地，使国内相关的金属切削加工设备 能选择优质的国产内装式电主轴单元作为主要功能部件，而价格仅为进口产品的 三分之一，从而降低了国产数控设备的开发成本，增强了国产数控设备的竞争能 5 基于a n s y s 的高速电主轴的温度场分析 力。 目前，国际上电主轴的研究应用有以下进展。瑞士f i s c h e r 公司，推出了 配有在线自动动平衡装置的电主轴部件，加工中心每换一次刀进行一次包括刀具 在内的自动动平衡，可在1 秒钟内消除8 0 9 9 的由动平衡所引起的振动；瑞 士i b a g 公司，推出了静压轴承的电主轴，同时还推出了磁浮轴承的电主轴；美 国i n g e r s o l l 公司，推出了动静压轴承的电主轴，可作为独立部件销售；瑞士 i b a g 公司，在其电主轴部件上配备主轴轴向尺寸检测传感器，可与机床数控系 统联结进行轴向尺寸补偿；永磁同步电动机的电主轴，其转子为永久磁铁，不发 热，解决了电主轴结构的最大负面效应一一内装式电动机散热不良的问题。 电主轴在我国2 0 世纪5 0 年代末、6 0 年代初就已经将电主轴应用于工业生 产中，但多用于专用内圆磨床，如轴承、油泵和油嘴行业中的专用内孔磨床等。直 到9 0 年代中后期，由于市场需要，国内各科研单位或企业开始开发其他用途的电 主轴，如印制电路板( p c b ) 钻床用高速电主轴、小型数控铣床用电主轴等。多年 来，依次完成d z 、2 g d z 系列数控磨床用电主轴、z d 系列数控铣床用电主轴、 c d 系列数控车床用电主轴、z d 系列p c b 行业钻、铣削用电主轴、m 系列高档 管材旋辗用电主轴和e d 系列高速离心机用电主轴等的研究与开发。我国生产的 p c b 行业用钻、铣削电主轴，转速达到1 0 0 0 0 0 r m i n ，为国内p c b 行业数控机床所 普遍采用，并且已经替代部分进口产品。生产的磨床用电主轴，最高转速达到 1 5 0 0 0 0r m i n ，为国内轴承行业和其他一些行业所广泛采用，有的已经在进口磨床 ( 如汽车制造行业中加工等速万向节的德国n o v e l 磨床) 的改造中替代进口电 主轴。 1 2 3 高速电主轴的发展趋势 随着实际应用的需要和机床技术的进步，对数控机床用电主轴提出了越来越 高的要求，其发展趋势主要表现在以下几个方面。 ( 1 ) 向电动机内装式电主轴单元方向发展 加工中心和数控机床采用带传动，转速一般只能达到6 0 0 0 r m i n ：采用直连 式传动，转速一般也只能达到8 0 0 0 r m i n 。转速再高会产生较大的振动噪声，且 传动带、齿轮传动会造成机床结构复杂。因此，8 0 0 0 r m i n 以上的加工中心和数 控机床多采用内装式电主轴单元。 ( 2 ) 向高速、大功率方向发展 随着刀具技术、高速进给技术的进步和发展，要求机床电主轴的转速越来越 高。 ( 3 ) 向低速、大转矩方向发展 在要求电主轴能够实现较高转速的同时，低速段要求尽可能大的输出转矩， 6 硕上学位论文 曼曼皇i m ri 一m _ ! ! 曼曼毫曼皇鼍舅 以满足能在同一台机床上进行低速重切削和高速精密加工的要求。 ( 4 ) 向高精度、高刚度方向发展 精密数控机床需要主轴有高的回转精度、高的刚度。因此，要求电主轴采用 精度高、内径尽可能大、高速性能好的轴承和先进的润滑技术。 ( 5 ) 向精确定向( 准停) 方向发展 加工中心等数控机床由于自动换刀、刚性攻螺纹及精确传动的需要，要求电 主轴能够实现切向准停功能。 ( 6 ) 向快速起、停方向发展 为了缩短辅助时间，提高效率，要求数控机床电主轴的起、停时间越短越好， 因此需要很高的起、停加速度。 ( 7 ) 向超高速方向发展 对于某些特殊零件的加工和特殊行业，要求切削工具的转速越高越好。 1 3 高速电主轴热态特性的国内外研究现状 数控机床电主轴作为数控机床的关键部件，其性能的好坏在很大程度上决定 了整台数控机床的加工精度和生产效率【3 巧】。数控机床电主轴的工作不仅转速高， 而且要求有很高的角减速度和角加速度、在指定位置快速准停，这就对其结构设 计、制造和控制提出了非常严格的要求。另外，在设计中，必须解决数控机床电 主轴的散热、润滑及精密控制等问题，才能确保主轴稳定可靠的高速运转，实现 高效精密加工。 为了推动电主轴在高速机床上的应用，进一步改善电主轴的性能，国内外的 许多专家学者对高速电主轴热态特性做了大量的科研工作，取得了许多成绩。 1 3 1 电主轴热态特性国外研究现状 研究传热问题的方法有实验法、理论分析法和数值模拟法。 p a l m g r e n 通过实验的方法得到了滚动轴承的整体载荷摩擦力矩和粘性摩擦 力矩的经验公式。用经验公式计算的轴承摩擦生热率往往比实际工作时的生热率 大很多，特别是在变工况和极限工况下【4 2 1 。 2 0 0 2 年，日本的s u s u m uo h i s h i 等人用试验方法研究空气静压轴承主轴单元 的温度场分布，并测量出主轴和轴承座孔的变形量【引。实验方法只能针对某一种 具体的对象进行测定，且实验成本高，花费时间长。 理论分析法分为精确分析解法、近似分析解法和数值方法。 k r u l c w i c h 对主轴温度场采用高斯积分法积分，建立了具有解析解的线性模 型，不需要大量实验测量，可以预测温度测量点的数量和位置，试验结果表明此 模型可以预测轴向热误差的9 3 9 6 【9 1 。该方法实际上是求解高阶线性代数方程 7 提出了高速电主轴的能量流模型，并分析了主轴热源的定量特性【1 2 1 。印度学者v pr a j a 等分析计算了高速主轴的轴承摩擦发热，并用有限差分及有限元法估算了 主轴部件的温度分布【1 3 】。在有限差分法的离散计算中采用的是规则的网格( 正 方形网格，矩形网格或正三角形网格) ，但是边界变成了阶梯形，就不能很好地 适合实际情况。 韩国学者j i nk y u n gc h o i 等人采用有限元模型计算主轴一轴承系统的温度场 分布，通过与实验数据的对比，表明若选用合适的主轴传热系数，则采用有限元 法进行主轴系统热分析是完全可行的【1 4 1 们。该模型只分析了主轴一轴承系统的温 度场，并没有考虑整个主轴系统的油一水冷却系统及油一气润滑系统。 1 9 9 1 年，日本学者s u n k y ul e e 等提出了主轴系统热特性的热闭环模型，进 行了主轴系统热特性的动力学仿真，并通过实验验证其有效性【1 7 2 们。 l ih o n g q i 等建立的机械一热特性主轴一轴承系统动力学模型较为全面和完 整，该模型包含一个综合的轴承动态模型、一个主轴动态模型和一个热模型，热 模型通过轴承配置中的热膨胀恶化在整个系统中的热传递与主轴动态模型耦合 起来，能很好地计算轴承的热膨胀及其引起的动态特性，其他参数对固有频率的 影响也能够较为准确地估计，并能精确处理复杂几何形状及复杂物理特性的高速 电主轴。但由于电主轴热位移与主轴冷却系统、电机空气间隙、运动副连接、装 配结合面都有关系，基于位移的热误差模型比基于温度的热误差模型更精确 【2 l - 2 3 】 0 c h i w e il i n 等学者提出了一个综合电主轴动态热态性能的模型，这个模型 定量描述了热变形引起的轴承预紧力对轴承刚度和整个主轴动态性能的影响，以 及高速旋转离心力和陀螺力矩的对主轴动力学性能的影响和主轴单元动态性能 对切削区的影响，并得出结论：高速电主轴在高速下刚度变小主要是由于离心力 的影响。但该模型未考虑外载荷和转轴本身热扩散和热变形以及轴承与转轴和轴 承座配合随速度、温度变化对主轴支承刚度的影响 2 4 , 2 5 】。 j o r g e n s e n 开发了s h a b e r t h 的分析程序，用来处理包括稳态行为的轴承热 模型在内的载荷一顺应关系 2 6 , 2 7 1 。但此程序不能处理整个主轴一轴承系统。 y u z h o n gc a o 分析了温度分布对主轴单元动力学特性的影响【2 引。 i g o ra l e x e e v i c hz v e r e v 等提出了主轴单元热模型及其求解算法，开发了基 8 硕士学位论文 于有限元法的专用软件，通过比较分析与试验结果，表明二者能很好的吻合，同 时，试验结果表明运行条件对主轴单元温度的提高有较大影响 2 9 , 3 0 】。有限单元 法( 采用最简单的二维单元一一三角形单元) 则在边界上用折线代替曲线，比有 限差分法的阶梯线能更好地符合实际情况。有限单元法的单元形状和疏密程度可 以任意变化的，就可用较少的节点而使区域到达更好的近似。 1 3 2 电主轴热态特性国内研究现状 蒋兴奇分析了高速精密角接触球轴承的发热特性和热传递特性，并对电主轴 的发热与传递特性进行了计算【3 1 1 。赵海涛等建立了车削加工中心电主轴的有限 元模型，提出了对流热传递系数的计算方法和选择关键热测量点的新方法，试验 结果表明仿真结果与实验数据完全吻合【3 2 1 。张明华等建立了高速电主轴热态特 性有限元分析模型，利用有限元分析软件进行了稳态瞬态温度场及热一一结构 耦合场分析，并利用分布加载瞬态热分析模拟了机床，得到了电主轴的温度场变 化情况 3 3 , 3 4 】。王保民等建立了高速电主轴热态模型，分析热稳定状态下电主轴 的温度场分布以及冷却润滑系统对电主轴温升的影响【3 5 1 。同时，仿真分析转速 对电主轴温升的影响，揭示了电主轴温度场分布的非线性特征。黄晓明等分析了 高速电主轴中内装式电机的损耗发热和轴承的摩擦发热，研究了油一一水热交换 冷却系统和油一一气润滑系统的散热特性，建立了高速电主轴温度场的有限元分 析模型，并用a n s y s 有限元软件进行了温度场的计算。朱珍等建立了主轴工作状 态下的稳态温度场和热变形的三维热分析有限元模型，并运用a n s y s 有限元软件， 准确分析了主轴在工作过程中处于热平衡状态下的温度场及热变形特点。郭军等 采用热接触有限元分析方法对电主轴的温度场进行了分析，并且通过实验对有限 元分析模型进行了修正，使有限元分析的计算结果误差在1 0 以内。肖曙红等分 析了电主轴的各种热源及其发热量，建立了基于热一一结构耦合的电主轴有限元 分析模型，计算出电主轴在复杂的热边界状况下的对流换热系数，利用有限元分 析软件a n s y s 对电主轴的温度场及其主轴的热变形进行仿真分析并进行实验验 证。 1 4 本课题的来源与主要研究内容 1 4 1 课题来源 本课题来源于国家科技重大专项项目( 2 0 0 9 z x 0 4 0 0 1 0 1 5 ) 。 1 4 2 课题研究的主要内容 目前研究传热问题的方法一般分为实验测定、理论分析和数值模拟三种。由 于理论分析、实验测定以及数值模拟各有其最适合的适用范围，把这三种手段巧 9 妙地结合起来，有互相补充、相得益彰的好处。所以本文以轴承摩擦学和传热学 等交叉学科的基础理论和成果为基础，采用理论计算、有限元分析与实验验证相 结合的研究方法。具体研究内容如下： ( 1 ) 确定主轴系统的热源属性，通过理论分析计算出电机发热和轴承的摩 擦发热。 ( 2 ) 分析主轴系统的传热机理，精确计算各个传热系数，得到主轴系统的 热边界条件。 ( 3 ) 通过有限元软件a n s y s 仿真分析主轴系统运转中瞬态和稳态温度场 的分布与变化，定量描述各热源产生热量对主轴温度场分布的影响。 ( 4 ) 通过实验验证a n s y s 仿真分析结果的正确性。 1 0 第2 章高速电主轴的结构与热态特性 2 1 高速电主轴的结构 2 1 1 高速电主轴结构图 高速电主轴要获得好的动态性能和使用寿命，必须对电主轴各个部分进行精 确的设计和制造。本课题的电主轴基本结构如图2 1 所示。 7 l j1 1 锻ik 1j - j z j 。i j 卅n 。_ 。j ? ? j 二j ? ”_ “j j i 。w j 一，一 。l j ? ，。? ?j。一j，j 愿 图2 1 高速电主轴结构图 2 1 2 主轴电机 电主轴采用无外壳电机，将空心转子直接套装在机床的主轴上，带有冷却套 的定子安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴。高速电主轴的定子由具 有高磁导率的优质矽钢片叠压而成，叠压成型的定子内腔带有冲制嵌线槽。转子 是中频电动机的旋转部分，它的功能是将定子的电磁场能量转换成机械能，由转 子铁心、鼠笼、转轴三部分组成。 高速电主轴电机的三相绕组相位互差1 2 0 。，装于定子铁心的槽内。通入三 相交流电，三相绕组各自形成一个正弦交变磁场，三个对称的交变磁场相互迭加， 合成一个强度不变、磁极方向一定的恒速旋转的磁场，磁场的转速就是电主轴的 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流的频率f 和电机定 子的极对数p 决定( n = 6 0 f p ) 。高速电主轴就是利用变换输入电动机定子绕组的电 流的频率