考虑气隙变化的高速电主轴热特性仿真

高速滚珠轴承电主轴热态特性分析姜本刚;雷群;杜建军【摘要】为研究高速滚珠轴承电主轴的热特性对其性能的影响,计算轴承的热源生热并进行热特性仿真.研究轴向载荷和转速对接触角的影响规律,进而采用局部热计算方法计算轴承的热损耗.结果发现,轴承的旋转速度对其热损耗的影响比轴向载荷作用更明显,并且滚珠的自旋摩擦是轴承生热的主要形式.结合热源生热计算结果,运用ANSYS对一定转速的空载电主轴分别进行稳态热分析和瞬态热分析,发现电主轴的最高温度点出现在内置电机转子的中心区域.将稳态热分析结果加载到有限元模型进行热-结构耦合分析,发现最大轴向位移出现在主轴的最前端,最大轴向应力则出现在前轴承球与外滚道的接触区域.设计空载电主轴温升测定实验,验证仿真结果的正确性.%To study the influence of the thermal characteristics of the motorized spindle of ball bearings on its performance,the heat source calculation and the thermal characteristic simulation of the bearing were performed.The heating consumption of the bearing was analyzed by the local heat calculation method.It is found that the influence of the bearing speed on thermal consumption is greater than that of axial load,and the ball's spin is the main form of the ball bearing heating.Based on the calculation results of heat source,the steady-state and transient-state analysis were performed respectively by ANSYS under a certain speed with no load.The result shows that the highest temperature appears in the iron core of the motor rotor.The thermal-structure coupling analysis was carried out by loading the steady-state thermal analysis results to the finite element model.The results show that the maximum axial displacementappears at the front of the spindle,and the maximum axial stress appears on the contact point between the ball and the outer ring of the front bearing.An experiment of temperature rise measurement was performed by a no load spindle,the measuring results verified the accuracy of the simulation results.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2017(042)002【总页数】8页(P6-12,18)【关键词】电主轴;角接触球轴承;局部热计算法;热分析【作者】姜本刚;雷群;杜建军【作者单位】哈尔滨工业大学深圳研究生院广东深圳518055;广州市昊志机电股份有限公司广东广州511356;哈尔滨工业大学深圳研究生院广东深圳518055【正文语种】中文【中图分类】TH133.37电主轴是高性能机床的核心部件，将转轴、驱动电机和轴承集成为一体，其性能直接决定了高速切削的质量[1]。

超高速电主轴的热态特性朱红萍;盛鹤松【摘要】在分析高速切削加工特性的基础上,对超高速电主轴的传热特性进行了研究,指出了高速电主轴的主要发热源,提出了有效改善电主轴热态特性的润滑冷却措施.【期刊名称】《沙洲职业工学院学报》【年(卷),期】2010(013)001【总页数】3页(P30-32)【关键词】高速;电主轴;热态特性;散热【作者】朱红萍;盛鹤松【作者单位】沙洲职业工学院,江苏,张家港,215600;张家港市天运建筑机械有限公司,江苏,张家港,215600【正文语种】中文【中图分类】TG506.1现代机械制造工业正朝着高精度、高速度、高效率的方向飞速发展，因此，对加工机床提出了更高的要求。

与普通切削加工相比，高速切削加工有其独特之处：（1）切削效率高，大大提高了能源和设备的利用率；（2）加工表面质量好、精度高，可作为机械加工的最终工序；（3）热变形小，特别适合加工易产生热变形的材料及零件；（4）可以加工各种难加工材料，有效地减小刀具的磨损。

高速加工一般采用小直径刀具，小切深、小切宽、快速多次走刀来提高加工效率。

实现高速加工最根本、最核心的技术是实现高的切削速度，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，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，是高速主轴单元中一种理想结构，被称为高速机床的核心部件。

电主轴是一种智能型功能部件，它采用无外壳电动机，将带有冷却套的电动机定子装配在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围完全由变频交流电动机控制，使变频电动机和机床主轴合二为一，它基本上取消了带传动和齿轮传动，机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。

目前，电主轴一般是采用内置式电机直接驱动的，它能够传递很高的转速和扭矩，而且刚性好，结构紧凑，可大大提高机床的生产效率和工件的加工质量。

高速磨削电主轴热-结构耦合有限元分析与仿真王鹏;李文斌【摘要】在高速磨削加工中,电主轴的热结构状态直接影响高速加工机床的加工尺寸精度和表面质量.这篇文章利用传统理论对高速磨削电主轴进行了热-结构耦合分析,分别计算热稳态下主轴各种边界条件,在理论研究的基础上结合有限元软件进行热-结构耦合仿真分析,得到电主轴热变形主要与电机损耗、轴承发热与冷却液系统有关的结论.这一结论充分说明引起电主轴变形的主要因素,为今后在试验中建立电主轴热补偿体系以及减少热变形提供了有力的理论支持.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2016(000)012【总页数】4页(P146-149)【关键词】高速磨削电主轴;热-结构耦合;有限元;热变形;热补偿体系【作者】王鹏;李文斌【作者单位】太原理工大学机械工程学院,山西太原030024;太原理工大学机械工程学院,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TH16;TH161高速加工技术作为当代先进制造技术中的一个主要发展方向，以高速度、高精度为主要特征，是继数控加工技术之后，传统切削加工技术中的有一次革命性的飞跃。

为满足高速磨削加工的需求，高速磨削电主轴得到逐步应用并成为了高速磨削加工中的核心部件。

作为核心部件，电主轴的加工稳定性和加工精度日益受到加工制造业的关注[1]。

电主轴处在高速加工过程时，电机和轴承会产生大量热量，引起主轴的热变形，如果不能有效的控制主轴的发热变形，将严重影响高速磨削机床的加工精度和表面质量。

因此，磨削电主轴的热结构耦合分析，是保证机床加工精度和表面质量的重要理论基础[2]。

2.1 热源分析与计算电主轴主要构件及其结构，如图1所示。

高速磨削电主轴内部热源主要有两个，一个是无外壳主轴电动机的损耗发热，另一个是轴承的摩擦生热。

2.1.1 无外壳主轴电机热量计算高速磨削电主轴使用无外壳内置电机，其定子和转子热量主要是电机损耗产生的。

本次试验用高速磨削电主轴的最高转速为15000r/min，额定转速为4500r/min，额定功率11kW，功率损耗率为25%，损耗功率为2.75kW。

高速电主轴热态特性分析及温度预测研究高速电主轴热态特性分析及温度预测研究摘要：电主轴作为高速加工中最重要的工具之一，其热态特性对加工质量和工具寿命有着重要影响。

本研究旨在分析高速电主轴的热态特性，并通过建立数学模型来预测其温度变化，从而提供优化加工参数和冷却系统设计的理论依据。

实验结果表明，在不同工况下，高速电主轴的温度分布存在明显差异，且会随着电主轴的运转时间和负载的变化而发生改变。

1. 引言高速电主轴在现代生产中起着至关重要的作用，广泛应用于数控机床、电子制造和精密加工等领域。

电主轴的热态特性对加工质量和工具寿命有着重要影响。

因此，深入研究电主轴的热态特性，对于优化加工参数和提高加工质量具有重要意义。

2. 高速电主轴的热态特性分析2.1 实验装置为了分析高速电主轴的热态特性，我们搭建了实验装置。

该装置由电主轴、电机、冷却系统和温度传感器等组成。

实验时，我们对不同工况下的电主轴进行测试。

2.2 温度变化规律通过实验数据的分析，我们发现高速电主轴的温度存在以下规律：(1) 温度分布不均匀：电主轴的温度分布在不同部位存在明显差异。

通常来说，电主轴的轴承处温度较高，而电机部分温度较低。

(2) 运转时间对温度有影响：随着电主轴的运转时间的增加，其温度呈现出明显的升高趋势。

这是由于摩擦产生的热量在电主轴内积累导致的。

(3) 负载对温度有影响：增加电主轴的负载会导致其温度上升。

这是因为负载的增加会带来更大的摩擦力，从而产生更多的热量。

3. 高速电主轴温度预测模型建立为了准确预测高速电主轴的温度变化，我们建立了数学模型。

该模型基于热传导理论和质量守恒定律，并结合实验数据进行参数拟合。

通过该模型，我们可以预测不同运转时间和负载下电主轴的温度。

4. 实验验证和讨论我们对建立的温度预测模型进行了实验验证。

实验结果表明，该模型能够准确预测电主轴的温度变化。

同时，我们还对模型中的参数进行了敏感性分析，结果表明模型对于不同参数的变化具有一定的稳定性。

电主轴温度场与热变形的仿真与实验研究沈雨苏;陈蔚芳;罗勇;崔榕芳【摘要】以Setco 231A240型高速电主轴为研究对象,考虑了内置电机的损耗生热和轴承的摩擦生热,计算了电主轴各部分之间的传热系数,利用有限元软件Workbench建立电主轴有限元模型,分析得到了电主轴在不同因素影响下的温度场分布,基于电主轴热-结构耦合关系分析得到了温度影响下电主轴的热变形.仿真结果显示,较低转速下电主轴转子温度最高,转速对电主轴温度影响较大;电主轴头尾部热变形较大,主要为轴向变形.最后,将温度场仿真数据与实验数据对比,验证了仿真分析的准确性.【期刊名称】《机械与电子》【年(卷),期】2018(036)012【总页数】6页(P18-22,28)【关键词】电主轴;生热;传热;温度场;热变形【作者】沈雨苏;陈蔚芳;罗勇;崔榕芳【作者单位】南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TH133.2;TG502.150 引言电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低和响应快等优点[1]，在数控机床上获得了广泛应用。

在实际加工过程中，电主轴的内装电机与轴承分别因损耗和摩擦产生大量的热，从而导致电主轴产生热变形。

热变形过大会影响电主轴的加工精度和使用寿命，因此对电主轴温升及热变形的研究是有必要的。

国内外对电主轴温升、热变形的研究已取得大量成果。

张丽秀等通过单一因素法研究了电主轴系统冷却水流量、空气压力等参数对电主轴温度的影响，得到了电主轴的最优工况参数，将有限元模型与试验数据相结合，提出了高速高精度电主轴温升预测模型[2-3]；刘一波等利用Fluent得到了电主轴的稳态温度场，并通过实验验证了仿真的准确性[4]；谢黎明等研究了电主轴的热变形量并提出了抵消热变形量的方法[5]；吴玉厚等通过仿真和实验比较分析得出了电主轴外壳温度变化过程[6]；姜本刚等对电主轴模型的温度场、轴向位移场及应力场进行仿真，得到了电主轴的最高温度和最大轴向位移[7]；康跃然等基于电主轴内部多参量耦合关系建立了电主轴热-结构耦合计算方法，并与试验数据对比，提高了模型计算精度[8]；袁忠秋等研究了在不同转速下油气润滑流体流经电主轴时的速度场分布情况，并提出增加出口长度可提高回流现象出现的临界转速[9]；Grama等提出了一种基于模型的新型冷却策略，能有效减少热误差，并进行了实验验证[10]；Uhlmann等考虑了电主轴复杂的边界条件，对电主轴热态特性进行了模拟和预测[11] 。

高速电主轴单元的热态特性分析
魏效玲;时玉冰;李勇;刘梦晗;王剑锋
【期刊名称】《河北工程大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2014(031)003
【摘要】由于电主轴系统高速运转时,产生大量的热,并导致热变形,本文基于ANSYS对高速电主轴单元的热态特性进行分析.文中采用有限元法对高速电主轴系统模型进行建模,并计算了电主轴系统的发热量及各部位热对流,通过ANSYS进行分析,得到了高速电主轴单元的温度分布、主轴端部的轴向和径向偏移量及位移图.从热态性能中可以分析得出热感应预载荷,并计算得出相应的强度和临界速度.同时研究发现,为了获得更多的预载荷,应该考虑热感应预载荷的影响.
【总页数】4页(P104-107)
【作者】魏效玲;时玉冰;李勇;刘梦晗;王剑锋
【作者单位】河北工程大学机电工程学院,河北邯郸056038;河北工程大学机电工程学院,河北邯郸056038;河北工程大学机电工程学院,河北邯郸056038;河北工程大学机电工程学院,河北邯郸056038;河北工程大学机电工程学院,河北邯郸056038
【正文语种】中文
【中图分类】TG659
【相关文献】
1.数控机床高速电主轴的热态特性分析 [J], 魏效玲;李小锐;玉新民;王杰华
2.接触热阻对高速电主轴热态特性影响研究 [J], 张珂;许文治;张丽秀
3.ADGM高速电主轴热态特性仿真分析 [J], 李丽丽;李安玲;何强;郭龙斌;张鹏伟;周陆航
4.高速电主轴的热态性能分析及实验研究 [J], 涂明;仲梁维
5.高速电主轴热态性能的分析 [J], 陈玉球
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文章编号:167325196(2009)0120028204高速电主轴热态特性的ANSYS仿真分析王保民1,2,胡赤兵1,2,孙建仁1,2,刘洪芹1,2(1.兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室,甘肃兰州　730050;2.兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州　730050)摘要:分析高速电主轴的发热和散热特性,建立高速电主轴热态分析有限元模型.运用ANSYS有限元软件,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.分析结果表明,提高电主轴现有冷却润滑系统的冷却效率可有效控制轴承的温升,但对转子轴的温升影响很小,要有效控制转子轴的温升和提高电主轴的精度和寿命,必须研究转子轴的冷却途径和方法.同时,仿真分析转速对电主轴温升的影响,揭示电主轴温度场分布的非线性特征,为电主轴温升的在线监测和控制提供理论依据.关键词:高速电主轴;热态特性;仿真分析;ANSYS中图分类号:T G659 文献标识码:ASimulation analysis of thermal characteristics of high2speedmotorized spindle by using ANSYSWAN G Bao2min1,2,HU Chi2bing1,2,SUN Jian2ren1,2,L IU Hong2qin1,2(1.Key Laboratory of Digital Manufacturing Technology and Application,The Ministry of Education,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou 730050,China;2.College of Mechano2Electronic Engineering,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou　730050,China)Abstract:The finite element model of high2speed motorized spindle was built up for it s t hermal analysis by analyzing it s heat generation and heat radiation.Wit h t he help of ANS YS finite element software,t he temperat ure field in t hermal equilibrium state and t he effect of cooling and lubricating system of motorized spindle on temperat ure rise were analyzed.Simulation result s showed t hat,by improving t he cooling effi2 ciency of cooling and lubricating system of motorized spindle,t he temperat ure rise of bearing could effec2 tively be cont rolled.This met hod has,however,little effect on t he temperat ure rise of rotor shaft.There2 fore in order to effectively co nt rol t he temperat ure rise of rotor shaft and imp rove t he accuracy and service life of motorized spindle,new heat radiation ways of rotor shaft must be developed.Furt hermore,t he effect of rotation speed on motorized spindle temperat ure rise was analyzed and t he simulation result re2 vealed t he nonlinear characteristics of t he motorized spindle temperat ure field and provided a t heoretical foundation for on2line temperat ure inspection and control of motorized spindle.K ey w ords:high2speed motorized spindle;t hermal characteristics;simulation analysis;ANS YS 以高速切削、高速进给、高精度加工为主要特征的高速加工技术是当代四大先进制造技术之一,是继数控技术之后使制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高新技术.它不仅具有极高的生产率,而且可显著地提高零件的加工精度和表面质量[123].高速电主轴是高速数控机床的核心部件,其性能好坏在很大程度上决定着整台机床的加工精度和效率.然 收稿日期:2008207211 作者简介:王保民(19722),男,甘肃天水人,博士生,讲师.而,电主轴温升引起的热位移严重影响着高速数控机床的加工精度和电主轴寿命,对电主轴的热态特性进行仿真分析具有重要的理论意义和实用价值[427].ANS YS是一种通用的有限元仿真分析软件,具有很强的热分析功能.本文应用ANS YS有限元计算软件,仿真分析了电主轴的温度场分布以及冷却润滑系统和转速对电主轴温升的影响,对实际电主轴的设计、加工制作和试验分析有一定的指导作用,可避免试验的盲目性和浪费.第35卷第1期2009年2月兰　州　理　工　大　学　学　报Journal of Lanzhou University of TechnologyVol.35No.1Feb.20091　高速电主轴的发热计算高速电主轴有两个主要的内部热源:轴承的摩擦发热和内装式电机的损耗发热.1.1　轴承的摩擦发热高速电主轴使用混合陶瓷球轴承,根据Palmgren计算公式[8],轴承滚动体与滚道间接触区的摩擦发热量为H f=1.047Mn(1)式中:M为轴承的摩擦总力矩;n为轴承内圈的旋转速度.轴承总摩擦力矩由两项组成,即M=M0+M1 M0是与轴承类型、转速和润滑油性质有关的力矩,计算公式为M0=10-7f0(νn)2/3d3m νn≥2000M0=1.6×10-5f0d3m νn<2000式中:f0为与轴承设计和润滑有关的系数,对于电主轴角接触球轴承,采用油雾或油气润滑时,f0=1;ν为润滑油在运转温度下的运动黏度;dm为轴承节圆直径.M1是与轴承所受载荷有关的力矩,计算公式为M1=f1P1d m式中:f1为与轴承结构和载荷有关的系数,对于角接触球轴承,f1=0.001;P1为轴承的当量载荷. 1.2　内装式电机的损耗发热高速电主轴采用内置式电动机,电动机在实现能量转换过程中,电动机内部产生功率损耗而使电动机定、转子发热.电机的损耗一般分为4类:机械损耗、电损耗、磁损耗和附加损耗,前3类损耗为主要损耗,附加损耗在总的损耗中所占的比例很小,约为额定功率的1%～5%.研究发现,在电动机高速运转条件下,有近1/3的电动机发热量是由转子产生的,其余2/3的热量是由定子产生[9210].2　高速电主轴的传热计算2.1　轴承与油气润滑系统之间的对流换热系数油气润滑是高速、超高速电主轴轴承的最佳润滑方法,油气润滑的原理就是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给每一套主轴轴承,微小油滴在滚动体和内外滚道间形成弹性动压油膜,而压缩空气则带走轴承运转所产生的部分热量[11].轴承油气润滑的强迫对流换热系数比较难确定,计算通常采用如下经验公式[8]:h a=0.332λl Pr u/(νx)1/2(2)式中:λl为润滑油的导热系数,W/(m・K);Pr为普朗特数;u为对流的速度,m/s;ν为润滑油的运动黏度,mm2/s;x为特征长度,m.2.2　电机与油水热交换系统冷却油之间的对流换热系数电机和油水热交换系统冷却油之间的换热属于管内流体强迫对流换热,冷却水在定子冷却套的螺旋矩形槽中流动,螺旋矩形槽的几何形状可展开成截面为矩形的等效油管,冷却水在管中的不同流态具有不同的换热规律,所用的对流换热系数计算公式也不相同.为此必须先算出雷诺数Re以判别流态,然后选用相应的公式计算[12].管内流体强迫对流的换热系数为h w=N uλw/D(3)式中:λw为流体的导热系数;D为螺旋槽几何特征的定性尺度;N u为努赛尔数.2.3　电机定、转子之间气隙的自然对流换热系数电主轴定、转子之间气隙的传热属有限空间的自然对流换热,由于定、转子表面温差的存在,气流的受热和冷却也同时存在,再加上转子的转动,气流的上升和下沉相互影响.由于气隙很小,这两股气流和旋转气流相互影响,使气隙的对流相当复杂.一种比较实用的观点认为无论对于转子表面或定子表面,其气隙表面的传热系数均可以用下式表示[13]:h g=28(1+ω0.5δ)(4)式中:ωδ为气隙的平均风速,ωδ=u2/2,u2为转子的圆周速度.2.4　转子端部的对流换热系数转子产生的热量一部分通过气隙传给定子,一部分直接传递给主轴和轴承,还有一部分通过端部传给周围的空气.转子端部的传热问题主要是与周围空气的对流换热和辐射换热有关,该热交换的换热系数可用下式表示:h t=28(1+0.45v t)(5)式中:v t为转子端部的平均速度.2.5　高速电主轴与外部空气之间的传热系数高速电主轴和周围空气之间不仅进行对流传热,同时还产生辐射传热,这种对流和辐射同时进行的传热过程称为复合传热.根据文献[14]的实验结果,取复合传热系数h s=9.7W/(m2・K).3　ANSYS仿真分析3.1　高速电主轴的仿真几何模型本文以IBA G H F170.4A20型高速电主轴为・92・第1期 王保民等:高速电主轴热态特性的ANSYS仿真分析 研究对象,为了计算方便,对其所有细小结构与次要部件进行了简化.由于高速电主轴整体上可以看成是轴对称结构,因此在进行热态分析时,取轴向剖面的一半建立有限元分析几何模型(见图1).选用平面单元PLAN E55对高速电主轴有限元模型进行网格划分,共有2015个单元,1703个节点.图1　高速电主轴热态特性分析的几何模型Fig.1　G eometric model of high 2speed motorized spindle3.2　仿真条件1)电主轴的转速:10～16kr/min ,在恒功率范围之内,功率损耗为3kW.2)油2水冷却系统的入水口温度T in =25℃,出水口温度T out ≤35℃,矩形槽截面长宽分别为9mm 和6mm.3)油气润滑系统的压缩空气压力为0.4Pa ,温度为25℃.4)环境温度为25℃.3.3　电主轴恒转速条件时的热态特性电主轴在14kr/min 恒转速下运行,根据前面的分析计算出电主轴各部分的发热和对流换热系数,并进行ANS YS 仿真.轴承的温升如图2所示,前轴承外圈的最高温度为55.2℃,后轴承外圈的最高温度为51.9℃.轴承的温升除了自身的摩擦发热,转子产生的一部分热量通过转子轴传导给轴承,也是造成轴承温升的原因.前轴承的温度高于后轴承的温度,是因为前、后轴承的类型不同、生热率不同和轴承的预紧力不同等因素造成的.在实际加工条件下,由于前轴承为受力轴承,前轴承温升会比后轴承更高.轴承的温升是导致轴承失效的主要原因,为提高轴承和电主轴的寿命,必须严格控制轴承的图2　电主轴轴承的温升(n =14kr/min)　Fig.2　T emperature rise of bearing for high 2speedmotorized spindle (n =14kr/min)温升.电主轴在14kr/min 转速下运行40min 后达到热稳定状态时的温度场分布如图3所示.从图3可以看出,定子的温度较低,因为定子上的油水冷却系统带走了定子上的大部分热量.而转子轴的温度最高,约为157℃,这是由于转子的散热条件不好,热量容易累积而使温度上升.转子轴的温升引起的轴向热位移是导致电主轴精度降低和轴承失效的主要因素,因此有效控制电主轴的温升是提高电主轴精度和寿命最有效的途径.图3　高速电主轴的温度场分布Fig.3　T emperature f ield of high 2speed motorized spindle3.4　油水冷却系统对电主轴温升的影响油水冷却系统是电主轴主要的冷却方式.以14kr/min 恒转速运行时,电主轴的温升随冷却水流量的变化如图4所示.从图4可以看出,提高油水冷却系统的冷却效率对电主轴定子的温升影响最大,对轴承的温升也有一定的影响,但对转子轴的温升影响很小.图4　电主轴温升随冷却水流量的变化Fig.4　E ffect of w ater cooling flow rate on temperaturerise of high 2speed motorized spindle3.5　油气润滑系统对电主轴温升的影响轴承油气润滑系统是轴承主要的冷却润滑方式.电主轴以14kr/min 恒转速运行时,电主轴的温升随空气流量的变化如图5所示.从图5可以看出,提高油气润滑系统的冷却效率可有效控制轴承温升,但对定子和转子轴的温升影响很小.3.6　转速变化对电主轴温升的影响与普通主轴相比,电主轴的转速等切削条件更・03・ 兰州理工大学学报 第35卷图5　电主轴温升随空气流量的变化Fig.5　E ffect of air cooling flow rate on temperature riseof high 2speed motorized spindle加多变,对电主轴温升的影响也不容忽视.如果电主轴开始以10kr/min 的速度运行2000s 达到热稳定状态,然后以16kr/min 的速度运行500s ,再以10kr/min 的速度运行1500s 重新回到稳定状态,以此作为仿真条件.在电主轴的前端选择4个位置(如图1所示),仿真分析转速变化对电主轴这4个位置温升的影响.仿真结果如图6所示,从达到温升峰值的时间可以看出,位置1和2几乎同时到达峰值,位置3滞后位置1约30s ,位置4滞后位置1约21s.从温升幅值可以看出,位置1最大,位置2次之,位置4比位置2稍小些,位置3最小.由此可以看出,各位置的温度变化存在幅值衰减和时间滞后,是一种非线性关系;电主轴内部的温度变化,则能较准确地反映转速等切削条件和轴承温升的变化,而电主轴体表温度对转速等切削条件和轴承温升的变化不够敏感.图6　转速变化时电主轴温升随时间的变化Fig.6　T emperature rise of high 2speed motorized spindleunder the condition of different rotation speed4　结论1)提高现有冷却润滑系统的冷却效率可有效控制轴承的温升,但对转子轴的温升影响很小,而转子轴的温升是导致电主轴精度降低和轴承失效的主要原因.因此,要从根本上改善电主轴的热态特性和提高电主轴的精度以及轴承寿命,必须研究电主轴转子轴的冷却途径和方法.2)转速等切削条件变化引起的电主轴各位置温度变化是一种非线性关系.因此,在对电主轴和轴承温升进行在线监测和控制中应尽可能将温度监测点的位置选择在电主轴内部.参考文献:[1]　BOSSMANNS B ,J A Y F T.Thermal model for high speed mo 2torized 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基于有限元分析方法的高速电主轴温度场仿真陈红蕾【摘要】高速切削加工是先进制造技术的主要发展方向之一,高速电主轴作为高速加工机床的核心部件,由于其主电动机的散热条件较差,轴承温升比较高,由此引起的热变形会降低机床的加工精度.本文对高速电主轴的温度场进行了研究,建立了电主轴的有限元仿真系统.在对整个温度场的研究中,把内部空间域离散化为有限单元,对每个单元求解,可得出有限个热传导方程,对这些温度场求解得到了所需的温度场分布图.最终实现了对电主轴温度场的预测,并据此提出了改善其热态特性的措施.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2010(000)003【总页数】3页(P41-43)【关键词】高速电主轴;有限元分析;温度场【作者】陈红蕾【作者单位】兰州工业研究院,甘肃,兰州,730050【正文语种】中文【中图分类】TG74.9高速切削加工是先进制造技术的主要发展方向之一,现代数控机床和加工中心的发展主要方向和特征是机床的高速化[1]。

高速电主轴作为高速加工机床的核心部件,由于电动机的损耗发热和轴承的摩擦发热是不可避免的,由此引起的热变形很有可能降低机床的加工精度,因此,在实际加工过程中,电主轴温度场的变化成为影响加工精度的一个主要因素。

本文以一种车铣加工中心电主轴为例,运用有限元软件ANSYS对其温度场进行仿真分析,并据此对其热稳性提出了改善措施。

1 高速电主轴的结构高速电主轴的典型结构如图1所示。

电主轴其实是内装式电动机主轴,主要由无外壳主轴电动机、前后轴承和主轴箱体等组成。

电动机的转子采用压配方法与主轴做成一体,主轴则由前后轴承支撑,电动机的定子通过冷却套安装于主轴单元的壳体。

这种结构与传统的用带、齿轮等作末端传动的结构相比,可较大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,这种结构简单、紧凑,也可用于多轴联动机床、多面体加工机床和并联机床。

现在,电主轴已成为一种机电一体化的高科技产品[2],瑞士的 FISCHER公司、IBAG 公司和 STEP-UP公司,德国的GMN公司和FAG公司,美国的PRECISE公司,意大利的GAMFIOR公司和FOEMAT公司,日本的NSK公司和KOYO公司以及瑞典的SKF公司等都能供应标准系列的电主轴。