基于有限元分析方法的高速电主轴温度场仿真
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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。
图1 电主轴的结构组成1.主轴;2.轴承;3.主轴箱体;4.无外壳主轴电动机;5.电动机反馈;6.电源接头
2 电主轴温度场理论与有限元仿真计算
2.1 3类边界条件
高速电主轴工作过程中有2个主要的内部热源：内装式电动机的损耗发热和轴承的摩擦发热。
在对整个温度场的研究中,可以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,对这些温度场求解就可得到所需的温度场分布。
利用有限元法建立高速电主轴温度场的数学模型,整个温度场域[3]由3类边界条件组成。
1)第1类边界条件是指物体边界上的温度函数为已知,用公式表示为：
式中,Γ为物体边界;f(x,y,t)为已知温度函数(随时间位置而变)。
2)第2类边界条件是指物体边界上的热流密度q为已知,用公式表示为：
式中,q为热流密度(常数)。
3)第3类边界条件是指与物体相接触流体介质的温度Tf和换热系数α已知。
用公式表示为：
式中,Tf和α可以是常数;也可以是随时间和位置变化的函数。
2.2 高速电主轴工作状态温度场参数的界定
本文是以一种新型的车铣中心电主轴为例,对其温度场参数进行界定。
该电主轴的额定功率为11 kW,额定扭矩为68 N◦m,其最高转速为8000 r/min。
电主轴的内部热源主要指电动机和前、后轴承的生热率。
生热率指单位体积的发热量。
式中,Q为热源的发热量;V为热源的体积。
主轴电动机额定功率为11 kW,额定功率损耗为2.35 kW,假设功率损耗全部转化为热量,其中2/3为定子产生,其余1/3为转子产生,可以计算出定子和转子的生热率分别为7.63×105W/m3和7.56×105W/m3。
主轴利用油-水热交换系统强制冷却,冷却油的流量为Q=2.4 L/min,入口温度为Tin=20℃。
环境温度为20℃。
2.3 温度场仿真流程及计算结果
将2.2以上参数定义为电主轴的边界条件,利用ANSYS软件将其加载到有限元分析模型上,进行分析求解[4],具体流程如图2所示。
最终可得到电主轴为8000 r/min
时的温度场分布图,进而经过计算可得出高速电主轴内置电动机有限元分析计算图(图3)。
由图3可以清晰看出,电主轴温度场的有限元计算结果,转子的工作温度高达140～160℃,定子的温度为45～75℃,只有采取有效的冷却措施,才能使电主轴正常运行。
2.4 减小高速电主轴发热量的措施
电动机的损耗通过空气或磁场传递给主轴,所以主轴周围的空气温度都很高,主轴很
难再通过空气传导传递出热量,另外,空气本身就是热的不良导体,因此主轴的温升很严重。
目前主轴安装在密封的机壳内,没有通风条件,只是在主轴壳体内通过循环水
来冷却,但这种办法只能减小定子线圈的发热量,对转子起不到直接的散热作用。
据以上原因,在电主轴结构设计中,我们除了采用加装冷却水管外,还应该增强壳体内部空气的对流,强制对流应该是比较有效地减少转子发热量的办法。
目前可行的办
法是在壳体上加装散热排风口,安装小型排风机使壳体内部空气强制对流,利用内部
产生的负压,再通过吸风口吸入空气,进而起到降温的作用。
3 结语
本文在对高速电主轴温度场的分析中,采用有限元方法,在有限元软件ANSYS中仿
真并计算出高速电主轴温度场分布图,完成了对电主轴温度场的预测。
该图可以清
晰得出高速电主轴内置电动机的温度场分布,从而对减小高速电主轴发热量提出了
改进措施。
参考文献
[1]张伯霖,杨庆东,陈长年,等.高速切削技术[M].北京：机械工业出版社,2002.
[2]张明华,袁松梅,刘强,等.基于有限元分析方法的高速电主轴热态特性分析[J].制造技术与机床,2008(4)：29-32.
[3]张朝晖,范群波.ANSYS8.0热分析教程与实例解析[M].北京：中国铁道出版社,2005.
[4]肖曙红,郭军,张伯霖,等.高速电主轴热结构耦合特性的有限元分析[J].机械设计与制造,2008(9)：96-98.。
