高速电主轴热态特性的有限元分析3FEAofThermalPropertiesforHighSpeedMotorizedSpindle广东工业大学黄晓明张伯霖肖曙红[摘要]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-水热交换冷却系统和油-气润滑系统的散热特性,在此基础上建立了高速电主轴温度场的有限元分析模型,并用ANSYS有限元软件进行温度场的计算。最后提出了改进高速电主轴温度场分布的主要措施。关键词:高速加工电主轴热态特性有限元法ANSYS[ABSTRACT]Inthispaper,theheatgenerationdevelopedfromthebuilt2inmotorandthebearingfric2tionisanalyzedandtheanalysisoftheheatrediationsofoil2waterheatexchangecoolingsystemandoil2airlubri2cationsystemarealsodone.Onthisbasis,thefiniteele2mentanalysis(FEA)modelofthehighspeedmotorizedspindletemperaturefieldisbuiltandthetemperaturefieldiscalculatedbyusingANSYSsoftware.Themainmeasurestoimprovetemperaturefieldofthehighspeedmotorizedspindlearebroughtforward.Keywords:HighspeedmachiningMotorizedspindleThermalpropertiesFEAANSYS高速机床是实现超高速加工的前提和基本条件。高速机床的主轴是由内装式电机直接驱动的,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”〔1〕。这种由内装式电机和机床主轴“合二为一”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单元,称为高速电主轴(HighSpeedMotorizedSpindle)。高速电主轴是高速机床的核心部件,但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,因切削力引起的加工误差比较小,然而,电主轴中电机的损耗发热和轴承的摩擦发热却是不可避免的,由此引起的热变形如果处理不当会严重地降低机床的加工精度。因此,在高速加工中,3科技部“十五”重点攻关资助项目(No.2001BA203B15),教育部智能制造重点实验室开放基金项目(No.200215)。电主轴的热态特性成为影响加工精度的一个主要因素,并直接限制电主轴转速的提高。1高速电主轴的结构图1所示为高速电主轴结构简图。该电主轴的主轴部件由前后两套角接触混合陶瓷球轴承支承:前轴承固定,承受径向载荷和双向轴向载荷;后轴承在轴向可以有微量位移,以补偿主轴工作时的热伸长。前后轴承均采用定位式预紧。电机转子用压配合方法安装在主轴上,处于前后轴承之间。电机定子通过冷却套安装在电主轴的壳体中。主轴内部安装有OTT拉刀机构。主轴后部安装有测速传感器。主轴轴承采用油-气润滑系统进行冷却和润滑。电机采用油-水热交换系统进行冷却。图1高速电主轴结构简图Fig.1Structurediagramofhighspeedmotorizedspindle2高速电主轴的热源分析高速电主轴有两个主要的内部热源:内装式电机的损耗发热和轴承的摩擦发热。2.1内装式电机的损耗发热电主轴使用的无外壳电机的部分参数见表1。电机定子和转子的发热来源于电机的损耗。电机表1无外壳电机的部分技术参数额定功率Pn/kW额定转速nn/r·min-1最高转速nmax/r·min-1额定扭矩Mn/N·m额定功率损耗PVn/kW19.92340180001243.802科技成果·学术论文2003年第10期的损耗一般分为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%〔2〕。假定电机的额定功率损耗(PVn=3.8kW)全部转化为热量,则其中2/3热量由定子产生(约2.53kW),1/3热量由转子产生(约1.27kW)。2.2轴承的摩擦发热高速电主轴使用混合陶瓷球轴承,其滚动体为Si3N4陶瓷球,轴承内外套圈材料仍为GCr15钢。高速电主轴前后轴承的部分技术参数见表2。表2前、后轴承的部分技术参数参数前轴承后轴承内径d/mm7060外径D/mm11095滚动体直径Db/mm11.11259.5250滚动体数目Zbrg/个1918原始接触角α0/(°)1515预紧力F0/N155111根据Palmgren公式,轴承滚动体与滚道间接触区的摩擦发热量为Φ=Mw。(1)式中:Φ为轴承摩擦发热量;M为轴承摩擦总力矩;w为轴承内圈的旋转速度。轴承摩擦总力矩M由轴承空转时润滑剂粘性产生的摩擦力矩M0和与速度无关的载荷作用下产生的摩擦...
