高速陶瓷电主轴的热态特性分析.pdf

1、 精密制造与自动化 2016年第4期 10 高速陶瓷电主轴的热态特性分析*饶成晨1 赵 朋1 傅建中1 陈 涛2（1.浙江大学 机械工程学院 杭州 310027；2.武汉理工大学 机电工程学院 武汉 430070）摘 要 利用高速陶瓷电主轴热稳态和热瞬态的热力学模型，研究了热态性能对零件加工精度的影响，结合某高速精密加工中心的主轴单元，用有限元计算和分析了温度场及热平衡时间，将结果与实验进行比较，证明其有效性。结果表明：高速陶瓷电主轴在运转时热量主要来源于内置电机的损耗发热和轴承摩擦生热。前后轴承、定子和转子是热量集中处，最高温度出现在转子与定子间间隙处，为 62.23，需采用良好的散热措施进

2、行散热；精密磨削加工前应提前启动机床，进行 10 min 的预热，使机床各部件达到热平衡，减少热变形带来的加工误差，提高加工质量。该建模方法以及热力学模型可为高速电主轴的优化设计和研制提供一定的参考。关键词 高速 陶瓷电主轴 稳态热分析 瞬态热分析 有限元 电主轴的动静热态特性对机床的加工精度、生产效率及使用寿命都有很大影响1,2，其中热误差所占机床总误差高达 70%3。随着加工技术的进步和新型材料的不断涌现，陶瓷在电主轴上的应用逐渐扩大，与传统的钢制零件相比，在高速旋转下陶瓷主轴以及轴承产生的离心力小、热量少，同时陶瓷具有硬度高、耐高温腐蚀、密度小、线膨胀系数低、弹性模量大、不导电及不导磁等

3、优点4，能改善高速电主轴的工作性能。有限元法是机械工程领域分析热态特性的常用方法，能将连续的无限自由度的问题转化为离散有限自由度的问题5，对温度场和热变形进行模拟仿真。目前对于陶瓷电主轴完整的热态分析的实验分析较少，大多只是针对一般电主轴的分析。2007 年，Xu 等将有限元模型和接触热阻模型两者相结合，获得计算大梯度温度场的模型6；2009 年，王保民等为了揭示电主轴温度场分布的非线性特征，应用有限元法分析电主轴的产热和散热来建立热分析模型7；2011 年，周芝庭等应用有限元软件对主轴、滚 *国家自然科学基金资助项目 编号：51475420 珠丝杠为整体的卧式加工中心进行温度场和热变形的分析

4、8。目前对高速陶瓷电主轴的研究考虑热态特性是不可缺少的，本文将以某高速精密磨削加工中心的陶瓷电主轴为例，通过 ANSYS 建立有限元模型，对其进行稳态热分析和瞬态热分析，为该类高速陶瓷机床电主轴的使用和设计提供理论基础和参考依据。1 1 有限元模型建立有限元模型建立 电主轴稳态热分析采用热实体 Thermal Solid70单元，为了方便计算其在不同部位的生热率及热对流情况下温度的变化情况及准确性，本文在稳态热分析时对该高速陶瓷电主轴分析结构进行简化，简化原则有以下几点9：（1）电主轴只保留电主轴的主轴、转子、定子、套筒以及前后轴承等主要零件，忽略拉刀、螺钉、密封环等；（2）电主轴的主轴、转子

5、、定子、套筒及前后轴承的材料属性相同，均为 Si3N4 陶瓷；（3）转子、定子均等效为厚壁圆筒。依据上述简化条件，利用三维软件 Proe 建立电主轴的简化模型，如图 1 所示。试验与研究 万方数据 饶成晨 等 高速陶瓷电主轴的热态特性分析 11 图图 1 热态分析简化三维模型图热态分析简化三维模型图 2 2 热载荷和边界条件的确定热载荷和边界条件的确定 高速电主轴温升后，又因与外界介质的对流、导热和热辐射而冷却，经发热冷却多次反复循环，系统最终达到某一稳定的温度10-12，即热平衡。热平衡时电主轴各部件的温度变化较小，引起主轴单元的变形也较小，有利于加工精度的提高。由于高速电主轴系统各部件之间

6、的传热与主轴形状尺寸以及周围环境都有密切的关系，实际测量其热态性能存在一定的难度，所以，需要对高速电主轴的热态特性进行有限元分析，得到电主轴各部件的温度场分布情况及热平衡时间，为主轴单元的设计和使用提供一定的理论基础。高速电主轴工作时会大量生热，其热源有两大部分，分别是电主轴中电动机的耗损生热和轴承的摩擦生热。参考相关资料，给定热态分析的初始条件：（1）环境温度为 T0=20；（2）电主轴最大转速为 20 000 r/min；（3）冷却系统的进出口温度为Tin=30和 Tout=40，轴壳温度为 40。将该高速陶瓷电主轴主要部件的生热率及相关理论计算的传热系数的结果，整理后如表 1 所示，作为热态特性有限分析时的热载荷和边界条件。3 3 稳态热分析稳态热分析 稳态传热通常在瞬态热分析之前，主要分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。确定电主轴系统的初始温度分布是进行稳态热分析的主要目的13，计算并确定由稳定的热载荷所引起的温度变化、热梯度分布、热变形等情况。将计算所得的载荷加载在有限元模型上，利用ANSYS 求解获得该电主轴的热稳态温度场分布云图，如图 2 至图 4 分别为电主轴内部、外部