高速电主轴热特性分析与建模技术研究
高速电主轴是数控机床实现高速、高精度加工的关键部件，其工作性能对数控机床的加工精度和生产效率有极大的影响。热态特性是反映电主轴工作性能的一个重要因素，电主轴温度过高、变形过大会导致零部件磨损严重，主轴精度降低，影响电主轴的加工精度。本文以Setco 231A240型高速电主轴为研究对象，分别采用理论、仿真和试验的方法对电主轴的热态特性进行了分析和建模技术研究，具体研究内容如下： （1）基于传热学理论，分析了电主轴的主要热源，建立了电主轴内置电机生热模型和轴承生热模型。对电主轴内部的传热机理进行了分析，详细研究了油气润滑和冷却系统的对流换热形式。基于热传递基本方程给出了电主轴生热和传热系数的计算方法，为后续电主轴热特性分析提供了支撑。 （2）基于热阻网络法，通过热阻基本计算公式，考虑了电主轴不同的对流形式，建立了高速电主轴的热阻计算模型。根据电主轴结构特性建立了热网络模型，基于Kirchhoff能量平衡原理建立了电主轴热平衡方程，并采用牛顿迭代法在Matlab中计算得到了电主轴各关键节点的温度。 （3）采用Creo软件建立了电主轴的流体域和固体域模型，分析了耦合问题的两种求解方法即单向耦合和双向耦合的区别，采用单向耦合方法建立了电主轴热流固耦合模型。基于流体流动控制方程、热分析基本方程和结构分析方程，对电主轴有限元模型进行求解，得到了电主轴的温度场和热变形。在电主轴热特性试验平台上进行了温度测量和变形测量试验，将温度热网络值、仿真值与试验值进行比较，变形仿真值与试验值进行比较，验证了热网络模型与热流固耦合有限元模型的准确性。在特定工况下，将热网络关键节点温度与仿真温度数据对比，证明仿真模型能得到较准确的温度场分布。 （4）基于建立的热流固耦合有限元模型，采用单因素分析和响应面方法研究了转速、冷却液流量、冷却液温度、空气流量和预紧力对电主轴热特性的影响，给出了温度和变形变化曲线图，并拟合了不同因素与变形的响应面，获得了在指定温度或变形范围时，电主轴符合要求的不同工况参数组合。
数控机床;高速电主轴;热特性分析;油气润滑;传热系数
南京航空航天大学
硕士
机械电子工程
陈蔚芳
2020
中文
TG659
2021-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）