含有碳纤维结构的高速电主轴设计及热伸长研究
高速电主轴作为数控机床或加工中心的核心部件，当它高速运转进行工作时，内部的轴承摩擦和电机的定子转子的电磁损耗会产生大量热量，使得电主轴的温度上升，从而使得电主轴发生热变形，热伸长量变大，降低电主轴加工精度，严重情况下甚至会破坏电主轴的正常结构，使其不能正常工作。因此研究高速电主轴内部的生热传热过程，采取各种措施来降低电主轴的温度十分必要。碳纤维具有各向异性的特点，虽然碳纤维在沿着纤维方向的导热系数很大，但碳纤维材料在沿着与纤维方向垂直的方向上导热系数很小。因此本文探索在主轴和前轴承之间设置一个碳纤维轴套来减少轴承摩擦产生的热量向主轴传递，从而降低主轴的温度，减小主轴的轴向热伸长量，提高电主轴的加工精度。 首先，通过对电主轴的开发方案进行分析，并对市场调查研究确定电主轴的技术指标，进而对电主轴的整体布局、电机、轴承、主轴、碳纤维轴套、冷却密封系统、换刀系统设计并进行有关校核，最终使用SOLIDWORKS软件建立含有碳纤维结构的高速电主轴的三维模型。 其次，对含有碳纤维结构的高速电主轴的三维模型进行简化，并在此基础上研究电主轴的受力和约束，然后通过ANSYS Workbench软件进行静力学仿真，获得应力应变分布规律，确保电主轴结构的合理性；进行模态分析，研究共振发生的可能性；进行谐响应分析，探讨刀具所受切削力对电主轴的影响。 再次，根据传热学的相关原理，分析含有碳纤维结构的高速电主轴的电机电磁损耗和轴承摩擦产生的热量情况，并研究冷却策略。通过对含有碳纤维结构的高速电主轴的三维模型进行简化，并用ANSYS Workbench软件建立热-固耦合模型，从而对电主轴的稳态热和热伸长进行仿真分析，获得电主轴的稳态温度场云图和稳态热伸长量云图，研究碳纤维结构即碳纤维轴套对于电主轴温度和轴向热伸长的作用。 最后，搭建实验平台，对含有碳纤维轴套的电主轴和不含碳纤维轴套的电主轴进行热伸长量的测量实验，并对实验数据处理后进行分析，探究碳纤维轴套对电主轴热伸长量的影响。对含有碳纤维轴套的高速电主轴进行不同转速下的温度测量实验，然后对实验结果进行分析，确定温度分布规律，与热伸长测量的实验相互印证，确定碳纤维轴套在电主轴中具有降低主轴温度和鼻端热伸长的作用。
数控机床;高速电主轴;碳纤维结构;热伸长量
哈尔滨理工大学
硕士
机械工程
吴明阳
2022
中文
TG659;TG502.34
2022-09-21（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）