高速精密电主轴系统热态特性研究与分析

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高速精密现代化是当前装备制造业发展的必然趋势。高速精密电主轴成为高速精密加工的核心功能部件。电主轴使用内装式电机直接驱动,进而取代了齿轮、皮带等中间传动环节,实现了机床主传动的“零传动”。由于内装式电机的功率损耗发热和高速滚动轴承的摩擦发热,使得高速电主轴的发热量很大,严重影响电主轴的加工性能,研究电主轴的热态特性,减少电主轴的温升和热变形是当前精密电主轴的主要研究任务之一。  本论文主要围绕高速精密电主轴的热态特性展开的,总结全文,将研究内容归纳如下:  (1)系统概述了电主轴热学研究领域理论及方法的研究现状,介绍了高速精密电主轴技术在国内外的发展现状和未来发展趋势,指出了电主轴在现研究阶段存在的问题,同时还阐明了本课题的研究背景、意义和内容。  (2)基于电主轴的结构特点和传热学理论基础,介绍了其结构特征和技术参数,分析了电主轴的主要热源和散热方式,详细计算了电主轴热源和传热边界条件。为电主轴的热态分析奠定了理论基础。  (3)阐述了传热学及热弹性力学等热学理论,基于电主轴的热边界条件,对其进行稳态理论分析和瞬态理论分析,提出分析方法,构建了电主轴电机的热态数学模型,并进行了实例分析;基于热阻网络方法,考虑到轴承座、主轴、冷却系统对轴承的影响,建立了轴承热阻网络模型;将电主轴的轴承热变形和主轴热变形分别看做求解圆柱坐标系中空心圆盘和长圆柱的热应变问题。  (4)利用UG系统和ANSYS软件建立了电主轴有限元模型,对整机及各关键部件的热态特性进行了有限元仿真分析,详细介绍了仿真分析的过程和方法,得到了电主轴整体温度场分布,并对轴承和主轴的热变形进行了仿真分析。  (5)通过搭建电主轴试验台,完成了高速精密电主轴的温升实验,结合理论模型进行了分析研究,得到电主轴各主要部位随转速的变化规律;为改善电主轴的热特性,提出优化冷却系统的设想。
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