基于热接触分析的电主轴热态特性研究

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高速加工能大大地提高生产率和降低生产成本,是一项非常有前途的先进制造技术。高速机床是实现高速加工的必要条件,高速电主轴是高速机床的关键部件。与传统的传动方式相比,高速电主轴使用内装式电机直接驱动,取消了齿轮、皮带等中间传动环节,实现了机床主传动的“零传动”,它不仅极限转速高、加减速度大而且还能传递大功率、大扭矩,具有良好的动、静态特性,然而电主轴也具有缺陷,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,轴承的温升较高,由此产生的热变形严重影响高速机床的加工精度。这一缺陷大大地限制了高速电主轴的研制与应用。改善电主轴的热态特性,以减少电主轴的温升和热变形是当前电主轴研究的主要内容之一。本文首先对电主轴的结构特点及散热特性进行了分析,随后对基于热接触有限元分析的理论作了简要概述,并给出了电主轴的热载荷、热边界条件的计算方法;最后对车铣用电主轴的热态特性利用ANSYS进行了基于热接触理论的有限元分析,通过实验对其准确性进行了验证。为改善该电主轴的热特性,提出了两种改进措施:一是采用油-气润滑;二是对主轴轴承座进行强制冷却。对采取改进措施后的电主轴分别进行了有限元热特性分析,分析结果表明这两种改进措施对改善电主轴的热态特性具有明显效果。另外还分析了多种工况下电主轴的热变形和热应力,以及电主轴的热变形和热应力对电主轴精度和结构安全性的影响。
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