基于热管冷却的电主轴热特性研究

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随着高速机床的快速发展,电主轴已不同于传统的主轴系统,而是将电动机和主轴做成一体,密封于壳体内。在电主轴系统里,虽然装有冷却水套,但是电机的发热以及轴承的摩擦生热,给主轴系统带来大量热,又因为其结构特殊,使得热量无法及时有效地散出。主轴、轴承及其它零部件就会产生温度梯度,导致热变形影响机床的加工精度。在加工过程中电主轴的性能直接决定机床的加工精度,因此必须采取一定的措施控制电主轴的温度。目前一般采取强制循环油的冷却方式对主轴电机及轴承进行冷却,但是这种方法结构相对复杂,需要额外的动力装置和密封装置,使用热管则可以避免这些问题,在当前能源紧张的情况下,简单、经济的热管冷却是一个值得注重的研究方向。本文提出了一种基于热管的电主轴冷却方式针对高速卧式加工中心电主轴,首先对电主轴的主要热源、传热机制做了深入分析,在其基础上分别模拟分析了利用冷却套进行热交换电主轴和热管冷却下电主轴温度场及热变形情况,并将两者的模拟结果进行比对,为改善机床的加工精度提供了理论基础。  本研究主要内容包括:⑴利用UG软件建立电主轴的三维模型,对主要热源进行了分析,在传热机制以及传热学理论的基础上,建立了电主轴系统的传热模型。⑵对电主轴系统建立了三维模型,在此基础上利用有限元分析软件ANSYS WORKBENCH对建立的三维模型进行了稳态温度场分析。⑶在对电主轴系统稳态温度场分析的基础上,对其进行了热—结构耦合及热变形情况的分析。⑷建立了热管冷却电主轴系统的三维模型,在有限元分析软件里对其进行了稳态温度场分析,并进行了热----结构耦合分析。⑸将利用冷却套进行热交换的电主轴系统和热管冷却下的电主轴系统的温升以及热变形结果作对比,发现在热管冷却下的电主轴系统其温升变化更低、温度场达到平衡的时间更短,热变形带来的影响更小,有利于进一步提高机床加工精度。
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