高速电主轴温度场分布研究

以加工中心高速电主轴单元为研究对象,分析电机的损耗发热和轴承的摩擦发热两个主要热源,计算了热源的生热率和电主轴各部分之间的对流换热系数。运用ANSYS有限元软件建立了电主轴温度场瞬态和稳态模型,以对流换热系数为边界条件、生热率为载荷进行分析,得出该电主轴的稳态温度场分布以及轴承的瞬态温升曲线。最后提出改善电主轴温升的有效措施,为电主轴的温升控制提供理论依据。     

高速高精密机床主轴温度场的有限元分析

分析了高速电主轴中内装式电动机的损耗发热和轴承的摩擦发热,研究了油-水热交换冷却系统和油-气润滑系统的散热特性,在此基础上建立了高速电主轴温度场的有限元分析模型,并用ANSYS有限元软件进行温度场的计算.     

高速高性能电主轴热态性能分析

基于高速电主轴的能量流模型,应用摩擦学和电磁学理论分别计算轴承的生热率和内置电机的电磁损耗;应用传热学理论,确定电主轴的热边界条件.在此基础上建立电主轴有限元分析模型,并对其仿真分析和求解.结果表明,前端轴承、主轴前端和定子是电主轴温升最严重的部位,且在主轴运行初始阶段,温升最快.因此要改善电主轴的热态性能,不仅要在温...     

高速陶瓷电主轴的热态特性分析

利用高速陶瓷电主轴热稳态和热瞬态的热力学模型,研究了热态性能对零件加工精度的影响,结合某高速精密加工中心的主轴单元,用有限元计算和分析了温度场及热平衡时间,将结果与实验进行比较,证明其有效性。结果表明:高速陶瓷电主轴在运转时热量主要来源于内置电机的损耗发热和轴承摩擦生热。前后轴承、定子和转子是热量集中处,最高温度出现在转子与定子间间隙处,为62.23℃,需采用良好的散热措施进行散热;精密磨削加工前应提前启动机床,进行10 min的预热,使机床各部件达到热平衡,减少热变形带来的加工误差,提高加工质量。该建模方法以及热力学模型可为高速电主轴的优化设计和研制提供一定的参考。     

高速电主轴稳态热性能分析

详细介绍了高速电主轴内部的发热特性,包括轴承的摩擦生热、电机运转生热以及内部空气与高速旋转主轴的粘性摩擦生热,分析了电主轴内部的热传导机制及冷却机制,建立了比较通用的电主轴热特性计算的理论模型,并以实际项目的电主轴为例进行了有限元分析,对实际工作中的电主轴结构设计具有较强的指导意义。     

永磁同步电主轴热态特性分析

针对电主轴的热分析主要集中于内置电机为感应电机的电主轴,对内置电机为永磁型的研究甚少的现状,基于电磁学和摩擦学理论对永磁型电主轴的热源进行了计算,并使用传热学经典理论计算电主轴热边界条件。以此为基础在Ansys Workbench中建立电主轴有限元分析模型进行热态分析,根据求解结果进行热-结构耦合分析。结果表明,由于永磁同步电主轴有着转子不发热的固有特性,导致热量主要集中在前后轴承处并使主轴产生热变形。     

高速滚珠轴承电主轴热态特性分析

为研究高速滚珠轴承电主轴的热特性对其性能的影响,计算轴承的热源生热并进行热特性仿真。研究轴向载荷和转速对接触角的影响规律,进而采用局部热计算方法计算轴承的热损耗。结果发现,轴承的旋转速度对其热损耗的影响比轴向载荷作用更明显,并且滚珠的自旋摩擦是轴承生热的主要形式。结合热源生热计算结果,运用ANSYS对一定转速的空载电主轴分别进行稳态热分析和瞬态热分析,发现电主轴的最高温度点出现在内置电机转子的中心区域。将稳态热分析结果加载到有限元模型进行热-结构耦合分析,发现最大轴向位移出现在主轴的最前端,最大轴向应力则出现在前轴承球与外滚道的接触区域。设计空载电主轴温升测定实验,验证仿真结果的正确性。     

超高速磨削电主轴磁热耦合分析

磨削电主轴高速运行时内置电机温升较大,对其工作性能将产生严重影响。以超高速磨削电主轴为研究对象,采用双向耦合方法进行电主轴电机磁热分析。分别建立电主轴电磁场与温度场的有限元分析模型,对电主轴散热边界条件和材料的温度特性进行计算。将电磁场分析得到的电磁损耗导入到温度场中计算温度场分布,根据温度场改变电磁场材料属性参数以更新电磁损耗,实现电磁场与温度场的磁热双向耦合分析。通过绕组端部的温升实验结果与仿真结果对比分析可以得出,采用磁热双向耦合的分析方法,可以提高磨削电主轴温度场分析的准确性。     

基于有限元分析方法的高速电主轴热态特性研究

介绍了高速电主轴的特点,分析了高速电主轴单元的热变形机理与散热机制。建立了某型高速电主轴热态特性有限元分析模型,利用ANSYS进行了稳态／瞬态温度场及热-结构耦合场分析,并利用分布加载瞬态热分析模拟了机床一天中的实际工作情况,得到了电主轴的温度场变化情况,为有效控制电主轴的温升提供了理论依据。在分析结果的基础上,提出了改善电主轴热态特性的措施,为电主轴冷却结构设计提供了参考。     

高速电主轴系统热变形分析及抑制措施

从加工中心电主轴的结构和热源两方面对电主轴热变形原因进行了分析,提出了降低电主轴温升的技术方案,主要采取了减小轴承发热量、减小电动机发热量、主轴轴承循环冷却及油气润滑系统等措施,通过基于比利时Lemmens多通道动态监测仪和高精度pt100温度传感器的试验验证,高速加工中心电主轴的温升得到了有效控制,其机械性能、可靠性也得到了保障,对加工中心高速电主轴的应用及发挥其潜能具有非凡的现实意义。     

电主轴温度场与热变形的仿真与实验研究

以Setco 231A240型高速电主轴为研究对象,考虑了内置电机的损耗生热和轴承的摩擦生热,计算了电主轴各部分之间的传热系数,利用有限元软件Workbench建立电主轴有限元模型,分析得到了电主轴在不同因素影响下的温度场分布,基于电主轴热-结构耦合关系分析得到了温度影响下电主轴的热变形。仿真结果显示,较低转速下电主轴转子温度最高,转速对电主轴温度影响较大;电主轴头尾部热变形较大,主要为轴向变形。最后,将温度场仿真数据与实验数据对比,验证了仿真分析的准确性。     

龙门加工中心主轴系统的热态性能分析技术研究

龙门加工中心主轴系统热态特性是提升机床性能的一个关键问题。针对龙门加工中心主轴系统热态特性分析的需要,建立有限元分析模型,计算主轴轴承的发热量以及主轴系统各个表面的对流换热系数,利用ANSYS WORKBENCH对其温度场、热变形状况以及热-结构耦合问题进行了分析计算,得到了不同位置轴承对总热变形的影响以及不同转速条件下主轴系统的稳态热态性能。实验测试数据表明分析计算结果的准确性较高,可用于指导该型龙门加工中心主轴系统结构优化设计和热变形补偿。     

电主轴设计的几个关键问题

论述用于立式加工中心的电主轴设计时轴承的合理选择,使用有限元分析了20 000r/min主轴的固有频率特性以及电动机和轴承发热对主轴精度的影响,完成了高速主轴单元的结构设计.     

高速硬盘螺旋槽动压滑动轴承变温条件下的动力学特性

螺旋槽动压滑动轴承随着工作温度的升高,润滑油的黏度和轴承间隙显著减小.应用非线性膨胀理论精确计算轴承间隙,结果显示,轴承间隙的变化是影响硬盘驱动器主轴轴承动态特性的重要因素.     

小型铣削中心主轴-轴承系统的热态特性分析

对主轴建模,计算出与主轴实际工作条件相适应的热边界条件:轴承发热量和传热系数,确定主轴的约束条件,用COSMOS有限元分析软件对小型铣削中心主轴-轴承系统的热态特性进行分析,得到主轴稳态温度场分布、瞬态温升和主轴热变形情况,为主轴的进一步优化设计提供理论依据.     

Effect of Bearing Surroundings on the High-Speed Spindle-Bearing Compliance

This paper investigates the effect of bearing assembly tolerance on spindle-bearing compliance. In a high-speed spindle system, the bearing characteristics are influenced significantly by the initial assembly tolerances and the thermal deformation of the bearing surroundings. In the very early stage of spindle operation, spindle bearings could be under hazardous conditions owing to the rapid change of the internal pressure resulting from thermal deformation or centrifugal force-oriented deformation. The bearing’s internal clearance also may be changed by the operating conditions such as external load, rotational speed, and operating cycle time. To determine the initial tolerance and the optimal cooling regimen, a comprehensive dynamic modelling and analysis of a high-speed spindle system in terms of bearing pressure, bearing compliance, and heat generation is required with consideration of those effects. Moreover, in order to predict spindle characteristics in operation, all of these parameters should be monitored and recalculated in real-time. For this purpose, very simple and effective equations are suggested, representing the bearing stiffness in accordance with the thermal deformation. Most former bearing analyses were based on the Hertzian contact model, without considering the radial elastic defor-mation of the races. In this paper, analytical and experimental investigations of the bearing compliance are conducted with consideration of both the elastic deformation of the race and the thermal deformation of the housing in terms of the bearing stiffness. The experimental results show the effectiveness of the proposed equations, which are simple and useful for fast calculation of the bearing stiffness by dynamic simulation.     

高速加工中心电主轴热态特性研究

高速加工过程中,由电机生热及滚动轴承的摩擦生热而引起的电主轴的温升及热变形是影响加工中心精度的关键因素.对高速加工中心电主轴的热态特性进行了分析研究,详细论述了电主轴内部两大热源的生机理以及电主轴单元的传热机理最后总结并提出了改善电主轴单元热态特性的措施.     

Spindle Housing Design Parameter Optimization Considering Thermo-Elastic Behaviour

This paper presents a simulation method for predicting thermo-elastic behaviours of spindle-bearing system and an optimization procedure for housing design parameters in relation to various spindle-bearing operating and surrounding conditions such as assembling tolerance, geometric dimension, cooling condition and thermal deformation. The numerical formulation of transient thermo-elastic behaviours as a function of major spindle-bearing system design parameters is developed using the design of experiment methodology. The spindle-bearing analysis program has also been suggested in this paper. The suggested modelling and optimization method not only considers thermal deformation or heat transfer, but eventually it includes the nature of thermo-elastic interaction within spindle, bearing, housing and surrounding conditions in terms of formulating the objective function describing thermo-elastic characteristics such as friction moment, heat generation, contact mechanism, thermal displacement, assembly tolerance change, bearing internal clearance and spindle stiffness change and the dynamically changing operating conditions of the spindle. In order to substantiate the method, this paper shows a numerical example of formulation and optimization results for spindle housing design parameters with consideration of thermo-elastic behaviours as the thermal displacement, the preload increase, and the preload fluctuation.