高速电主轴热—结构特性研究

文章讨论了对CX8075车铣复合加工中心高速电主轴的建模,并利用有限元软件ABAQUS分析其热—结构特性,得到电主轴系统的温度分布和热变形情况,为进一步研究机床的热误差提供了理论依据。     

数控机床电主轴单元热-结构特性动态分析

分析了高速电主轴单元热变形机理与散热机制,对主轴单元热态特性要求进行了描述,利用AN-SYS对高速电主轴进行了热-结构耦合分析。通过改变电主轴有限元模型中的边界条件,对不同转速、润滑方式、冷却结构设计、内装式电机选择条件下电主轴热-结构特性进行了对比分析。根据分析结果,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。     

高速电主轴热态性能的有限元分析及温升控制

针对高速加工中心电主轴电机内置的特点,分析了电主轴的各种热源并计算了发热量,建立了电主轴热态特性的有限元模型,在有限元软件Ansys中对电主轴的热态特性进行分析,得出电主轴稳态温度场分布图,为冷却系统的设计提供了理论基础。采用热电偶对电机定子的温度进行检测,通过PLC的控制可对冷却系统的水流速度进行适时调节,加强对流换热的作用,进而加强电主轴的冷却效果。     

高速电主轴热-结构耦合及选材分析

高速电主轴热变形问题一直是影响加工精度的重要因素。为降低电主轴的温升和轴向热伸长量,对某电主轴的热源及热边界条件进行分析,利用ANSYS Workbench软件进行热-结构耦合仿真,得到电主轴温度场和热结构耦合场;搭建实验台测试电主轴系统的温度场和轴向热伸长,验证有限元模型建立的正确性。最后选用38CrMoAl、ZrO₂、Si₃N₄、玻璃陶瓷作为主轴材料进行热-结构耦合对比分析。结果表明：陶瓷材料在热态性能方面优于钢材,玻璃陶瓷材料热态性能最好。     

应用有限元方法对高速电主轴的优化设计

介绍了高速电主轴的结构特点，应用有限元分析软件ANSYS以刚度为目标对高速电主轴进行了优化设计，并对优化后的结构进行了热态校核。     

基于热-结构耦合模型的高速电主轴温升特性分析与实验研究

为解决热变形对主轴寿命及加工精度的影响,对高速电主轴的温升特性进行研究。首先建立了电主轴的热 结构耦合模型,然后利用ANSYS软件进行热态模拟,分析稳态温度场的分布以及电主轴的热变形情况,最后探讨了主轴转速与切削力的变化对电主轴温度的影响。研究结果表明：所用方法可有效模拟电主轴工作过程中温度场分布以及热变形,仿真与实验结果基本一致,为电主轴温度控制提供参考。     

高速电主轴冷却系统试验研究

针对高速电主轴实际运行中主轴内部发热量大、温度升高等导致主轴热变形而影响电主轴加工精度问题,以某型电主轴为研究对象,通过仿真与试验结合的方法探究冷却系统冷却能力。阐述电主轴热态特性;分析螺旋和循环冷却系统的有限元仿真结果;进行冷却系统对比试验,验证仿真结果。结果表明:螺旋冷却系统稳态下整体冷却效果和冷却速率都优于循环冷却系统。研究结果为电主轴设计、优化与开发提供了一定的技术参考。     

电主轴热特性分析与基于自然指数的热误差建模

提出了一种基于自然指数的数控机床电主轴热误差建模方法。通过对电主轴结构及温度场的分析,得到用于电主轴热特性有限元分析的几何模型和热边界条件,利用ANSYS对电主轴进行热特性有限元仿真分析,得到电主轴的稳态温度场与稳态变形场。电主轴任意转速下的热误差可通过自然指数模型来描述,但需要确定任意转速下的热平衡时间常数和稳态热误差两个参数,为此给出了两个参数的计算方法。在一台加工中心上进行任意转速下的电主轴热误差测量实验,结果表明：自然指数模型具有很好的鲁棒性和很高的准确性。     

电机后置式电主轴热态特性的分析与研究

文章提出了一种新型电主轴结构,并对该电主轴在油脂润滑和油-气润滑条件下轴承的温升进行了计算与分析,最后对轴承球材料和润滑方式的选择提出了一些建设性意见.     

负载情况对电主轴温度场瞬态影响的有限元分析

电主轴以其体积小、结构简单、传动效率高等优点成为高精度、高自动化程度机床的核心部件。以车床电主轴为实例,从电机设计理论及摩擦理论出发建立了电主轴在间歇载荷情况下的热源模型,利用有限元方法对电主轴整体温度场进行了瞬态分析,得出了温度随时间变化的规律,为机床热变形误差补偿提供了理论依据。     

高速电主轴热力学分析的仿真研究

根据实际工程需要并结合热力学第一定律,以某公司ES系列高速电主轴系统为例,分析其热源以及散热特性,并计算其主要热源产热参数以及散热系数等热分析参数。综合分析结果,通过ANSYS有限元分析软件建立有限元模型并进行热力学仿真研究,可得出电主轴系统各部分稳态温度分布云图以及达到热平衡时热源部分温度随时间变化曲线。结合实验分析验证仿真结论,并提出电主轴改进参考意见。     

轴芯冷却对电主轴热-机械特性影响的实验研究

电主轴的热特性与机械特性相互作用,采用轴芯冷却在降低电主轴温升的同时也会影响其机械特性。对具有轴芯冷却结构的150SD电主轴进行热特性、静刚度和动态响应测试,研究轴芯冷却对电主轴热-机械特性的影响。结果表明：轴芯冷却减少了电主轴系统热平衡时间和轴向热变形,但会导致不同转速下系统静刚度和1、2阶固有频率降低。在设计阶段需要对轴芯冷却电主轴从悬伸量、跨距和几何尺寸等方面进行综合优化设计,提高其机械特性。     

数控机床高速电主轴的研究进展

本文从高速电主轴的动力学特性、轴承与润滑、热特性、制造装配技术、电机与测控等几方面。系统地阐述了数控机床高速电主轴的国内外发展现状。     

油气润滑参数对高速电主轴热特性影响的试验研究

为研究油气润滑参数对高速电主轴热特性的影响,在考虑气流压力和供油量2个因素下对高速电主轴进行热特性正交试验。结果表明:供油量对温升指标的影响最大,气流压力影响次之,二者的交互因素对温升指标的影响比较小。获得了最佳水平组合,得到了不同水平组合下电主轴各方向的热变形;分析电主轴各方向热变形不同的原因,得到在实际加工中应该重点控制主轴Z方向热变形量的结论。     

基于流固耦合的高速电主轴冷却系统分析北大核心

针对机床高速电主轴在高速运转中的冷却问题,以某型号卧式加工中心高速电主轴为研究对象,基于流固耦合法,对串并联、单螺旋及双螺旋三种冷却流道结构从流速、压力、温升三方面进行详细对比。另外,为了进一步优化提升流道对电主轴的冷却效率,通过理论计算分析流道内不同初始流速对主轴热平衡后温升影响,以及不同流道几何参数对换热能力和压力损失的影响,并运用Fluent分别对以上两种提升流道冷却效率的影响因素进行仿真分析。研究结果表明,双螺旋结构因其结构的独特性综合对比为最佳冷却结构;主轴散热随流道内初速流速的增加呈现先急后缓,可通过对比选取最佳冷却流速;流道几何参数对换热能力影响较小,但对压损影响较大,提出了综合考虑换热与压损的流道几何参数设计。研究结果为精密高速电主轴在冷却系统的设计提供了一定理论依据。     

高速电主轴热误差实验与预测建模

数控加工中心采用高速电主轴,由于电主轴发热导致主轴工作端明显热延伸,严重影响加工精度。以数控精雕机用永磁同步电主轴为研究对象,通过建立热特性实验平台,测试电主轴在不同转速、不同工作条件下的特征温度和热误差数据,建立基于自然指数函数的电主轴轴向热误差预测模型。在不同的工况下对模型的补偿结果进行实验验证,验证结果表明:该预测模型简单、精度较高,且建模成本较低,可以快速应用到实际的加工环境中。     

基于热接触分析的电主轴热态特性研究

采用热接触有限元分析方法对电主轴的温度场进行了分析,并且通过实验对有限元分析模型进行了校核和验证,提出了改善电主轴热态特性的措施,对改进措施的效果进行有限元分析,分析表明改进措施具有良好效果。分析了在油脂润滑和油-气润滑条件下电主轴温升所引起的的热变形,结果表明降低主轴温升对减小主轴的热变形具有明显效果。     

高速电主轴辐射噪声特性分析

研究了3种电主轴的辐射噪声特性。通过实验测量了电主轴辐射噪声,分析了全陶瓷轴承电主轴、钢轴承电主轴和无内圈式陶瓷轴电主轴辐射噪声的时频特性。实验结果表明:提高旋转速度,全陶瓷轴承电主轴与钢轴承电主轴辐射噪声均呈增大趋势,且辐射噪声中含有旋转频率和2倍转频特征,而无内圈式陶瓷轴电主轴的辐射噪声呈现波动式变化,其声压级高于其他2种电主轴,且频谱较为杂乱;在高转速时全陶瓷轴承电主轴声波具有明显的周期性;3种电主轴辐射噪声中均具有较高的摩擦与冲击噪声。     

基于ANSYS Workbench的高速电主轴静动态性能分析

以高速加工中心电主轴为研究对象,建立了电主轴系统三维有限元模型,采用弹性支承模拟了轴承的支承,利用新一代的有限元分析软件ANSYS Workbench对电主轴进行了静力学分析和模态分析.分析结果表明:电主轴的静刚度能够满足要求;电主轴的最高工作转速远远低于其一阶临界转速,能有效避免共振的发生.从而验证了该电主轴设计的合理性,也为电主轴的优化设计以及力热耦合特性分析奠定了基础.     

面向精密电主轴的非晶高速永磁电机设计与分析北大核心

针对高端精密高速电主轴普遍存在损耗大、效率低、转子发热严重等问题,提出采用基于非晶合金定子铁芯的高速永磁同步电机,根据非晶合金定子铁芯的磁化特性和损耗特性开展了高速永磁同步电机优化设计研究,采用有限元法建立了一款额定功率3.7 kW、额定转速7000 rpm、最高转速15 000 rpm的永磁电机物理分析模型,与相同结构参数的硅钢(35W270)电机损耗、效率等性能进行了对比分析。通过分析结果表明采用非晶合金作为高速永磁电机定子铁芯较硅钢电机额定工作点理论铁损下降76.5%;经对两款样机进行实际测试,考虑到铁芯加工及装配工艺导致铁损的恶化,实测铁损下降50.7%,效率提高1.4%,相同负载与冷却条件下定子绕组温升下降15.1 K,表明了非晶铁芯在高速电主轴中应用具有明显的优势。