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（英文）

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。     

超高速磨削电主轴热特性分析

为了探明超高速磨削电主轴的内部温度情况,以及各部分温升引起的部件变形,文章以内装同步电机电主轴为研究对象,分析了其热量传递过程,计算了电主轴电机定子和轴承的发热量及各部分对流换热数,并对其稳态温度场、瞬态温度场及热-结构耦合场进行了分析。分析结果表明电主轴内部温度分布是极不均匀的,前后轴承与定转子之间存在很大的温差,各部件不同的热膨胀量造成了主轴轴头部分的热变形,影响了电主轴的精度和稳定性。     

两种不同材料的电主轴磁-热耦合有限元仿真分析

电主轴热态稳定性影响电主轴整体工作性能,作为电主轴主要热源的内置电机对电主轴热态性能的影响是设计过程中优先考虑的问题之一。电主轴生热小,散热快是保证其优良热态性能的前提。基于电主轴电磁损耗生热机制和电主轴传热散热机制,建立电主轴有限元模型。提出一种电主轴磁-热耦合分析方法,分析电主轴额定转速下内置电机的磁场和温度场,监测电主轴内置电机各部分温度场以及瞬态温度。以170SD30陶瓷电主轴与金属电主轴作为分析对象,分析了采用新型陶瓷主轴材料对改善电主轴内置电机温度场分布的影响。结果表明:陶瓷电主轴电磁损耗小于金属电主轴电磁损耗,在电机损耗热的影响下,陶瓷电主轴温度低于金属电主轴温度。     

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。     

高速永磁同步电主轴的热态特性研究

为探究高速永磁同步电主轴温度场的分布规律,并在此基础上提出改进热态特性的措施。本文在介绍了永磁同步电主轴散热机理的基础上,分析并计算了电主轴的热态参数,建立电主轴热态特性的有限元分析模型,并借助ANSYS Workbench有限元分析软件进行了稳态和瞬态的温度场仿真和求解。结果表明整个主轴温度场分布很不均匀,温度相差较大;而前、后轴承的温度变化趋势基本一致。因此要改善电主轴的热态特性,有必要合理分布主轴系统的冷却装置并适当增大相关流体参数。     

铝合金搅拌摩擦焊电主轴冷却系统的设计与仿真

铝合金搅拌摩擦焊电主轴作为铝合金搅拌摩擦焊机床的核心部件,其热态稳定性影响着机床的高质量的焊接。为有效预测并控制铝合金搅拌摩擦焊电主轴运转过程中的热态性能及其对铝合金搅拌摩擦焊主轴焊接质量的影响,建立铝合金搅拌摩擦焊电主轴水路的热态分析有限元模型,分析热稳定状态下铝合金搅拌摩擦焊电主轴水路的温度场分布以及冷却系统对铝合金搅拌摩擦焊电主轴温升的影响,分析结果表明,提高铝合金搅拌摩擦焊电主轴现有冷却系统的冷却效率可有效控制主轴电机和内置轴承的温升;同时,仿真分析冷却水路对铝合金搅拌摩擦焊电主轴温升的影响,揭示铝合金搅拌摩擦焊电主轴温度场分布的非线性特征。进行合理的轴承配置、选择合适冷却水道尺寸以及增加冷却水流量均可有效改善电主轴热态性能。     

车铣复合加工中心电主轴系统的温度场分析

电主轴系统在多种热源作用下产生的热变形已成为影响机床加工精度的主要因素.在对电主轴系统各个生热源分析、计算的基础上,建立电主轴系统的合理模型,把计算得到的生热和传热等参数以边界条件的形式施加到有限元模型上,得到主轴系统的温度场分布和最高转速时电主轴系统的瞬态分析,计算出主轴各部分温度随时间的变化,根据分析结果提出改进措施,为完善电主轴系统的结构设计提供理论依据.     

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。     

卧式数控机床主轴系统热特性测试及研究

数控机床主轴系统的热特性成为影响机床加工精度的主要因素之一,有必要对数控机床主轴系统的热特性进行相关的研究。以AH130卧式镗铣床为研究对象,分析了数控机床的热变形机理,对数控机床热变形进行了描述,构建了机床主轴热特性测试实验,利用FLIR红外热像仪测温技术、激光三角测距技术测得机床主轴箱温度场分布以及主轴热变形。实验研究发现,主轴上越靠近主轴后部其温升越快,并且主轴Z方向的伸长量大于X、Y方向的变形量,研究工作对数控机床主轴系统的优化设计以及进一步热分析提供了有效的支持。     

加工中心主轴热误差建模与检测技术研究

热误差是影响高端数控机床精度的主要因素,主轴系统受热变形影响尤其显著。首先,在分析电主轴热误差因素的基础上,基于齐次变换矩阵建立电主轴热误差综合描述;进而综合采用接触式、非接触式温度场及热变形测量技术,构建主轴热误差测量方案,并结合相关系数法设置关键测温点;基于热误差描述模型及检测数据,建立电主轴热误差模型,成功开发电主轴热误差补偿系统,将加工中心运行过程中的热误差控制在3μm以内,证明了系统的有效性。     

立式加工中心电主轴热伸长测试与补偿

针对数控机床主轴热变形对零件加工精度带来的影响占比很大的问题,对电主轴的热伸长随主轴温度的变化规律进行了研究,提出了一种补偿电主轴轴向热伸长的方法,介绍了热伸长补偿系统的硬件组成与工作原理,通过测试分析了在不同转速条件下电主轴热伸长的变化规律,通过多元线性回归理论建立了热伸长补偿模型,介绍了主轴热伸长补偿过程及补偿系统...     

加工中心主轴系统的热变形分析与有限元计算

以TH6350卧式加工中心为研究对象,构建了一套基于虚拟仪器系统的加工中心主轴系统温度场和热误差测量系统,测出了加工中心主轴系统的温度场和各项热变形.建立了基于I-DEAS的加工中心主轴系统的温度场和热变形有限元模型,得到了主轴系统的温度场和热变形分布及其计算结果,计算结果与实测值得到了较好的吻合,研究结果为加工中心的改进设计、温度控制和误差补偿提供了理论依据.     

接触热阻对高速电主轴热态特性影响研究

为了研究接触热阻对电主轴热态特性的影响,建立考虑接触热阻的电主轴热模型。采用有限元方法对电主轴进行热-结构耦合分析,计算各结合面接触热阻,并利用仿真研究结合面接触热阻中粗糙度和接触压力对电主轴热态特性的影响。对电主轴的电机损耗发热和前后轴承摩擦生热进行计算。以100MD60Y4型号的电主轴为研究对象,通过三维有限元模型分析结合面接触热阻对电主轴热态特性影响,将有无接触热阻两种条件下温度场和热变形仿真结果与实验结果对比,结果表明考虑结合面接触热阻仿真内部温度场不均匀性增大、整体温度更高、热变形量更大,其仿真结果更接近实验值。     

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。     

机械主轴热特性分析

以机械主轴为研究对象,运用HyperMesh、Abaqus等有限元分析软件,研究了机械主轴的热特性。通过确定热分析的边界条件、计算皮带轮以及轴承的发热量,建立了机械主轴热力学有限元模型,并通过计算得到了其稳态热、温升变化以及温度场分布情况。结果表明:仿真计算得到的温度场与实验测得的温度分布数据基本吻合,因而采用有限元方法可以较准确预测机械主轴温度变化,皮带轮处的发热在机械主轴中是不能忽略的。而热变形分析显示机械主轴的变形较小,证明该机械主轴结构设计合理。     

基于有限元方法的环境温度对机床热变形的影响

以XK5034立式铣床为研究对象,通过ANSYS软件对其热特性进行了有限元分析,将分析得到的温度场与热成像仪实际测量的温度场进行验证,发现有限元分析的温度场与实际测量的基本吻合。在此基础上重点分析了主轴前端在不同转速和不同环境温度下的热变形,结果表明：随着主轴转速和环境温度的升高,主轴前端热变形增大;环境温度对主轴前端引起的变形在25℃出现拐点,当环境温度小于25℃,环境温度对主轴前端变形影响较小,当环境温度超过25℃,主轴前端热变形较大。     

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。     

基于热模态分析的热误差温度测点优化选择

针对影响机床热误差建模的温度场分布问题,提出一种热模态分析方法,对机床热误差建模温度测点进行优化选择。以数控机床主轴温度场分析为例,利用热模态方法得到主轴各模态的时间常数、温度场及热变形模态形状,从而确定温度测点的最优位置。并通过实验验证了所建立模型的准确性与鲁棒性。     

高速电主轴单元的热-结构性能虚拟仿真分析

主轴单元的热变形是高速加工中影响精度的主要因素。本文利用大型有限元分析软件ANSYS对高速电主轴进行了热-结构耦合分析。计算结果显示，设计的高速电主轴单元主轴轴承、主轴前端温升理想，工作端轴向热位移很小。这表明设计的电主轴具有良好的热-结构性能，可以满足加工精度要求。     

基于ANSYS Workbench的数控车床主轴系统热-结构耦合分析

在有限元法与热应力学分析基础上,建立数控车床主轴系统的有限元模型,计算主轴系统热特性分析的边界条件.利用有限元分析软件ANSYS Workbench对主轴系统进行热-结构耦合分析,得到主轴系统的温度场分布和热变形,通过实验验证模型的正确性.同时计算不同主轴转速对主轴系统温升及热变形的影响,分析结果为主轴系统的优化设计及误差补偿提供了一定的依据.