本文關(guān)鍵詞：高速磨削電主軸熱—結(jié)構(gòu)耦合分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：傳統(tǒng)切削加工在高速加工技術(shù)出現(xiàn)之后,開始進(jìn)入了一個(gè)新紀(jì)元。作為高速加工的主要載體與工作母機(jī),高速切削機(jī)床逐步替代傳統(tǒng)切削機(jī)床,成為了當(dāng)代機(jī)械加工行業(yè)的主流機(jī)床。而電主軸作為高速機(jī)床上的核心部件,其精度、質(zhì)量與工作性能的穩(wěn)定性成為影響高速加工機(jī)床性能和速度提升的主要因素。本文以3DL24型高速磨削電主軸為研究對(duì)象,通過傳統(tǒng)理論研究與現(xiàn)代仿真技術(shù)相結(jié)合的方法,使用有限元仿真分析軟件對(duì)電主軸內(nèi)部溫度分布情況與主軸軸頭變形量進(jìn)行了分析,具體研究?jī)?nèi)容如下:首先,文章對(duì)電主軸工作系統(tǒng)的組成部件進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,并在此基礎(chǔ)上,對(duì)其系統(tǒng)中的核心技術(shù)部件進(jìn)行重點(diǎn)分析與選型,包括電主軸內(nèi)部支撐軸承的選型、潤(rùn)滑方式的選擇、冷卻系統(tǒng)的選擇與變頻調(diào)速系統(tǒng)的使用要求等。在對(duì)電主軸系統(tǒng)獲得深入分析的基礎(chǔ)上,本文應(yīng)用經(jīng)典熱力學(xué)理論,結(jié)合電主軸內(nèi)部結(jié)構(gòu),分析主要發(fā)熱源與發(fā)熱原因,確定了電主軸內(nèi)部?jī)纱蟀l(fā)熱源:內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)功率損耗引起的發(fā)熱與前后軸承因高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的摩擦熱。對(duì)此主要熱源周圍應(yīng)用傳熱學(xué)理論進(jìn)行熱傳遞方式和熱傳遞過程分析,確定了電主軸的散熱方式:冷卻水套中冷卻水流動(dòng)對(duì)定子的散熱、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)周圍空氣高速流動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子的冷卻、電機(jī)氣隙中空氣對(duì)流對(duì)定子與轉(zhuǎn)子的散熱、油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)噴出的壓縮空氣對(duì)軸承的散熱以及電主軸外殼與周圍空氣之間的散熱。在理論分析的基礎(chǔ)上,為了得到電主軸內(nèi)部熱量傳遞與溫度分布情況,本文將計(jì)算出的電主軸主要熱源的生成熱量與各個(gè)散熱方式的換熱系數(shù)加載到有限元仿真分析軟件Ansys workbench中,在建立電主軸有限元仿真分析模型的前提下,對(duì)模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析與瞬態(tài)熱分析,得到電主軸在額定轉(zhuǎn)速15000r/min工作狀態(tài)下的內(nèi)部溫度分布云圖與電主軸達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)過程中的溫度變化狀態(tài)云圖,并獲得電主軸前后軸承與電機(jī)溫升曲線。將其結(jié)果作為熱-結(jié)構(gòu)耦合分析的載荷,在額定轉(zhuǎn)速15000r/min的條件下,確定電主軸整體熱變形情況以及軸頭綜合形變大小。經(jīng)過熱-結(jié)構(gòu)耦合分析得到電主軸軸頭熱變形較大,由此對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過分析引入了特殊的后軸承室結(jié)構(gòu) 軸承碗‖,將電主軸軸承定位方式由前后軸承完全固定,改為前軸承完全固定、后軸承浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式,并再次進(jìn)行仿真分析,對(duì)比改進(jìn)前后主軸內(nèi)部溫度分布與主軸軸頭熱變形情況。經(jīng)過改進(jìn)前后對(duì)比,結(jié)果表明:以 軸承碗‖為基礎(chǔ)的后軸承室結(jié)構(gòu)可以較為有效地降低電主軸內(nèi)部溫升,減小主軸軸頭約14%熱變形。本論文通過對(duì)電主軸進(jìn)行熱態(tài)分析與熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,得到電主軸內(nèi)部溫度分布狀態(tài)與主軸軸頭熱變形大小,提出 軸承碗‖后軸承室結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案,并驗(yàn)證其可行性,為今后對(duì)電主軸系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)提供了理論與仿真依據(jù),同時(shí)也為數(shù)控磨削系統(tǒng)熱誤差補(bǔ)償研究提供了理論基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：高速加工技術(shù) 高速磨削電主軸 有限元分析 熱態(tài)特性分析 熱-結(jié)構(gòu)耦合分析
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG580.2
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 緒論9-17
• 1.1 本論文研究背景及意義9-10
• 1.2 高速磨削加工發(fā)展現(xiàn)狀10-11
• 1.3 高速電主軸發(fā)展現(xiàn)狀11-13
• 1.4 國(guó)內(nèi)外高速電主軸熱分析研究現(xiàn)狀13-16
• 1.5 本論文主要研究?jī)?nèi)容及方法16-17
• 第二章 3DL24型高速磨削電主軸結(jié)構(gòu)及功能分析17-29
• 2.1 3DL24型高速磨削電主軸系統(tǒng)概述17-27
• 2.1.1 3DL24型電主軸裝配方式20
• 2.1.2 內(nèi)裝式無外殼電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)20-21
• 2.1.3 高速磨削電主軸支撐結(jié)構(gòu)與潤(rùn)滑方式21-25
• 2.1.4 3DL24型電主軸冷卻系統(tǒng)25-26
• 2.1.5 3DL24型電主軸電氣控制系統(tǒng)26-27
• 2.2 3DL24型高速磨削電主軸使用要求27-28
• 2.2.1 內(nèi)裝式無外殼電動(dòng)機(jī)使用要求27
• 2.2.2 其他系統(tǒng)要求27-28
• 2.3 本章小結(jié)28-29
• 第三章 高速磨削電主軸熱態(tài)特性理論研究29-45
• 3.1 電主軸內(nèi)部主要熱源分析29-36
• 3.1.1 電主軸無外殼電動(dòng)機(jī)發(fā)熱原理及分析30-33
• 3.1.2 軸承摩擦生熱原理及分析33-36
• 3.2 高速磨削電主軸內(nèi)部熱傳導(dǎo)方式36-43
• 3.2.1 定子的熱傳遞與散熱37-39
• 3.2.2 轉(zhuǎn)子的熱傳遞與散熱39-41
• 3.2.3 軸承系統(tǒng)的熱傳遞與散熱41-42
• 3.2.4 主軸系統(tǒng)與外界的熱傳遞與散熱42-43
• 3.3 主要參數(shù)及邊界條件計(jì)算43-44
• 3.4 本章小結(jié)44-45
• 第四章 電主軸熱態(tài)特性分析及計(jì)算45-55
• 4.1 Ansys workbench分析軟件介紹45-46
• 4.2 有限元分析模型的建立46-48
• 4.3 邊界條件及載荷參數(shù)加載48-49
• 4.4 高速磨削電主軸熱態(tài)特性分析及仿真49-54
• 4.4.1 穩(wěn)態(tài)熱分析49-50
• 4.4.2 瞬態(tài)熱分析50-54
• 4.5 本章小結(jié)54-55
• 第五章 電主軸熱-結(jié)構(gòu)耦合理論及仿真分析55-59
• 5.1 熱-結(jié)構(gòu)耦合原理55-56
• 5.2 熱結(jié)構(gòu)耦合分析基本步驟56-57
• 5.3 熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真分析求解57-58
• 5.4 本章小結(jié)58-59
• 第六章 電主軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)及仿真試驗(yàn)結(jié)果59-71
• 6.1 電主軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)概述59-60
• 6.2 高速磨削電主軸改進(jìn)后結(jié)構(gòu)模型60-63
• 6.3 改進(jìn)后模型仿真試驗(yàn)結(jié)果63-68
• 6.3.1 仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/span>63-64
• 6.3.2 優(yōu)化后電主軸穩(wěn)態(tài)熱分析64
• 6.3.3 優(yōu)化后電主軸瞬態(tài)熱分析64-68
• 6.3.4 優(yōu)化后電主軸熱變形分析68
• 6.4 本章小結(jié)68-71
• 第七章 總結(jié)與展望71-73
• 7.1 總結(jié)71-72
• 7.2 本研究工作展望72-73
• 參考文獻(xiàn)73-77
• 致謝77-79
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文79

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