高速电主轴热—结构特性研究
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Ｍ ０ ｆ （ｎ ｄ ＝１ Ｘ ｏ ） ： （） ６
电动机定子 和转子 的发 热来 源 于 电动机 的损 耗。
电动 机 的 损 耗 一 般 分 为 ４ 类 ： 械 损 耗 、 损 耗 、 损 机 电 磁
耗 和附加损耗 。前 ３ 类损 耗为主要损耗 。附加损耗在 总 的损 耗中所 占的比例很 小 ， 约为 １ 一 ％。 ％ ５
子 与滚 道 的滚 动 摩 擦 、 速 下 所 受 陀螺 力 矩 产 生 的 高
滑动摩 擦 、 滑 油 的粘 性 摩 擦 等 。 电 主轴 的支 承 部 润
件 是高 速高 寿命 精 密 轴 承 ， 机 型选 用 德 国 Ｆ Ｇ公 该 Ａ
司制造 的角 接触轴 ， 动 体材 料 为 陶瓷 ， 细 参 数见 滚 详
于 高速机 床 主 轴 系 统 都 采 用 高 刚 度 的设 计 ， 而其 外
表 １ 电 主 轴 技 术 参 数
功 率 （ Ｗ） ｋ
转 速 （／ ｉ ） ｒｍｎ
ｌ ２
３０ ０ ０—１ ０ ０ ２ ０
冷 却量 （ ） Ｌ
扭 矩 （ ｍ） Ｎ
２ ５
９５ ．
载荷 却不 大 ， 因此 由外 载 荷 所 引起 的主 轴 的 弹性 变 形也 较小 。然 而 电主轴 在 运行 中 的发 热却 是 不 可避 免的， 由机 床 发 热 所 引 起 的加 工 误 差 已经 占 到 了 总 加工误 差 的 ６ ％ ～８ ％ ， ０ ０ 因此 ， 于高 速主轴 单 元来 对
文 章 编 号 ：０ １—２ ６ ２ ２） １—０ ２ １０ ２ ５（ ０１ ０ ０ ５—０ ３
高速 电主轴热一结构特性研 究
苏宇锋 袁 文信 刘德 平 刘 武 发 汪 玉 平。 ， ， ， ，
（ ． 州大 学 机 电一 体 化 研 究所 ， 州 １郑 郑
４５ ０ ） ５ ０ ０
说， 必须具 备 良好 的热一 结构 性能 。 本文 以某 机床厂 生 产 的大 功 率 车铣 复 合 加 工 中 心 Ｃ ８７ Ｘ ０ ５的铣削 电 主轴 为研 究 目标 ， 重从 电主轴 着 的热 一 构特性 方 面利用 有 限元 的方法 进行分 析 和研 结
究。
前 轴承
电压（ Ｖ）
的拉 刀机 构及后 支 座等 附属 机构 不 参 加有 限元 的建
模 ； 略所 有 的螺 钉 、 气 孔 、 油孔 和倒 角 等 细 小 忽 通 通 的结 构 。 采用 Ｃ Ｄ Ｔ单 元进 行 网格 的划 分 ， 了更 好 地 ３８ 为 分析 轴承部 分 ， 轴 承 附 近 的结 构 进 行 局 部 网格 细 对 化处 理 。划分后 的有 限元模 型 （ ２ ， 有 ２ ８ １ 图 ）共 ８ ９ 个 单元 ，５ ６ ４ １ ０个节 点 。
电流 （ ） Ａ
３ ０±１ ％ ８ ０
２ ． ７５
额定效率 （ ） ＂
润 滑 方 式
Ｏ８ ．
油 — — 气
主轴
电机 定子
电机转 子 后轴 承
１ 电主 轴 的 热 源 分 析
Ｃ ８７ Ｘ ０ ５车 铣 复 合 加 工 中心 的铣 削 电 主轴 的部
分技 术参数 如 表 １ 示 ， 结构 如 图 １ 所 其 所示 。
滚动体直径 Ｄ／ ｍ ｂｍ
接触角 ａ。 ／ 预 紧力 Ｆ ／ Ｎ
ｌ． ２５
２ ５ ２ｌ 主轴 前 轴 承 组 与后 轴 承 组 各 自两 两 串联组 配 ， 用 定 位 预 紧 方 式 。前 轴 承组 与后 轴 承 采 组采用 “ 对背 ” 式 的结 构 ， 背 方 以分 别 承 担 径 向和轴 向负荷 ， 在具 有较 高 刚度 的同 时 ， 能 实 现较 高 的 主 还
Ｋ ｅ ｒ ：ｍ ｏ ｏ ｉｅ ｐｉ ｌ ｙ ｗｏ ｄｓ ｔ ｒｚ ｄ ｓ ｎｄ ｅ；ＦＥＡ ；ｔ ｅ ｍ ａ —ｔｕ ｔ ｒ ｌｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｓ ｈ ｒ ｌｓｒ ｃ ｕ ａ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｃ
０ 引 言
高速 电 主轴 作 为 高 速 机 床 的最 核 心 部 件 ， 时 同 也是 这类 型 机 床 的最 大 的热 源 。在 高 速 加 工 中 ， 由
（） １ 电主轴 内部冷却 循 环系统 的对 流换 热 。
（ ） 承与润 滑油 的对 流换热 。 ２轴 （） ３ 电机 定子 和转 子 间气 隙 的对 流换热 。 （） ４ 主轴 转子 端部 的传热 。 （） ５ 电主轴 与外部 空气 的传热 。
式 中， ９为热 源 的发热 量 ； Ｖ为热 源 的体 积 。
第 １期 ２１ ０ ２年 １月
组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术
Ｍｏ ｄｕｌ ｒ Ｍ ａ ｈｉ ｅ Ｔｏ ａ ｃ ｎ ｏｌ＆ Ａ ｕ ｏ ａｔｃ Ｍ ａ ｆ ｃ ｕ ｉ ｇ Ｔｅ ｈｎ ｑｕ ｔ ｍ ｉ ｎｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｃ ｉ ｅ
Ｎ０ １ ．
Ｊｎ ０２ ａ ．２ １
表 ２
表 ２ 主 轴 角 接 触球 轴 承 部分 技 术 参 数
参 数
型 号 内径 ｄ ｍ ／ ｍ 外 径 Ｄ ｍｍ ／ 宽度 Ｂ ｍ ／ ｍ
输 出转换 文件 ， 再导入 有 限元 分 析软 件 Ａ Ａ Ｕ Ｂ Ｑ Ｓ中。
电主轴 的定 子 和转 子 均 可 以 视 为 厚 壁 圆筒 ， 后 轴 前 承 的滚动体 在 高 速 运 转 的 状 态 下 可 以简 化 为 环 形 ，
理论依 据 。
关键 词 ： 电主 轴 ； 限元 分析 ； 结构特 性 有 热一 中图分类 号 ： Ｈ１ ； Ｇ ５ Ｔ ６ Ｔ ６ 文献标 识码 ： Ａ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｓ ａ ｃ ｎ Ｔｈｅ ｍ ａ － ｒ ｃ ｕｒ ｌＣｈａ ａ ｔ ｒ ｓｉｓ ｆ ｉ ｈ Ｓｐ ｅ ｏ ｏ ｉｅ ｐｉ ｄｌ ｒ ｌＳｔ ｕ ｔ ａ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｏｒ Ｈ ｇ ｅ ｄ Ｍ ｔ ｒｚ ｄ Ｓ ｎ ｅ
Ｆｉ ａｌ ，ｉ ｎ ｌｚ ｓｔ ｅ ｄ ｓｒｂ ｔ ｆｔｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｎ ｈ ｒ ａ ｅ ｏ ｍ ａｉ ｎ ｆ ｒｔｅ ｍ ｏ ｏ ｉｅ ｐ ｎ ｌ ｙ － ｎ ｌ ｙ ｔａ ａｙ ｅ ｈ ｉｔｉ ｕｉ ｏ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｍ ｌｄ ｆ ｒ ｔｏ ｏ ｈ ｔ ｒｚ ｄ ｓ ｉ ｄ ｅ ｓ ｓ ｏｎ
Ａｂｓｒ ｃ ：Ｔｈ ｓ ａ ｔｃｅ ｄ ｓ ｕ ｓ ｓ ｍ ｏ ｅｉ ｇ ｆ ｒ ｈｅ ｍ ｏ ｏ ｉ ｅ ｐ ｎ ｌ ｆ ＣＸ ８ ５ ｕ ｎ— ｉｌ ｏ ｔａｔ ｉ ｒｉｌ ｉｃ ｓｅ ｄ ｌｎ ｏ ｔ ｔ ｒｚ ｄ ｓ ｉ ｄ ｅ ｏ ０７ ｔ ｒ ｍ ｌ ｎｇ ｃ ｍｂｉ ｄ ｉ ｎｅ
４ ０ ０ ；２ 安 阳鑫 盛 机 床 股 份 有 限 公 司， 南 安 阳 ５０１ ． 河
摘 要 ： 章讨论 了对 Ｃ ８ ７ 文 Ｘ ０ ５车铣 复合 加 工 中心 高速 电主 轴 的 建模 ， 并利 用有 限元软 件 Ａ Ａ Ｕ Ｂ Ｑ Ｓ分 析其 热一 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
ｔ ｒ ｎ ｓｅ ｄ — ｔ ｔ ｓ ｗｈ ｃ ｒ ｖ ｄ ｈ ｈｅ ｒ ａ ｉ ｏ ｆ ｒｈ ｒ ｒ ｓ ａ ｃ ｏ ｈ ｈ ｒ ａ ｒ ｏ ｆ ｔ ａ ｅ ｎ ｏ ｔ ａ ｙ ｓａ ｕ ， ｉ ｈ ｐ ｏ ｉ ｅ ｔ ｅ ｔ ｏ ｙ ｂ ｓｓ ｔ ｕ ｔ ｅ ｅ ｅ ｒ ｈ ｆ ｒ ｔ ｅ ｔ ｅ ｍ ｌ ｅ ｒ ｒ ｏ ｈｅ ｍ — ｃ ｉ ｅ． ｈｎ
１ ２ 主 轴轴 承的摩 擦 生热 ． 引起 轴 承发热 的原 因很 多 ， 也很 复 杂 ， 要有 滚 主
２ 电 主 轴 的 热一 结构 有 限 元分 析
电主轴 基 本 上 为 一 个 对 称 结 构 ， 次 分 析 中采 本
用 电 主 轴 模 型 的 一 半 来 进 行 分 析 研 究 。 首 先 在 Ｓｌ Ｗｏｋ ｏ ｄ ｒｓ中建 立一个 电主轴 的三 维 实体模 型 ， 后 ｉ 然
・
２ ６・
组 合 机 床 与 自动 化 加 工 技 术
第 １期
电主 轴 在 高 速运 转 的 时候 会 产 生 大 量 的 热 ， 但 最 主要 的热 源 可 以 分 为 两 个 部 分 ， 是 主 轴 电机 的 一 发 热 ， 是 主轴轴 承 的摩擦 生 热 。 二
１ １ 内 置 式 电 动 机 的 损 耗 生 热 ．
因为主轴 电机 损 失 的功 率 全 部 转 化 为 热 量 ， 则
额 定 的损 耗 功 率 为 ：
Ｐ ＝Ｐ ‘（ １一即） （） １
当 ｎ＜ ０ ０时 ： ２０
Ｍ， ６ ：１ ０×１ ￣ ｏ ￣ ０ ｆｄ ｏ （） ７
式 中 ， 为轴 承 中径 为考 虑 轴 承结 构 和润 滑 ｄ 方 式 的系数 ； 为工作 温 度下 的润 滑 油 的运 动粘 度 ； ｎ 为轴 承转速 。
Ｃ ｃ ｉｅｃ ｎｅ ，ａ ａｙ ｅ ｔ ｔｅｍａ—ｔ ｃｕ ａ ｃ ａａ ｔｒｓ ｃ ｙ ｕ ｅ ｏ ＡＱＵＳ Ｆ Ａ ｏｔ ｒ ． ＮＣ ｍａ ｈｎ ｅ ｔｒ ｎ ｌｓｓｉ ｈ ｒ ｌ ｒ ｔｒｌ ｈ ｒｃｅｉ ｉｓｂ ｓ ｆＡＢ ｓ ｓｕ ｔ Ｅ ｓｆ ｗａｅ
１ ３ 电 主 轴 的 传 热 机 制 ．
式 中 ， 为 电机额定 功率 ； Ｐ 叼为 电机额 定 效 率 。其 中 ２ ３的热量 由电机定 子产 生 ， ／ 另外 １ ３由电机转 子产 ／
生 。
生 热率 ｑ指 单 位 体 积 的生 热 量 ， 用 如 下 公 式 使
计算 ：
ｑ ／ ＝Ｑ Ｖ （） ２
ＳＵ Ｙｕ ｆ ｎ ， ＹＵＡＮ ｅ ｘｎ —ｅ ｇ Ｗ ｎ— ｉ ， Ｌ Ｕ Ｄｅ ｐ ｎ ， Ｌ Ｕ ｕ—ａ Ｉ ．ｉｇ Ｉ Ｗ ｆ ， Ｗ ＡＮＧ Ｙｕ— ｎ ｐｉｇ
（ ． ｅｅｒｈＩｓ ｔｔ ｏ ｃ ａ ｏ ｉ ， ｈ ｎ ｚｏ ｎｖｒ ｔ， ｈｎ ｚｏ ５ ０ Ｃ ｉａ ２ Ａ ｙｎ ｉ— １ Ｒ ｓａｃ ｎｔｕｅ ｆ ｉ Ｍｅｈ ｔ ｎｃ Ｚ ｅｇｈｕＵ ｉ ｓ ｙ Ｚ ｅｇｈｕ４ ０ ０ ， ｈｎ ； ． ｎａ ｇＸ ｎ ｒ ｓ ｅｉ １ ｓｅｇＭａｈｎ ｏｌ Ｏ ，Ｌ Ｄ，Ａ ｙ ｎ ｅ ａ ５ ０ ０ Ｃ ｉａ ｈ ｎ ｃ ｉｅＴ ｏ Ｃ ． Ｔ ｎ ａ ｇＨ ｎ ｎ４ ５ ０ ， ｈｎ ）
前 轴 承
Ｘ Ｂ ０ ９ＥＴ Ｐ Ｓ Ｃ ７ ｌ． ．．４ ９ ５ １５ ４ ２ ４
后 轴 承
ＸＣ ７ １ 一 ． ． ４ Ｂ Ｏ ７Ｅ ＴＰ Ｓ ８ ５ １０ ３ ２ ２
截面 面积 与 滚 动 体 的截 面 面积 相 等 。 另外 ， 保 证 在
计算 精度 的前提 下 ， 对模 型进 行 如下 简 化 ： 主轴 中 电
的摩擦力 矩分 量 ． 两部 分组成 。
Ｍ ＝Ｍ０＋Ｍｌ Ｍ０＝ Ｐ． ｄ （ ４） （ ５）
式 中 ， ，为确 定 轴 承 摩 擦 力 矩 的计 算 负 荷 ； Ｐ ｄ 为轴 承 中径 （ ｌ） 为 与轴 承 类 型 和所 受 的 负荷 有 ｍＴ Ｉ
关 的 系数 。 当 口 ≥２ ０ ｎ ０ ０时 ：
收稿 日期 ：０ １— ７一Ｏ ２１ ０ １
图 １ 电 主轴 结构 简 图
｛基金 项 目 ： 国家 重 大 科 技 专 项 资 助 （０ ９ Ｚ４ ０ ０ ３ ２ ０ Ｘ ００ １— ３ ） 作者 简 介 ： 宇 锋 （９ ７ ） 男 ， 庆 人 ， 州 大学 副教 授 ， 事 机 电一 体 化 产 品设 计 与分 析 ， Ｅ—ｍ ｉ ｙｆｎｓ＠ Ｚ ．ｄ ．ｎ 苏 １７ 一 ， 重 郑 从 （ ａｌ ｕｅｇｕ Ｚ ｅｕ ｃ 。 ） Ｕ
电动机定子 和转子 的发 热来 源 于 电动机 的损 耗。
电动 机 的 损 耗 一 般 分 为 ４ 类 ： 械 损 耗 、 损 耗 、 损 机 电 磁
耗 和附加损耗 。前 ３ 类损 耗为主要损耗 。附加损耗在 总 的损 耗中所 占的比例很 小 ， 约为 １ 一 ％。 ％ ５
子 与滚 道 的滚 动 摩 擦 、 速 下 所 受 陀螺 力 矩 产 生 的 高
滑动摩 擦 、 滑 油 的粘 性 摩 擦 等 。 电 主轴 的支 承 部 润
件 是高 速高 寿命 精 密 轴 承 ， 机 型选 用 德 国 Ｆ Ｇ公 该 Ａ
司制造 的角 接触轴 ， 动 体材 料 为 陶瓷 ， 细 参 数见 滚 详
于 高速机 床 主 轴 系 统 都 采 用 高 刚 度 的设 计 ， 而其 外
表 １ 电 主 轴 技 术 参 数
功 率 （ Ｗ） ｋ
转 速 （／ ｉ ） ｒｍｎ
ｌ ２
３０ ０ ０—１ ０ ０ ２ ０
冷 却量 （ ） Ｌ
扭 矩 （ ｍ） Ｎ
２ ５
９５ ．
载荷 却不 大 ， 因此 由外 载 荷 所 引起 的主 轴 的 弹性 变 形也 较小 。然 而 电主轴 在 运行 中 的发 热却 是 不 可避 免的， 由机 床 发 热 所 引 起 的加 工 误 差 已经 占 到 了 总 加工误 差 的 ６ ％ ～８ ％ ， ０ ０ 因此 ， 于高 速主轴 单 元来 对
文 章 编 号 ：０ １—２ ６ ２ ２） １—０ ２ １０ ２ ５（ ０１ ０ ０ ５—０ ３
高速 电主轴热一结构特性研 究
苏宇锋 袁 文信 刘德 平 刘 武 发 汪 玉 平。 ， ， ， ，
（ ． 州大 学 机 电一 体 化 研 究所 ， 州 １郑 郑
４５ ０ ） ５ ０ ０
说， 必须具 备 良好 的热一 结构 性能 。 本文 以某 机床厂 生 产 的大 功 率 车铣 复 合 加 工 中 心 Ｃ ８７ Ｘ ０ ５的铣削 电 主轴 为研 究 目标 ， 重从 电主轴 着 的热 一 构特性 方 面利用 有 限元 的方法 进行分 析 和研 结
究。
前 轴承
电压（ Ｖ）
的拉 刀机 构及后 支 座等 附属 机构 不 参 加有 限元 的建
模 ； 略所 有 的螺 钉 、 气 孔 、 油孔 和倒 角 等 细 小 忽 通 通 的结 构 。 采用 Ｃ Ｄ Ｔ单 元进 行 网格 的划 分 ， 了更 好 地 ３８ 为 分析 轴承部 分 ， 轴 承 附 近 的结 构 进 行 局 部 网格 细 对 化处 理 。划分后 的有 限元模 型 （ ２ ， 有 ２ ８ １ 图 ）共 ８ ９ 个 单元 ，５ ６ ４ １ ０个节 点 。
电流 （ ） Ａ
３ ０±１ ％ ８ ０
２ ． ７５
额定效率 （ ） ＂
润 滑 方 式
Ｏ８ ．
油 — — 气
主轴
电机 定子
电机转 子 后轴 承
１ 电主 轴 的 热 源 分 析
Ｃ ８７ Ｘ ０ ５车 铣 复 合 加 工 中心 的铣 削 电 主轴 的部
分技 术参数 如 表 １ 示 ， 结构 如 图 １ 所 其 所示 。
滚动体直径 Ｄ／ ｍ ｂｍ
接触角 ａ。 ／ 预 紧力 Ｆ ／ Ｎ
ｌ． ２５
２ ５ ２ｌ 主轴 前 轴 承 组 与后 轴 承 组 各 自两 两 串联组 配 ， 用 定 位 预 紧 方 式 。前 轴 承组 与后 轴 承 采 组采用 “ 对背 ” 式 的结 构 ， 背 方 以分 别 承 担 径 向和轴 向负荷 ， 在具 有较 高 刚度 的同 时 ， 能 实 现较 高 的 主 还
Ｋ ｅ ｒ ：ｍ ｏ ｏ ｉｅ ｐｉ ｌ ｙ ｗｏ ｄｓ ｔ ｒｚ ｄ ｓ ｎｄ ｅ；ＦＥＡ ；ｔ ｅ ｍ ａ —ｔｕ ｔ ｒ ｌｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｓ ｈ ｒ ｌｓｒ ｃ ｕ ａ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｃ
０ 引 言
高速 电 主轴 作 为 高 速 机 床 的最 核 心 部 件 ， 时 同 也是 这类 型 机 床 的最 大 的热 源 。在 高 速 加 工 中 ， 由
（） １ 电主轴 内部冷却 循 环系统 的对 流换 热 。
（ ） 承与润 滑油 的对 流换热 。 ２轴 （） ３ 电机 定子 和转 子 间气 隙 的对 流换热 。 （） ４ 主轴 转子 端部 的传热 。 （） ５ 电主轴 与外部 空气 的传热 。
式 中， ９为热 源 的发热 量 ； Ｖ为热 源 的体 积 。
第 １期 ２１ ０ ２年 １月
组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术
Ｍｏ ｄｕｌ ｒ Ｍ ａ ｈｉ ｅ Ｔｏ ａ ｃ ｎ ｏｌ＆ Ａ ｕ ｏ ａｔｃ Ｍ ａ ｆ ｃ ｕ ｉ ｇ Ｔｅ ｈｎ ｑｕ ｔ ｍ ｉ ｎｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｃ ｉ ｅ
Ｎ０ １ ．
Ｊｎ ０２ ａ ．２ １
表 ２
表 ２ 主 轴 角 接 触球 轴 承 部分 技 术 参 数
参 数
型 号 内径 ｄ ｍ ／ ｍ 外 径 Ｄ ｍｍ ／ 宽度 Ｂ ｍ ／ ｍ
输 出转换 文件 ， 再导入 有 限元 分 析软 件 Ａ Ａ Ｕ Ｂ Ｑ Ｓ中。
电主轴 的定 子 和转 子 均 可 以 视 为 厚 壁 圆筒 ， 后 轴 前 承 的滚动体 在 高 速 运 转 的 状 态 下 可 以简 化 为 环 形 ，
理论依 据 。
关键 词 ： 电主 轴 ； 限元 分析 ； 结构特 性 有 热一 中图分类 号 ： Ｈ１ ； Ｇ ５ Ｔ ６ Ｔ ６ 文献标 识码 ： Ａ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｓ ａ ｃ ｎ Ｔｈｅ ｍ ａ － ｒ ｃ ｕｒ ｌＣｈａ ａ ｔ ｒ ｓｉｓ ｆ ｉ ｈ Ｓｐ ｅ ｏ ｏ ｉｅ ｐｉ ｄｌ ｒ ｌＳｔ ｕ ｔ ａ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｏｒ Ｈ ｇ ｅ ｄ Ｍ ｔ ｒｚ ｄ Ｓ ｎ ｅ
Ｆｉ ａｌ ，ｉ ｎ ｌｚ ｓｔ ｅ ｄ ｓｒｂ ｔ ｆｔｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｎ ｈ ｒ ａ ｅ ｏ ｍ ａｉ ｎ ｆ ｒｔｅ ｍ ｏ ｏ ｉｅ ｐ ｎ ｌ ｙ － ｎ ｌ ｙ ｔａ ａｙ ｅ ｈ ｉｔｉ ｕｉ ｏ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｍ ｌｄ ｆ ｒ ｔｏ ｏ ｈ ｔ ｒｚ ｄ ｓ ｉ ｄ ｅ ｓ ｓ ｏｎ
Ａｂｓｒ ｃ ：Ｔｈ ｓ ａ ｔｃｅ ｄ ｓ ｕ ｓ ｓ ｍ ｏ ｅｉ ｇ ｆ ｒ ｈｅ ｍ ｏ ｏ ｉ ｅ ｐ ｎ ｌ ｆ ＣＸ ８ ５ ｕ ｎ— ｉｌ ｏ ｔａｔ ｉ ｒｉｌ ｉｃ ｓｅ ｄ ｌｎ ｏ ｔ ｔ ｒｚ ｄ ｓ ｉ ｄ ｅ ｏ ０７ ｔ ｒ ｍ ｌ ｎｇ ｃ ｍｂｉ ｄ ｉ ｎｅ
４ ０ ０ ；２ 安 阳鑫 盛 机 床 股 份 有 限 公 司， 南 安 阳 ５０１ ． 河
摘 要 ： 章讨论 了对 Ｃ ８ ７ 文 Ｘ ０ ５车铣 复合 加 工 中心 高速 电主 轴 的 建模 ， 并利 用有 限元软 件 Ａ Ａ Ｕ Ｂ Ｑ Ｓ分 析其 热一 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
ｔ ｒ ｎ ｓｅ ｄ — ｔ ｔ ｓ ｗｈ ｃ ｒ ｖ ｄ ｈ ｈｅ ｒ ａ ｉ ｏ ｆ ｒｈ ｒ ｒ ｓ ａ ｃ ｏ ｈ ｈ ｒ ａ ｒ ｏ ｆ ｔ ａ ｅ ｎ ｏ ｔ ａ ｙ ｓａ ｕ ， ｉ ｈ ｐ ｏ ｉ ｅ ｔ ｅ ｔ ｏ ｙ ｂ ｓｓ ｔ ｕ ｔ ｅ ｅ ｅ ｒ ｈ ｆ ｒ ｔ ｅ ｔ ｅ ｍ ｌ ｅ ｒ ｒ ｏ ｈｅ ｍ — ｃ ｉ ｅ． ｈｎ
１ ２ 主 轴轴 承的摩 擦 生热 ． 引起 轴 承发热 的原 因很 多 ， 也很 复 杂 ， 要有 滚 主
２ 电 主 轴 的 热一 结构 有 限 元分 析
电主轴 基 本 上 为 一 个 对 称 结 构 ， 次 分 析 中采 本
用 电 主 轴 模 型 的 一 半 来 进 行 分 析 研 究 。 首 先 在 Ｓｌ Ｗｏｋ ｏ ｄ ｒｓ中建 立一个 电主轴 的三 维 实体模 型 ， 后 ｉ 然
・
２ ６・
组 合 机 床 与 自动 化 加 工 技 术
第 １期
电主 轴 在 高 速运 转 的 时候 会 产 生 大 量 的 热 ， 但 最 主要 的热 源 可 以 分 为 两 个 部 分 ， 是 主 轴 电机 的 一 发 热 ， 是 主轴轴 承 的摩擦 生 热 。 二
１ １ 内 置 式 电 动 机 的 损 耗 生 热 ．
因为主轴 电机 损 失 的功 率 全 部 转 化 为 热 量 ， 则
额 定 的损 耗 功 率 为 ：
Ｐ ＝Ｐ ‘（ １一即） （） １
当 ｎ＜ ０ ０时 ： ２０
Ｍ， ６ ：１ ０×１ ￣ ｏ ￣ ０ ｆｄ ｏ （） ７
式 中 ， 为轴 承 中径 为考 虑 轴 承结 构 和润 滑 ｄ 方 式 的系数 ； 为工作 温 度下 的润 滑 油 的运 动粘 度 ； ｎ 为轴 承转速 。
Ｃ ｃ ｉｅｃ ｎｅ ，ａ ａｙ ｅ ｔ ｔｅｍａ—ｔ ｃｕ ａ ｃ ａａ ｔｒｓ ｃ ｙ ｕ ｅ ｏ ＡＱＵＳ Ｆ Ａ ｏｔ ｒ ． ＮＣ ｍａ ｈｎ ｅ ｔｒ ｎ ｌｓｓｉ ｈ ｒ ｌ ｒ ｔｒｌ ｈ ｒｃｅｉ ｉｓｂ ｓ ｆＡＢ ｓ ｓｕ ｔ Ｅ ｓｆ ｗａｅ
１ ３ 电 主 轴 的 传 热 机 制 ．
式 中 ， 为 电机额定 功率 ； Ｐ 叼为 电机额 定 效 率 。其 中 ２ ３的热量 由电机定 子产 生 ， ／ 另外 １ ３由电机转 子产 ／
生 。
生 热率 ｑ指 单 位 体 积 的生 热 量 ， 用 如 下 公 式 使
计算 ：
ｑ ／ ＝Ｑ Ｖ （） ２
ＳＵ Ｙｕ ｆ ｎ ， ＹＵＡＮ ｅ ｘｎ —ｅ ｇ Ｗ ｎ— ｉ ， Ｌ Ｕ Ｄｅ ｐ ｎ ， Ｌ Ｕ ｕ—ａ Ｉ ．ｉｇ Ｉ Ｗ ｆ ， Ｗ ＡＮＧ Ｙｕ— ｎ ｐｉｇ
（ ． ｅｅｒｈＩｓ ｔｔ ｏ ｃ ａ ｏ ｉ ， ｈ ｎ ｚｏ ｎｖｒ ｔ， ｈｎ ｚｏ ５ ０ Ｃ ｉａ ２ Ａ ｙｎ ｉ— １ Ｒ ｓａｃ ｎｔｕｅ ｆ ｉ Ｍｅｈ ｔ ｎｃ Ｚ ｅｇｈｕＵ ｉ ｓ ｙ Ｚ ｅｇｈｕ４ ０ ０ ， ｈｎ ； ． ｎａ ｇＸ ｎ ｒ ｓ ｅｉ １ ｓｅｇＭａｈｎ ｏｌ Ｏ ，Ｌ Ｄ，Ａ ｙ ｎ ｅ ａ ５ ０ ０ Ｃ ｉａ ｈ ｎ ｃ ｉｅＴ ｏ Ｃ ． Ｔ ｎ ａ ｇＨ ｎ ｎ４ ５ ０ ， ｈｎ ）
前 轴 承
Ｘ Ｂ ０ ９ＥＴ Ｐ Ｓ Ｃ ７ ｌ． ．．４ ９ ５ １５ ４ ２ ４
后 轴 承
ＸＣ ７ １ 一 ． ． ４ Ｂ Ｏ ７Ｅ ＴＰ Ｓ ８ ５ １０ ３ ２ ２
截面 面积 与 滚 动 体 的截 面 面积 相 等 。 另外 ， 保 证 在
计算 精度 的前提 下 ， 对模 型进 行 如下 简 化 ： 主轴 中 电
的摩擦力 矩分 量 ． 两部 分组成 。
Ｍ ＝Ｍ０＋Ｍｌ Ｍ０＝ Ｐ． ｄ （ ４） （ ５）
式 中 ， ，为确 定 轴 承 摩 擦 力 矩 的计 算 负 荷 ； Ｐ ｄ 为轴 承 中径 （ ｌ） 为 与轴 承 类 型 和所 受 的 负荷 有 ｍＴ Ｉ
关 的 系数 。 当 口 ≥２ ０ ｎ ０ ０时 ：
收稿 日期 ：０ １— ７一Ｏ ２１ ０ １
图 １ 电 主轴 结构 简 图
｛基金 项 目 ： 国家 重 大 科 技 专 项 资 助 （０ ９ Ｚ４ ０ ０ ３ ２ ０ Ｘ ００ １— ３ ） 作者 简 介 ： 宇 锋 （９ ７ ） 男 ， 庆 人 ， 州 大学 副教 授 ， 事 机 电一 体 化 产 品设 计 与分 析 ， Ｅ—ｍ ｉ ｙｆｎｓ＠ Ｚ ．ｄ ．ｎ 苏 １７ 一 ， 重 郑 从 （ ａｌ ｕｅｇｕ Ｚ ｅｕ ｃ 。 ） Ｕ