立卧式加工中心高速电主轴的热-结构耦合分析

ａ ｒ ｙ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ｗａ ｓ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｂ ｙ ｍｅ ａ ｎ ｓ ｏ ｆ ａ ｎ ａ ｌ ｙ —
承 接触 区的发热 量 为 １ ５ ６ ８ Ｗ， 后 轴 承接 触 区的发
热量 为 １ ６ ６ Ｗ． 前、 后 轴 承的生 热率分别 为
甓 一
７ ｃ 。× ０
．
：
（ ３ ）
一
兰 一 １ ２ ５ ×（ ０ ． ０ ０ ９ ５ ５ ／ ２ ） 。
１ ３ ９ ５ ０ １ ７ ８（ Ｗ／ ｍ０ ）
采用 有 限元仿 真分 析软 件可 以较好 地分 析这个 问题 ． ＡＮＳ ＹＳ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ １ ３ ． ０是 ＡＮＳ ＹＳ求 解 实
收稿 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ５ — ０ ２
行结构分析， 将前面得到的温度场作为载荷加载到结 构上， 求得结构的热变形情况［ ３ ］ ， 为 了说明模 拟的合
大类 ： 内部热 源有定 转子 的 电枢损 耗发 热 、 轴 承的摩 擦 生热 以及加 工过程 中的切削热 ； 外部热 源有 ： 环境 温 度 以及 阳光 等热 辐 射． 本 文研 究是 在 室 温 下 只考
虑 内部 热源． ２ ． １ 定子 与转子 的生热 率
毫
一 ：： ：
机床主轴主要热源分为内部热源和外部热源 ２
电主轴的工作状态是 ： １ ） 温度 ￡ 一２ ０℃； ２ ）油一
气 润滑 系统 的压 缩 空气 流 量 Ｖ－ －２ ． ２ ×１ ０ ｑ ｒ ｎ 。 ， 气
体 压力 为 ０ ． ４ ＭＰ ａ ， 温度 ｔ ｉ 一２ Ｏ℃ ； ３ ）油一 水 热 交
２ 主要热源的计算及边界条件
学、 非线性接触分析以外还支持直接耦合场分析 ， 如 热一 结构 、 热一 电、 热一 磁耦合等． 热结构耦合分析是耦
合物 理场 分析 中 比较常 见 和 重 要 的一 种 ， 本文 以 日
主轴 、 工作 台 、 刀 具 等部 位 发 生 一定 的相 对 位移 ， 使
本Ｆ Ａ Ｎ Ｕ Ｃ交流内装式电主轴单元 为研究对象， 轴 承由青海一机数控机床有限责任公 司、 华 中科技大 学 以及 兰州 理工 大学 联 合 攻关 自制 ， 在 有 限 元 分析
第３ ９ 卷 第６ 期
２ ０ １ ３ 年 １ ２月
兰
州
理
工
大
学
学
报
Ｖ０ １ ． ３ ９ Ｎｏ ． ６
Ｄｅ ｃ ． ２ ０ １ ３
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｌ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ中 ， 并进行 网格划分， 划分 结果如 图 １
所示．
（ ０ ． １ ５ ８ ７ ２ 。 一０ ． １ ０ ２ 。 ） ×０ ． ３ ６
２ ４ １ ３ ２ ０（ Ｗ／ ｍ。 ）
（ ２ ）
２ ． ２ 轴 承的 生热率
根据文献［ ４ ， ５ ］ 轴承发热计算公式， 可得到前轴
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔａ ｋ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｇ ｈ — ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ｕ ｎ ｉ ｔ ｏ ｆ ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｈ ｏ ｒ ｉ ｚ ｏ ｎ ｔ ａ ｌ ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｓ ｉ ｎ —
ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ．Ｕｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ＡＮＳ ＹＳ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ，ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ｗｉ ｔ ｈ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｌ ｙ ｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ．Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｈ ｏ ｗｅ ｄ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｉ ｎ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｗｏ ｕ ｌ ｄ ａ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｑ ｕ ａ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ
ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｈ ｏ ｒ ｉ ｚ ｏ ｎｔ ａ ｌ ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎｉ ｎ ｇ ｃ ｅ ｎｔ ｅ ｒ
Ｌ Ｉ Ｙｏ ｕ － ｔ ａ ｎ ｇ ，ＬＥＩ Ｙｉ － ｆ ｅ ｎ ｇ
（ Ｃｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｏ － Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｅｎ ｇｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ，ｌ ｍｎ ｚ ｈ ｏｕ Ｕｎｉ ｖ ．ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｋ ，Ｉ ｍｎ ｚ ｈ ｏ ｕ ７ ３ ０ ０ ５ ０，Ｃｈｉ ｎ ａ ）
ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ， ａ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｏ ｄ ｅ １ ｏ ｆ ｈ ｉ ｇ ｈ — ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｗａ ｓ ｓ ｅ ｔ ｕ ｐ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｂ ｏ ｕ ｎ ｄ —
软件 Ａ ＮＳ ＹＳ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ中 采 用 顺 序 耦 合 分 析 方 法 ， 即先进行热 分析 求 得结 构 的温 度场 ， 然后 再 进
加工精度大大降低． 机床主轴等重要零部件热变形 是引起机床误差的重要 因素 ， 因此在机床设计时 ， 减 少主轴系统的发热和加强散热， 减小变形 ， 对机床的 工 作性 能有 重要 的意义 ．
的热变形进行 仿真分析并进 行实验验证． 结果表 明： 影响产 品加工质量的主要因素为轴 向位 移和径 向跳 动， 而且 主 轴转速越大其位移值越大． 关键词 ： 高速 电主轴 ；热一 结构耦合 ；热变形
中 图分 类 号 ：Ｔ Ｇ５ ０ ２ 文献标识码 ： Ａ
Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｒ ｍａ ｌ ＿ 。 ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｃ ｏ ｕ ｐｌ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｈ ｉ ｇ ｈ — － ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ ｓ ｐ ｉ ｎｄ ｌ ｅ ｉ ｎ
ｗｅ ｒ ｅ ｔ ｈ ｅ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｌ ｒ ｕ ｎ ｏ ｕ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｇ ｒ ｅ ａ ｔ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｗａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｇ ｒ ｅ ａ —
作者简 介：李有堂（ １ ９ ６ ３ 一 ） ， 男， 甘肃定西人 ， 博 士， 教授 ， 博导．
兰
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第 ３ ９ 卷
轴， 结构 为 后 置 式 ， 额定 功率 为 ２ ５ ｋ Ｗ， 额 定 转 速 １ ２ ０ ０ ０ ｒ ／ ｍｉ ｎ ， 最高转速 １ ５ ０ ０ ０ ｒ ／ ｍｉ ｎ． 电机 后 置 ， 在主轴 前端采 用 ４组 角接 触 陶瓷球 轴 承 ， 在 主轴 后 端采用 一个 圆柱滚 子 轴 承作 为 辅助 支 撑． 前轴 承采 用定位 预 紧固定 ， 可 以同时承受 轴 向和径 向载 荷 ； 后 轴 承在 轴 向可 以有 微 量 位移 ， 以补 偿 主轴 工 作 时 的 轴 向热位 移． 在 导人 ＡＮＳ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ之 前对 模 型进行 必要 的简 化 ， 主轴 结 构 中螺 纹 孔 、 通气 孔 、 倒 角等对 温度场 的 温度 的分 布几 乎不 产 生 影 响 ， 尽 量 省略 掉 ， 在 三 维 软 件 中建 好 模 型 导 入 Ａ ＮＳ ＹＳ
高 速数 控机 床Biblioteka Baidu的热态特 性一 直阻碍 高速 加工 精
际 问题 的新 一代产 品［ １ ］ ， 除 了可 以解 决静 力学 、 动 力
度的进一步提高 ， 由于机床在高速工作条件下， 热源 （ 电机 、 轴承等） 产生的热量传给机床部件 ， 使各部件
产 生一 定 的温升 ， 同时零部 件产 生热变 形 ， 从 而造 成
一
Ｑ
一
７ ｃ 。 ｄ （ Ｄｂ ／ ２ ） 一
鱼 鱼
７ ｃ 。× ０
．
一
（ ４ ）
０ ９× （ Ｏ ． ０ ０ ６ ９ ５ ／ ２ ）
１ ５ ４ ９ ２ ３ ０ １（ Ｗ／ ｍ。 ）
２ ． ３ 边界条件
图 １ 主轴 网格 划 分 模 型
Ｆ ｉ ｇ ， ． １ Ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｌ ａ ｙ ｏ ｕ ｔ ｏ ｆ ｍｅ ｓ ｈ ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓ ｉ ｎ ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ
文 章 编 号 ：１ ６ ７ ３ — ５ １ ９ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ － ０ ０ ３ ３ — ０ ４
立卧式加工中心高速 电主轴 的热一 结构耦 合分析
李 有 堂 ，雷 翼凤
（ 兰州理工大学 机电工程 学院，甘肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ５ ０ ）
摘要 ：以立卧 式加工 中心高速 电主轴单元为研究对象， 建立高速 电主轴系统的有限元分析模 型， 分析计算得到系统 热特性分析 的边界条件． 利用有 限元分析软件 ＡＮＳ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ对 电主轴在不 同转速 条件 下的温度场及其 主轴
理性 ． 通 过变形实验验证有 限元分析 的正确 性．
基金项 目：国家科技重 大专项 （ ２ ０ ０ ９ Ｚ Ｘ ０ ４ ０ ０ １ — ０ １ ５ ） ， 甘肃省 自然
科 学 基金 （ １ Ｏ Ｏ ２ Ｚ Ｓ Ｂ ｏ ６ ６ ）
１ 主轴有限元模 型
本文 研 究 对 象 为 ＨＭＣ ８ ０卧式 加 工 中 心 电 主
ｔ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｗｏ ｕ ｌ ｄ ｂ ｅ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｈ ｉ ｇ ｈ － ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ；ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ － ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ；ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ｄ ｉ ｓ ｔ ｏ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ
换冷却系统的冷却油流量为 ｑ ｖ 一１ ． ７ ８ ×１ ０ Ｉ Ｔ Ｉ 。 ／ ｓ ， 人 口温度 ｔ ｉ 一２ Ｏ℃， 出 口温度 ｔ 。 一３ ０℃， 主 轴转 速 １ ２ ０ ０ ０ ｒ ／ ｍｉ ｎ． 根据参考文献［ ６ ， ７ ］ 的相关计算公式 得到 ： 定子转子气隙对流换热系数为 １ ８ ０ ， 电主轴前 后 密封对 流换 热 系数 为 ２ ６ ０ ， 前轴 承 与压 缩 空 气 对