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高速电主轴的热变形研究 口谢黎明 口邵宽平 口靳岚 口张海杰 兰州理工大学机电工程学院 兰州 730050 摘要：以高速机床电主轴单元为研究对象，研究主轴温升对电主轴精度的影响。通过对电主轴主要热源的分析．应 用ANSYS软件对主轴进行建模，研究高速电主轴轴心温度场的分布情况和主轴的变形趋势。在明确主轴产生的热量与热 变形量之间关系的基础上，提出针对电主轴热变形量的补偿措施。从而提高高速机床的稳定性，确保主轴精度的保持性。 关键词：电主轴温升热变形 中图分类号：THl33．2 文献标识码：A 文章编号：1000—4998(2011)03—0041—03 现代机械制造向着高效率、高速度、高质量和高精 空转功耗所转化的热量成为高速机床的主要热源。二 度发展．高速加工已逐渐成为加工业的发展方向。并成 是轴承，主轴轴承在高速运转中。滚子与滚道的滚动摩 为提高国际竞争能力的关键技术。机械加工精度的提 擦，高速下所受陀螺力矩产生的滑动摩擦及润滑油的 高也是产品质量控制的重要环节，随着高速加工的广 粘性摩擦等产生的摩擦热，加剧了发热强度。对电主轴 泛应用。对高速电主轴的性能要求日益提高。一般来 系统的热变形也有直接影响。 说。高速机床的误差由以下原因造成：机床热变形误 确定整个电机的有效输入功率P： 差、机床零部件和结构的几何误差、切削力引起的误 尸=、／丁Ulcos‘p (1) 差、刀具磨损误差和其它误差源。在机床的各种误差源 电压U和电流，的大小可以测出，相位角妒决定 中。热误差是高速机床的最大误差源。占机床总误差的 有效功率和实际功率的相对大小。电机定子和转子的 70％2[E右…。主轴在高速运转过程中产生大量的热量使发热来源于电机的损耗。电机的损耗一般分为4类：机 主轴温度升高，导致主轴变形，从而影响加工精度。因 械损耗、电损耗、磁损耗和附加损耗[2】。前3类损耗通 此有必要对主轴的热变形量进行深入研究．提出补偿 常称为主要损耗。附加损耗在总的损耗中所占的比例 措施，提高高速机床的加工精度。 很小，约为额定功率的l％～5％。 随着主轴转速的增加．轴承内部的摩擦发热也很 1 电主轴的主要热源分析 严重。热分析中主要的未知量是温度，它是一个标量 电主轴的主要热源有两部分：一是主轴电机．机床 (与之对立的是位移，它由3个方向的分量构成)。因 在工作过程中．电机输出功率是它在空转时消耗的功 此，无论在什么类型的单元中。在热分析有限元模型的 率与切削时消耗的功率的总和。在高速加工中，机床的 节点上，只需要考虑一个自由度[引。为简化问题，方便 $国家科技重大专项(编号：2009zx04001-015) 进行研究，故对轴承内部的传热现象作了如下的假定： 收稿日期：20lO年10月 稳态热传递；一维温度分布；接触区的发热与时间无 。◆·◆。◆-◆·◆-●o ●-●·◆‘◆’◆。◆o◆·◆·◆·◆-◆。 进方案。通过ANSYS分析证明改进后的床身具有更好[5]王爱玲．现代数控机床[M]．北京：国防工业出版社，2009． 的动态性能。其结构的的优化设计是可行的。X-t减小重 [6]夏田．数控加工中心设计Era]．北京．化学工业出版社，2006． 要结合面的变形量，提高加丁精度起到了良好的作用。 [7]曹霞，尹飞鸿．立式加工中心动态分析与结构优选[J]．常州 参考文献 工学院学报，2007，20(3)：18—22． [1]姜华，殷国富，郑义和．高速、高精五轴加工中心