摘要
摘要
高速加工能大大地提高生产率和降低生产成本，是一项非常有前途的先进制造技术。高速机床是实现高速加工的必要条件，高速电主轴是高速机床的关键部件。与传统的传动方式相比，高速电主轴使用内装式电机直接驱动，取消了齿轮、皮带等中间传动环节，实现了机床主传动的“零传动”，它不仅极限转速高、加减速度大而且还能传递大功率、大扭矩，具有良好的动、静态特性，然而电主轴也具有缺陷，由于内装式电机的功率损耗发热和高速滚动轴承的摩擦发热，使得高速电主轴的发热量很大，轴承的温升较高，由此产生的热变形严重影响高速机床的加工精度。这一缺陷大大地限制了高速电主轴的研制与应用。改善电主轴的热态特性，以减少电主轴的温升和热变形是当前电主轴研究的主要内容之一。本文首先对电主轴的结构特点及散热特性进行了分析，随后对基于热接触有限元分析的理论作了简要概述，并给出了电主轴的热载荷、热边界条件的计算方法；最后对车铣用电主轴的热态特性利用ＡＮｓＹｓ进行了基于热接触理论的有限元分析，通过实验对其准确性进行了验证。为改善该电主轴的热特性，提出了两种改进措施：一是采用油一气润滑；二是对主轴轴承座进行强制冷却。对采取改进措施后的电主轴分别进行了有限元热特性分析，分析结果表明这两种改进措施对改善电主轴的热态特性具有明显效果。另外还分析了多种工况下电主轴的热变形和热应力，以及电主轴的热变形和热应力对电主轴精度和结构安全性的影响。 wsrd
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拼图板关键词：高速电主轴；热变形；热应力：ＡＮｓＹｓ；有限元分析
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离心机转子GDPGRFѪᛘٮᗳᮤ⨶ ሿᓇGDPGRF WDREDR F
广东工业大学工学硕士学位论文
这种由内装电机和机床主轴“合二为一”的传动形式，即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床的主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴。高速电主轴典型的结构和系统组成如图１一ｌ所示。
图１，１电主轴的典型结构
（Ｆｉｇ．１－１ＴｙｐｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＨｉｇｈ．ｓｐｅｅｄＭｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅ）高速电主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并可改善主轴的动平衡，
减少振动和噪声，具有很高的回转精度。此外，电主轴采用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调速范围宽，功率．扭矩特性好，是高速机床主轴单元的理想结构。
高速电主轴作为高速机床的核心部件，同时也是该类机床的主要热源。在高速机床中，电主轴单元各零件的刚度和精度都比较高，工作负荷却不大，电主轴因切削力引起的加工误差比较小。然而，电机内装于电主轴，其发热却是不可避免的，由此引起的热变形如果处理不当会严重降低机床的加工精度。因此，在高速加工中，电主轴的热态特性成为影响加工精度的一个主要因素，并直接限制电主轴转速的提高。但在高速加工时，电机内置几乎是唯一的选择，也是最佳的选择，这是因为ｌ“：
（１）如果电机不内置，仍采用电动机通过皮带轮或齿轮等方式传动，则在高速运转条件下，由此所产生的振动和噪声等问题难以解决，必会影响机床的加工精度。
（２）为了提高生产率，相应地要求在最短时间内实现高转速的变化，即主轴回转时要具有极大的角加、减速度，来实现电主轴的快速启动和停止。达到这个
第一章绪论
苛刻要求最经济的办法，是将主轴传动系统的转动惯量尽可能地减至最小。只有将电机内置，去掉齿轮、皮带轮等一系列中间环节，才有可能达到这一目的。
（３）电机内置于主轴两支承之间，与用皮带轮、齿轮等作末端传动的结构相比，可较大地提高主轴系统的刚度，也就提高了系统的固有频率，从而提高了其临界转速值。这样，电主轴即使在最高转速运转时，仍可确保低于其临界转速，保证高速回转时的安全。
尽管电主轴具有各种优良的特性，但是由于电机内置，使得主轴轴承温升急剧上升，尤其是在高速状态下时更为严重。电主轴的温升问题已经成为制约高速、大功率、大扭矩电主轴发展的主要因素，其热态特性问题迫切需要解决，目前这一课题也是国内外学者的研究热点。试管架
１．２．２高速电主轴的热态特性的研究现状
为了推动电主轴在高速机床上的应用，进一步改善电主轴的性能，国内外的许多专家学者对高速电主轴热态特性做了大量的科研工作，取得了许多成绩。１９８８年，日本的ＮＳＫ研究中心的ＨｉｒｏｔｏｓｈｉＡｒａｍａｋｉ等学者对陶瓷球轴承在高速下的力学与发热数学模型进行了深入研究，并进行了实验验证“１。同年，韩国学者ＪｉｎＫｙｕｎｇｃｈｏｉ等用大型有限元软件ＡＮｓＹｓ分析了五轴加工中心的主轴一轴承热态特性，分析结果与实验所得数据相近。研究结果表明，如果选用合适的主轴传热系数，则有限元法是主轴系统热态分析的合适工具“３。１９９９年美国普渡大学（Ｐｕｒｄｕｅ）的ＢｅｒｎＢｏｓｓｍａｎｎｓ和ＪａｙＦＴｕ教授提出了一个有限差分模型来描述高速电主轴能量分布，分析了电主轴的传热机制”１。同年Ｆ＇Ｆａｒｃａｓ学者研究了油脂润滑参数对滚
动角接触轴承使用寿命的影响”１。２００１年ＢｅｒｎＢｏｓｓｍａｎｎｓ和ＪａｖＦＴｕ教授进一步提出了高速电主轴的能量流动模型，并分析了主轴发热的定量特性”１。同年印度学者ＶＰＲａｉａ等分析计算了高速主轴的轴承摩擦发热，并用有限差分及有限元法估算了主轴部件的温度分布“…。２００２年，新加坡学者Ｓ．Ｈ．Ｙｅｏ对超高速磨削电主轴的使用油一气润滑的特征进行了深入研究…３。２００３年美国普度大学的ｃｈｉ—ｗｅｉＬｉｎ等学者建立了电主轴的综合的热态与动态模型，研究了轴承预紧力对轴承刚度以及整个主轴动力学性能的影响以及离心力对主轴动力学性能的影响，并得出结论：高速电主轴在高速下刚度变小主要是由于离心力的影响““。
sip服务器国内从事这一领域研究的主要有广东工业大学、洛阳轴承研究所和浙江大学等单位。洛阳轴承研究所的杨启威用热流网络法分析轴承系统温度场，并开发了
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