負(fù)載對(duì)電主軸溫度場(chǎng)瞬態(tài)的有限元分析

電主軸以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)成為高精度、高自動(dòng)化程度機(jī)床的核心部件。電主軸按照用途分為銑削電主軸、磨削電主軸及車削電主軸。其中，車削電主軸主要應(yīng)用于車削加工中心和倒置立式車床中。
電主軸的溫升問題制約了電主軸向大功率、小體積方向的發(fā)展。如何更好地計(jì)算電主軸內(nèi)部溫度是解決溫升問題的關(guān)鍵。在溫升計(jì)算方面，有很多科技工作者進(jìn)行了研究。Bernd BOSSMANNS等對(duì)軸承滾動(dòng)摩擦、主軸內(nèi)藏電機(jī)、加工操作3個(gè)主要熱源的發(fā)熱特性進(jìn)行了詳細(xì)描述，建立了高速電主軸發(fā)熱、傳熱及表面熱交換計(jì)算模型，總結(jié)了熱量在熱源與潤滑結(jié)構(gòu)及電主軸各部件之間的傳遞規(guī)律。在考慮冷卻水與冷卻空氣對(duì)流傳熱條件下，運(yùn)用有限差分法計(jì)算了主軸內(nèi)部各部分溫度場(chǎng)。Chi-Wei LIN等對(duì)Bernd溫度分布計(jì)算模型進(jìn)行了深入研究，提出了熱-結(jié)構(gòu)耦合的高速主軸動(dòng)力模型，分析了溫度分布對(duì)主軸結(jié)構(gòu)及軸承結(jié)構(gòu)的影響。
以往的研究主要針對(duì)連續(xù)高速運(yùn)行的電主軸進(jìn)行分析計(jì)算，假設(shè)負(fù)載為恒定，主軸發(fā)熱恒定，沒有將負(fù)載變化作為主軸熱態(tài)的影響因素，主軸內(nèi)部溫升曲線呈現(xiàn)單調(diào)增加趨勢(shì)。對(duì)倒置立式車床電主軸，其工作方式是間歇性的，其溫度變化曲線呈現(xiàn)波動(dòng)上升狀。為了更好地對(duì)其內(nèi)部溫度波動(dòng)變化進(jìn)行分析，杭州那泰有限元分析公司在分析整個(gè)加工過程中載荷變化基礎(chǔ)上建立熱源模型，并利用有限元分析方法進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。
電主軸的典型結(jié)構(gòu)由無殼電動(dòng)機(jī)、芯軸、軸承、水套和外殼等部件組成。主軸電動(dòng)機(jī)位于機(jī)床主軸的內(nèi)部，電機(jī)運(yùn)行所產(chǎn)生的電磁損耗是其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的主要熱源，它主要包括繞組的銅損耗、鐵心的渦流損耗和磁滯損耗等。軸承滾動(dòng)體與內(nèi)、外圈之間相互擠壓摩擦產(chǎn)生的熱是電主軸的又一大熱源。發(fā)熱量的大小與軸承的結(jié)構(gòu)形式、預(yù)緊力、載荷及轉(zhuǎn)速大小有關(guān)。
電主軸系統(tǒng)溫升最嚴(yán)重的部位主要在前、后軸承處，定子和轉(zhuǎn)子4個(gè)位置。軸承中傳遞的熱量有三部分：一部分通過軸承內(nèi)圈傳遞給主軸；一部分通過軸承外圈傳遞給主軸前端蓋；還有一部分被主軸內(nèi)部氣體帶走。其中，前兩部分為接觸熱傳導(dǎo)，后一部分為對(duì)流換熱。因此，軸承的散熱特性主要受潤滑情況和主軸內(nèi)部氣體溫度的影響。定子產(chǎn)生的熱量一部分通過對(duì)流換熱傳遞給前后兩端氣體，另一部分通過定子冷卻套中的冷卻液帶走。永磁電主軸轉(zhuǎn)子本身不是熱源，它與氣隙中的空氣發(fā)生對(duì)流換熱導(dǎo)致其溫度升高，轉(zhuǎn)子熱量的散失主要有兩條途徑：一部分與電機(jī)前后端冷卻氣體發(fā)生對(duì)流換熱；另一部分傳導(dǎo)給主軸。此外，電主軸殼體還與周圍空氣存在對(duì)流和輻射。
機(jī)床在加工零件的過程中主要有裝夾、啟動(dòng)、切削和停機(jī)4個(gè)動(dòng)作。裝夾過程中主軸載荷為零；啟動(dòng)過程主軸的載荷主要是芯軸的慣性力矩及軸承的摩擦力矩；切削過程中主軸的載荷有切削轉(zhuǎn)矩和軸承摩擦力矩；停機(jī)過程中主軸載荷有摩擦力矩。油膜中的速度梯度為常變化不大，且線接觸狀態(tài)下油膜厚度在接觸區(qū)域幾乎不變。則圓柱滾子軸承發(fā)熱量可近似地由公式進(jìn)行計(jì)算。

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