机床电主轴单元热-结构特性动态分析

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8e机床电主轴单元热-结构特性动态分析
摘要：分析了高速电主轴单元热变形机理与散热机制，对主轴单元热态特性要求进行了描述。利用AN-
SYS对高速电主轴进行了热.结构耦合分析。通过改变电主轴有限元模型中的边界条件，对不同转速、润
滑方式、冷却结构设计、内装式电机选择条件下电主轴热.结构特性进行了对比分析。根据分析结果，提
出了改善电主轴热态特性的措施，为电主轴冷却结构设计提供了参考。
关键词：电主轴；热-结构特性；有限元分析；改善措施
中图分类号：TG502；THl22 文献标识码：A
Analysis of Thermal-Structural Characteristic of Motorized Spindle of CNC Machine Tool
HU Qiu，HE Dong-lin
(China Academe Engineering Physics，Institute of Mechanical Manufacturing Technology，Mianyang Sichuan
621900，China)
Abstract：Firstly introduces the mechanism of thermal deformation and heat dissip ation of motorized sp indle，
describes the thermal·structural characteristic of motorized spindle，thermal-structural coupling analy7sis is done
for the highspeed motorized spindle by ANSYS.Then by change the boundary conditions in FE mode of motorized
spindle，Thermal-structural characteristic in different conditions such as rotate speed，lubrication mode，
cooling structure design，and spindle motor are contrasted.By the result of simulation，the main measures to
improve thermal-structural characteristic of the high speed motorized spindle are brought forward，references to
structure design of motorized spindle are offered.
Key words：motorized spindle；thermal-structural characteristic；FEA；improving measures
0前言
高速加工中，主轴单元的热变形己经成为影响加
工精度的主要因素。事实上，由于高速机床主轴系统
的精度和刚度都较高，负荷却不是很大，此时主轴的弹
性变形常诚小，而热变化已达到零件总加工误差的
60～80%。因此对高速主轴来说，必须具有良好的热-
结构性能。
1 高速主轴单元热态特性概述
对电主轴而言，电机发热和主轴轴承摩擦生热是
二大热源。由于机床主轴热源的非恒定性和加工条
件、主轴各零部件的材料、形状及散热条件的复杂性，
使主轴形成了-个复杂多变的温度惩热位移常在
内外热源的作用下，高速电主轴与周围环境进行多种
形式的热交换：定子产生的热量-部分通过对流由强
制水冷却系统的冷却水吸收并带走，另-部分通过对
流和辐射传递给定子周围的空气；转子产生的热量-
部分通过导热直接传递给主轴和轴承，另-部分通过
对流及辐射传递给定子；高速电主轴的各外表面则与
周围的空气进行对流和辐射换热。
工程上多以用主轴前轴承的外周作为测量系统温
升的典型区域。评价主轴温升通常在无外加载荷和无
外部热源影响的情况下进行。对主轴而言，其良好的
温升特性意味着：
(1)主轴温升低；这是因为系统温升高，零件的热
变形就大，精度丧失的可能性就大；
(2)温度场对主轴轴线的对称性和温度场梯度。
对主轴而言应该温度梯度场量小且温度场对主轴为
轴对称分布。
2 高速电主轴的热-结构耦合分析
2.1 热·结构分析基本理论
对电主轴而言，由于结构、载荷的几何对称性