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数控车床电主轴的热态特性分析

作　者: 王聪
导　师: 孙兴伟
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 电主轴 热态性能 热分析模型 有限元分析
分类号: TG519.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


加工技术的改进能够很大程度上提高生产效率和节约生产成本,是机械制造领域的发展方向。高效率的加工机床是完成高效率制造加工的首要条件。电主轴技术在高效制造加工领域有着举足轻重的作用。与传统的传动方式相比较,电主轴使用的是内装式电机,取消了中间的一系列传动环节,做到了“零传动”。到目前为止,我们仍对电主轴的热态特性缺少深层的认识与理解,所以很大程度上制约了电主轴技术被广泛的应用。电主轴的发热量主要是来自电机的定子和转子以及轴承的摩擦发热,热量的慢慢积累会导致机床一定程度的热变形,电主轴的热变形已经成为影响机床加工精度的一个最主要的因素,机床的热变形所造成的加工误差达到零件总加工误差的60%～80%。电主轴在工作的过程中,可能会因为发热的原因而出现故障,甚至连报警信号都来不及发出。本课题主要对电主轴的热态性能进行有限元分析,改善优化其温度场的温度分布,降低主轴温升和减少热变形。本论文计算了电主轴电机的发热和轴承的摩擦损耗发热,分析了冷却水和密封处的对流散热能力,在此基础上建立了电主轴热分析模型,用有限元分析软件对其进行分析求解,最终提出改善电主轴热态性能的主要措施,对采取改进措施后的电主轴模型再次进行了有限元的热分析,分析结果说明对轴承外圈进行水冷却这种措施对改善轴承处的温度场分布有很明显的效果。电主轴是数控机床主轴系统比较理想的结构形式,其技术水平和产品质量的提高对我国数控机床领域有着重要的理论意义和实用价值。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-19
  1.1 课题的来源  10
  1.2 电主轴概述  10-16
    1.2.1 电主轴技术  10-12
    1.2.2 电主轴国内外的研究现状  12-14
    1.2.3 电主轴国内外的发展趋势  14-16
  1.3 课题研究的内容和意义  16-19
    1.3.1 课题研究的内容  16-17
    1.3.2 课题研究的意义  17-19
第二章 电主轴结构的基本单元  19-27
  2.1 电主轴结构的基本构成  19
  2.2 内装式电主轴的结构  19-27
    2.2.1 电主轴的结构布局  19-21
    2.2.2 电主轴单元的结构设计  21-23
    2.2.3 轴承单元  23-25
    2.2.4 主轴轴承的润滑系统  25
    2.2.5 冷却单元  25-27
第三章 电主轴的热态特性  27-31
  3.1 主轴的热变形机理  27-28
  3.2 电主轴的热源  28-29
  3.3 电主轴散热分析  29
  3.4 电主轴工作情况对温升的影响  29-31
    3.4.1 主轴转速的影响  29-30
    3.4.2 轴承预紧力的影响  30-31
第四章 电主轴的热源发热计算  31-37
  4.1 电机定子和转子的发热计算  31-33
    4.1.1 机械损耗  31-32
    4.1.2 电损耗  32
    4.1.3 磁损耗  32-33
  4.2 轴承的发热计算  33-37
第五章 电主轴的传热机制  37-43
  5.1 轴承的传热  37-39
  5.2 电机定子与冷却液之间的对流换热  39-41
  5.3 电机定子与转子的传热  41-42
    5.3.1 定子和转子间气隙的换热  41
    5.3.2 定子和转子间的辐射换热  41-42
    5.3.3 转子端部的传热  42
  5.4 电主轴与周围空气间的传热  42-43
第六章 电主轴热态特性的有限元分析  43-56
  6.1 有限元在传热学中的应用  43-45
    6.1.1 有限元分析软件在热分析中的应用  43
    6.1.2 有限元热分析的基本原理  43-44
    6.1.3 有限元热分析步骤  44-45
  6.2 电主轴有限元分析模型  45-47
    6.2.1 构建电主轴几何模型  45
    6.2.2 电主轴单元类型的选择与网格的划分  45-47
  6.3 电主轴热载荷的计算  47-48
    6.3.1 电机生热率  47
    6.3.2 轴承的生热率  47-48
  6.4 电主轴边界条件的确定  48-52
    6.4.1 电主轴表面与周围空气间的对流换热系数  48-49
    6.4.2 电主轴密封环处对流换热系数  49-50
    6.4.3 电主轴冷却套与冷却液之间的对流换热  50-52
  6.5 电主轴的稳态热分析  52-54
  6.6 改善电主轴热态特性的措施  54-56
第七章 结论  56-57
参考文献  57-59
附录A 公式中主要符号的意义及单位  59-60
在学研究成果  60-61
致谢  61

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属切削加工及机床 > 车削加工及车床（旋床） > 程序控制车床和数控车床
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