机床电主轴热管性能及其实验研究

论文摘要

高速切削加工是近年来迅速发展起来的先进制造技术,具有高精度,高速度,高效率等一系列优点,因而对数控机床的要求也越来越高,电主轴作为高速机床的关键部件,其性能的优劣,直接影响着高速机床的加工性能。由于电主轴将电机内置于主轴单元中,且转速很高,运转时会产生大量的热,引起电主轴温升,从而引起机床的热变形和零件的加工误差,降低机床的使用寿命。因此必须采取一定的措施控制电主轴的温度,目前一般采取强制循环油的冷却方式对主轴的电机及轴承进行冷却,但是这种方法结构复杂,所需辅助设备多,散热效率不高,冷却过程中又造成了动力消耗与环境污染等问题,为此本文提出了一种基于热管的电主轴冷却方式。首先,对电主轴的主要热源和传热机制进行了分析,建立了电主轴热态特性有限元分析模型,采用有限元热分析方法对电主轴的热特性进行了仿真研究,得出了电主轴在油冷却和不同方案热管冷却条件下的温度场,并对其结果进行了对比分析,为热管在电主轴冷却方面的应用提供了依据。其次,研制了热管性能测试实验台,包括加热装置、冷却装置和数据采集系统。设计了实验用热管模型,研制了集电环部件,并将其应用到数据采集系统中,解决了旋转热管测试的实验难点。最后,在分析热管传热特性的基础上,对热管的启动性能和均温性进行了测试,对热管冷凝段表面强化散热方式进行了实验研究,并研究了倾角对吸液芯热管传热性能的影响及转速对旋转热管传热性能的影响。这些研究为热管在电主轴上的应用提供了参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 电主轴单元
• 1.3 热管工作原理
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 电主轴冷却技术的研究现状
• 1.4.2 热管技术的发展及应用
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第2章 电主轴热特性及有限元仿真
• 2.1 引言
• 2.2 机床电主轴的热源分析
• 2.2.1 电机损耗发热
• 2.2.2 轴承的摩擦生热
• 2.3 电主轴的传热机制与换热系数
• 2.3.1 电机定子与转子之间的换热
• 2.3.2 轴承与压缩空气之间的换热
• 2.3.3 电主轴与前后密封环的之间的换热
• 2.3.4 电机定子与冷却系统的换热
• 2.3.5 旋转体表面的换热系数
• 2.3.6 电机静止壁面表面的换热
• 2.4 机床电主轴热态特性的有限元分析
• 2.4.1 电主轴模型的建立
• 2.4.2 单元类型的选择与网格划分
• 2.4.3 电主轴热载荷与边界条件的确定
• 2.4.4 电主轴的稳态热分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 热管性能测试实验台的研制
• 3.1 引言
• 3.2 热管性能实验装置
• 3.2.1 加热装置
• 3.2.2 冷却装置
• 3.2.3 数据采集系统
• 3.2.4 集流环的研制
• 3.3 热管的设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 热管性能实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 热管性能分析
• 4.2.1 热管的传热特性
• 4.2.2 影响热管传热性能的因素
• 4.3 实验方法
• 4.4 热管启动性与等温性的研究
• 4.4.1 热管启动性能测试
• 4.4.2 热管的均温性测试
• 4.5 倾角对吸液芯热管传热性能的影响
• 4.6 热管表面强化散热实验
• 4.7 转速对旋转热管传热性能影响
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢