本文關鍵詞：高速磨削電主軸熱—結構耦合分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：傳統(tǒng)切削加工在高速加工技術出現(xiàn)之后,開始進入了一個新紀元。作為高速加工的主要載體與工作母機,高速切削機床逐步替代傳統(tǒng)切削機床,成為了當代機械加工行業(yè)的主流機床。而電主軸作為高速機床上的核心部件,其精度、質量與工作性能的穩(wěn)定性成為影響高速加工機床性能和速度提升的主要因素。本文以3DL24型高速磨削電主軸為研究對象,通過傳統(tǒng)理論研究與現(xiàn)代仿真技術相結合的方法,使用有限元仿真分析軟件對電主軸內部溫度分布情況與主軸軸頭變形量進行了分析,具體研究內容如下:首先,文章對電主軸工作系統(tǒng)的組成部件進行了詳細的介紹,并在此基礎上,對其系統(tǒng)中的核心技術部件進行重點分析與選型,包括電主軸內部支撐軸承的選型、潤滑方式的選擇、冷卻系統(tǒng)的選擇與變頻調速系統(tǒng)的使用要求等。在對電主軸系統(tǒng)獲得深入分析的基礎上,本文應用經典熱力學理論,結合電主軸內部結構,分析主要發(fā)熱源與發(fā)熱原因,確定了電主軸內部兩大發(fā)熱源:內裝電動機功率損耗引起的發(fā)熱與前后軸承因高速旋轉所產生的摩擦熱。對此主要熱源周圍應用傳熱學理論進行熱傳遞方式和熱傳遞過程分析,確定了電主軸的散熱方式:冷卻水套中冷卻水流動對定子的散熱、轉子旋轉時周圍空氣高速流動對轉子的冷卻、電機氣隙中空氣對流對定子與轉子的散熱、油氣潤滑系統(tǒng)噴出的壓縮空氣對軸承的散熱以及電主軸外殼與周圍空氣之間的散熱。在理論分析的基礎上,為了得到電主軸內部熱量傳遞與溫度分布情況,本文將計算出的電主軸主要熱源的生成熱量與各個散熱方式的換熱系數加載到有限元仿真分析軟件Ansys workbench中,在建立電主軸有限元仿真分析模型的前提下,對模型進行穩(wěn)態(tài)熱分析與瞬態(tài)熱分析,得到電主軸在額定轉速15000r/min工作狀態(tài)下的內部溫度分布云圖與電主軸達到穩(wěn)定工作狀態(tài)過程中的溫度變化狀態(tài)云圖,并獲得電主軸前后軸承與電機溫升曲線。將其結果作為熱-結構耦合分析的載荷,在額定轉速15000r/min的條件下,確定電主軸整體熱變形情況以及軸頭綜合形變大小。經過熱-結構耦合分析得到電主軸軸頭熱變形較大,由此對其內部結構進行了改進設計。通過分析引入了特殊的后軸承室結構 軸承碗‖,將電主軸軸承定位方式由前后軸承完全固定,改為前軸承完全固定、后軸承浮動的結構形式,并再次進行仿真分析,對比改進前后主軸內部溫度分布與主軸軸頭熱變形情況。經過改進前后對比,結果表明:以 軸承碗‖為基礎的后軸承室結構可以較為有效地降低電主軸內部溫升,減小主軸軸頭約14%熱變形。本論文通過對電主軸進行熱態(tài)分析與熱-結構耦合分析,得到電主軸內部溫度分布狀態(tài)與主軸軸頭熱變形大小,提出 軸承碗‖后軸承室結構改進方案,并驗證其可行性,為今后對電主軸系統(tǒng)進行結構形式改進提供了理論與仿真依據,同時也為數控磨削系統(tǒng)熱誤差補償研究提供了理論基礎。
【關鍵詞】：高速加工技術 高速磨削電主軸 有限元分析 熱態(tài)特性分析 熱-結構耦合分析
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG580.2
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 緒論9-17
• 1.1 本論文研究背景及意義9-10
• 1.2 高速磨削加工發(fā)展現(xiàn)狀10-11
• 1.3 高速電主軸發(fā)展現(xiàn)狀11-13
• 1.4 國內外高速電主軸熱分析研究現(xiàn)狀13-16
• 1.5 本論文主要研究內容及方法16-17
• 第二章 3DL24型高速磨削電主軸結構及功能分析17-29
• 2.1 3DL24型高速磨削電主軸系統(tǒng)概述17-27
• 2.1.1 3DL24型電主軸裝配方式20
• 2.1.2 內裝式無外殼電動機基本結構20-21
• 2.1.3 高速磨削電主軸支撐結構與潤滑方式21-25
• 2.1.4 3DL24型電主軸冷卻系統(tǒng)25-26
• 2.1.5 3DL24型電主軸電氣控制系統(tǒng)26-27
• 2.2 3DL24型高速磨削電主軸使用要求27-28
• 2.2.1 內裝式無外殼電動機使用要求27
• 2.2.2 其他系統(tǒng)要求27-28
• 2.3 本章小結28-29
• 第三章 高速磨削電主軸熱態(tài)特性理論研究29-45
• 3.1 電主軸內部主要熱源分析29-36
• 3.1.1 電主軸無外殼電動機發(fā)熱原理及分析30-33
• 3.1.2 軸承摩擦生熱原理及分析33-36
• 3.2 高速磨削電主軸內部熱傳導方式36-43
• 3.2.1 定子的熱傳遞與散熱37-39
• 3.2.2 轉子的熱傳遞與散熱39-41
• 3.2.3 軸承系統(tǒng)的熱傳遞與散熱41-42
• 3.2.4 主軸系統(tǒng)與外界的熱傳遞與散熱42-43
• 3.3 主要參數及邊界條件計算43-44
• 3.4 本章小結44-45
• 第四章 電主軸熱態(tài)特性分析及計算45-55
• 4.1 Ansys workbench分析軟件介紹45-46
• 4.2 有限元分析模型的建立46-48
• 4.3 邊界條件及載荷參數加載48-49
• 4.4 高速磨削電主軸熱態(tài)特性分析及仿真49-54
• 4.4.1 穩(wěn)態(tài)熱分析49-50
• 4.4.2 瞬態(tài)熱分析50-54
• 4.5 本章小結54-55
• 第五章 電主軸熱-結構耦合理論及仿真分析55-59
• 5.1 熱-結構耦合原理55-56
• 5.2 熱結構耦合分析基本步驟56-57
• 5.3 熱-結構耦合仿真分析求解57-58
• 5.4 本章小結58-59
• 第六章 電主軸結構改進及仿真試驗結果59-71
• 6.1 電主軸結構改進概述59-60
• 6.2 高速磨削電主軸改進后結構模型60-63
• 6.3 改進后模型仿真試驗結果63-68
• 6.3.1 仿真試驗模型的建立63-64
• 6.3.2 優(yōu)化后電主軸穩(wěn)態(tài)熱分析64
• 6.3.3 優(yōu)化后電主軸瞬態(tài)熱分析64-68
• 6.3.4 優(yōu)化后電主軸熱變形分析68
• 6.4 本章小結68-71
• 第七章 總結與展望71-73
• 7.1 總結71-72
• 7.2 本研究工作展望72-73
• 參考文獻73-77
• 致謝77-79
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文79

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