【摘要】： 制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ),是將可用資源通過制造過程,轉(zhuǎn)化為可供人們使用或利用的工業(yè)品或生活消費品的行業(yè),制造業(yè)創(chuàng)造的財富占人類社會財富的60~80%。制造業(yè)經(jīng)歷了手工制作、機(jī)械加工的發(fā)展過程,生產(chǎn)效率得到極大的提高;目前數(shù)控機(jī)床、加工中心、柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)等先進(jìn)加工技術(shù)的應(yīng)用,解決自動換刀、自動拆卸零件和縮短輔助時間的問題,使得產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率都得到提升,使企業(yè)獲得顯著效益。在本質(zhì)上,上述這些技術(shù)的應(yīng)用只是加快空程動作的速度、提高零件生產(chǎn)過程的連續(xù)性,從而縮短輔助時間,目前輔助時間的縮短已經(jīng)達(dá)到一個極限,只有降低單個零件的機(jī)械加工時間,才能在提高生產(chǎn)效率方面得到一個飛躍,提高主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度,實現(xiàn)高速加工是唯一的途徑。 電主軸是主軸電機(jī)一體化的單元,是高速加工的最佳選擇。它采用無外殼電機(jī),將帶有冷卻套的電機(jī)定子裝配在主軸單元的殼體內(nèi),轉(zhuǎn)子和機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)部分做成一體,主軸的變速范圍完全由變頻交流電機(jī)控制,使變頻電動機(jī)和機(jī)床主軸合為一體。電主軸是融合多種技術(shù)的組件,和國外電主軸產(chǎn)品相比,國內(nèi)的電主軸在功率、轉(zhuǎn)速、壽命等綜合性能方面,還有較大的差距。熱態(tài)性能設(shè)計是電主軸的一個關(guān)鍵難點,傳統(tǒng)冷卻設(shè)計主要采用空氣和水冷卻,散熱效果取決于冷卻通道的面積和流速,且冷卻通道的加工、密封、裝配增加了電主軸結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。熱管是依靠內(nèi)部工作液相變實現(xiàn)傳熱的元件,具有很高的導(dǎo)熱性及優(yōu)良的等溫性,基于熱管高效傳熱的特性,本文對基于熱管的電主軸熱態(tài)性能進(jìn)行了深入研究。 確立液體靜壓軸承為支撐結(jié)構(gòu),設(shè)計了液體靜壓的電主軸,主要是考慮到液體靜壓軸承在高速運轉(zhuǎn)時摩擦功率較大,發(fā)熱問題比較突出,其熱態(tài)性能研究具有代表意義�？紤]電主軸高速運轉(zhuǎn)的特性,其設(shè)計應(yīng)包含主軸靜動態(tài)、諧響應(yīng)分析,以及熱態(tài)性能設(shè)計。 液體靜壓電主軸熱態(tài)數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行熱態(tài)性能研究的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),從熱源和散熱方式兩方面對電主軸進(jìn)行系統(tǒng)地分析,得出電機(jī)和軸承發(fā)熱是主要熱源,散熱主要在電主軸殼體表面、冷卻通道的強(qiáng)制散熱、靜壓軸承散熱等方式,得出其表達(dá)式,建立了體靜壓電主軸熱態(tài)數(shù)學(xué)模型。 針對熱管的傳熱,提出以熱管的幾何特征、熱管材料和吸液芯結(jié)構(gòu)、傳熱能力、散熱能力為熱管性能參數(shù)。針對熱管應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)時熱變形分析無法計算的問題,提出熱管等效熱導(dǎo)率模型,通過試驗對其進(jìn)行驗證,試驗結(jié)果證明了等效熱導(dǎo)率模型的正確性;熱管是傳熱元件,其傳熱效果依賴于冷卻段的散熱能力,針對翹片的強(qiáng)化傳熱,建立了翹片傳熱效率模型,通過試驗加以驗證,證實了傳熱效率模型的正確性。 最后針對電主軸熱態(tài)性能分析,提出以靜壓軸承的平均溫度、電機(jī)的最高溫度、主軸前端面的熱變形和進(jìn)入熱穩(wěn)定狀態(tài)的時間為熱態(tài)性能評價參數(shù),比較不同的冷卻方式,從空氣冷卻-潤滑油冷卻-水冷卻可以較好的降低電主軸溫度,減小進(jìn)入熱穩(wěn)定狀態(tài)的時間。設(shè)計了熱管傳熱的液體靜壓電主軸,分析表明空氣冷卻下,便可以實現(xiàn)水流通過電主軸冷卻通道的效果,同樣降低了靜壓軸承表面平均溫度、電機(jī)最高溫度,減小進(jìn)入熱穩(wěn)定狀態(tài)的時間和主軸前端面的熱變形,改善了電主軸的熱態(tài)性能。通過熱管傳熱的加熱器試驗對此加以證實,熱管在傳熱應(yīng)用中,確實能夠起到較好的散熱效果,降低了分析結(jié)構(gòu)體的整體溫度,減小進(jìn)入熱穩(wěn)定狀態(tài)的時間。
【圖文】：

以避免電主軸溫升過高。風(fēng)冷、水冷的散熱方式，體上加工出冷卻通道，熱交換發(fā)生在電主軸的冷卻通道中加了電主軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。將電主軸內(nèi)部的熱量快速的傳行冷卻散熱，保證電主軸的正常工作，這便是本論文的探主軸的發(fā)展?fàn)顩r主軸技術(shù)發(fā)展的背景加工源于德國切削物理學(xué)家薩洛蒙博士進(jìn)行的一系列超高1 年 4 月薩洛蒙發(fā)表著名的超高速加工理論，提出高速切削切削速度和切削溫度的薩洛基蒙曲線，薩洛蒙指出：在常內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的增大而提高。對于每一種材度范圍，在這速度范圍內(nèi)，任何刀具都無法承受太高的切不可能進(jìn)行。但是，當(dāng)切削速度超過這個范圍后，切削溫切削力也會大幅下降，切削過程將會變得輕松，刀具壽命，切削時間可大幅度減少，可成倍地提高生產(chǎn)率。

節(jié)的傳動沖擊等外力，主軸高速運轉(zhuǎn)相應(yīng)地得到延長。構(gòu)上簡單、緊湊，便于應(yīng)用在多軸聯(lián)動主軸，，實現(xiàn)高速、高效加工。內(nèi)外研究現(xiàn)狀電機(jī)一體化的單元，即內(nèi)裝式電機(jī)主的電機(jī)定子裝配在主軸單元的殼體內(nèi)，主軸的變速范圍完全由變頻交流電一體。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕且可以實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)速范圍和無極調(diào)僅僅只是“內(nèi)裝式電機(jī)主軸”的概念，和變頻調(diào)速的主軸驅(qū)動系統(tǒng)，完整的潤滑系統(tǒng) 主軸驅(qū)動系統(tǒng)冷卻系
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：TH133.2

【引證文獻(xiàn)】

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2 蔣興奇;主軸軸承熱特性及對速度和動力學(xué)性能影響的研究[D];浙江大學(xué);2001年

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3 姚寧;滾動接觸疲勞試驗機(jī)靜壓軸承靜態(tài)及主軸熱態(tài)特性分析[D];燕山大學(xué);2012年

4 周山麒;高精度平面磨床主軸系統(tǒng)溫度場模擬與實驗研究[D];湘潭大學(xué);2012年

5 趙春明;大功率高精密硬車削液體靜壓電主軸熱態(tài)特性研究及流—固耦合分析[D];廣東工業(yè)大學(xué);2014年

6 李夢陽;圓錐液體靜壓軸承熱態(tài)性能研究[D];中國工程物理研究院;2014年

7 楊曉冬;大尺度恒流靜壓支承溫度場及變形場研究[D];哈爾濱理工大學(xué);2010年

8 焦瑤;大型超精密光學(xué)磨床的溫度場分布及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法[D];上海交通大學(xué);2014年

本文編號：2646563