高速电主轴热态性能的有限元分析及温升控制

针对高速加工中心电主轴电机内置的特点,分析了电主轴的各种热源并计算了发热量,建立了电主轴热态特性的有限元模型,在有限元软件Ansys中对电主轴的热态特性进行分析,得出电主轴稳态温度场分布图,为冷却系统的设计提供了理论基础。采用热电偶对电机定子的温度进行检测,通过PLC的控制可对冷却系统的水流速度进行适时调节,加强对流换热的作用,进而加强电主轴的冷却效果。     

面向精密电主轴的非晶高速永磁电机设计与分析北大核心

针对高端精密高速电主轴普遍存在损耗大、效率低、转子发热严重等问题,提出采用基于非晶合金定子铁芯的高速永磁同步电机,根据非晶合金定子铁芯的磁化特性和损耗特性开展了高速永磁同步电机优化设计研究,采用有限元法建立了一款额定功率3.7 kW、额定转速7000 rpm、最高转速15 000 rpm的永磁电机物理分析模型,与相同结构参数的硅钢(35W270)电机损耗、效率等性能进行了对比分析。通过分析结果表明采用非晶合金作为高速永磁电机定子铁芯较硅钢电机额定工作点理论铁损下降76.5%;经对两款样机进行实际测试,考虑到铁芯加工及装配工艺导致铁损的恶化,实测铁损下降50.7%,效率提高1.4%,相同负载与冷却条件下定子绕组温升下降15.1 K,表明了非晶铁芯在高速电主轴中应用具有明显的优势。     

高速磨削电主轴冷却系统的试验研究

高速磨削电主轴的温升对电主轴的加工精度和使用寿命有着重要的影响。以SPM170高速磨削电主轴为研究对象,采用理论分析和试验验证的方法对高速磨削电主轴的冷却系统进行了研究。通过分析可知电主轴电机部分的产热主要是由铁芯损耗产生的,水冷系统可以有效地带走电机部分的热量,使电主轴的温升降低。对SPM170高速磨削电主轴的冷却系统进行了改进,设计了一种新型螺旋水道,在电主轴最高工作转速时,分别测量电主轴前轴承壳体温度,并对比其温升。结果表明:采用改进之后的螺旋水冷装置电主轴的温升比改进前温升降低了10℃左右,温升得到了有效的控制。     

数控机床电主轴单元热-结构特性动态分析

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。     

永磁同步电主轴电机电磁与控制策略仿真分析

以一种新型卧式永磁同步动静压电主轴为研究对象,对电主轴电机进行电磁及控制策略设计与分析。对电机的主要尺寸和转子、定子等结构的电磁参数进行数值计算,利用ANSYS Maxwell软件对电机进行有限元仿真。针对电机结构特点,设计滑模转速控制/前馈解耦内模-PI电流控制的控制策略。利用MATLAB/Simulink软件搭建永磁同步电机控制系统仿真模型,并进行仿真分析。仿真结果验证了该设计方案的可行性,为电主轴电机及其控制系统的研制提供参考。     

基于蝶翅微结构的高速主轴冷却水套仿生热结构设计

内置电机作为高速电主轴的主要发热部件之一,在实际工况中,其发热量会影响电主轴的回转精度。为了提高电主轴冷却水套的冷却效率,以自然界中闪蝶翅膀微结构的几何模型、结构功能和位形关系等为参照,结合结构相似理论设计一种具有双层包覆性特点的新型蝶翅仿生冷却水套。基于流体动力学及热传导特性理论,对仿生冷却水套及原始螺旋冷却水套进行流固耦合及共轭传热特性的仿真对比分析。结果表明：当冷却水的雷诺数和强迫对流换热面积相同时,电主轴仿生冷却水套的冷却效率和流动特性均优于原始的螺旋冷却水套,其中内置电机的定子热边界面最高温度降低了8%～11%;仿生冷却水套的冷却水最大流速为0.328 m/s,出入口的最大压降是478.6 Pa,相较于螺旋水套在流动特性方面都有很好的提升,对冷却水套结构设计和高速电主轴驱动电机共轭传热提供了参考。     

超高速磨削电主轴热特性分析

为了探明超高速磨削电主轴的内部温度情况,以及各部分温升引起的部件变形,文章以内装同步电机电主轴为研究对象,分析了其热量传递过程,计算了电主轴电机定子和轴承的发热量及各部分对流换热数,并对其稳态温度场、瞬态温度场及热-结构耦合场进行了分析。分析结果表明电主轴内部温度分布是极不均匀的,前后轴承与定转子之间存在很大的温差,各部件不同的热膨胀量造成了主轴轴头部分的热变形,影响了电主轴的精度和稳定性。     

高速电主轴机-电-热-磁耦合模型及其动态性能分析

建立了一种新型的高速电主轴多场耦合动力学模型,讨论了轴承模型、电机磁路模型、温度场模型及结构模型之间的耦合关系,设计出多场耦合动力学模型的计算流程,分析耦合因素对高速电主轴结构状态的影响,提出电主轴气隙热膨胀影响其磁场分布及动态性能。以150 MD24 Z7.5型高速电主轴为研究对象,计算结果表明,电主轴温升形变对振动幅值影响较大,其中由气隙变化引起的电磁力幅值增加12.1%。实验结果表明：考虑耦合因素时的高速电主轴动态性能与实验结果的吻合度较高。     

高速电主轴电磁振动噪声多场耦合分析

为了研究电主轴电磁场特性对主轴振动及噪声的影响。通过有限元分析法,计算了电主轴电机的瞬态电磁场,并对电主轴电磁振动及噪声进行了响应分析;同时对正常运行的电主轴进行噪声实验,提取出主要的电磁噪声信号,经过分析处理后与仿真结果进行对比。结果表明,当电磁力波与定子铁芯二阶固有频率接近时,产生的电磁振动是最大的;且当电主轴在24000r/min转速下稳态运行时,电磁力产生最大噪声声压值的频率为13800Hz。通过实验与仿真的相结合,验证了电主轴电磁振动噪声多场耦合分析的结果是相对真实可靠的。     

高速机床电主轴过盈配合量的计算

电主轴是高速机床的核心部件,电机转子与机床主轴间过盈配合量的大小是影响主轴性能的重要因素。本文根据材料力学和弹性力学理论,对电主轴的配合特性进行了分析,分别推导出电主轴在静态和高速运转条件下,主轴过盈量和应力分布的理论公式。最后,根据理论公式计算出ＧＤ－Ⅱ型电主轴的过盈配合量,研究结果表明,采用理论公式设计的过盈配合能较好地满足高速电主轴的需要。     

电主轴温升在线检测系统的研究

随着高速加工的发展,对电主轴的要求也越来越高,电主轴的发热成为一个有待解决的重大难题。文章采用红外测温的方法对电主轴进行在线检测,建立温度模型,对电主轴温升及其故障进行预测和报警。最后提出了有效降低电主轴温升减少主轴热变形的方法。     

两种不同材料的电主轴磁-热耦合有限元仿真分析

电主轴热态稳定性影响电主轴整体工作性能,作为电主轴主要热源的内置电机对电主轴热态性能的影响是设计过程中优先考虑的问题之一。电主轴生热小,散热快是保证其优良热态性能的前提。基于电主轴电磁损耗生热机制和电主轴传热散热机制,建立电主轴有限元模型。提出一种电主轴磁-热耦合分析方法,分析电主轴额定转速下内置电机的磁场和温度场,监测电主轴内置电机各部分温度场以及瞬态温度。以170SD30陶瓷电主轴与金属电主轴作为分析对象,分析了采用新型陶瓷主轴材料对改善电主轴内置电机温度场分布的影响。结果表明:陶瓷电主轴电磁损耗小于金属电主轴电磁损耗,在电机损耗热的影响下,陶瓷电主轴温度低于金属电主轴温度。     

Characterizations and models for the thermal growth of a motorized high speed spindle

In this paper, the characterizing and modeling of the thermal growth of a motorized high speed spindle is reported. A motorized high speed spindle has more complicated dynamic, non-stationary and speed-dependent thermal characteristics than conventional spindles. The centrifugal force and thermal expansion occurring on the bearings and motor rotor change the thermal characteristics of the built-in motor, bearings and assembly joints. It was found that conventional static models using regression analysis and artificial neural network failed to give satisfactory model accuracy and robustness. An auto-regression dynamic thermal error model, that considers the temperature history and spindle-speed information, has been proposed and proved to improve the model accuracy. However, it was found that temperature-based thermal error models, that correlated thermal displacement of the rotating cutting tool to the temperature measurements on the spindle housing, were not robust. Many nonlinear and time-varying thermal sources, such as coolant jacket, motor air gap, motion joints and assembly interfaces influence thermal displacement. The relationship between temperature measurements and thermal displacements is highly nonlinear, time-varying and non-stationary. A new thermal model which correlates the spindle thermal growth to thermal displacements measured at some locations of the rotating spindle shaft has been proposed. It was found that the displacement-based thermal error model has much better accuracy and robustness than the temperature-based model.     

模拟封严涂层工况的刮擦式摩擦磨损试验机*

自主研发了模拟高速高温工况专用于评价封严涂层/对偶件服役性能的刮擦式摩擦磨损试验机。通过电主轴直接驱动负载主轴的方式保证高速刮擦过程中,转动样品能够平稳的运转;采用精密进给系统使得试验过程中平动样品能够精确的向转动样品移动;通过辐照聚光加热设备可将样品加热到需要的温度,进而完成所需的高温试验;采用高频响、石英压电三向传感器能够准确的采集到试验过程中的刮擦力信息;通过自行开发的快速数据采集系统现实了对海量试验数据的准确的采集、存储和输出功能。经实车测试,该试验机的刮擦速度最高可达160m/s,最高加热温度可达1 200℃,刮擦力的测量范围为10～1 000N,可同时记录刮擦力、刮擦温度、扭矩和转速等所需信息。     

煤气钢瓶调质炉余热回收

本文介绍了一种复合式热管换热器，在高温段采用螺旋槽翅片管换热器，在低温段采用热管换热器进行二级逆流换热，成功地应用于煤气钢瓶调质炉的余热回收利用，并讨论了强化传热措施和工业炉燃料的节约率等相关内容。     

煤气钢瓶调质炉余热回收

本文介绍了一种复合式热管换热器，在高温段采用螺旋槽翅片管换热器，在低温段采用热管换热器进行二级逆流换热，成功地应用于煤气钢瓶调质炉的余热回收利用，并讨论了强化传热措施和工业炉燃料的节约率等相关内容。     

高速电主轴单元的热-结构性能虚拟仿真分析

主轴单元的热变形是高速加工中影响精度的主要因素。本文利用大型有限元分析软件ANSYS对高速电主轴进行了热-结构耦合分析。计算结果显示，设计的高速电主轴单元主轴轴承、主轴前端温升理想，工作端轴向热位移很小。这表明设计的电主轴具有良好的热-结构性能，可以满足加工精度要求。     

炉顶热风水冷冲天炉及其使用效果

介绍了炉顶热风水冷冲天炉的结构,包括窑室热风换热器、蛇形热风换热器、多程管热风换热器的设置位置、作用等,以及炉顶热风水冷冲天炉的2个结构特点(加料口尺寸小、鼓风机风压较高)和性能参数;分析了炉气中所包含的余热量、换热器的材料等对热风温度的影响。根据8t/h炉顶热风水冷冲天炉在工厂的应用结果,指出:炉顶热风水冷冲天炉的熔化性能不低于炉外热风冲天炉,同时结构简单、造价低廉,非常适合于在我国推广使用。     

新型耐高温换热器涂料的研制

以环氧-有机硅-酚醛三元树脂为基料研制的换热器涂料,与环氧聚酯、无机磷酸盐富锌涂料进行耐温性、热冲击性能及防腐蚀性能的比较,讨论了耐热颜料及涂装工艺对涂层性能的影响。     

Compensation of thermo-dependent machine tool deformations due to spindle load: investigation of the optimal transfer function in consideration of rough machining

The thermal behavior of a machine tool is an important indicator for the grade of production accuracy and indirectly for the market success. The load-dependent temperature distribution and the resulting deformation of the machine tool are influenced by a variety of design and thermo-technical parameters. The main spindle of a machine tool is, without any doubt, the major heat source within the machine structure. The object of the scientific investigation presented in this article is the development of an approach to robust compensation of thermo-dependent machine tool deformations due to spindle load in consideration of rough machining. The focus of the work concentrates on the identification of the model with the highest compensation performance. The underlying concept for the compensation of thermo-dependent machine tool deformations is the indirect approach by using the speed and the effective power of the main spindle for the calculation of the Tool Center Point (TCP) displacement. The presented modeling approach requires the knowledge of the TCP displacement in X-, Y- and Z-direction depending on the speed and the effective power of the main spindle. As a tool for modeling the thermo-dependent behavior of a milling machine, a load test rig for repeatable, defined long-term loading of the main spindle has been developed. It simulates the cutting force depending on the spindle speed and the torque and applies load to the main spindle. The spindle speed and the spindle effective power can be taken directly from the numerical control of the machine tool. An important advantage of the presented compensation method is the fact that it does not require any external sensors. The displacement of the TCP has to be measured, but only during modeling. The relationship between the speed/power of the main spindle as a cause and the displacement of the TCP in X-, Y- and Z-direction as an effect can be determined by a transfer function. This paper compares the compensation results depending on the transfer function and identifies the model with the best compensation performance. The validation of the compensation method is executed by using the example of two different speed and power spectra of the main spindle.