基于有限元法的电主轴滚动轴承油气润滑热态特性分析.docx

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基于有限元法的电主轴滚动轴承油气润滑热态特性分析

基于有限元法的电主轴滚动轴承油气润滑热态特性分析

基于有限元法的电主轴滚动轴承油气润滑热态特性分析

摘要：

机床是机械制造业的主要生产工具,而主轴单元是高速切削机床的关键部件。

因此,在高速加工中,电主轴的热态特性成为影响加工精度的一个主要因素,并直接限制电主轴转速的提高。

由于电主轴以几万转甚至是十几万转运作时，电机的损耗发热和轴承的摩擦发热是不可避免的，由此而引起的热变形如果处理不当会严重的降低机床的加工精度。

电机发热用冷却液冷却，我们主要研究轴承的摩擦发热。

轴承的摩擦而产生的热量反映到实测的物理数据就是温度的升高。

当采用油－气润滑后，摩擦减少，温升也随之降低，最后达到一个平衡温度。

目前对于电主轴的热态分析国内大多停留在物理试验上，本文是从理论上对其分析。

本文以相关试验台为参照，建立有限元模型。

对边界条件：

不同主轴转速，不同的润滑油运动粘度，不同的预紧力进行有限元分析。

从结果看，当主轴转速在两万转每分钟时，轴承温升平均在二十几度，三万转时平均温升为三十几度；粘度等级从32＃～68＃，运动粘度的提高会导致温升增加；而轴向预紧力变化反映到结果上影响很小。

关键词：

电主轴，滚动轴承，油气润滑，热态特性，有限元分析法

Abstract：

Themachinetoolisthemainimplementsofthemachinemanufacturing,andtheMotorizedspindleunitisthekeypartofthehighspeedcuttingmachinetool.Therefore,inhighspeedprocess,thethermalcharacteristicoftheMotorizedspindlebecomesamainfactorthatinfluencetheaccuracyofprocesses,andlimittherotatespeedoftheMotorizedspindletoexaltation.BecausewhentheMotorizedspindlerotateswithseveraltenthousandevenseveralhundredthousand,theexhaustsfeverofelectromotorandthefrictionofthebearingsisineluctable,forifnotbehandledproperly,itwilllowertheprocessaccuracyofthemachinetoolseriously,andcauseheattransform.Thefeverofelectromotorcanbecooloffbyliquidcooling,wemainresearchthefrictionfeverofthebearings.Becausethecaloriesoffrictionfeveraboutthebearingsreflecttomeasure,actuallyistheraisingtemperature,beingtoadopttheoil-airlubricationtomakerubdecrease,temperaturerisealsolowersimmediately,andattaininganequilibriumtemperaturefinally.

Currently,thethermalanalysisofthemotorizedspindlemostlystaysaroundthephysicsexperimentinthehome,thistextanalysisitattheories.Thistextisaccordingtothecorrelationexperimentpedestal,buildupamodel.Totheboundarycondition:

Thedifferentprincipalaxisrotatingspeed,thedifferentlubricantsportgluesdegree,differentbeforehandtightforcetodoananalysis.Fromtheresultweknow,whentheprincipalaxisrotatesspeedat20,000rpm,thebearingsaverageadvancesdegreesismorethan20,and30,000rpmismorethan30degrees;whenthegluedegreegradefrom32#to68#,theexaltationwillcausetemperatureincrement;Buttheresulttothebeforehandtightforcevarietyisverysmall.

Keyword:

Motorizedspindle,Rollingbearing,Oilairlubrication, Thermalcharacteristic, 

Finiteelementanalysismethod,

目录

摘要 ………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract …………………………………………………………………………Ⅱ

目录 ………………………………………………………………………………Ⅲ-IV

第一章 绪论    …………………………………………………………………1

引言    ……………………………………………………………………1

1课题研究目的及其相关背景 ………………………………………1

1.1课题研究目的 ……………………………………………………1

1.2高速切削的特点 …………………………………………………1

1.3高速主轴单元   …………………………………………………2

1.4高速电主轴 ………………………………………………………2

1.5.1油气润滑 ………………………………………………………2

1.5.2油气润滑的原理…………………………………………………3

1.6有限元法及其背景…………………………………………………3

1.6.1有限元分析方法…………………………………………………4

1.6.2成熟的有限元软件………………………………………………5

第二章电主轴的物理实验设备 …………………………………………………6

第三章高速电主轴的热态分析 …………………………………………………10

3.1电主轴热源分析  ……………………………………………………10

3.2主轴轴承发热量的计算………………………………………………10

求解

过程 …………………………………………………………11

求解

过程 …………………………………………………………13

求解轴承发热量

过程………………………………………………13

3.3高速电主轴的传热分析  ……………………………………………14

3.3.1　轴承与油-气润滑系统中压缩空气的对流换热  ………………14

3.3.2　电机与油-水热交换系统间的对流换热    ……………………15

3.3.3　电机转子的传热 …………………………………………………15

3.3.4　高速电主轴与外部空气的传热 …………………………………16

3.4对流换热系数的计算  ………………………………………………16

轴承与压缩空气间换热系数

计算过程  …………………………17

求解主轴与压缩空气换热系数

过程  ……………………………18

3.5轴承温升的理论分析…………………………………………………19

第四章  实验设备的有限元软件分析………………………………………………20

4.1热分析的目的  ………………………………………………………20

4.2稳态传热的定义  ……………………………………………………20

4.3热分析的单元  ………………………………………………………20

4.4ANSYS稳态热分析的基本过程  ……………………………………21

4.5数据综合分析  ………………………………………………………26

4.5.1实验结果比较  ……………………………………………………26

4.5.2结论  ………………………………………………………………28

第五章结论与展望   ……………………………………………………………29

参考文献    ………………………………………………………………………30

致谢    ……………………………………………………………………………31

第一章绪论

引言

机床是机械制造业的主要生产工具。

近二十年来，人们通过提高机床的自动化程度，大幅度地缩短了辅助时间，如在“加工中心”上，采用自动换刀装置，换刀时间已经减少到0.5～1s。

现代数控机床的辅助时间已经压缩得很短，它在零件制造总工时中所占的比例已较少。

为使生产率能够进一步提高，仅靠压缩辅助时间已经意义不大，且也比较困难。

因此，一些先进国家已开始着手研制高速切削机床。

它是从提高切削速度及进给速度、缩短加工时间来达到提高生产率的。

目前高速切削（HSC――HighSpeedCutting）在美国、日本、德国等国家，已经进入实用阶段，在经济建设及国防事业中发挥着巨大作用。

而高速切削的研究在我国尚属空白。

主轴单元是高速切削机床的关键部件，本文通过对高速电主轴热态特性的研究分析，找出了影响高速主轴单元热态特性的主要因素及其变化规律，提出了改善主轴单元热态特性的措施。

1课题研究目的及其相关背景

1.1课题研究目的

由于电主轴以几万转甚至是十几万转运作时，电机的损耗发热和轴承的摩擦发热却是不可避免的，由此而引起的热变形如果处理不当会严重的降低机床的加工精度。

电机发热用冷却液冷却，我们主要研究轴承的摩擦发热。

由于轴承的摩擦而产生的热量反映到实测的物理数据就是温度的升高，当采用油气润滑后使得摩擦减少，温升也随之降低，最后达到一个平衡温度。

本课题的主要目的是应用有限元分析软件对电主轴滚动轴承油气润滑热态特性进行分析。

因为轴承温度的升高主要受润滑油的种类即运动粘度的不同和主轴转速的影响，其次还受到预紧力的不同和单位时间的用油量等次要因素影响，本文对主要因素做了详尽分析并略加分析了次要因素。

1.2高速切削的特点

高速切削的切削速度大大地高于常规的切削速度（高一个数量级或更高）。

国外研究的高速加工机床的主轴转速范围已达20000～100000r/min。

高速切削的主要特点是：

（1）金属切除率高，比常规切削高3～6倍。

（2）切削力比常规切削减小30％左右。

尤其是径向切削力大幅度减小，特别适合于加工薄壁复杂零件，加工精度高；

（3）切削过程极快，切削变质层小，表面质量好。

如高速铣削后的表面可达到磨削水平；

（4）95％的切削热被切屑带走，工件基本保持冷态，特别适合于加工容易热变形的零件。

（5）切削时激振频率远离系统的固有频率，工作平稳。

1.3高速主轴单元

主轴单元是高速切削机床的核心部件，它的性能好坏，在很大程度上决定了机床所能达至的最高转速。

随着交流调速技术的不断发展，数控机床的结构有了很大的变化，取消了传统的齿轮传元方式，主轴变速直接由交流调速电机来完成，使机床结构大为简化。

因此主轴部件就变成了一个标准的、独立的单元——主轴单元。

它可单独设计、制造和使用，应用范围广。

国外已研制出适于车、铣、磨等加工的主轴单元，由专业生产厂制造。

目前，主轴单元与交流调速电机之间的传动方式有以下三种：

（1）交流调速电机与主轴单元作平行轴布置，其间用同步齿形带传动。

如德国FAG生产的主轴单元。

（2）交流调速电机与主轴单元作同轴布置，其间用联轴器联接。

如美国Precise高速主轴单元。

（3）将交流调速电机与主轴单元合二为一，制成一体化的主轴单元，通常称为“电主轴”。

如SKF生产的主轴单元。

1.4高速电主轴

高速电主轴是高速机床的核心部件,但也是该类机床的主要热源。

在高速机床中,电主轴单元各零件的刚度和精度都比较高,因切削力引起的加工误差比较小,然而,电主轴中电机的损耗发热和轴承的摩擦发热却是不可避免的,由此引起的热变形如果处理不当会严重地降低机床的加工精度。

因此,在高速加工中,电主轴的热态特性成为影响加工精度的一个主要因素,并直接限制电主轴转速的提高。

1.5.1油气润滑

主轴轴承常见的润滑方式有脂润滑、喷射润滑、环下润滑、油雾润滑及油气润滑等。

脂润滑不需任何附加设备，但只用于低速场合。

喷射润滑是直接用高压润滑油对轴承进行润滑和冷却，功率消耗大，成本高，在dm·n值大于2.5e6的高速主轴中有所应用。

环下润滑是一种改进的润滑方式，分为环下油润滑和环下油气润滑。

油或油气从轴承内圈喷入轴承内，在离心力的作用下，润滑油更易于到达轴承润滑区，因而比普通的喷射润滑和油气润滑效果好，可进一步提高轴承的转速，如普通油气润滑条件下，角接触陶瓷球轴承的dm·n值为2.0e6左右，采用加大油气压力的方法可将dm·n值提高到2.2e6，而采用环下油气润滑则可达到2.5e6。

其结构上要求采用空心轴，轴承内圈上开通孔。

缺点是结构复杂，轴承不易标准化，装配困难。

过去机床市场上的电主轴多为油雾润滑方式，后来逐渐被油气润滑方式所取代。

油气润滑技术在国外发展于20世纪六、七十年代。

八十年代中期，中国的冶金行业在轧机的轴承润滑上首次引进了油气润滑技术.

随着轴承加工行业对磨用电主轴高转速的日益追求,电主轴对主轴轴承的质量要求也越来越高。

这样一方面刺激轴承行业开发生产更加适合高速、超高速运转的陶瓷球主轴轴承,另一方面也期待通过润滑方式的改善来提高主轴轴承的极限转速。

近年来,日渐风行的油气润滑技术,可使电主轴轴承具有极限转速高、温升低和寿命长等优点,是高速、超高速电主轴轴承最理想的润滑方式。

1.5.2油气润滑的原理

油气润滑技术就是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给每一套主轴轴承,微小油滴在滚动体和内外滚道间形成弹性动压油膜,而压缩空气则带走轴承运转所产生的部分热量。

油气润滑系统中，每隔一定时间（可调）由定量柱塞泵分配器定量输出的微量润滑油（0.01～0.06ｍｌ）,在混合阀中与压缩空气混和后,经内径2～4ｍｍ的尼龙管输出油气。

经混合阀输出的油气实际上应该称为“油+气”,油气输送管内观察到的状态如图

（1）所示。

可以看出,微小油滴沿管壁波状分布,油和气实际上是呈分离状态的,并且由流动的压缩空气带着管壁上波状分布的润滑油一起连续不断地向前输送。