基于热管传热的液体静压电主轴热态性能及相关技术研究

发布时间：2020-05-01 10:43

【摘要】： 制造业是国民经济的基础,是将可用资源通过制造过程,转化为可供人们使用或利用的工业品或生活消费品的行业,制造业创造的财富占人类社会财富的60~80%。制造业经历了手工制作、机械加工的发展过程,生产效率得到极大的提高;目前数控机床、加工中心、柔性制造单元和柔性制造系统等先进加工技术的应用,解决自动换刀、自动拆卸零件和缩短辅助时间的问题,使得产品质量和生产效率都得到提升,使企业获得显著效益。在本质上,上述这些技术的应用只是加快空程动作的速度、提高零件生产过程的连续性,从而缩短辅助时间,目前辅助时间的缩短已经达到一个极限,只有降低单个零件的机械加工时间,才能在提高生产效率方面得到一个飞跃,提高主轴转速和进给速度,实现高速加工是唯一的途径。电主轴是主轴电机一体化的单元,是高速加工的最佳选择。它采用无外壳电机,将带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体内,转子和机床主轴的旋转部分做成一体,主轴的变速范围完全由变频交流电机控制,使变频电动机和机床主轴合为一体。电主轴是融合多种技术的组件,和国外电主轴产品相比,国内的电主轴在功率、转速、寿命等综合性能方面,还有较大的差距。热态性能设计是电主轴的一个关键难点,传统冷却设计主要采用空气和水冷却,散热效果取决于冷却通道的面积和流速,且冷却通道的加工、密封、装配增加了电主轴结构的复杂性。热管是依靠内部工作液相变实现传热的元件,具有很高的导热性及优良的等温性,基于热管高效传热的特性,本文对基于热管的电主轴热态性能进行了深入研究。确立液体静压轴承为支撑结构,设计了液体静压的电主轴,主要是考虑到液体静压轴承在高速运转时摩擦功率较大,发热问题比较突出,其热态性能研究具有代表意义。考虑电主轴高速运转的特性,其设计应包含主轴静动态、谐响应分析,以及热态性能设计。液体静压电主轴热态数学模型是进行热态性能研究的数学基础,从热源和散热方式两方面对电主轴进行系统地分析,得出电机和轴承发热是主要热源,散热主要在电主轴壳体表面、冷却通道的强制散热、静压轴承散热等方式,得出其表达式,建立了体静压电主轴热态数学模型。针对热管的传热,提出以热管的几何特征、热管材料和吸液芯结构、传热能力、散热能力为热管性能参数。针对热管应用于机械结构时热变形分析无法计算的问题,提出热管等效热导率模型,通过试验对其进行验证,试验结果证明了等效热导率模型的正确性;热管是传热元件,其传热效果依赖于冷却段的散热能力,针对翘片的强化传热,建立了翘片传热效率模型,通过试验加以验证,证实了传热效率模型的正确性。最后针对电主轴热态性能分析,提出以静压轴承的平均温度、电机的最高温度、主轴前端面的热变形和进入热稳定状态的时间为热态性能评价参数,比较不同的冷却方式,从空气冷却-润滑油冷却-水冷却可以较好的降低电主轴温度,减小进入热稳定状态的时间。设计了热管传热的液体静压电主轴,分析表明空气冷却下,便可以实现水流通过电主轴冷却通道的效果,同样降低了静压轴承表面平均温度、电机最高温度,减小进入热稳定状态的时间和主轴前端面的热变形,改善了电主轴的热态性能。通过热管传热的加热器试验对此加以证实,热管在传热应用中,确实能够起到较好的散热效果,降低了分析结构体的整体温度,减小进入热稳定状态的时间。
【图文】：

曲线,曲线,电主轴,切削速度

以避免电主轴温升过高。风冷、水冷的散热方式，体上加工出冷却通道，热交换发生在电主轴的冷却通道中加了电主轴的结构复杂性。将电主轴内部的热量快速的传行冷却散热，保证电主轴的正常工作，这便是本论文的探主轴的发展状况主轴技术发展的背景加工源于德国切削物理学家萨洛蒙博士进行的一系列超高1 年 4 月萨洛蒙发表著名的超高速加工理论，提出高速切削切削速度和切削温度的萨洛基蒙曲线，萨洛蒙指出：在常内，切削温度随着切削速度的增大而提高。对于每一种材度范围，在这速度范围内，任何刀具都无法承受太高的切不可能进行。但是，当切削速度超过这个范围后，切削温切削力也会大幅下降，切削过程将会变得轻松，刀具寿命，切削时间可大幅度减少，可成倍地提高生产率。

示意图,电主轴,示意图,主轴驱动系统

节的传动冲击等外力，主轴高速运转相应地得到延长。构上简单、紧凑，便于应用在多轴联动主轴，，实现高速、高效加工。内外研究现状电机一体化的单元，即内装式电机主的电机定子装配在主轴单元的壳体内，主轴的变速范围完全由变频交流电一体。电主轴具有结构紧凑、重量轻且可以实现较高的转速范围和无极调仅仅只是“内装式电机主轴”的概念，和变频调速的主轴驱动系统，完整的润滑系统主轴驱动系统冷却系
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH133.2

【引证文献】