鋁合金攪拌摩擦焊電主軸冷卻系統的設計與仿真*

儲澤楠，張一寒，梁 興，趙亞東

（1.安陽工學院a.科研處；b.機械工程學院，河南安陽 455000；2.安陽萊工科技有限公司，河南安陽 455000）

鋁合金攪拌摩擦焊電主軸冷卻系統的設計與仿真*

儲澤楠1a，張一寒2，梁 興2，趙亞東1b

（1.安陽工學院a.科研處；b.機械工程學院，河南安陽 455000；2.安陽萊工科技有限公司，河南安陽 455000）

鋁合金攪拌摩擦焊電主軸作為鋁合金攪拌摩擦焊機床的核心部件，其熱態穩定性影響著機床的高質量的焊接。為有效預測并控制鋁合金攪拌摩擦焊電主軸運轉過程中的熱態性能及其對鋁合金攪拌摩擦焊主軸焊接質量的影響，建立鋁合金攪拌摩擦焊電主軸水路的熱態分析有限元模型，分析熱穩定狀態下鋁合金攪拌摩擦焊電主軸水路的溫度場分布以及冷卻系統對鋁合金攪拌摩擦焊電主軸溫升的影響，分析結果表明，提高鋁合金攪拌摩擦焊電主軸現有冷卻系統的冷卻效率可有效控制主軸電機和內置軸承的溫升；同時，仿真分析冷卻水路對鋁合金攪拌摩擦焊電主軸溫升的影響，揭示鋁合金攪拌摩擦焊電主軸溫度場分布的非線性特征。進行合理的軸承配置、選擇合適冷卻水道尺寸以及增加冷卻水流量均可有效改善電主軸熱態性能。

鋁合金攪拌摩擦焊；電主軸；內置電動機；熱態特性；仿真分析

0 引言

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，縮寫為FSW），于1991年由英國焊接研究所（TWI）發明。它是利用間接摩擦熱實現板材的連接。這種方法打破了原來摩擦焊只限于圓形斷面材料焊接的概念，是上個世紀末本世紀初最新的鋁及其合金的焊接技術。鋁合金攪拌摩擦焊機床作為實現偏高速焊接的裝備基礎，是裝備焊接制造業的戰略性產業，在我國的發展處于起步成長階段。作為摩擦焊機床的主要功能部件，鋁合金攪拌摩擦焊電主軸將內置的電動機轉子，通過一定的技術工藝裝在機床主軸上并直接參與焊接，其正常工作過程中的溫升造成主軸動態特性變化直接影響著產品的焊接可靠性和穩定性。與普通電動機和傳統機床主軸相比，鋁合金攪拌摩擦焊電主軸內部結構復雜，存在多熱源多冷卻介質，使主軸單元系統產生不均勻的溫度場，如果這些熱量得不到有效的處理，便會引起熱位移和熱應力，嚴重影響工件的焊接質量，降低鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的壽命，并且鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的熱態特性限制了鋁合金攪拌摩擦焊電主軸轉速的提高和焊接厚度的增加。因此進行合理的熱動態分析以便更有效地控制機床主軸溫升及提高焊接質量在鋁合金攪拌摩擦焊技術發展上已經刻不容緩。

1 鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的熱源分析

鋁合金攪拌摩擦焊電主軸結構上將焊接主軸和電動機融為一體，并內附相應的冷卻潤滑通道。是否進行鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的熱源分析，直接影響著鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的冷卻系統是否設計合理，因而要從根本上抑制鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的熱源，必須從鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的熱源分析著手。由于鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的結構特殊性，其熱源主要有以下幾部分組成：

1.1 內置電機的損耗發熱

鋁合金攪拌摩擦焊電主軸采用內置式電動機，電動機在運行過程中實現能量轉換，其內部產生的功率損耗使電動機定、轉子發熱。電機損耗一般分機械損耗、電損耗、磁損耗和附加損耗共4類。根據電機設計流程公式分析，附加損耗在總的損耗中所占的比例很小，一般可以忽略不計；損耗的主要部分為前3類。鋁合金攪拌摩擦焊電主軸電機工作時變化的電場導致機械損耗、電損耗、磁損耗的產生，機械損耗為定轉子氣隙摩擦損耗；電損耗為定轉子線圈損耗；磁損耗為磁滯與渦流。它們引起的發熱量占總量的95～99%。電機的發熱主要有兩部分，其中大約有2/3是定子產生，主要表現為通電繞組的銅損，另1/3由轉子產生，主要表現在鐵芯的鐵損和諧波損耗上。

1.2 配套軸承的摩擦發熱

在鋁合金攪拌摩擦焊接設備中，軸承的運轉速度一般偏高，摩擦產生的熱量和對潤滑油攪動產生的熱量，是電主軸溫升的另一個主要來源。采用角接觸球軸承加油氣潤滑的組合方式，對降低軸承溫升有一定的作用，但這只是從軸承內部散熱的角度來考慮，對于軸承散熱發出來的熱量和電機傳給軸承的熱量，也會在主軸內部產生不利的影響，因此這種相互影響的散熱也是鋁合金攪拌摩擦焊接電主軸冷卻系統應該考慮的。另外用冷卻液對主軸冷卻的同時，主軸在偏高速旋轉時產生較大的離心力，離心力和陀螺力矩對偏高速運轉軸承的影響會產生熱變形，對軸承預緊力有影響。可能也會使冷卻液的冷卻效果根本無法作用到軸承的內圈和芯軸，隨著主軸溫升的增加，軸承的預緊力增大，反過來又加劇了軸承的發熱，使軸承得不到有效地冷卻和潤滑。

2 鋁合金攪拌摩擦焊電主軸冷卻系統的設計

針對鋁合金攪拌摩擦焊在焊接過程中的溫升分析，結合傳統冷卻方式的優點和不足，立足于攪拌摩擦焊電主軸的實際工況，確定鋁合金攪拌摩擦焊電主軸外部采用液體冷卻，內部采用氣冷的方式。如圖1所示。

圖1 鋁合金攪拌摩擦焊電主軸氣路、水路圖

2.1 外部液體冷卻

根據多年來的設計、生產實踐經驗，外加實體建模仿真分析，鋁合金攪拌摩擦焊電主軸殼體外形表面設計為螺旋形水槽，在水槽外部設置有水套，殼體為前軸承套件和定子部件內置的結構，螺旋水槽覆蓋大部分的前軸承套件和全部的定子部件，這樣設計的目的是吸收前軸承套和定子部件所散的熱量，而使鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的外部溫度降低。

2.2 內部氣冷卻

上述外部冷卻系統，解決了鋁合金攪拌摩擦焊電主軸自身2/3的熱量，還有1/3的熱量是轉子所產生，要有效控制轉子軸的溫升，能更好地提高鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的焊接質量和壽命，必須研究轉子軸的冷卻途徑和方法，因而在鋁合金攪拌摩擦焊電主軸內部，把裝配于軸體內部的拉桿設計成中空結構，后端裝上旋轉接頭通過氣管與外界的氣冷裝置連接，前端BT30刀柄為中空結構，ER32筒夾夾上攪拌摩擦頭，這種結構既能冷卻轉子部件旋轉時受氣隙傳導過來轉子鐵芯所產生的熱量，又能冷卻攪拌頭工作時與工件摩擦產生的熱量。該設計方式達到降低軸芯內部溫升的目的，鋁合金攪拌摩擦焊電主軸內部的溫度也會明顯降低，使主軸內部的熱應力和熱變形趨于合理。

2.3 冷卻循環路徑

鋁合金攪拌磨擦焊電主軸外部冷卻是通過此軸后端附近的入水口，將一定的冷卻液強制輸入到電主軸的內部，經螺旋水槽、定子部件和前軸承套件，然后到達出水口；內部冷卻通過外部氣冷裝置產生高壓冷卻氣，由旋轉接頭經拉桿中空氣道和BT30刀柄的中空結構，最終通過ER32筒夾的16個縫隙吹到攪拌頭上。

首先，在對果樹進行修剪過程當中，要對患有病蟲害的樹枝進行剪切，并將剪切掉的樹枝用火燒的方式對其進行處理，防治病蟲害對其他健康的樹枝進行傳染。當前大部分果樹管理員選擇在冬季對果樹進行修剪，這樣可以有效的降低開春時病蟲害發生的幾率。其次，利用白涂劑對果樹的樹干或者主干下部進行處理，不但可以殺死病蟲害，而且還有助于防治動物對其進行破壞。最后，早春時期，或者冬季來臨之前，根據相關的技術標準，對果園的土壤進行深挖。這種做法可以有效的殺死土壤當中的病蟲，提升土壤吸收養分以及水分的能力，促進果樹的健康成長。

3 鋁合金攪拌摩擦焊電主軸水路冷卻系統的仿真分析

隨著計算機仿真系統的發展，仿真模擬已經滲透到各個行業。仿真模擬通過計算機對主軸運轉狀態進行模擬分析，解決設計中不足的部分。針對以上熱態特性的分析，研究鋁合金攪拌摩擦焊電主軸水路系統的現狀，做以下仿真分析。

鋁合金攪拌摩擦焊電主軸在水路實體建模時，需要采集的數據，如表1所示。

表1 材料屬性表

3.1 環形水路冷卻系統建立分析模型

對鋁合金攪拌摩擦焊電主軸水路系統進行模型簡化時，既要考慮到計算簡便，同時也應使模型更為準確地反映主軸的實際運工況，因此要按一定的原則進行合理的簡化，并進行實體建模：由于定子外水套和外殼是同一種材料，所以將其簡化為一個整體；忽略水套與周圍空氣的自然對流和向周圍環境的輻射，熱量完全由冷卻水強迫對流帶走；冷卻水不可壓縮且在正常溫度下物理屬性不變，沒有相變，是連續體；在水道內流動的冷卻水是沒有黏性耗散的穩態湍流。

3.2 環形水路冷卻系統的模型建立和網格劃分

根據鋁合金攪拌摩擦焊電主軸冷卻系統的尺寸和假設，利用Solidworks建立冷卻系統的三維模型，如圖2所示，將模型導入ANSYS Workbench中進行網格劃分，如圖3所示。

圖2 殼體套件的三維透視模型

圖3 殼體套件的有限元網格模型

圖4 環形殼體套件的整體溫度

圖5 環形殼體套件冷卻水的溫度

圖6 環形殼體套件冷卻水的壓力

圖7 環形殼體套件冷卻水的流速

圖8 環形殼體套件截面的溫度

根據車間生產現狀，考慮既經濟又實用的方針，通過改進鋁合金攪拌摩擦焊電主軸環形水槽并進行圖4、圖5、圖6、圖7、圖8的仿真穩態模

M ar.20154 檢測驗證

擬分析，對設計的鋁合金攪拌摩擦焊電主軸水路冷卻系統進行了全方位的完善。鋁合金攪拌摩擦焊電主軸溫升除了螺旋水路的截面尺寸、物理屬性等因素影響外，還與受冷卻水的流量等有關。研究受冷卻水的流量與溫升的關系，可以為冷卻水路的設計提供很有力的參考價值，通過對鋁合金攪拌摩擦焊電主軸水路冷卻系統仿真穩態模擬分析，既能減少傳統計算的繁瑣，又能節省一定的時間，這在實際生產實踐中起著一定的經濟意義。

參照中華人民共和國機械行業標準（JB/T10801.2-2007），經河南省有關檢測部門檢測，該鋁合金攪拌摩擦焊電主軸溫升指標達到檢測要求。電主軸規定冷卻條件下，在低、中、高速條件下運行，每級轉速條件下運行時間不少于5min，在最高速度運行時間不少于1h，在電主軸溫升穩定時，溫升應≤30℃，溫度應≤60℃。實際檢測數據：溫升為8℃，溫度為30℃，都在規定標準范圍之內。溫升是鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的主要檢測指標之一，溫升的數據檢測驗證了水路結構設計的合理性，為鋁合金攪拌摩擦焊電主軸長時間持續穩定工作提供有力的保證，焊接質量得到提高，對鋁合金焊接設備的發展起到了推動作用。

5 結束語

本文主要基于對鋁合金攪拌摩擦焊電主軸進行熱態特性的分析，首先分析主軸內部主要熱源，對電動機定、轉子損耗生熱和角接觸球軸承摩擦生熱進行分析研究，通過對冷卻系統的初始條件和邊界條件的圖形分析，選擇合理的冷卻方案；再對鋁合金攪拌摩擦焊電主軸冷卻系統進行了全方位的設計。分析影響鋁合金攪拌摩擦焊電主軸熱態特性的主要因素，提出改善鋁合金攪拌摩擦焊電主軸熱態特性的主要措施，是每一個電機廠家要解決的實際問題；通過對冷卻系統的分析，得到各工況下不同結論對電主軸溫升的影響，從而有效地掌握電主軸熱態性能的變化規律。

鋁合金攪拌摩擦焊電主軸通過外部冷卻液循環和內部氣冷卻循環，達到降低前軸承套件、定子部件和轉子部件的溫升；在結構的設計中采用了各種措施：減少主軸運轉時振動，延長焊接工作時間，增加焊接穩定性，提高焊接質量和生產效率，是本文研究設計的最終目的，適應焊接生產的需要，并且已經廣泛地推廣到生產中。

［1］陳小安，劉俊峰，合燁，等.高速電主軸熱態性能及其影響［J］.機械工程學報，2013，49（11）：135-141.

［2］王保民，胡赤兵，孫建仁，等.高速電主軸熱態特性的ANSYS仿真分析［J］.蘭州理工大學學報，2009，35（1）：28-31.

［3］孔祥志，李長英，王家興，等.內裝式電主軸冷卻方式的探討［J］.學術交流，2011（1）：30-31.

［4］何強，李安玲，葉軍.加工中心皮帶軸熱力學仿真分析［J］.組合機床與自動化加工技術，2013（6）：15-16.

［5］楊佐衛，殷國富，尚欣，等.高速電主軸熱態特性與動力學特性耦合分析模型［J］.吉林大學學報（工學版），2011（1）：100-105.

［6］楊錦鋒.高速電主軸動態及熱特性研究［J］.機械與電子，2012（2）：42-43.

［7］胡秋，何東林.高速電主軸單元的熱-結構性能虛擬仿真分析［J］.機床與液壓，2006（12）：205-206.

（編輯 李秀敏）

文章編號：1001-2265（2015）03-0078-05 DOI：

2015年3月 Modular Machine Tool&Automatic Manufacturing Technique

10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.03.021

Friction Stir Welding of Aluminum Alloy Spindle Cooling System Design and Simulation

CHU Ze-nan1a，ZHANG Yi-hang2，LIANG Xing2，ZHAO Ya-dong1b
（1a.Department of Scientific Research；b.School of Mechanical Engineering，Anyang Institute of Technology，Anyang Henan 455000，China；2.Anyang Laigong Technology Co.，Ltd，Anyang Henan 455000，China）

aluminium alloy friction stir welding of motorized spindle，which is the core of the aluminium alloy friction stir welding machine parts，the hot stability affects the high quality of the welding machine.To effectively predict and control the aluminium alloy friction stir welding thermal state in the process of motorized spindle running performance and its impact on the quality of aluminum alloy friction stir welding spindle welding，establish aluminium alloy friction stir welding of motorized spindle waterway hot finite element model analysis，analysis of aluminum alloy friction stir welding thermal stability condition motorized spindle temperature field distribution of the water and the cooling system on the influence of aluminum alloy friction stir welding of motorized spindle temperature rise，the analysis results show that the increase of aluminum alloy friction stir welding electric spindle existing cooling system can effectively control the cooling efficiency of the spindle motor and built-in bearing temperature rise；At the same time，the simulation analysis of cooling water to the influence of aluminum alloy friction stir welding of motorized spindle temperature rise，reveal the aluminium alloy friction stir welding of nonlinear characteristics of motorized spindle temperature field distribution.Reasonable bearing configuration，choose appropriate cooling channel size and increasing the flow of cooling water can effectively improve the electric spindle thermal state performance.

aluminum alloy friction stir welding motorized spindle；built-in motor；hot features；the simulation analysis

TH122；TG506

A

1001-2265（2015）03-0075-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.03.020

2014-08-20；

2014-11-18

河南省教育廳科學技術研究重點項目（14A 460022）；河北省科技計劃重點科技攻關項目（142102310188）

儲澤楠（1982—），男，河南濮陽人，安陽工學院講師，碩士，研究方向為計算機仿真分析，（E-mail）2282411334@qq.com。