小型車銑削復合機床主軸熱特性仿真研究

徐洪林

（鹽城生物工程高等職業技術學校，江蘇鹽城224000）

小型車銑削復合機床主軸熱特性仿真研究

徐洪林

（鹽城生物工程高等職業技術學校，江蘇鹽城224000）

隨著微小型零件在航空航天、核工業、國防、汽車以及醫療器械等行業的廣泛應用，其精度及復雜性也越來越高，因此對小型機床的加工精度也提出了越來越高的要求。結合小型車銑加工技術特點，詳細分析了小型車銑復合機床在加工過程中可能產生的熱源，并利用ANSYS軟件對其溫度場熱源進行了分析，為相關的工程設計領域提供了理論參考。關鍵詞：復合機床；主軸；熱特性仿真

小型車銑復合加工中，由于機床各部件溫升和環境溫度的擾動而引起的熱變形，使裝夾在銑削電主軸上的刀具與裝夾在車削主軸上的工件之間的相對位置產生變化，從而造成加工誤差。由于車削轉速比較低，發熱量比較小，而銑削電主軸在工作時高速旋轉，主軸系統的各部分會產生不同程度的溫升和熱變形，這也會對加工精度產生較大影響。為了改善機床運行過程中熱變形對其加工精度的影響，本文對高速旋轉的主軸熱源及熱傳遞形式進行了分析，以便為今后的工程設計改良提供理論參考。

1 熱源分析

高轉速高精度電主軸大多采用主軸專用角接觸陶瓷球軸承，電主軸的熱源主要為主軸軸承高速運轉時產生的大量磨擦熱和內置高轉速電機的發熱，這些因素會影響主軸的溫升和熱變形[1-2]。

（1）軸承摩擦熱

摩擦是機床產生熱量的一個重要因素，零件相互接觸且有相對運動時，就會由于摩擦而產生熱量。軸承中的滾珠和滾道間、潤滑油脂內部都會有摩擦，特別是軸承與油封間的摩擦能產生大量的熱。

（2）電機熱

高轉速小型電主軸功率一般都相對比較小，電機所做的功，最終都轉化成熱量，這些熱量一小部分通過換熱冷等方式排出，其余大部分聚集在主軸內部，從而引起了各處的溫度變化。

（3）切削熱

加工過程中，銑刀與工件間會產生大量的熱量，切削產生的熱一部分被冷卻液帶走，一部分被切屑帶走，還有一部分切削熱會傳給刀具、工件與機床，造成工件與機刀具的溫度變化。

（4）冷卻液

電主軸內部的冷卻循環系統起到冷卻潤滑的作用，使主軸系統在正常情況下工作。切削過程中，機床冷卻液不僅可以冷卻工件與刀具，減少切削熱，還可以起到潤滑的作用，改善工件表面與刀具間的摩擦。

（5）環境溫度的影響

隨著機床精度的提高，溫度變化對機床精度的影響日漸明顯。目前對機床加工零件的精度要求越來越高特別對于精密機床來說有時溫度在相差10度的情況下，加工的零件尺寸就會超差。

2 主軸系統的傳熱分析

主軸系統的熱分析，一方面是對發熱量的分析，另一方面是對熱傳遞方式的分析[3]。這里主要討論主軸的熱傳遞方式，根據相關熱傳遞理論，可以將熱傳遞分為三種形式：熱對流、熱輻射和熱傳導。熱對流主要指溫差引起的溫度傳遞，固態物體表面與之相接觸的流體之間，由于溫差的緣故形成了熱量交換的一種形式，這里主要討論的是傳遞方式。熱輻射主要指物體本身發射的電磁能引起周邊物質的能量吸收，導致熱量之間相互交換，本文的分析不考慮熱輻射的影響。熱傳導主要指物體內部不同零部件間的溫差或兩相接觸物體間形成的溫差，導致的內部能量的交換，這是物體內部間的溫度梯造成的，其影響主要依賴于物體的材料及結構設計，這種熱傳遞形式量在其主軸設計中就已確定。本文研究的主軸系統主要是對流散熱包括主軸高速旋轉時主軸與空氣的對流換熱以及軸承與潤滑系統的對流換熱。

主軸旋轉時的熱傳遞主要還應考慮主軸高速旋轉時形成的軸與空氣間的熱對流，和軸承與潤滑裝置間的熱對流。

（1）主軸導熱系數的確定

主軸導熱系數取決于主軸及與之配合的零部件材料，這里主軸采用3Cr13，主軸軸承內外鋼圈采用軸承鋼材料，陶瓷球采用氮化硅。因此，主軸系統的導熱系數就確定了，主軸系統與之相接觸部分間的熱傳導也就確定了。

（2）主軸與冷卻液間的熱對流

電機冷卻套筒與冷卻油間的熱量交換屬于流體間的熱量對流交換，根據努謝爾特準則可以得出對應的對流換熱系數：

（3）旋轉過程中主軸與空氣間的熱對流

主軸表面在旋轉運動過程中會產生一定熱量，該熱量引起了主軸與周邊空氣的溫差，從而引起了熱對流，這種熱對流是主軸旋轉產生的，是一種強迫對流交換。根據努謝爾特準則，可以得出相應的流換熱系數：

（4）主軸非旋轉零部件表面與空氣間的熱對流

主軸在進行高速旋轉過程中會產生大量熱量，與周邊空氣形成了熱對流交換，引起主軸周邊空氣溫度的不均勻性，使得周邊空氣與主軸的靜止表面也產生了熱對流現象，這樣主軸的熱量又會通過其靜止表面散布到外圍空氣中。

正常環境溫度下，主軸工作時靜止表面與周邊空氣的換熱系數為：

3 主軸溫度場仿真

主軸在高速旋轉階段主軸與其軸承間會產生一定熱量，這熱量值與其主軸的配合位置相關，不同位置產生的熱量值不同，此外由于與主軸配合的各零部件間材料和結構的不同，產生的導熱系數也不同，這樣就會使得主軸產生溫差較大的溫度場，溫差的產生對其設備的加工精度就會有較大影響。當主軸溫度過高時，軸承的使用壽命就會有較大影響，從而影響設備的使用穩定性。

溫度場不隨時間發生變化的傳熱過程稱為穩態傳熱過程，在該過程中，各個節點的溫度不隨時間變化；溫度場隨時間發生變化的傳熱過程稱為瞬態傳熱過程，在該過程中，系統的溫度、熱流率、邊界條件以及內能都隨時間而發生變化。實際上，無論是在自然界還是在工程中，絕大部分的傳熱過程都屬于瞬態傳熱過程。但是工程中，一般假定設備在穩定運行時處于穩態傳熱狀態。

在PROE中建立電主軸三維簡化模型，包括主軸抱夾單元、軸體、前后兩組軸承、定子、轉子、軸芯及軸承座和鎖緊螺母。為提高仿真效率，避免不必要的分析，首先對三維模型做一些簡化。將電主軸的裝配體導入ANSYS中，進入熱分析前處理器，根據主軸的實際工作情況，在材料數據庫中添加和定義材料屬性。網格劃分模型如圖1所示，主軸外部和內部的溫度場分布仿真結果分別如圖2、3所示。

圖1 網格劃分

圖2 外部溫度場

圖3 內部溫度場

由圖2和圖3可知，主軸外殼表面前后部分溫度相對較低，而中部溫度相對較高，主軸內部轉子鐵芯處溫度最高，前后軸承處次之，而軸承內圈又比外圈溫度高。這是由于定子與主軸外殼接觸傳熱，雖然冷卻油可以帶走定子產生的部分熱量，但從轉子鐵芯通過氣隙傳來的熱量仍使得定子鐵芯中部的溫升較高。軸承轉子鐵芯為主要熱源之一，溫度最高約為43°，轉子的發熱在鐵芯處累積，由于轉子熱量不能通過冷卻油直接帶走，導致大部分熱量通過熱傳導的方式傳給軸芯，因而溫升較高。

軸承內圈溫度要高于外圈的溫度，這是由于軸承外圈存在冷卻套，同時與機體接觸傳熱，所以軸承外圈溫度較低。

[1]張霖，趙東標，張建明.微細切削用小型數控銑床的研制[J].東南大學學報，2007，37（1）：26-29.

[2]曹自洋，李亮.微細切削加工技術[J].微細加工技術，2006，6（3）：19.

[3]孫雅洲，梁迎春，董申.微小型化機床的研制[J].哈爾濱工業大學學報，2005，37（5）：40-43.

Study on the Thermal Characteristics of the Spindle of the Milling Machine

XU Hong－lin
（Yancheng Bioengineering Higher Vocational and Technical School，Yancheng Jiangsu 224000，China）

With the wide application of micro parts in aerospace，nuclear industry，defense，automotive，medical equipment and other industries，its precision and complexity is also more and more high，so the machining precision of small machine tools also put forward higher requirements.Combined with the technical characteristics of small milling processing，a detailed analysis of the source of small lathemilling machine may be produced during the processing of the heat source，and the temperature field was analyzed by using ANSYS software，to provide a theoretical reference for the related engineering design field.

composite machine tool；spindle；thermal characteristic simulation

TG512

A

1672-545X（2017）03-0025-02

2016-12-24

徐洪林（1973－），男，江蘇鹽城人，本科，高校講師，研究方向：機械。