高精密加工中心GBC650電主軸及鑄件部分有限元分析
一、電主軸熱流固耦合分析
1. 電主軸結(jié)構(gòu)
2.電主軸的工作條件及其有關(guān)參數(shù)：
（1）主軸電機(jī)的功率損失為1.32kW，假設(shè)損失的功率全部轉(zhuǎn)化為熱量，其中電機(jī)定子占2/3，電機(jī)轉(zhuǎn)子占1/3。
（2）前軸承型號7009，后軸承型號7007，均采用油脂潤滑。
（3）主軸電機(jī)利用水冷機(jī)進(jìn)行熱交換系統(tǒng)強(qiáng)制冷卻，冷卻水的流量為Q＝2.8L/min，入口溫度為Tin＝24℃。
（4）環(huán)境溫度為Te＝25℃。
3.電主軸的熱邊界條件參數(shù)
通過計(jì)算得到電主軸熱邊界條件參數(shù)，如表1.1；
表1.1
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參數(shù)名稱 |
計(jì)算結(jié)果 |
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電機(jī)定子的生熱率，W/m3 |
2150944.7 |
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電機(jī)轉(zhuǎn)子的生熱率，W/m3 |
6799591.3 |
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前軸承的生熱率，W/m3 |
10964000 |
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后軸承的生熱率，W/m3 |
21650000 |
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電機(jī)定子和冷卻油的換熱系數(shù)，W（/m2·℃） |
2368.5 |
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轉(zhuǎn)子端部與周圍空氣的換熱系數(shù)，W（/m2·℃） |
223 |
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主軸靜止不動外表面與周圍空氣對流換熱，W（/m2·℃） |
9.7 |
4. 建立電主軸有限元模型
通過軟件對電主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，導(dǎo)入ANSYS Workbench的fluent模塊中，首先進(jìn)行網(wǎng)格劃分（如圖1-1），前處理完成后進(jìn)入fluent操作界面進(jìn)行輸入熱邊界條件參數(shù)以及冷卻水入口速度、出口壓力以及進(jìn)出口溫度等，與穩(wěn)態(tài)熱分析模塊以及靜力學(xué)分析模態(tài)單向耦合（如圖1-2），通過軟件分析計(jì)算得到電主軸模型在電機(jī)處于最高轉(zhuǎn)速時通過冷卻水換熱后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱溫升以及熱分布（如圖1-3）。
由圖1-3可以看出，持續(xù)開啟水冷機(jī)對電主軸進(jìn)行冷卻，模擬其電機(jī)定子芯部最高在27℃左右，而電機(jī)轉(zhuǎn)子芯部最高溫度在32℃，其中軸的芯部最高溫度幾乎和轉(zhuǎn)子一樣。盡管電機(jī)轉(zhuǎn)子的發(fā)熱量只有電機(jī)定子的1/2，但是由于電機(jī)定子有冷卻水進(jìn)行冷卻，而轉(zhuǎn)子的熱量只有通過主軸兩端和定子進(jìn)行散熱，所以散熱條件比較差，溫度相對較高，同時也說明內(nèi)裝電機(jī)定子循環(huán)冷卻對加強(qiáng)電主軸的散熱起到了很好的作用。
通過fluent以及Steady-State Thermal進(jìn)行分析得到的結(jié)果可了解其內(nèi)部熱分布，將其結(jié)果導(dǎo)入Static Structural中，可計(jì)算其熱變形量，分析云圖如上圖1-4到圖1-7，整理其分析數(shù)據(jù)如下表1.2
表1.2
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電主軸整體變形量最大值,mm |
0.01625 |
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軸芯-X向變形量,mm |
0.016108 |
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軸芯-Y向變形量,mm |
0.0041948 |
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軸芯-Z向變形量,mm |
0.0041254 |
由數(shù)據(jù)可得，其軸芯X向的變形量與電主軸整體變形量幾乎一樣，因此其熱變形主要位于軸芯。
二、電主軸靜力學(xué)分析
1. 約束設(shè)置：電主軸安裝面固定，切削力設(shè)置1000N;
2. 分析云圖：
電主軸在靜態(tài)情況下其位移最大值位于軸芯下端面，其最大值為0.00045845mm。
捷甬達(dá)數(shù)控機(jī)床-高精密加工中心GBC-650大理石機(jī)身。
