基于ANSYS的空气静压电主轴热变形研究.pdf

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1、基于ANSYS的空气静压电主轴热变形研究刘剑．肖民(华东理工大学机械与动力工程学院，上海200237)SYS模拟电主轴的温度场分布及热变形：通过多步载荷的选取对比分析结的结论；并从降低生热和增强散热两方面出发提出了减冷却中圈分类号：TM303文献标识码：A文章编号：1009—9492(2010)11-0034—04l引言向轴承的生热损耗可用式(1)计算，止推轴承的生热损信息产业是现代经济的先导产业，而以集成电路为核耗可用式(2)计算：心的电子元器件是信息产业的基础。随着信息技术的快速Q：发展，对于电子产品的加工精度要求

2、越来越高。逐渐向毫微米级直至纳米级趋近．因而对与此相关的设备提出了较Q=(b4-a+)(2)二，‘高的要求。而作为加工设备中关键部件的主轴，它的性能式(1)、(2)中：为空气粘度；D为径向轴承直好坏直接关系到加工工件的精度高低。划片机的切割机理径；为径向轴承长度；‘1)为轴承旋转角速度；h为轴承是强力磨削．空气静压电主轴正是带动金刚石外圆刀具高间隙；b为止推轴承外径；a为止推轴承内径。速旋转切割(强力磨削)晶片的部件，其热态特性、刚2_3生热率的计算性、轴线旋转精度等动静态特性决定着电子元器件的质生热率是指单位体积的生

3、热量，其在ANSYS热分析量。产品的质量要求主轴的轴向跳动不大于31．Lm，但在实中，可以作为载荷施加到面上，也可以直接施加到有限单际工作中发现．由于主轴发热造成的轴向伸长量可达元上．定义式如下：70m，误差很大。因此，研究主轴的热变形并采取适当的q=(3)措施减小它的量．是空气静压电主轴研究的重点对象。y2空气静压电主轴的热源式(3)中：Q为热源生热量；V为热源体积。本文以SFA一0511T型划片机空气静压电主轴为研究对根据SFA一0511T型划片机空气静压电主轴各项参数，计算得到各生热部位的生热率如表l。象．其结构

4、如图1所示。2．1电机电枢的生热表1电主轴生热部位的生热率电枢的生热来源于电机的功率损耗，包括机械损耗、电损耗、磁损耗和附加损耗。本文电主轴额定功率为1．5kW。损耗功率0．3kW。认为损耗功率全部转化为热量，且定子的生热量占2／3(Q=0．2kW)，转子的生热量占1／3(Qr：0．1kW)。2．2空气轴承的摩擦生热空气轴承的摩擦生热来源于气膜的剪切损耗，其大小3空气静压轴承系数的计算与主轴旋转角速度的平方成正比，与轴承间隙成反比。径ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传收稿日期：2010—05—06研究与

5、关。流体的流动状态通常分为层流状、态和紊流状态，南雷诺系数Re决定：Re：pv_df4)_弋‘LL式(4)中：p为流体的密度；v为流速；d为当量直径；为流体的C动力粘度把Re<2300时的流动作后盖前壳体后端面为层流状态．Re>2300时的流动作为紊流状态。层流和紊流的努谢尔特数分别采用式(5)、式(6)计算：Nui：1．86(Re．什，)·(5)Nu，=0．023Re。·(6)式(5)、(6)中：Nuj为努谢尔特数：，J为定子套筒外侧冷却水通道长度；为普朗多准数，其表达式为：=：(7)式(7)巾：C，为流体的比热；P

6、为流体密度：v为流体粘度：为流体导热系数。则通道内流体对流换热系数：：(8)』切削冷却水流经主轴时与主轴的1．固定螺栓2．电机冷却水出口3、5、8．切削冷却水进口4．主轴冷却水进156．电源线对流换热系数的计算与电机冷却水的7．压缩空气进口9．电刷lO．消声器11．轴承盖固定螺钉12．前后壳体连接螺栓l3．切削计算相同。需要注意的是，切削冷却冷却水通道14．电机冷却水通道15．压缩空气通道l6．后盖17．后壳体l8．定子外套水流经三个圆孔形通道．且通道中心19．定子20．转子21．轴承盖22．后径向轴承23．前壳体24

7、．0形橡胶圈25．隔圈26．转到主轴中心的距离随着流经的部位发轴27．前径向轴承28．后止推轴承29．止推板30．套圈31．前止推轴承32．端盖生变化。在ANSYS分析中为简化模型设计．把它看做是圆环管，因此加图1空气静压主电轴结构图载系数时需进行等效转化递方式。热传导是指完全接触的两个物体之间或一个物体3．2转轴及转子与空气的对流传热的不同部分之间南于温度梯度而引起的内能交换：热对流转轴及转子的端部与空气发生对流传热和辐射传热，是指同体的表面和与它周嗣接触的流体之间．由于温差的换热系数可按式(9)计算：存在引起的热量

8、交换；热辐射是指物体发射电磁能，并被=28(1+、／0．45v,)(9)其它物体吸收转变为热的热量交换过程。据此，空气静压式(9)中：为转轴及转子的端部周向速度。电主轴存在以下传热形式：1)电主轴金属零件之间的热3-3静压轴承的高速空气流与轴承之间的对流传热传导；2)电机定子与强迫冷却水的对流传热：3)切削冷主轴旋转时轴承气隙中的