基于DOE的電主軸溫度場分析*

郭偉科，吳智恒，張華偉，雷　群（.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院）機電工程研究所，廣東廣州　5065；.廣州市昊志機電股份有限公司，廣東廣州　5356）

基于DOE的電主軸溫度場分析*

郭偉科1，吳智恒1，張華偉1，雷群2
（1.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院）機電工程研究所，廣東廣州510651；2.廣州市昊志機電股份有限公司，廣東廣州511356）

摘要：以機床關(guān)鍵零部件高速電主軸為研究對象，通過對高速電主軸熱傳導理論模型分析，借助ANSYS CFX軟件對高速電主軸進行溫度場分析，獲得電主軸的溫度場分布及關(guān)鍵點最高溫度與各輸入?yún)?shù)之間的關(guān)系。運用響應(yīng)面法及DOE方法，進行了高速電主軸溫度場優(yōu)化設(shè)計研究，為高速電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計及運行參數(shù)制定提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高速電主軸；溫度場；DOE；CFX

*廣東省科技計劃項目（編號：2013B090800010、2014B070706025、2014B050503006、2014B040404064）；廣州市科技計劃項目（編號：1565000216）

0　引言

高速電主軸作為數(shù)控機床及加工中心的關(guān)鍵零部件，是機電一體化產(chǎn)品，將傳統(tǒng)的機床主軸與動力源電機采用一體化設(shè)計，取消了帶輪傳動和齒輪傳動，機床主軸由內(nèi)置電機直接驅(qū)動，使機床主軸實現(xiàn)“零傳動”。高速電主軸工作過程中，由于轉(zhuǎn)子與定子的電磁耗損發(fā)熱和磁損發(fā)熱、軸承摩擦發(fā)熱及機械耗損等發(fā)熱，會有大量的熱量產(chǎn)生，但是由于高速電主軸結(jié)構(gòu)緊湊，完全密封，散熱條件較差，導致電主軸結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度較高，容易產(chǎn)生較大的熱變形，熱變形已經(jīng)成為影響機床的加工精度及可靠性的主要因素之一。因此，高速電主軸系統(tǒng)的熱特性分析及冷卻系統(tǒng)設(shè)計對機床精度的保證至關(guān)重要，是制造高速高精度機床必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)[1]。

本文根據(jù)耦合數(shù)值傳熱理論，以廣州市昊志機電股份有限公司研發(fā)的D系列高速電主軸為研究對象，分析高速電主軸運轉(zhuǎn)過程中的熱源、熱傳導機制以及電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場，借助ANSYS CFX軟件對模型進行熱-流-固體結(jié)構(gòu)耦合特性分析，通過對熱源、冷卻結(jié)構(gòu)各參數(shù)進行DOE分析，研究了冷卻管直徑、環(huán)境溫度、冷卻水流量、冷卻水溫度對高速電主軸溫升的影響，根據(jù)分析結(jié)果，對電主軸結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)給予優(yōu)化。

1　高速電主軸的結(jié)構(gòu)特點

高速電主軸主要由外殼、水道、驅(qū)動器、主軸、軸承、電機及潤滑系統(tǒng)等組成，主軸通過前后軸承支承，與電機的轉(zhuǎn)子通過熱膨脹預(yù)緊安裝[2]，帶有冷卻套的電機定子裝配在主軸單元的殼體內(nèi)，U型水道嵌在殼體內(nèi)部，圖1為高速電主軸的結(jié)構(gòu)示意圖。主軸的轉(zhuǎn)速是通過電機變頻器對電動機轉(zhuǎn)速進行控制，溫升是通過冷卻裝置加以控制，主軸前端裝有用于安裝刀具的內(nèi)錐孔和端面，以及安裝用于監(jiān)測的電主軸內(nèi)各類傳感器[3]。

圖1　高速電主軸結(jié)構(gòu)圖

2　高速電主軸熱源及熱傳導分析

D系列高速電主軸作為數(shù)控機床的高速部件，主要用作各種金屬、非金屬零件的高精度雕銑，在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱量，其中熱量來自于兩部分，內(nèi)部熱源主要為電機電磁損耗、軸承摩擦生熱、機械損耗等，外部熱源主要為高速電主軸工作時加工刀具與加工零件切削產(chǎn)生的熱量及環(huán)境空氣的熱輻射。在這些熱源中，電機電磁損耗產(chǎn)生的熱量及軸承摩擦生熱為兩大主要熱源，產(chǎn)生的熱量主要通過熱傳導方式傳遞給電機定轉(zhuǎn)子、主軸及外殼，冷卻方式主要為冷卻水冷卻，注入混合了無水碳酸鈉和硝酸鈉的冷卻水，通過圖2所示U型水道進行冷卻[4]。

圖2　高速電主軸冷卻水道結(jié)構(gòu)圖

D系列高速電主軸最高轉(zhuǎn)速可達60 000 r/min，為了對高速電主軸的溫度場及最高溫度進行DOE分析，本文只考慮了高速電主軸工作時主要轉(zhuǎn)速為20 000 r/min時的情況，下面所述關(guān)于高速電機電磁損耗及軸承摩擦發(fā)熱計算都是基于轉(zhuǎn)速為20 000 r/min。電主軸各參數(shù)如表1、表2所示。電磁強度如圖3所示。

表1　電主軸電機運行參數(shù)

圖3　高速電主軸電機電磁強度示意圖

表2　電主軸電機熱參數(shù)

本文所研究的高速電主軸前后軸承為舍弗勒FAG油脂潤角接觸球軸承，前后軸承共四個，前后各兩個支撐主軸結(jié)構(gòu)，采用背靠背方式安裝，可以承受徑向和軸向的載荷，有利于主軸的剛度、可靠性的提高。

表3為前后軸承具體參數(shù)，軸承摩擦生熱根據(jù)舍弗勒BEARINX計算系統(tǒng)，結(jié)合Palmgren計算公式，同時考慮電主軸工作時刀具給予軸承的力很小，暫不考慮外部載荷對兩種類型軸承摩擦生熱的影響[5-6]。

3　電主軸的溫度場DOE分析

高速電主軸的溫度場研究對于電主軸的精度設(shè)計有著實際的指導意義，通過電主軸溫度場仿真分析，可以分析電主軸的熱傳導機制及溫度場分布，可以得到由于溫升效應(yīng)主軸的熱變形，為減少主軸的設(shè)計誤差提供指導。為了對電主軸的溫度場進行研究，利用ANSYS CFX軟件對高速電主軸系統(tǒng)進行溫度場仿真分析，其過程如下：

（1）建立高速電主軸熱分析仿真模型，模型如圖4所示；

（2）對電主軸一種常見工作場景進行熱分析，分析其溫度場分布及溫度最高點位置；

（3）以冷卻水道直徑、冷卻水流速、環(huán)境溫度、冷卻水溫度作為變量，以上述溫度最高點溫度為響應(yīng)，進行響應(yīng)分析，計算各組合場景下高速電主軸的最高溫度；

（4）對上述變量及響應(yīng)進行響應(yīng)曲線分析，分析各變量對高速電主軸溫度的影響。

表3　電主軸角接觸軸承主要技術(shù)參數(shù)

圖4　高速電主軸熱仿真模型

本文選用的D系列高速電主軸常見工作場景參數(shù)見表4。

表4　電主軸工作參數(shù)

對高速電主軸進行溫度場分析，在CFX中施加上述參數(shù)，通過仿真獲得了整個電主軸的溫度場云圖，可得到整個電主軸溫度場的分布及最高溫度點位置，仿真云圖如圖5所示，截面云圖如圖6所示。

圖5　高速電主軸熱仿真云圖（整體）

圖6　高速電主軸熱仿真云圖（截面）

從圖6可以看出，高速電主軸溫度分布具有以下特點：

（1）高速電主軸前半段溫度較高，后半段尤其氣缸部分溫度較低；

（2）高速電主軸最高溫度在電機鐵心轉(zhuǎn)子位置，最高溫度為87℃；

（3）輻射散熱效果較差，主要依靠冷卻水道散熱；

（4）主軸溫度較高，主軸長度受溫度影響較大。

以高速電主軸轉(zhuǎn)子鐵心中間位置為參考點，設(shè)置影響電主軸溫度的變量范圍，對參考點溫度進行響應(yīng)分析，分析上述列出的各變量對參考點最高溫度的影響，各變量的變化范圍見表5。

表5　電主軸溫度場分析變量范圍

因為熱仿真分析耗時較長，DOE分析并沒有采用變量排列組合形式，而是采用單獨分析每個變量對最高溫度的影響，繪制變量與響應(yīng)的關(guān)系曲線，仿真分析每個變量時其他變量保持常見場景所列的參數(shù)值。變量與響應(yīng)的關(guān)系曲線如圖7～10所示。

圖7　電主軸最高溫度與環(huán)境溫度曲線

圖8　電主軸最高溫度與冷卻水溫度曲線

圖9　電主軸最高溫度與冷卻水流量曲線

圖10　電主軸最高溫度與冷卻水道直徑曲線

4　結(jié)論

（1）通過對電主軸溫度場仿真分析，可知電主軸的電機轉(zhuǎn)子鐵心位置，前后軸承位置為其溫度較高部位，需采取有效冷卻措施進行冷卻，以減小主軸的熱伸長。

（2）環(huán)境溫度、冷卻水溫度、冷卻水流量及冷卻水道直徑的大小對高速電主軸的溫度都有影響，環(huán)境溫度在一定范圍內(nèi)對電主軸溫升很?。焕鋮s水溫度、冷卻水流量及冷卻水道直徑對高速電主軸的溫升有較大的影響，冷卻水溫度越低，冷卻水流量越大或冷卻水道直徑越大，電主軸溫升越??；但每個變量對于電主軸溫升的幅度不同，冷卻水流量過大并不能帶來顯著的效益。

（3）在對高度電主軸進行溫度場仿真分析時，由于仿真比較耗時，未作整體DOE分析，對于全局變量優(yōu)化分析應(yīng)該做更進一步的分析。

參考文獻：

［1］吳玉厚，于文達，張麗秀，等.基于損耗實驗的電主軸溫度場分析［J］.沈陽建筑大學學報：自然科學版，2014（01）：142-146.

［2］嚴道發(fā).電主軸技術(shù)綜述［J］.機械研究與應(yīng)用，2006（12）：1-3.

［3］馬帥，傘紅軍，吳智恒，等.高速電主軸技術(shù)綜述［J］.機械制造，2014（05）：16-19.

［4］吳玉厚.數(shù)控機床電主軸單元技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［5］陳文華，賀青川，何強，等.高速電主軸水冷系統(tǒng)三維仿真與試驗分析［J］.中國機械工程，2010（3）：550-555.

［6］張靜.基于高速車銑復合加工中心電主軸系統(tǒng)研究［D］.蘭州：蘭州理工大學，2006.

(編輯：向飛)

Analysis of Temperature Field of High-Speed Motorized Spindle Based on DOE

GUO Wei-ke1，WU Zhi-heng1，ZHANG Hua-wei1，LEI Qun2

（1.Mechanical & Electrical Engineering Research Institute，Guangdong General Research Institute for Industrial Technology(Guangzhou Research Institute of Non-Ferrous Metal)，Guangzhou 510651，China；2.Guangzhou Haozhi Industrial Co.，Ltd.，Guangzhou511356，China）

Abstract:The key component of machine tools in the high-speed-sinple has been studied in this paper.The temperature distribution of the spindle and the relationship between the highest key point temperature and each input parameters have been obtained through the heat transfer theoretical model which is using ANSYS CFX for the temperature field analysis.The response surface method and DOE method have been used for the temperature field optimization design.The result provides evidence for high-speed-spindle structure design and operational parameters adoption.

Key words:high-speed motorized spindle；temperature field；DOE；CFX

作者簡介：第一郭偉科，男，1978年生，陜西寶雞人，碩士，工程師。研究領(lǐng)域：機電產(chǎn)品CAE仿真。

收稿日期：2015－07－08

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.08.038

中圖分類號：TH113.2

文獻標識碼：A

文章編號：1009－9492 (2015 ) 08－0133－04