鋁合金攪拌摩擦焊電主軸冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真*

儲(chǔ)澤楠，張一寒，梁 興，趙亞東

（1.安陽工學(xué)院a.科研處；b.機(jī)械工程學(xué)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(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真*

儲(chǔ)澤楠1a，張一寒2，梁 興2，趙亞東1b

（1.安陽工學(xué)院a.科研處；b.機(jī)械工程學(xué)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(jī)床的核心部件，其熱態(tài)穩(wěn)定性影響著機(jī)床的高質(zhì)量的焊接。為有效預(yù)測(cè)并控制鋁合金攪拌摩擦焊電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的熱態(tài)性能及其對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊主軸焊接質(zhì)量的影響，建立鋁合金攪拌摩擦焊電主軸水路的熱態(tài)分析有限元模型，分析熱穩(wěn)定狀態(tài)下鋁合金攪拌摩擦焊電主軸水路的溫度場(chǎng)分布以及冷卻系統(tǒng)對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊電主軸溫升的影響，分析結(jié)果表明，提高鋁合金攪拌摩擦焊電主軸現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)的冷卻效率可有效控制主軸電機(jī)和內(nèi)置軸承的溫升；同時(shí)，仿真分析冷卻水路對(duì)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(chǎng)分布的非線性特征。進(jìn)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(tài)性能。

鋁合金攪拌摩擦焊；電主軸；內(nèi)置電動(dòng)機(jī)；熱態(tài)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(fā)明。它是利用間接摩擦熱實(shí)現(xiàn)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(gè)世紀(jì)末本世紀(jì)初最新的鋁及其合金的焊接技術(shù)。鋁合金攪拌摩擦焊機(jī)床作為實(shí)現(xiàn)偏高速焊接的裝備基礎(chǔ)，是裝備焊接制造業(yè)的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，在我國的發(fā)展處于起步成長階段。作為摩擦焊機(jī)床的主要功能部件，鋁合金攪拌摩擦焊電主軸將內(nèi)置的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，通過一定的技術(shù)工藝裝在機(jī)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(dòng)態(tài)特性變化直接影響著產(chǎn)品的焊接可靠性和穩(wěn)定性。與普通電動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)機(jī)床主軸相比，鋁合金攪拌摩擦焊電主軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在多熱源多冷卻介質(zhì)，使主軸單元系統(tǒng)產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，如果這些熱量得不到有效的處理，便會(huì)引起熱位移和熱應(yīng)力，嚴(yán)重影響工件的焊接質(zhì)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(tài)特性限制了鋁合金攪拌摩擦焊電主軸轉(zhuǎn)速的提高和焊接厚度的增加。因此進(jìn)行合理的熱動(dòng)態(tài)分析以便更有效地控制機(jī)床主軸溫升及提高焊接質(zhì)量在鋁合金攪拌摩擦焊技術(shù)發(fā)展上已經(jīng)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(jié)構(gòu)上將焊接主軸和電動(dòng)機(jī)融為一體，并內(nèi)附相應(yīng)的冷卻潤滑通道。是否進(jìn)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(tǒng)是否設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)特殊性，其熱源主要有以下幾部分組成：

1.1 內(nèi)置電機(jī)的損耗發(fā)熱

鋁合金攪拌摩擦焊電主軸采用內(nèi)置式電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，其內(nèi)部產(chǎn)生的功率損耗使電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子發(fā)熱。電機(jī)損耗一般分機(jī)械損耗、電損耗、磁損耗和附加損耗共4類。根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)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(jì)；損耗的主要部分為前3類。鋁合金攪拌摩擦焊電主軸電機(jī)工作時(shí)變化的電場(chǎng)導(dǎo)致機(jī)械損耗、電損耗、磁損耗的產(chǎn)生，機(jī)械損耗為定轉(zhuǎn)子氣隙摩擦損耗；電損耗為定轉(zhuǎn)子線圈損耗；磁損耗為磁滯與渦流。它們引起的發(fā)熱量占總量的95～99%。電機(jī)的發(fā)熱主要有兩部分，其中大約有2/3是定子產(chǎn)生，主要表現(xiàn)為通電繞組的銅損，另1/3由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生，主要表現(xiàn)在鐵芯的鐵損和諧波損耗上。

1.2 配套軸承的摩擦發(fā)熱

在鋁合金攪拌摩擦焊接設(shè)備中，軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)速度一般偏高，摩擦產(chǎn)生的熱量和對(duì)潤滑油攪動(dòng)產(chǎn)生的熱量，是電主軸溫升的另一個(gè)主要來源。采用角接觸球軸承加油氣潤滑的組合方式，對(duì)降低軸承溫升有一定的作用，但這只是從軸承內(nèi)部散熱的角度來考慮，對(duì)于軸承散熱發(fā)出來的熱量和電機(jī)傳給軸承的熱量，也會(huì)在主軸內(nèi)部產(chǎn)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(tǒng)應(yīng)該考慮的。另外用冷卻液對(duì)主軸冷卻的同時(shí)，主軸在偏高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大的離心力，離心力和陀螺力矩對(duì)偏高速運(yùn)轉(zhuǎn)軸承的影響會(huì)產(chǎn)生熱變形，對(duì)軸承預(yù)緊力有影響?？赡芤矔?huì)使冷卻液的冷卻效果根本無法作用到軸承的內(nèi)圈和芯軸，隨著主軸溫升的增加，軸承的預(yù)緊力增大，反過來又加劇了軸承的發(fā)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(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊在焊接過程中的溫升分析，結(jié)合傳統(tǒng)冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)和不足，立足于攪拌摩擦焊電主軸的實(shí)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(nèi)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(jù)多年來的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，外加實(shí)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(shè)計(jì)為螺旋形水槽，在水槽外部設(shè)置有水套，殼體為前軸承套件和定子部件內(nèi)置的結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)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(nèi)部氣冷卻

上述外部冷卻系統(tǒng)，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(zhuǎn)子所產(chǎn)生，要有效控制轉(zhuǎn)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(zhì)量和壽命，必須研究轉(zhuǎn)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(nèi)部，把裝配于軸體內(nèi)部的拉桿設(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu)，后端裝上旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，ER32筒夾夾上攪拌摩擦頭，這種結(jié)構(gòu)既能冷卻轉(zhuǎn)子部件旋轉(zhuǎn)時(shí)受氣隙傳導(dǎo)過來轉(zhuǎn)子鐵芯所產(chǎn)生的熱量，又能冷卻攪拌頭工作時(shí)與工件摩擦產(chǎn)生的熱量。該設(shè)計(jì)方式達(dá)到降低軸芯內(nèi)部溫升的目的，鋁合金攪拌摩擦焊電主軸內(nèi)部的溫度也會(huì)明顯降低，使主軸內(nèi)部的熱應(yīng)力和熱變形趨于合理。

2.3 冷卻循環(huán)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(qiáng)制輸入到電主軸的內(nèi)部，經(jīng)螺旋水槽、定子部件和前軸承套件，然后到達(dá)出水口；內(nèi)部冷卻通過外部氣冷裝置產(chǎn)生高壓冷卻氣，由旋轉(zhuǎn)接頭經(jīng)拉桿中空氣道和BT30刀柄的中空結(jié)構(gòu)，最終通過ER32筒夾的16個(gè)縫隙吹到攪拌頭上。

首先，在對(duì)果樹進(jìn)行修剪過程當(dāng)中，要對(duì)患有病蟲害的樹枝進(jìn)行剪切，并將剪切掉的樹枝用火燒的方式對(duì)其進(jìn)行處理，防治病蟲害對(duì)其他健康的樹枝進(jìn)行傳染。當(dāng)前大部分果樹管理員選擇在冬季對(duì)果樹進(jìn)行修剪，這樣可以有效的降低開春時(shí)病蟲害發(fā)生的幾率。其次，利用白涂劑對(duì)果樹的樹干或者主干下部進(jìn)行處理，不但可以殺死病蟲害，而且還有助于防治動(dòng)物對(duì)其進(jìn)行破壞。最后，早春時(shí)期，或者冬季來臨之前，根據(jù)相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)果園的土壤進(jìn)行深挖。這種做法可以有效的殺死土壤當(dāng)中的病蟲，提升土壤吸收養(yǎng)分以及水分的能力，促進(jìn)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(tǒng)的仿真分析

隨著計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的發(fā)展，仿真模擬已經(jīng)滲透到各個(gè)行業(yè)。仿真模擬通過計(jì)算機(jī)對(duì)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，解決設(shè)計(jì)中不足的部分。針對(duì)以上熱態(tài)特性的分析，研究鋁合金攪拌摩擦焊電主軸水路系統(tǒng)的現(xiàn)狀，做以下仿真分析。

鋁合金攪拌摩擦焊電主軸在水路實(shí)體建模時(shí)，需要采集的數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 材料屬性表

3.1 環(huán)形水路冷卻系統(tǒng)建立分析模型

對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊電主軸水路系統(tǒng)進(jìn)行模型簡化時(shí)，既要考慮到計(jì)算簡便，同時(shí)也應(yīng)使模型更為準(zhǔn)確地反映主軸的實(shí)際運(yùn)工況，因此要按一定的原則進(jìn)行合理的簡化，并進(jìn)行實(shí)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(gè)整體；忽略水套與周圍空氣的自然對(duì)流和向周圍環(huán)境的輻射，熱量完全由冷卻水強(qiáng)迫對(duì)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(xù)體；在水道內(nèi)流動(dòng)的冷卻水是沒有黏性耗散的穩(wěn)態(tài)湍流。

3.2 環(huán)形水路冷卻系統(tǒng)的模型建立和網(wǎng)格劃分

根據(jù)鋁合金攪拌摩擦焊電主軸冷卻系統(tǒng)的尺寸和假設(shè)，利用Solidworks建立冷卻系統(tǒng)的三維模型，如圖2所示，將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行網(wǎng)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(wǎng)格模型

圖4 環(huán)形殼體套件的整體溫度

圖5 環(huán)形殼體套件冷卻水的溫度

圖6 環(huán)形殼體套件冷卻水的壓力

圖7 環(huán)形殼體套件冷卻水的流速

圖8 環(huán)形殼體套件截面的溫度

根據(jù)車間生產(chǎn)現(xiàn)狀，考慮既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的方針，通過改進(jìn)鋁合金攪拌摩擦焊電主軸環(huán)形水槽并進(jìn)行圖4、圖5、圖6、圖7、圖8的仿真穩(wěn)態(tài)模

M ar.20154 檢測(cè)驗(yàn)證

擬分析，對(duì)設(shè)計(jì)的鋁合金攪拌摩擦焊電主軸水路冷卻系統(tǒng)進(jìn)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(guān)。研究受冷卻水的流量與溫升的關(guān)系，可以為冷卻水路的設(shè)計(jì)提供很有力的參考價(jià)值，通過對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊電主軸水路冷卻系統(tǒng)仿真穩(wěn)態(tài)模擬分析，既能減少傳統(tǒng)計(jì)算的繁瑣，又能節(jié)省一定的時(shí)間，這在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中起著一定的經(jīng)濟(jì)意義。

參照中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T10801.2-2007），經(jīng)河南省有關(guān)檢測(cè)部門檢測(cè)，該鋁合金攪拌摩擦焊電主軸溫升指標(biāo)達(dá)到檢測(cè)要求。電主軸規(guī)定冷卻條件下，在低、中、高速條件下運(yùn)行，每級(jí)轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)行時(shí)間不少于5min，在最高速度運(yùn)行時(shí)間不少于1h，在電主軸溫升穩(wěn)定時(shí)，溫升應(yīng)≤30℃，溫度應(yīng)≤60℃。實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)：溫升為8℃，溫度為30℃，都在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。溫升是鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的主要檢測(cè)指標(biāo)之一，溫升的數(shù)據(jù)檢測(cè)驗(yàn)證了水路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為鋁合金攪拌摩擦焊電主軸長時(shí)間持續(xù)穩(wěn)定工作提供有力的保證，焊接質(zhì)量得到提高，對(duì)鋁合金焊接設(shè)備的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。

5 結(jié)束語

本文主要基于對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊電主軸進(jìn)行熱態(tài)特性的分析，首先分析主軸內(nèi)部主要熱源，對(duì)電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子損耗生熱和角接觸球軸承摩擦生熱進(jìn)行分析研究，通過對(duì)冷卻系統(tǒng)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(duì)鋁合金攪拌摩擦焊電主軸冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了全方位的設(shè)計(jì)。分析影響鋁合金攪拌摩擦焊電主軸熱態(tài)特性的主要因素，提出改善鋁合金攪拌摩擦焊電主軸熱態(tài)特性的主要措施，是每一個(gè)電機(jī)廠家要解決的實(shí)際問題；通過對(duì)冷卻系統(tǒng)的分析，得到各工況下不同結(jié)論對(duì)電主軸溫升的影響，從而有效地掌握電主軸熱態(tài)性能的變化規(guī)律。

鋁合金攪拌摩擦焊電主軸通過外部冷卻液循環(huán)和內(nèi)部氣冷卻循環(huán)，達(dá)到降低前軸承套件、定子部件和轉(zhuǎn)子部件的溫升；在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中采用了各種措施：減少主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)，延長焊接工作時(shí)間，增加焊接穩(wěn)定性，提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，是本文研究設(shè)計(jì)的最終目的，適應(yīng)焊接生產(chǎn)的需要，并且已經(jīng)廣泛地推廣到生產(chǎn)中。

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（編輯 李秀敏）

文章編號(hào)：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(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（14A 460022）；河北省科技計(jì)劃重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（142102310188）

儲(chǔ)澤楠（1982—），男，河南濮陽人，安陽工學(xué)院講師，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真分析，（E-mail）2282411334@qq.com。