，机械研究与应用·2016年第6期（第29卷，总第146期） doi;10. 16576/j. cnki. 10074414.2016.06.031
高速电主轴冷却系统DOE优化
郭伟科，吴智恒，雷群2，罗良传，梁澜之"
(1.广东省智能制造研究所，广东广州510070；2.广州市昊志机电股份有限公司，广东广州511356）
应用与试验
摘要：高速电主轴是高性能数控机床的关键功能部件，对高速电主轴的热传导理论模型进行了研究，利用基于模型的试验设计(DOE)与优化方法，建立了电主轴冷却系统DOE分析流程。通过对影响冷却系统性能的4个变量进行正交试验，明确了影响电主轴温升的主要因素，为高速电主轴的冷却结构优化提供了指导。通过冷却系统DOE实验，大
幅节省了实验资源，提升了工作效率，缩短了产品研发周期。关键调：高速电主轴；优化；DOE；冷却结构
中图分类号：TM912
文献标志码：A
文章编号：10074414(2016)06010303
Optimization of SpindleCooling StructureBased onDOE
GUO Wei-ke', WU Zhi-heng', LEI Qun’, LUO Liang-chuan', LIANG Lan-zhi(I. Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing, Guangzhou Guangdong510070, China:
2. Guangzhou Haozhi Industrial Co. , Lad, Guangzhou Guangdong 511356, China)
Abstract: Since highspeed motorized spindle is the key component of high performance CNC machine tool, the theoretical model of spindle thermo-conduction has been analyzed in this paper in order to establish the spindle DOE analysis procedure by using the modelbased DOE and optimisation. According to the orthogonal experiment of 4 varibles which would affect the system performance of the cooling system, the principal factor acts on the spindle temperature can be determined and the spin-dle cooling structure can be optimized. It is shown that experiment resourses can be saved and the efficiency as well as the de-velopment period can be improved and shortened by using the DOE.
Key words : highspeed motorized spindle; optimization; DOE; cooling structure
引言 0
高速电主轴是将传统的机床主轴与动力源电机结合的一体化机电产品，作为数控机床及加工中心的关键功能部件，其采用机床主轴内置电机直接驱动，取消了广带轮传动和齿轮传动，便机床主轴传动效率更高。高速电主轴在运转过程中转子与定子的电磁耗损发热和磁损发热、轴承摩擦发热及机械耗损等发热是不可避免的，但由于电主轴结构紧凑，散热空间较小、散热能力较差，电主轴内部会出现不均匀的温度场，会引起主轴热变形及轴承加速磨损，导致机床加工精度的降低及电主轴寿命的减少。因此高速电主轴的温度场及冷却系统的性能研究与优化已经成为电主轴可靠性设计的主要内容，特别是有效控制高速电主轴的温升，成为制造高速高精密机床的关键技术[1-2]
笔者根据耦合场传热理论，对广州市昊志机电股收稿日期：2016-10-31
份有限公司的D系列高速电主轴的热传导机制进行广分析，建立广电主轴温度实验测试流程，研究了冷却管直径、环境温度、冷却水流量、冷却水温度四种变量对电主轴工作温升的影响，通过DOE实验设计，对四种变量的影响性进行分析，再根据分析结果，对电主轴冷却系统结构及运行参数进行优化。
高速电主轴的结构特点 1
广州昊志D系列高速电主轴主要由外壳、驱动器、主轴、角接触球轴承、水道、高速电机以及润滑系统组成，如图1所示。高速电主轴通过内置电机驱动主轴，电机转子通过热膨胀预紧安装在主轴上，主轴由前后角接触球轴承支撑[3]；高速电主轴在工作过程中，由于电机的电磁损耗、轴承摩擦生热及其他机械损耗，不可避免产生热量，因此其采用水冷冷却，具体为在电主轴外壳采用U型水道达到降温效果：电主轴其他部件包括对电机进行控制的编码器及气缸等[4]。
基金项目：广东省科技厅产学研项目：高性能电主轴联合技术创新中心（编号：2013B090800010）：基于冷却结构的高效节能高速电主轴（编
号：2014B090901022）；精密高速高光洁度电主轴关键技术研究及产业化（编号：2015B010136005）；基于广州超算的高速电主轴优化设计应用研究及产业化（编号：2016B090918121）：广州市科信局产学研项目（高速大功率电主轴关键共性技术研究（编号： 201508010019）；基于高性能计算的精密球轴承高速电主轴关键技术研究及产业化（编号：201604010095）。
作者简介：郭伟科（1978-)男，陕西宝鸡人，工程师，主要进行机电产品CAE仿真、可靠性试验研究工作。通讯作者：吴智恒（1970-），男，广西龙州人，硕士，研究方向：先进制造技术
万方数据
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