精密制造与自动化试验与研究
高速陶瓷电主轴的热态特性分析
饶成晨1赵朋1傅建中1陈涛1（1.浙江大学机械工程学院杭州310027： 2，武汉理工大学机电工程学院武汉430070）
2016年第4期
摘要利用高速陶瓷电主轴热稳态和热瞬态的热力学模型，研究了热态性能对零件加工精度的影响，结合高速精密加工中心的主轴单元，用有限元计算和分析了温度场及热平衡时间，将结果与实验进行比较，证明其有效性。结果表明：高速陶瓷电主轴在运转时热量主要来源于内置电机的损耗发热和轴承擦生热。前后轴承、定子和转子是热量集中处，最高温度出现在转子与定子间间隙处，为62.23℃，需采用良好的散热措施进行散热：精密磨削加工前应提前启动机床，进行10min的预热，使机床各部件达到热平衡，减少热变形带来的加工误差，提
高加工质量。该建模方法以及热力学模型可为高速电主轴的优化设计和研制提供一定的参考，关键词高速陶瓷电主轴稳态热分析瞬态热分析有限元
电主轴的动静热态特性对机床的加工精度、生产效率及使用寿命都有很大影响.2，其中热误差所占机床总误差高达70%3。随着加工技术的进步和新型材料的不断涌现，陶瓷在电主轴上的应用遂渐扩大，与传统的钢制零件相比，在高速旋转下陶资主轴以及轴承产生的离心力小、热量少，同时资具有硬度高、耐高温腐蚀、密度小、线膨胀系数低、弹性模量大、不导电及不导磁等优点"，能改善高速电主轴的工作性能，
有限元法是机械工程领域分析热态特性的常用方法，能将连续的无限自由度的问题转化为离散有限自由度的问题[5]，对温度场和热变形进行模拟仿真。目前对于陶瓷电主轴完整的热态分析的实验分析较少，大多只是针对一般电主轴的分析。2007年，Xu等将有限元模型和接触热阻模型两者相结合，获得计算大梯度温度场的模型"}：2009年，王保民等为了揭示电主轴温度场分布的非线性特征，应用有限元法分析电主轴的产热和散热来建立热分析模型[7]， 2011年，周芝庭等应用有限元软件对主轴、滚
*国家自然科学基金资助项目
编号：51475420 10
万方数据
珠丝杠为整体的卧式加工中心进行温度场和热变形的分析"。
目前对高速陶瓷电主轴的研究考患热态特性是不可缺少的，本文将以某高速精密磨削加工中心的陶瓷电主轴为例，通过ANSYS建立有限元模型，对其进行稳态热分析和瞬态热分析，为该类高速陶瓷机床电主轴的使用和设计提供理论基础和参考依据。
1有限元模型建立
电主轴稳态热分析采用热实体ThermalSolid70 单元，为了方便计算其在不同部位的生热率及热对流情况下温度的变化情况及准确性，本文在稳态热分析时对该高速陶瓷电主轴分析结构进行简化，简化原则有以下几点"：
(1)电主轴只保留电主轴的主轴、转子、定子、
套筒以及前后轴承等主要零件，忽略拉刀、螺钉、密封环等：
（2）电主轴的主轴、转子、定子、套筒及前后
轴承的材料属性相同，均为Si3N4陶瓷：
（3）转子、定子均等效为厚壁圆筒简
依据上述简化条件，利用三维软件Proe建立电主轴的简化模型，如图1所示。