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數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中受內(nèi)外熱源的影響，各部件溫升并不一致，使各部位產(chǎn)生不同的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致機(jī)床發(fā)生熱變形，影響機(jī)床的加工精度。研究表明，熱誤差已經(jīng)成為影響高精密機(jī)床加工精度的主要因素，大約占總誤差的40％~70％。而直驅(qū)式A軸擺動(dòng)頭(以下簡(jiǎn)稱(chēng)擺動(dòng)頭)作為機(jī)匣五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的核心功能部件，其精度的保持性對(duì)工件的加工精度有直接影響。杭州那泰有限元分析公司分析的擺動(dòng)頭 A軸采取雙力矩電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)A軸-60°~+90°的擺動(dòng)范圍，電主軸的最高轉(zhuǎn)速為8000r/min。其內(nèi)置式電機(jī)和軸承被封閉在擺動(dòng)頭箱體之內(nèi)，電機(jī)的功率損耗發(fā)熱和軸承的摩擦發(fā)熱不易排出，直接導(dǎo)致主軸溫度升高，造成主軸不均勻的熱變形，對(duì)機(jī)床的加工精度產(chǎn)生直接影響。擺動(dòng)頭的熱特性分析能夠?yàn)闄C(jī)匣五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的整體設(shè)計(jì)優(yōu)化及誤差控制提供理論依據(jù)，對(duì)提高機(jī)匣的加工精度有重要的意義。
擺動(dòng)頭的結(jié)構(gòu)圖，其中主要發(fā)熱部件有：軸承、電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子。由于主軸電機(jī)和A軸力矩電機(jī)都是內(nèi)置電機(jī)，散熱條件不好，因此對(duì)這些熱源進(jìn)行理論計(jì)算與有限元分析仿真。
電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的發(fā)熱來(lái)源于電動(dòng)機(jī)的損耗。電動(dòng)機(jī)的損耗一般分為四類(lèi)：機(jī)械損耗、電損耗、磁損耗和附加損耗，前三類(lèi)損耗為主要損耗，附加損耗在總的損耗中所占的比例很小，約為額定功率的1％~5％。本文按電機(jī)的額定功率損耗全部轉(zhuǎn)化為熱量來(lái)計(jì)算，其中2/3由定子產(chǎn)生，1/3由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生。據(jù)此求出定子和轉(zhuǎn)子的生熱率。
軸承工作時(shí)滾動(dòng)體和滾道、保持架、潤(rùn)滑劑之間都會(huì)產(chǎn)生摩擦，這些摩擦以發(fā)熱的形式將能量耗散出去，通過(guò)計(jì)算軸承的摩擦力矩得出發(fā)熱量。對(duì)流是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，使流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過(guò)程，對(duì)流換熱系數(shù)是指流體與固體表面之間的換熱能力。擺動(dòng)頭的散熱主要是冷卻水套和定子之間的對(duì)流換熱及各零件表面與空氣之間的對(duì)流換熱。
電機(jī)定子外的冷卻套采用矩形截面的螺旋槽。通過(guò)冷卻劑和定子殼體之間的對(duì)流換熱來(lái)控制定子溫度的升高，這里的對(duì)流換熱屬于管內(nèi)流體強(qiáng)迫對(duì)流換熱。螺旋矩形槽可展開(kāi)成截面為矩形的等效管路。擺動(dòng)頭殼體與周?chē)諝庵g的傳熱方式屬于自然對(duì)流換熱，同時(shí)也與其他物體進(jìn)行輻射傳熱。定子和轉(zhuǎn)子氣隙間的溫度場(chǎng)取決于其所散發(fā)出的熱量以及流體運(yùn)動(dòng)和熱交換的條件。當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子氣隙有層流底層的紊流狀態(tài)時(shí)。
擺動(dòng)頭的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在進(jìn)行熱分析之前對(duì)其模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，如去掉螺栓孔、倒角、內(nèi)部冷卻水槽等，然后導(dǎo)入Ansys Workbench進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到擺動(dòng)頭的有限元模型。
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