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數(shù)控機床加工過程中受內(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)致機床發(fā)生熱變形，影響機床的加工精度。研究表明，熱誤差已經(jīng)成為影響高精密機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軸擺動頭(以下簡稱擺動頭)作為機匣五軸聯(lián)動加工中心的核心功能部件，其精度的保持性對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頭 A軸采取雙力矩電機串聯(lián)驅(qū)動，能實現(xiàn)A軸-60°~+90°的擺動范圍，電主軸的最高轉(zhuǎn)速為8000r/min。其內(nèi)置式電機和軸承被封閉在擺動頭箱體之內(nèi)，電機的功率損耗發(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，對機床的加工精度產(chǎn)生直接影響。擺動頭的熱特性分析能夠為機匣五軸聯(lián)動加工中心的整體設(shè)計優(yōu)化及誤差控制提供理論依據(jù)，對提高機匣的加工精度有重要的意義。
擺動頭的結(jié)構(gòu)圖，其中主要發(fā)熱部件有：軸承、電機定子和轉(zhuǎn)子。由于主軸電機和A軸力矩電機都是內(nèi)置電機，散熱條件不好，因此對這些熱源進(jìn)行理論計算與有限元分析仿真。
電動機定子和轉(zhuǎn)子的發(fā)熱來源于電動機的損耗。電動機的損耗一般分為四類：機械損耗、電損耗、磁損耗和附加損耗，前三類損耗為主要損耗，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％。本文按電機的額定功率損耗全部轉(zhuǎn)化為熱量來計算，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。
軸承工作時滾動體和滾道、保持架、潤滑劑之間都會產(chǎn)生摩擦，這些摩擦以發(fā)熱的形式將能量耗散出去，通過計算軸承的摩擦力矩得出發(fā)熱量。對流是指由于流體的宏觀運動，使流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程，對流換熱系數(shù)是指流體與固體表面之間的換熱能力。擺動頭的散熱主要是冷卻水套和定子之間的對流換熱及各零件表面與空氣之間的對流換熱。
電機定子外的冷卻套采用矩形截面的螺旋槽。通過冷卻劑和定子殼體之間的對流換熱來控制定子溫度的升高，這里的對流換熱屬于管內(nèi)流體強迫對流換熱。螺旋矩形槽可展開成截面為矩形的等效管路。擺動頭殼體與周圍空氣之間的傳熱方式屬于自然對流換熱，同時也與其他物體進(jìn)行輻射傳熱。定子和轉(zhuǎn)子氣隙間的溫度場取決于其所散發(fā)出的熱量以及流體運動和熱交換的條件。當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子氣隙有層流底層的紊流狀態(tài)時。
擺動頭的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在進(jìn)行熱分析之前對其模型進(jìn)行簡化處理，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，得到擺動頭的有限元模型。
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