电主轴冷却系统设计与仿真优化

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.008

工程设计学报

2023, Vol. 30

Issue (1): 39-47 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.008

优化设计

电主轴冷却系统设计与仿真优化

李毅¹(

),陈国华^1,²(

),夏铭¹,李波^1,²

^1.湖北文理学院机械工程学院，湖北襄阳 441053
^2.襄阳华中科技大学先进制造工程研究院，湖北襄阳 441000

Design and simulation optimization of motorized spindle cooling system

Yi LI¹(

),Guo-hua CHEN^1,²(

),Ming XIA¹,Bo LI^1,²

^1.College of Mechanical Engineering, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, China
^2.XY-HUST Advanced Manufacturing Engineering Research Institute, Xiangyang 441000, China

全文: PDF(3401 KB) HTML

摘要：

为解决电主轴因内部温度场复杂而造成冷却效果差的问题，设计了一种用于电主轴冷却的水冷机系统。根据电主轴热特性分析结果，提出了水冷机冷却方案，计算了相关的传热参数，并建立了电主轴温度?流速控制模型。然后，利用ANSYS Fluent软件对电主轴进行了流体冷却有限元仿真，并通过电主轴冷却实验对仿真结果进行了验证。通过对比仿真结果和实验结果可知，冷却后电主轴电机定子最高温度约下降了60%，转轴的形变量约降低了70%。结果表明：利用水冷机系统对电主轴进行冷却具有良好的冷却效果，这可为高精密机床主动热控制技术的研究提供一定的借鉴和参考。

关键词： 电主轴; 温度场; 水冷机系统; 有限元仿真

Abstract:

In order to solve the problem of poor cooling effect caused by complex internal temperature field of motorized spindle, a water cooler system for motorized spindle cooling was designed. According to the analysis results of the thermal characteristics of motorized spindle, a water cooler cooling scheme was proposed, the relevant heat transfer parameters were calculated, and the temperature?velocity control model for the motorized spindle was established. Then, the finite element simulation of fluid cooling for motorized spindle was carried out by ANSYS Fluent software, and the simulation results were verified by the motorized spindle cooling experiment. By comparing the simulation results and experimental results, it could be seen that the maximum temperature of the motorized spindle motor stator decreased by 60% and the deformation of the shaft decreased by 70% after cooling. The results show that the water cooler system has a good cooling effect on the motorized spindle, which can provide a certain reference for the research of active thermal control technology of high-precision machine tools.

Key words: motorized spindle temperature field water cooler system finite element simulation

收稿日期: 2022-05-30 出版日期: 2023-03-06

CLC:

TH 133.2

基金资助: 湖北省科技重大专项资助项目(2021AAA003);湖北省自然科学基金创新发展联合基金资助项目(2022CFD081);支持企业技术创新发展专项(2021BAB011);2021年襄阳市重点科技计划项目(襄科计[2021]10号)

通讯作者: 陈国华 E-mail: trfmeliyi@163.com;59782071@163.com

作者简介: 李毅（1996—），男，江西南昌人，硕士生，从事数控机床热误差检测与补偿技术研究，E-mail: trfmeliyi@163.com，https://orcid.org/0000-0003-0949-5233

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引用本文:

李毅,陈国华,夏铭,李波. 电主轴冷却系统设计与仿真优化[J]. 工程设计学报, 2023, 30(1): 39-47.

Yi LI,Guo-hua CHEN,Ming XIA,Bo LI. Design and simulation optimization of motorized spindle cooling system[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(1): 39-47.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.008 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I1/39

图1 电主轴剖面图

图2 电主轴热量分布与传递示意

图3 水冷机系统整体结构

图4 多回路供液装置原理

图5 电主轴冷却流道设计方案

表1 电主轴冷却流道的几何尺寸 (mm)

表2 AMS-120型高速电主轴主要技术参数

表3 电主轴仿真模型材料参数

表4 电主轴内部换热系数

图6 电主轴温度监测点分布

图7 冷却前电主轴的温度云图和形变云图

图8 冷却后电主轴的温度云图和形变云图（制冷参数优化前）

图9 冷却后电主轴的温度云图和形变云图（制冷参数优化后）

图10 冷却后电主轴主要结构的温度云图

图11 电主轴关键结构监测点温度变化

图12 电主轴关键部位监测点温度变化

图13 电主轴冷却实验现场

图14 电主轴温度变化实验结果

图15 电主轴转轴伸长量实验结果

表5 电主轴温度仿真结果与实验结果对比 (℃)

表6 电主轴转轴伸长量仿真结果与实验结果对比 (mm)

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