微孔钻削超高速精密空气静压电主轴的热源分析与温度场计算

摘要

随着电子设备越来越复杂，关键元器件PCB上的线路与电子元件越来越密集，用于固定电子元件的微小孔不仅孔径更小，而且十分密集。为提高PCB微小孔加工的精度和效率，必须设计出高速运转时发热量合理、温度场在可控制范围的超高速微切削电主轴。本文对一种应用于PCB数控钻铣床的气静压电主轴进行热源分析，研究提高散热效率的措施和该类型主轴温度场控制方法。
　　 PCB数控钻铣床采用的是电机中置的电主轴，热量聚集在电主轴的中间:电机转子高速旋转，内腔空气会产生摩擦热，不容易散发出去，而且还包含了定子绕组的铜耗发热和转子的铁损发热；部分热量会通过主轴传到轴承上去，影响轴承的寿命，并且会使主轴产生热变形，影响加工精度。本文提出空气轴承作为微孔高速高精度切削电主轴的一种以空气为润滑介质的非接触式的支承元件，进行特点分析:由于其特有的均匀化作用，它可以达到很高的回转精度，而且几乎没有摩擦和磨损，它具有转速高及使用寿命长的优点，但是空气轴承存在承载能力和刚度较小的弱点，一般应用在切削力不大的场合。
　　 本文针对影响PCB数控钻铣床加工精度的最主要因素--气静压电主轴的发热问题进行三个方面的分析:1.对气静压电主轴的冷却与热传递进行分析；2.对气静压电主轴进行有限元分析。构建气静压电主轴的有限元模型，划分网格，输入对应的换热系数和材料的物理特性等参数，生成电主轴的温度场分布图，分析其温度场的结果；3.根据温度场分布图对气静压电主轴的性能进行分析。
　　 在上述分析的基础上提出提高散热效率以及平衡温度场的措施:1.采用强制冷却措施。2。严格遵循对称性设计，保证主轴对轴线对称分布温度场，包括热源强度和冷却结构的对称性。3.在某些特殊工况下，可以对气静压电主轴的热位移进行热补偿，安装电主轴位移检测(或预报)与补偿单元。由分析结果可以看出达到热平衡状态时热量主要集中在转子铁芯、后轴径轴承等处。温度梯度较小。本文所研究的微孔钻削超高速精密空气静压电主轴设计合理，可广泛应用于PCB行业。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 研究的目的和意义

1.3 国内外微孔钻削超高速精密空气静压电主轴的研究现状

1.3.1 国外微孔钻削超高速精密空气静压电主轴的研究状况

1.3.2 国内微孔钻削超高速精密空气静压电主轴的研究状况

1.4 课题的主要研究内容

1.5 本章小结

第二章 气静压电主轴热源分析及热载荷的计算

2.1 气静压电主轴热源分析

2.1.1 主轴电机功率损耗发热

2.1.2 空气轴承的摩擦发热

2.2 气静压电主轴热载荷计算

2.2.1 电主轴内装电机的生热率

2.2.2 空气轴承的生热率

2.3 本章小结

第三章 气静压电主轴的冷却与热传递分析

3.1 气静压电主轴的冷却

3.2 气静压电主轴热传递研究

3.2.1 电机定子与主轴电机冷却水之间的对流换热

3.2.2 电机定、转子间的传热

3.2.3 空气轴承排气时的热传递

3.2.4 气静压电主轴与周围环境间的热传递

3.3 电主轴换热系数的计算

3.3.1 主轴电机冷却水对流换热系数

3.3.2 空气轴承排气时换热系数计算

3.3.2 转子端部换热系数的计算

3.3.4 电主轴外表面与周围环境的对流换热系数

3.4 本章小结

第四章 气静压电主轴的温度场有限元分析

4.1 构建有限元模型

4.1.1 前壳体稳态有限元分析

4.1.2 构建气静压电主轴有限元分析模型

4.2 单元类型的选择与网格划分

4.3 气静压电主轴的有限元分析

4.4 本章小结

第五章 气静压电主轴单元平衡温度场的方法与措施

5.1 电主轴的精度要求分析

5.2 热源对气静压电主轴精度的影响

5.3 有效平衡电主轴单元温度场的措施

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢