基于碳纤维材料热收缩性的电主轴热变形补偿设计方法

摘要

本发明涉及一种基于碳纤维材料热收缩性的电主轴热变形补偿设计方法，其步骤为：首先根据电主轴的外形尺寸进行结构设计,将半导体制冷片贴于电主轴壳体的锪平面上，通过计算半导体制冷片的冷端的吸热量、热端的放热量、电主轴中定转子的功率损耗生热量、前后轴承的摩擦生热量来计算电主轴壳体和热收缩材料的内能变化量；计算形变平衡及电主轴热变形补偿系统的能量控制来调整设计热变形补偿系统中的半导体制冷片的电压和电流参数，可以实现完全热补偿的效果；对应用于电主轴的热变形补偿系统中的热收缩条进行尺寸优化设计，通过热收缩约束条的尺寸优化设计，在满足原本设计目标的前提下减少价格高昂的热收缩材料的使用量，从而减少成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对电主轴的热变形补偿方法，特别涉及一种针对高速、大功率的机加工用电主轴热变形补偿方法。

背景技术

在现有机床中的电主轴热变形误差补偿技术领域中，常见的解决方案有：使用新型的陶瓷球轴承减少轴承摩擦生热导致的主轴轴芯的热伸长，这种解决方案的缺点在于陶瓷球轴承的耐冲击性差、加工难度大及成本高；通过增加冷却管路来降低电主轴的热膨胀，例如在主轴轴芯设置冷却通道，或在电主轴外壳体中设置冷却通道来降低电主轴的温度从而减少电主轴热变形。这种解决方案增加了电主轴系统的复杂程度，并且相关冷却装置会大幅度提高制造成本。

发明内容

本发明提出了一种基于碳纤维材料热收缩性的电主轴热变形补偿设计方法，用于高转速、大功率电主轴的热变形补偿系统设计，该方法基于不同材料的热膨胀系数，将热收缩材料与热膨胀材料进行设计组合，根据不同的设计目标，对两种材料进行不同的组合可以形成不同的设计结构。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于碳纤维材料热收缩性的电主轴热变形补偿设计方法，包括如下步骤：

1)首先根据电主轴的外形尺寸进行结构设计,将半导体制冷片贴于电主轴壳体的锪平面上，其中半导体制冷片的冷端贴于电主轴壳体上，半导体制冷片的热端贴于热收缩材料上,热收缩材料通过固定座安装在电主轴壳体的上、下法兰上；

2)对整个热变形补偿系统进行能量分析，通过计算半导体制冷片的冷端的吸热量、热端的放热量、电主轴中定转子的功率损耗生热量、前后轴承的摩擦生热量来计算电主轴壳体和热收缩材料的内能变化量；

3)将步骤2)中计算得到的参数代入到形变平衡原理的公式(1)中，

式中下标1和2分别对应着电主轴壳体和热收缩材料，α是材料的线膨胀系数，单位(1/K)，c是材料的比热容，单位[J/(kg·K)]，m是材料的质量，单位(kg)，b是设计结构的尺，单位(m),即电主轴的轴向长度和热收缩材料在电主轴轴向上的长度；

4)将步骤3)求得的参数代入式(2)所示的电主轴热变形补偿系统的能量控制方程中，

式中，Q_in是轴承摩擦、定子电磁损耗所产生的热量，Q_h是半导体制冷片热端释放的热量；Q_hd是半导体制冷片热端释放的残余热量，P是半导体制冷片中电流做的功；Q_loss1是电主轴壳体的对周围环境的能量损失；Q_loss2是热收缩材料的对周围环境的能量损失，根据式(2)来调整设计热变形补偿系统中的半导体制冷片的电压和电流参数，可以实现完全热补偿的效果；

5)对应用于电主轴的热变形补偿系统中的热收缩条进行尺寸优化设计，优化数学模型如式(4)所示，

式中c是热收缩约束条的厚度，单位(m)；V(c)是热收缩约束条的体(m³)；σ_max是热收缩约束条的最大拉应力，单位(Pa)；[σ]是热收缩材料的许用应力，单位(Pa)，通过热收缩约束条的尺寸优化设计，在满足原本设计目标的前提下减少价格高昂的热收缩材料的使用量，从而减少成本。

本发明的有益效果是：本发明的方法基于不同材料的热膨胀系数，将热收缩材料与热膨胀材料进行设计组合，根据不同的设计目标，对两种材料进行不同的组合可以形成不同的设计结构。本发明的设计方法与现有的电主轴外壳体中设置冷却通道来降低电主轴的温度从而减少电主轴热变形相比，通过热收缩约束条的尺寸优化设计，在满足原本设计目标的前提下减少价格高昂的热收缩材料的使用量，从而减少成本。

附图说明

图1为电主轴热变形补偿系统结构图；

图2为电主轴热变形补偿系统结构局部剖视图；

图3为电主轴壳体的实验装置图；

图4为应用热变形补偿系统的电主轴实验装置图；

图5为热变形量对比图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种应用于电主轴的基于形变平衡原理的热变形补偿系统设计方法，包括如下步骤：

1)首先根据电主轴的外形尺寸进行结构设计，先将半导体制冷片2贴于电主轴壳体1的锪平面上，其中半导体制冷片2的冷端贴于电主轴壳体1上，半导体制冷片2的热端贴于热收缩材料4上。热收缩材料4通过固定座7安装在电主轴壳体1的上、下法兰5，6上，热收缩材料环3包裹于电主轴壳体1上用于减少径向热变形，见图1，2。

2)对整个热变形补偿系统进行能量分析，通过计算半导体制冷片的冷端的吸热量、热端的放热量、电主轴中定转子的功率损耗生热量、前后轴承的摩擦生热量来计算电主轴壳体和热收缩材料的内能变化量。

3)将步骤2)中计算得到的参数代入到形变平衡原理的公式(1)中，

式中下标1和2分别对应着电主轴壳体和热收缩材料，α(1/K)是材料的线膨胀系数，c[J/(kg·K)]是材料的比热容，m(kg)是材料的质量，b(m)是设计结构的尺寸,即电主轴的轴向长度和热收缩材料在电主轴轴向上的长度。

4)将步骤3)求得的参数代入式(2)所示的电主轴热变形补偿系统的能量控制方程中，

式中，Q_in是轴承摩擦、定子电磁损耗所产生的热量，Q_h是半导体制冷片热端释放的热量；Q_hd是半导体制冷片热端释放的残余热量，P是半导体制冷片中电流做的功；Q_loss1是电主轴壳体的对周围环境的能量损失；Q_loss2是热收缩材料的对周围环境的能量损失。根据式(2)来调整设计热变形补偿系统中的半导体制冷片的电压和电流参数，可以实现完全热补偿的效果。

5)对应用于电主轴的热变形补偿系统中的热收缩条进行尺寸优化设计，优化数学模型如式(4)所示，

式中c(m)是热收缩约束条的厚度；V(c)是热收缩约束条的体积；σ_max(Pa)是热收缩约束条的最大拉应力；[σ](Pa)是热收缩材料的许用应力。通过热收缩约束条的尺寸优化设计，在满足原本设计目标的前提下减少价格高昂的热收缩材料的使用量，从而减少成本。

应用实例：

以实际的电主轴热变形补偿系统的验证实验为例，说明本发明的适用性。

图3是没有应用热变形补偿系统的实验装置图，图4为应用热变形补偿系统的电主轴实验装置的对称结构示意图，其中电主轴壳体1的上法兰5外径为205毫米，厚度为20毫米；电主轴壳体1的高度为255毫米，内径为77.5毫米，壁厚10毫米；电主轴外层的热收缩材料选用M30系列的碳纤维，其厚度为2毫米。在图3左侧图中所示区域设置环状金属板加热片8。

首先根据步骤(1)对电主轴的热变形补偿系统系统进行设计。然后计算步骤(2)中的相关参数并代入到公式(2)和(3)中，之后得到施加在单个半导体制冷片上的功率以及整个系统需要的功率。最后参照公式(4)的优化数学模型对碳纤维条进行尺寸优化。

分别对图3和图4所示的结构进行实验测试，图5所示为测试所得的数据，其中方形标记的曲线(上面的曲线)是没有应用热变形补偿系统的电主轴的热变形量，三角形标记的曲线(下部的曲线)是应用热变形补偿系统的铝板的变形量。从图5中数据可以看出，应用本发明的热变形补偿系统能够减少将近90％的热变形量，从而证明了本发明的有效性。