摘要: 高效精密机床是实现复杂精密零件高精度加工的核心装备，并且高效精密机床热误差明显。所以，热误差显著影响复杂精密零件加工精度。热误差一般占总加工误差的55％以上，且机床越精密，热误差占总加工误差的比重越大。精密电主轴被广泛应用于高效精密... 展开 高效精密机床是实现复杂精密零件高精度加工的核心装备，并且高效精密机床热误差明显。所以，热误差显著影响复杂精密零件加工精度。热误差一般占总加工误差的55％以上，且机床越精密，热误差占总加工误差的比重越大。精密电主轴被广泛应用于高效精密加工机床，通常采用循环冷却系统控制热误差，但存在冷却效率低和冷却液泄漏等关键问题。针对上述问题，本文提出了基于气液两相流换热的热误差控制新方法，旨在从根本上均衡精密电主轴的温度场分布和抑制热误差,最终提升精密零件的加工精度。主要研究内容如下: (1)提出了面向电主轴冷却和热误差控制的旋转热管设计方法。基于牛顿冷却定律和傅里叶传热定律，分析了电主轴的生热和散热机制，计算了内置电机生热功率、轴承生热功率、对流换热系数、以及接触热阻等边界条件;建立了热误差机理的理论模型和有限元模型，揭示了精密电主轴温度场分布和热误差变化规律;根据电主轴结构、热源载荷强度、分布位置以及运行工况，设计了旋转热管几何尺寸、锥度、充液率等关键参数。 (2)搭建了旋转热管换热性能测量实验平台，表征旋转热管换热性能。开展了旋转热管换热性能表征实验，计算了实验不确定误差范围，温度读数的不确定度为±1℃，温差的不确定度为±2℃,等效导热系数的不确定度在[3.92％,1.33％]范围内。揭示了旋转速度、热流密度、冷风速率等关键参数对旋转热管换热性能的影响规律，转速增大能够使旋转热管均温性增强;在10472w/m2的较高热流密度作用下，热管并未发生失效现象，可见，旋转热管的失效条件较大，在一般使用条件下几乎很难失效;随着冷风速率的增加，旋转热管的等效换热系数逐渐增强，但是当冷风速率达到3.5m/s之后，热管的等效换热系数几乎趋于不变。 (3)建立了旋转热管气-液两相流数值仿真模型，揭示了旋转热管气-液两相流换热机理。基于流体体积(VOF)模型和Lee模型，结合Fluent用户自定义函数(UDF)二次开发端口，建立了旋转热管的多相流数值仿真模型。随着转速的增大，热管蒸发段核态沸腾模式受到抑制，逐渐趋向于自然对流模式;旋转热管蒸发段和冷凝段温度随充液率的增加先增大后减少，热管的等效热导率随充液率增加先增大后减少，最后在50％充液率附近达到最大的等效热导率，大概为6000(W/m2℃);计算努塞尔数，与以往研究经验值相比最大误差不超过14％，验证了旋转热管数值仿真模型的有效性。 (4)建立了配置有旋转热管的电主轴流-热-固耦合特性闭环迭代分析模型，调查了基于旋转热管的电主轴热误差控制方法的有效性。数值仿真对比了配置和不配置热管的电主轴的温度场分布情况、热平衡时间、最大和最小热变形分布情况，验证了旋转热管对电主轴温度和热误差控制的有效性。原始电主轴的最高温度约为77.6℃,旋转热管-电主轴的最高温度为35.4℃,旋转热管-硅脂-电主轴的最高温度为31.5℃;原始电主轴定子和冷却水套的热平衡时间都约为700s,轴芯和前后轴承的热平衡时间约为1450s,旋转热管-电主轴、旋转热管-硅脂-电主轴的定子和冷却水套的热平衡时间都约为500s,其轴芯和前后轴承的热平衡时间都约为800s;原始电主轴的热变形范围为[-35μm,30μm],旋转热管-电主轴的热变形范围为[-25μm,15μm],旋转热管-硅脂-电主轴的热变形范围为[-25μm,15μm]。 收起