[发明专利]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。

主权项

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，其特征在于，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，Q1Q2=(-α2α1)c1m1b2c2m2b1---(1)]]>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，Σi=1n(1+Ψ)·Qh,i=Σj=1n(Pj+Qin,j+Ψ·Qhd,j)-Qloss1′+Ψ·Qloss2′---(2)]]>Ψ=α2α1c1m1b2c2m2b1---(3)]]>式中，Qin是轴承摩擦、定子电磁损耗所产生的热量，Qh是半导体制冷片热端释放的热量；Qhd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；Qloss1是电主轴壳体的对周围环境的能量损失；Qloss2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，findc=(c1,c2...ci)i=1,2,3...nminV(c)s.t.g(σmax)=σmax-[σ]≤0---(4)]]>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积(m3)；σmax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。