史晓军,王颖钊,陈港晴,张小栋,梅雪松

(西安交通大学机械工程学院,710049,西安)

精密电主轴是数控机床的核心功能部件,在高速运转时产生大量热量,导致机床产生热变形。统计表明,在高速、精密加工中,由于热变形引起的误差占零件加工总误差的40%～70%[1]。电主轴作为现代机床的核心部件和主要产热部件,热变形占据了主要部分[2-5]。定子是电主轴的主要热源之一,一般采用定子冷却水套冷却,该方法存在冷却效率低,需要消耗冷却水泵功等缺点。热管是一种高效的传热元件,具有自循环性、无需消耗泵功、散热能力强和变工况适应性好等特点,将其应用于电主轴冷却,可降低电主轴高速运行时温度的不均匀分布,提高机床加工精度。

本文提出了冷却高速电主轴定子的热管结构如图1所示,该结构由多个单环路热虹吸管并联构成一个环状鸟笼结构,不同设计构型可能存在弯管。本文简化了电主轴定子的冷却流道结构,建立了二维环状热虹吸管的数值计算模型,保证了二维环状热虹吸管模型和电主轴定子的冷却流道结构具有相似结构特性。对二维环状热虹吸管开展数值模拟研究,能够反映电主轴定子冷却流道的流动传热特性,同时提高了计算效率。针对简化后的结构,便于搭建环路热虹吸管可视化实验平台,开展实验研究,验证所提热虹吸管数值计算模型的有效性和准确性。

图1 电主轴定子热管冷却结构Fig.1 Heat pipe structure for motorized spindle stator cooling

单环路热虹吸管的工质、充液率、蒸发段和冷凝段的热流密度、管路的布置方式等均会对其流动和传热性能产生影响。……