研究背景与意义

本文由作者Feng Liang、Jianmin Gao和Liang Xu完成，隶属于西安交通大学的State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering。文章发表于期刊International Communications in Heat and Mass Transfer，提交日期为2020年2月15日。研究面向的主要科学领域为高性能机床的设计与优化，聚焦于高速电主轴（high-speed motorized spindle）的热特性与冷却策略，这是提升加工精度的重要制约因素。传统水冷技术在这种空间紧凑且热源分布复杂的系统中已难满足需求，因此，本文提出了一种采用“微型旋转热管（miniature revolving heat pipes, MRVHPs）”原理的中央冷却结构，为解决这一瓶颈提供了新思路。

据研究报道，在加工过程的所有几何误差中，由温升导致的误差占比达到75%以上。同时，由于电主轴内部空间极为紧凑，系统中心部件如转子和轴承内圈产生的热难以通过传统水冷高效散热。热梯度会引起轴的热变形，进一步影响加工精度，甚至加重轴承的发热，形成恶性循环。

研究目的

基于上述挑战，本文旨在开发一种基于微型旋转热管的中央冷却结构，并通过实验和模拟方法验证其在高效控制电主轴温升及减少热变形方面的有效性。本研究不仅在理论上扩展了电主轴热结构建模的研究基础，还具备实际应用潜力，为精密加工制造提供提升途径。

研究方法与详细流程

为了验证研究目标，实现研究目的，本文展开以下几个主要步骤：

1. 微型旋转热管实验研究

研究首先建立了MRVHPs的实验系统，目的是评估MRVHPs的热传输能力及其操作性能。实验中涉及多个操作条件，包括旋转速度（1000–3000 rpm）和加热功率（2.5–30 W）。热管的有效热导率（equivalent thermal conductivity）作为核心性能量化指标，计算公式如下：

[ λ = \frac{qL}{(T_e - T_c)πd^²⁄₄} ]

实验装置包括驱动子系统（由150SD电主轴、控制单元组成），旋转子系统（包含热管、加热元件等）及测量与采集子系统（包括热电偶、Slip ring及NI数据采集系统）。实验中，通过测量热管蒸发段与冷凝段的温度均值 (T_e) 和 (T_c)，结合其它参数，推导热管的热导率。

实验结果显示，随着转速增加，MRVHPs的热导率显著提升，但当转速达到临界值（2500 rpm）后，热导率趋于稳定，表明在这一点之后，进一步提升转速对其热性能影响不显著。

2. 热-结构耦合模拟研究

本文基于ANSYS Workbench开发了150SD电主轴的热-结构耦合模型，通过顺序耦合方法模拟主轴温升与其部件的热变形。模型包括以下步骤：

1. 在模型生成过程中对主轴进行了简化，生成了375,1746个网格单元，确保计算效率与精度的平衡。
2. 热特性、热源及热边界条件的计算在Matlab中进行，随后传递至ANSYS模拟环境完成温度场分布分析。
3. 将热模拟结果输入结构静力学模块，结合施加的约束条件（如轴承支撑、重力等），获得各部件的热变形情况。

为了保证模型的预测精度，研究通过控制实验进行了验证，包括测量主轴关键部位的温升及刀柄中心的轴向热变形。数据表明，模型预测与实验结果偏差基本控制在10%以内，证明了数值模型的准确性。

研究结果

以下为各实验与模拟阶段的关键发现：

1. MRVHP实验：

   • 对比不同转速条件，发现MRVHP能快速启动且运行稳定。在低速下，旋转速度对于热性能的提升更加明显。
   • 实验中的有效热导率达到金属材料热导率的几十倍，展示了其作为主轴中央冷却系统候选方案的潜力。

2. 主轴温升与热变形：

   • “仅水冷”策略时，主轴温升分布显示热量主要集中于轴承和转子区域，最高温度达78.7°C。
   • 引入MRVHP策略后，最高温度降为51.4°C，下降约35%；前轴承内外圈间的径向温差从14.8°C减小至6.7°C，减少约54.7%，显著降低了系统内的温度梯度。
   • 对比刀柄的热变形，”仅水冷”时刀柄热变形为4.36×10⁻⁵m，而加入MRVHP后减少至2.91×10⁻⁵m，减少约33.3%。

研究意义与价值

1. 科学价值： 本研究首次将微型旋转热管的原理应用于高速车床主轴的热难题解决，为高精度加工领域实现更高温控效率和机械稳定性提供了全新的理论基础及技术路径。

2. 应用价值： MRVHP的引入有效弥补了传统水冷以外的散热盲区，不仅能抑制局部热点，还在降低轴向、径向温梯度及热变形方面有显著效果。这为实际生产制造中提升机床加工精度与可靠性提供了切实可行的技术改进。

研究亮点

1. 创新冷却策略： 借助MRVHP，在高速旋转状态下通过相变传热高效消散热量，避免了主轴中心部件“散热难”的问题。
2. 多方法验证： 从实验研究到热-结构耦合数值模拟，再到实验校验，多角度证明了MRVHP中央冷却的有效性与优势。
3. 复杂系统的精细建模： 采用精确建模与多物理场耦合模拟手段，较全面地揭示了主轴内部复杂的温度场和形变机理。

总结

本文创新设计了基于微型旋转热管的中央冷却结构，解决了高速电主轴内部热分布不均及由此引发的加工误差问题。研究展示了MRVHP卓越的热传性能和其控制主轴温升及热变形的能力，显著提高了主轴的加工精度及可靠性。这项研究为机床设计与优化注入了新灵感，展示了其成为高性能车床冷却技术的潜力应用方向。