李永芳 張啟萍 王 瑞 李新寧 茍衛(wèi)東 楊錦斌

(①青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青海西寧 810003;②青海一機(jī)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司，青海西寧 810018)

高速加工是一種以比常規(guī)切削速度高5～10倍的速度進(jìn)行切削加工的先進(jìn)工藝，是當(dāng)代四大先進(jìn)制造技術(shù)之一，而高速機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速加工的前提條件?，F(xiàn)代制造技術(shù)中，機(jī)床的高速化已成為一個(gè)不可阻擋的發(fā)展潮流，高速主軸單元是實(shí)現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵部件，是高速機(jī)床的心臟部件，與傳統(tǒng)的傳動(dòng)方式相比，高速主軸單元采用了電主軸的形式，即為內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)，取消了諸如齒輪、皮帶等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”。

采用電主軸的高速加工技術(shù)是目前機(jī)床行業(yè)非常熱門的一個(gè)話題。在高速切削機(jī)床中，由于主軸單元系統(tǒng)各零件剛度和精度都較高，而負(fù)荷卻不是很大，主軸因切削力引起的加工誤差較小。但內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)的功率損耗發(fā)熱和軸承的摩擦發(fā)熱不可忽視，在高速加工中，電主軸的熱變形已成為影響機(jī)床加工精度的主要因素，機(jī)床熱變形造成的加工誤差達(dá)到工件總加工誤差的60%～80%。對(duì)高速電主軸的熱態(tài)特性進(jìn)行分析，以減小溫升和熱變形。對(duì)于高速機(jī)床來(lái)說(shuō)，電主軸作為其核心部件，除需提高合理的剛度、精度外，另外需考慮電動(dòng)機(jī)和主軸軸承的發(fā)熱及動(dòng)平衡精度，原有機(jī)床主軸的設(shè)計(jì)理論已經(jīng)不適合高速主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由此引起了高速主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念和理論的變化。主軸軸承高速下的劇烈摩擦發(fā)熱和高頻電動(dòng)機(jī)發(fā)熱會(huì)使主軸產(chǎn)生熱變形，甚至引起主軸系統(tǒng)失效，大大阻礙了新技術(shù)的發(fā)展。因此，高速電主軸技術(shù)在高速機(jī)床研究和發(fā)展中具有重要的意義，電主軸系統(tǒng)發(fā)熱分析及控制措施在高速主軸系統(tǒng)中至關(guān)重要，是高速、高精度機(jī)床必須要考慮和解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。

1 電主軸單元結(jié)構(gòu)分析

高速電主軸的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。主電動(dòng)機(jī)置于主軸前、后軸承之間，這是電主軸的一種基本結(jié)構(gòu)形式，它采用兩支承結(jié)構(gòu)，支承受力方式為外撐式，前后軸承均分別采用串聯(lián)安裝方式，后支承選用小尺寸軸承，降低了速度因數(shù)值，對(duì)主軸整體剛性影響不大，對(duì)保持整個(gè)軸系的使用壽命十分有利，優(yōu)點(diǎn)是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度大，功率大，較適合于大、中型高速機(jī)床，目前大多數(shù)電主軸都采用這種結(jié)構(gòu)形式。

電主軸單元的內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子用熱裝方法安裝在機(jī)床主軸上，處于前后軸承之間，由熱裝過(guò)盈配合產(chǎn)生的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩的傳遞。在主軸上取消了一切形式的鍵連接和螺紋連接，這種設(shè)計(jì)主要是為了容易使主軸運(yùn)轉(zhuǎn)部分達(dá)到精確的動(dòng)平衡。電主軸單元的內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)定子通過(guò)一個(gè)冷卻套固定安裝在主軸箱的殼體中。主軸的轉(zhuǎn)速用AC數(shù)字伺服主軸，進(jìn)行伺服調(diào)速與矢量控制來(lái)改變。

2 電主軸單元熱源分析

電主軸有兩個(gè)主要的內(nèi)部熱源:內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和主軸軸承的發(fā)熱。如果不加以控制，由此引起的熱變形會(huì)嚴(yán)重降低機(jī)床的加工精度和軸承使用壽命，從而導(dǎo)致電主軸的使用壽命縮短。

2.1 主軸軸承的發(fā)熱

主軸軸承的發(fā)熱主要是滾動(dòng)體與滾道之間的滾動(dòng)摩擦、高速下所受陀螺力矩產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦以及潤(rùn)滑油的粘性摩擦等產(chǎn)生的。把滾動(dòng)軸承作為機(jī)械元件考慮時(shí)，摩擦力矩M為負(fù)荷項(xiàng)M1和速度項(xiàng)M0之和，即

式中:M0為和潤(rùn)滑劑用量、粘度及軸承轉(zhuǎn)速有關(guān)的摩擦力矩分量，N·mm;M1為和軸承載荷大小、滾動(dòng)體和滾道間接觸彈性變形量及滑動(dòng)摩擦有關(guān)的摩擦力矩分量，N·mm。

在滾動(dòng)軸承的摩擦力矩總量M中，當(dāng)軸承處在高速輕載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，M0分量將占主要部分;而在低速重載下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，M1分量占主要部分。

根據(jù)Palmgren提出的經(jīng)驗(yàn)算法公式，在運(yùn)動(dòng)粘度v(m2/s)與轉(zhuǎn)速n(r/min)的乘積v·n≥2 000×10－6(m2·s－1·r·min－1)時(shí):

在v·n＜2 000 ×10－6(m2·s－1·r·min－1)時(shí):

式中:f0為與軸承類型和潤(rùn)滑方式有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù);n為軸承轉(zhuǎn)速，r/min;v為在工作溫度下潤(rùn)滑劑的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。

式中:dm為軸承中徑，mm;P1為確定軸承摩擦力矩的計(jì)算負(fù)荷，N;f1為與軸承類型和所受負(fù)荷有關(guān)的系數(shù)。

式中:P0為軸承的當(dāng)量靜載荷，N;C0R為軸承的額定靜載荷，N。

對(duì)于角接觸球軸承，其當(dāng)量靜載荷P0按式(2)、(3)計(jì)算，并取其中較大值。

式中:X0為徑向載荷系數(shù);Fr為徑向載荷，N;Y0為軸向載荷系數(shù);Fa為軸向載荷，N。

軸承發(fā)熱量的計(jì)算:軸承發(fā)熱量Q為

式中:Q為摩擦熱，kW;n為軸承轉(zhuǎn)速，r/min;M為軸承摩擦力矩，N·mm。

2.2 內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)發(fā)熱

電主軸由于采用內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)主軸結(jié)構(gòu)形式，位于主軸單元體中的內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)不能采用風(fēng)扇散熱，因此自然散熱條件較差。內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，內(nèi)部產(chǎn)生功率損耗，從而使內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)發(fā)熱。研究表明，在內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，有近1/3的發(fā)熱量由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生，并且轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的絕大部分熱量都通過(guò)轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙傳入定子中;其余2/3的熱量產(chǎn)生于內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)的定子。

在確定機(jī)床電動(dòng)機(jī)功率時(shí)，除了考慮切削加工的有效功率外，還必須考慮無(wú)效功率(空載功率和載荷附加功率)。即電動(dòng)機(jī)功率N為

式中:N切為消耗于切削的功率，即有效功率;N空為空載功率;N附為載荷附加功率。

空載功率是機(jī)床在無(wú)切削負(fù)載時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)空轉(zhuǎn)所消耗的功率。其包括傳動(dòng)系統(tǒng)中所有運(yùn)動(dòng)副的摩擦、零件制造及裝配誤差引起的附加摩擦、傳動(dòng)件的攪油、空氣阻力及動(dòng)載荷離心力等所需消耗的功率等。它與有無(wú)負(fù)載及負(fù)載的大小無(wú)關(guān)，傳動(dòng)件越多、轉(zhuǎn)速越高、皮帶和軸承的預(yù)緊力越大、裝配質(zhì)量越差，則空載功率就越大。

空載機(jī)械摩擦損耗的大小主要取決于摩擦面的種類和制造裝配的質(zhì)量摩擦面上空載時(shí)的作用力(傳動(dòng)件的重量、偏心質(zhì)量、軸承的預(yù)緊力、皮帶拉力以及傳遞空載扭矩等)摩擦系數(shù)及相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。對(duì)一臺(tái)已定的機(jī)床，各傳動(dòng)件的尺寸一定，在潤(rùn)滑情況保持不變的條件下，則各傳動(dòng)件的空載機(jī)械摩擦損耗隨摩擦表面相對(duì)轉(zhuǎn)速的提高而增加。可以認(rèn)為空載機(jī)械摩擦功率損耗與相對(duì)速度的一次方成正比。各傳動(dòng)件的攪油功率損耗主要決定于傳動(dòng)件的種類、尺寸大小、浸油深度、油的粘度、油溫的變化和傳動(dòng)件的速度。對(duì)于一臺(tái)結(jié)構(gòu)一定的機(jī)床，在主軸箱內(nèi)油面高度固定不變的條件下，則各傳動(dòng)件的攪油功率損耗隨轉(zhuǎn)速的提高而增加。一般可以認(rèn)為各傳動(dòng)件的攪油功率損耗與轉(zhuǎn)速的平方成比例。正常情況下，對(duì)于采用飛濺潤(rùn)滑的主軸箱來(lái)說(shuō)，由于軸位布局合理，浸油齒輪數(shù)目較少，油面高度適宜，則攪油功率損耗占全部空載功率損耗的比例很小，可以忽略?？諝庾枇p耗功率就更小了，也可以忽略不計(jì)。這樣機(jī)床空載功率損耗的總數(shù)，可以近似地認(rèn)為機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)空載功率與主軸箱全部軸之和成正比關(guān)系。

機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)空載功率可以近似計(jì)算，機(jī)床空載功率經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:NCK為空載功率計(jì)算值;dn為傳動(dòng)系統(tǒng)中除主軸外，所有傳動(dòng)軸軸頸的平均直徑;dz為主軸前后軸頸的平均直徑;∑ni為當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為ni時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)除了主軸外，各傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速和;nz為主軸轉(zhuǎn)速;C為系數(shù)，兩支撐的滾動(dòng)軸承或滑動(dòng)軸承C=8.5，三支撐的滾動(dòng)軸承C=100;K為潤(rùn)滑油粘度影響系數(shù)，K=0.75－10。

2.3 電主軸的動(dòng)平衡

由于不平衡質(zhì)量是以主軸的轉(zhuǎn)速二次方影響主軸動(dòng)態(tài)性能的，所以主軸的轉(zhuǎn)速越高，主軸不平衡量引起的動(dòng)態(tài)問(wèn)題越嚴(yán)重。對(duì)于電主軸來(lái)說(shuō)，由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直接過(guò)盈固定在主軸上，增加了主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量，使主軸的極限頻率下降，因此超高速電主軸的動(dòng)平衡精度應(yīng)嚴(yán)格要求，一般應(yīng)達(dá)到G1～G0.4級(jí)(G=eω，e為質(zhì)量中心與回轉(zhuǎn)中心之間的位移，即偏心量;ω為角速度)。對(duì)于這種等級(jí)的動(dòng)平衡要求，采用常規(guī)的方法僅在裝配前對(duì)主軸的每個(gè)零件分別進(jìn)行動(dòng)平衡是不夠的，還需在裝配后進(jìn)行整體精確動(dòng)平衡，以確保主軸高速平穩(wěn)運(yùn)行。

現(xiàn)階段，在土木工程建設(shè)中越來(lái)越重視技術(shù)的重要性，經(jīng)過(guò)相關(guān)的研究表明，技術(shù)對(duì)工程建設(shè)作用是非常大的，從一個(gè)工程開(kāi)始到一個(gè)工程的結(jié)束都離不開(kāi)技術(shù)的運(yùn)用。經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平雖然在不斷增高，但是在土木工程建設(shè)過(guò)程中也出現(xiàn)了各種各樣的問(wèn)題，伴隨著這些問(wèn)題也出現(xiàn)了一系列的解決方案，土木工程技術(shù)就是在不斷修改問(wèn)題的過(guò)程中一點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)步，并且得到了創(chuàng)新，這是工程建筑行業(yè)的一大進(jìn)步。

主軸動(dòng)平衡常用方法有兩種:去重法和增重法。普通主軸和主軸單元通常采用去重法。該平衡法是在其他零件安裝到主軸上后進(jìn)行整體動(dòng)平衡時(shí)，根據(jù)要求在去重盤處切去不平衡量。高速主軸單元和電主軸單元通常采用增重法。增重法是近年來(lái)為適應(yīng)高速主軸發(fā)展需要而開(kāi)發(fā)出的一種新型平衡方法。主軸單元設(shè)計(jì)時(shí)必須增加平衡盤，平衡盤的圓周方向設(shè)計(jì)有均勻分布的螺紋孔，其他相關(guān)零件安裝到主軸上后進(jìn)行主軸組件整體動(dòng)平衡時(shí)，不是在平衡盤上去重，而是在螺紋孔內(nèi)擰入平衡錐端緊定螺釘，以平衡錐端緊定螺釘?shù)臄Q入深度和周向位置來(lái)平衡主軸組件的偏心量。

3 電主軸溫升的抑制措施

3.1 減小軸承發(fā)熱量的措施

3.1.1 適當(dāng)減小軸承滾珠直徑

減小滾珠直徑可以減小離心力，從而減小摩擦力矩。但是，滾珠直徑的減小應(yīng)以不過(guò)多削弱軸承的剛度為限。一般高速精密滾動(dòng)軸承的滾珠直徑約為標(biāo)準(zhǔn)系列滾珠軸承滾珠直徑的70%，而且做成小直徑密珠的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)增加軸承的滾珠數(shù)和滾珠與內(nèi)外套圈的接觸點(diǎn)，提高滾珠軸承的剛度。

3.1.2 采用新材料

陶瓷球軸承與鋼質(zhì)角接觸球軸承相比，在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠與滾道間的滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦減小，發(fā)熱量降低。比如陶瓷球軸承與鋼質(zhì)角接觸球軸承相比的主要優(yōu)點(diǎn)有:

(1)質(zhì)量輕。材料密度僅為3.218×103kg/m3，只相當(dāng)于鋼球的40%。在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)體的離心力和陀螺力矩可顯著減小從而接觸應(yīng)力減小，摩擦功耗下降，發(fā)熱量降低。

(2)線膨脹系數(shù)小。α=3.2×10－6/℃，約為鋼球的25% ，使得在不同溫升的條件下，球與內(nèi)外環(huán)的配合間隙變化小，提高了軸承工作的可靠性，并減小了溫升導(dǎo)致的軸承軸向位移，也使得預(yù)加載荷變化小。

3.2 電主軸單元發(fā)熱的解決方法

電主軸單元異常發(fā)熱后如何將熱量盡快帶走，從而有效控制溫升。

3.2.1 主軸軸承的潤(rùn)滑冷卻措施——油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)

油氣潤(rùn)滑是將微量的潤(rùn)滑油均勻、連續(xù)地混入壓縮空氣流，再把它噴入要潤(rùn)滑的摩擦副內(nèi)的一種潤(rùn)滑方法。它除了具有很好的潤(rùn)滑性能之外，還有極強(qiáng)的冷卻效果。雖油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)比較昂貴，但對(duì)于高精密加工中心來(lái)說(shuō)，一套油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)不至于將產(chǎn)品成本提高很多。

油氣潤(rùn)滑在加工中心中應(yīng)用，應(yīng)注意以下事項(xiàng):①噴嘴距滾動(dòng)軸承端面的距離可在3～25 mm之間;②在軸承腔壁上需開(kāi)設(shè)排氣孔，以便流通;③油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的用油量極少，大約1 mL/h;④油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的含油量:采用油氣潤(rùn)滑時(shí)影響軸承溫升的因素之一是供油量。供油量決定著油氣兩者混合流中的含油量，給定速度下的軸承溫升與該含油量有關(guān)，初始階段軸承溫升隨含油量增加而迅速下降，而后其影響減弱，當(dāng)含油量增加到某一數(shù)值后溫升緩慢增加，繼而急劇上升，因而油氣兩者的混合流中的含油量達(dá)到一個(gè)最佳值，才能既保證軸承的潤(rùn)滑充足又保證軸承的強(qiáng)力冷卻。為此，油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)參數(shù)確定為:空氣壓力為0.4 MPa，空氣流量為(3.3 ～6.7)×10－4m3/s，潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度為32 mm2/s，潤(rùn)滑油流量約為(0.28～0.83)×10－10m3/s，調(diào)整潤(rùn)滑油流量取得最佳含油量;⑤油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)供油的均勻性:采用油氣潤(rùn)滑時(shí)影響軸承溫升的因素之二是供油的均勻性。決定供油均勻性的最主要參數(shù)是供油頻率。為了獲得合適的供油量，不能只降低供油頻率，而是合理匹配活塞直徑、沖程、供油頻率(2～8 min)，取得最佳方案，獲得理想的供油量。

軸承潤(rùn)滑方式的選擇與軸承的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、許用溫升及軸承類型有關(guān)，一般根據(jù)速度因數(shù)dm·n值選擇。其中:dm為軸承中徑(mm):n為工作轉(zhuǎn)速(r/min)。采用油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)來(lái)解決高速電主軸中陶瓷球軸承的潤(rùn)滑與冷卻問(wèn)題，如圖2所示。

油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的基本原理是，利用具有一定壓力的壓縮空氣和由定量分配器每隔一定時(shí)間定量輸出微量的潤(rùn)滑油，在一定長(zhǎng)度的管道中混合，通過(guò)壓縮空氣在管道中的流動(dòng)，帶動(dòng)潤(rùn)滑油沿管道內(nèi)壁不斷地流動(dòng)，把油氣混合物輸送到安裝于軸承近處的噴嘴(孔徑1 mm中)，經(jīng)噴嘴射向內(nèi)圈和滾動(dòng)體的接觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑和冷卻，達(dá)到“最佳供油量”和“壓縮空氣進(jìn)行冷卻”的效果。

油氣潤(rùn)滑與油霧潤(rùn)滑的主要區(qū)別在于供給軸承的潤(rùn)滑油未被霧化，而是以油粒狀被壓縮空氣吹入軸承，向大氣中排放的僅是空氣，因此對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。具有一定壓力的潤(rùn)滑油在接觸點(diǎn)除潤(rùn)滑外還有帶走熱量和密封的作用。由于油滴是噴射而出，故可穿透在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于離心力的作用而在軸承周圍形成的空氣渦流，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑軸承的目的。油氣潤(rùn)滑用大量的壓縮空氣來(lái)冷卻軸承，使得軸承的溫升比用油霧潤(rùn)滑時(shí)要低很多。實(shí)驗(yàn)表明，使用油氣潤(rùn)滑的軸承溫升可比使用脂潤(rùn)滑時(shí)降低5～80℃，比油霧潤(rùn)滑降低9～160℃，隨著dm·n值的增大，降溫的效果更明顯。

軸承潤(rùn)滑的目的是減少軸承內(nèi)部摩擦及磨損，防止燒粘，延長(zhǎng)疲勞壽命，排出摩擦熱，冷卻。傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑方法，如油浴潤(rùn)滑法、油杯潤(rùn)滑法、飛濺潤(rùn)滑法、循環(huán)潤(rùn)滑法和油霧潤(rùn)滑法等已均不能滿足高速主軸軸承對(duì)潤(rùn)滑的要求，這是因?yàn)楦咚僦鬏S軸承不僅對(duì)油的粘度有嚴(yán)格要求，而且對(duì)供油量也有著嚴(yán)格要求。為了獲得最佳的潤(rùn)滑效果，供油量過(guò)多或過(guò)少都是有害的。而油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)則可以精確地控制各個(gè)摩擦點(diǎn)的潤(rùn)滑油量，可靠性極高，因而可在高速主軸軸承領(lǐng)域應(yīng)用。

3.2.2 主軸軸承外環(huán)和內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)的循環(huán)冷卻措施——油—水熱交換系統(tǒng)

為了提高軸承外環(huán)的散熱效果，在主軸設(shè)計(jì)中可采用主軸套筒螺旋槽冷卻劑熱交換系統(tǒng)，對(duì)主軸套筒進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，從而帶走主軸軸承外環(huán)異常產(chǎn)生的熱量。主軸套筒螺旋槽冷卻劑熱交換系統(tǒng)采用連續(xù)、大流量、冷卻液對(duì)主軸套筒進(jìn)行循環(huán)冷卻，冷卻液從主軸套筒上的入油口輸入，通過(guò)主軸軸承外環(huán)主軸套筒上的螺旋槽，與主軸套筒進(jìn)行充分的熱交換，將主軸軸承外環(huán)產(chǎn)生的絕大部分熱量轉(zhuǎn)移到冷卻液中，從主軸套筒上的出油口輸出，然后流經(jīng)熱交換器，進(jìn)行再一次熱交換，將冷卻液溫度降到接近室溫后，流回冷卻箱，再經(jīng)過(guò)壓力泵增壓輸?shù)饺胗涂?，從而?shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻。

主軸套筒螺旋槽冷卻劑熱交換系統(tǒng)在加工中心中應(yīng)用，應(yīng)考慮以下內(nèi)容:①冷卻劑的選擇:常用的冷卻劑有制冷劑、水、油及油水混合物，因產(chǎn)品具體情況選取，其中水冷降熱比高、價(jià)格低廉、維護(hù)方便，深受廣大用戶青睞;②冷卻液或油或油水混合物冷卻時(shí)介質(zhì)壓力約0.4 MPa為宜，介質(zhì)流量約50 L/min為宜。

由于主軸電動(dòng)機(jī)兩端就是主軸軸承，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱會(huì)直接降低軸承的工作精度，如果主電動(dòng)機(jī)的散熱解決得不好，將會(huì)影響到機(jī)床工作的可靠性和穩(wěn)定性。有限元分析表明，電主軸的定子和轉(zhuǎn)子是電主軸的兩大熱源。另外，電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，有近1/3的電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量是由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的，并且轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的絕大部分熱量都通過(guò)轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙傳入定子中，只有少部分熱量直接傳入主軸和端蓋上，其余2/3的熱量產(chǎn)生于電動(dòng)機(jī)定子。轉(zhuǎn)子散熱條件差，又直接安裝在主軸上，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小電動(dòng)機(jī)徑向傳熱熱阻，使轉(zhuǎn)子的發(fā)熱量盡可能多地通過(guò)氣隙傳到定子和殼體中去，并由冷卻液帶走。為了提高散熱效果，保證電動(dòng)機(jī)的絕緣安全，高速電主軸采用油一水熱交換循環(huán)冷卻系統(tǒng)如圖3所示。系統(tǒng)采用連續(xù)、大流量、冷卻油對(duì)定子進(jìn)行循環(huán)冷卻，冷卻油從主軸殼體上的入油口輸入，通過(guò)定子冷卻套上的螺旋槽，與電動(dòng)機(jī)定子進(jìn)行充分的熱交換，將電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的絕大部分熱量轉(zhuǎn)移到油中，從殼體的出油口輸出，然后流經(jīng)逆流式冷卻交換器，與冷卻水進(jìn)行再一次熱交換，將熱油溫度降到接近室溫后，流回油箱，再經(jīng)過(guò)壓力泵增壓輸?shù)饺胗涂?，從而?shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻。根據(jù)主軸電動(dòng)機(jī)的要求，冷卻油的入口溫度T在10～40℃之間，溫升不得超過(guò)10℃。

現(xiàn)有的高速主軸主要是通過(guò)在主軸殼體內(nèi)加冷卻油，并不斷地循環(huán)，把熱量帶走，來(lái)進(jìn)行冷卻。其基本的冷卻路線是:首先從主軸冷卻油溫控制器流出冷卻油，經(jīng)過(guò)在靠近前端蓋的入水口，冷卻油進(jìn)入前端軸承的外圍，對(duì)前端軸承進(jìn)行冷卻。接著流向主軸的定子和后端軸承進(jìn)行冷卻，最后從出水口流回主軸冷卻油溫控制器完成循環(huán)。

3.2.3 主軸軸承內(nèi)環(huán)和內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的冷卻措施——B型內(nèi)冷

采用主軸套筒螺旋槽冷卻液熱交換系統(tǒng)，與不采用主軸套筒熱交換系統(tǒng)冷卻時(shí)軸承內(nèi)環(huán)的溫度也下降了一些，只有4～5℃，這表明主軸套筒熱交換系統(tǒng)對(duì)軸承內(nèi)環(huán)的散熱效果不明顯。要減少主軸軸承內(nèi)環(huán)的溫升和熱影響，必須采用冷卻劑對(duì)主軸中心孔冷卻(B型內(nèi)冷)，提高主軸軸承內(nèi)環(huán)的散熱來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 試驗(yàn)分析

主軸單元的發(fā)熱和溫升是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。當(dāng)主軸在不同的負(fù)荷率、不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主軸的發(fā)熱和溫升是有所不同的。負(fù)荷率越大、轉(zhuǎn)速越高，發(fā)熱量越大，溫升也越明顯。為此，我們做了主軸轉(zhuǎn)速為1 000～15 000 r/min時(shí)，主軸前端第二、第三、第四和主軸后軸承、進(jìn)出油口處的溫度測(cè)試動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

對(duì)HMC80臥式加工中心主軸單元進(jìn)行溫度測(cè)試，根據(jù)溫度測(cè)試數(shù)據(jù)，擬合出主軸前后軸承的溫度變化曲線，建立溫度與時(shí)間、轉(zhuǎn)速、位移等關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，找出影響溫度變化的主要因素，進(jìn)而為主軸的熱變形量提出補(bǔ)償措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸的溫度控制，提高高速機(jī)床的加工精度。具體實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)如下:(1)測(cè)定主軸前后軸承及進(jìn)出油口在主軸轉(zhuǎn)速為1 000～15 000 r/min時(shí)的溫度;(2)分析軸承及進(jìn)出油口溫度上升的原因;(3)擬合出主軸前后軸承及進(jìn)出油口隨轉(zhuǎn)速上升的溫升曲線;(4)建立溫度與時(shí)間、轉(zhuǎn)速、位移等關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

4.2 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)采用青海一機(jī)HMC80臥式加工中心的自制高速電主軸系統(tǒng)，在青海一機(jī)主軸試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試。主軸定子、轉(zhuǎn)子采用FANUC AC伺服電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)功率25/30 kW;前軸承采用小滾珠陶瓷球軸承，后軸承采用單列短圓柱滾子軸承;主軸前后軸承外圈和電動(dòng)機(jī)定子具有循環(huán)冷卻。

4.3 測(cè)試原理

溫度傳感器熱電阻測(cè)溫原理是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的升高而增大這一特性來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。溫度傳感器熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅。軸承表面的溫度和進(jìn)出油口的油溫是通過(guò)溫度傳感器和溫度變送器進(jìn)行非電量與電量的轉(zhuǎn)換，然后傳給LMS數(shù)據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)模擬電信號(hào)進(jìn)行采樣，把采樣數(shù)據(jù)送工控機(jī)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。

4.4 試驗(yàn)具體方法步驟

溫度測(cè)試動(dòng)態(tài)試驗(yàn)具體步驟如下:

(1)分別在主軸前端與第二、第三、第四和后軸承所對(duì)應(yīng)的主軸箱外壁鉆一個(gè)直徑為10 mm的孔，使孔剛好穿過(guò)主軸套筒。再加工4個(gè)外徑為10 mm，內(nèi)徑為6 mm，長(zhǎng)度為37 mm的空心圓柱銅套。

(2)將直徑為5 mm的溫度傳感器裝入銅套螺母，使溫度傳感器前端接觸軸承外圈，用密封膠帶將傳感器與銅套前端內(nèi)壁固定，再通過(guò)螺紋連接將銅套外壁端固定在孔內(nèi)，用銅套螺母將銅套后端固定在主軸箱外壁(見(jiàn)圖4)。在主軸進(jìn)出油口處分別裝上三通，再將溫度傳感器通過(guò)螺紋連接在主軸進(jìn)出油口處三通上。

(3)將主軸前端第二、第三、第四和主軸后軸承內(nèi)的4個(gè)溫度傳感器分別插入信號(hào)采集系統(tǒng)與之對(duì)應(yīng)的第1、第2、第3和第4接口內(nèi)(這4個(gè)溫度傳感器分別是計(jì)算機(jī)LMS軟件系統(tǒng)通道設(shè)置對(duì)應(yīng)的T1、T2、T3、T4)，將進(jìn)出油口處的溫度傳感器的另一端分別插入信號(hào)采集系統(tǒng)與之對(duì)應(yīng)的第5、第6接口內(nèi)(后兩個(gè)溫度傳感器分別是計(jì)算機(jī)LMS軟件系統(tǒng)通道設(shè)置對(duì)應(yīng)的T5、T6)。

(4)接通電源，將計(jì)算機(jī)與信號(hào)采集系統(tǒng)用網(wǎng)線聯(lián)接，打開(kāi)信號(hào)采集系統(tǒng)開(kāi)關(guān)，再打開(kāi)Test.Lab Signature軟件，對(duì)溫度傳感器進(jìn)行通道設(shè)置。

(5)運(yùn)行電主軸，每隔20 min調(diào)整一次主軸轉(zhuǎn)速，每次轉(zhuǎn)速調(diào)整上升1 000 r/min，用6個(gè)溫度傳感器對(duì)各軸承溫度及進(jìn)出油口油溫進(jìn)行測(cè)試，打開(kāi)溫度窗口，觀察測(cè)量溫度值。

(6)實(shí)驗(yàn)完畢，保存數(shù)據(jù)，停機(jī)。

將LMS測(cè)得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Excell格式，通過(guò)Matlab軟件模擬出T1、T2、T3、T4、T5、T6 在不同轉(zhuǎn)速下的溫升曲線圖。

4.5 測(cè)試溫升曲線圖

主軸前端第二、第三、第四和主軸后軸承、進(jìn)出油口處在主軸1 000～15 000 r/min轉(zhuǎn)速下的溫升測(cè)試曲線如圖5～10所示。

4.6 測(cè)試結(jié)果

本試驗(yàn)采用比利時(shí)多通道動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀，選用高精度pt 100溫度傳感器作為數(shù)控機(jī)床主軸軸承溫度的直接檢測(cè)元件，通過(guò)對(duì)電主軸不同轉(zhuǎn)速下電主軸軸承外圈溫度的直接測(cè)量尋找最佳溫升情況下冷卻系統(tǒng)流量、油—?dú)鉂?rùn)滑量及軸承預(yù)緊的相互匹配關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):在轉(zhuǎn)速達(dá)到12 000 r/min時(shí)主軸溫升在30℃左右，并且在運(yùn)轉(zhuǎn)約30 min后，能達(dá)到熱平衡狀態(tài);在13 000～15 000 r/min時(shí)主軸溫度連續(xù)上升，運(yùn)轉(zhuǎn)30 min后溫度繼續(xù)上升，最高溫度能達(dá)到50℃左右。另外通過(guò)對(duì)比，當(dāng)主軸連續(xù)運(yùn)行30 min后，主軸錐孔中的溫度與軸承外圈溫度傳感器直接測(cè)定的溫度相差約2～3℃，這也為以后主機(jī)上無(wú)法直接測(cè)量主軸溫升，用間接法測(cè)量主軸溫升提供了參考。

5 結(jié)語(yǔ)

由此可見(jiàn)，機(jī)床設(shè)計(jì)師在進(jìn)行高速加工中心電主軸單元設(shè)計(jì)時(shí)，兼顧折中各方面因素，一定要權(quán)衡剛度、變形量和壽命等之間的利弊，取得最佳主軸系統(tǒng)的溫升控制和熱變形抑制。以上只是對(duì)機(jī)床熱變形研究和試驗(yàn)分析，希望對(duì)機(jī)床電主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)者起到一定的幫助作用。

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