姜春雨 孫曉亮 郭榮貴

【摘 要】如何計(jì)算主軸箱的溫升。

【關(guān)鍵詞】熱變形的影響；主軸箱

主軸箱作為臥式車床的重要部件之一。在工作時，由于傳動件的機(jī)械摩擦，潤滑油飛濺，攪拌作用等而發(fā)熱，使主軸箱溫度升高，產(chǎn)生熱變形。熱變形的影響，主要有以下幾個方面：

第一、改變各相關(guān)部件的相對位置。

如主軸箱發(fā)熱后使主軸軸線升高，而尾座則由于內(nèi)部無傳動件而溫升很小，這就使主軸與尾座套筒軸線的相對位置發(fā)生改變，影響工件的加工精度。

第二、改變主軸的幾何位置。

主軸的前后支承構(gòu)造不同，溫升也不同。這就使得前后支承處箱體的熱膨脹量不同，從而使主軸軸線傾斜，熱檢時超差。

第三、改變軸承的間隙。

箱體的散熱條件較好，軸承和主軸的散熱條件較差，這就使得軸承和主軸的溫度高于箱體，熱膨脹量較多，從而產(chǎn)生減少軸承的間隙或加大預(yù)緊量。這樣，又會進(jìn)一步增加發(fā)熱量和溫差，嚴(yán)重時將導(dǎo)致發(fā)生事故。

第四、改變潤滑條件。

溫升使?jié)櫥偷恼扯冉档?，粘度降低又將進(jìn)一步降低潤滑油的潤滑性能和油膜的承載壓力，嚴(yán)重時導(dǎo)致潤滑失效。

因此，減少主軸箱的發(fā)熱和加強(qiáng)散熱，以便降低溫升，并采取某些均熱措施以減少不均勻熱膨脹是設(shè)計(jì)主軸箱，特別是設(shè)計(jì)數(shù)控臥式車床主軸箱所必須考慮的問題。

1.熱平衡和溫度場

主軸箱在工作時一方面產(chǎn)生熱量，另一方面又向周圍環(huán)境散發(fā)熱量。如果單位時間產(chǎn)生的熱量一定，則開始時，主軸箱的溫度較低，與周轉(zhuǎn)環(huán)境之間的溫差較小，散熱較少，溫度升高就較快。隨著溫度的升高將逐步減慢。最后一定會達(dá)到某一溫度，這時，同一時間內(nèi)的發(fā)熱量等于散熱量，即達(dá)到了熱平衡。

達(dá)到熱平衡的時間是相當(dāng)長的，對于普通車床國家現(xiàn)行通用技術(shù)要求規(guī)定每小時的溫升不差過5℃，就認(rèn)為達(dá)到了熱平衡。一般需連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)2至3小時才能達(dá)到熱平衡。

主軸箱的溫度不可能每個部位都相同。熱源處溫度較高，其它地方較低。一般機(jī)床的主軸箱往往就是主軸軸承處的溫度高。按照國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，普通精度級機(jī)床，當(dāng)主軸的最高轉(zhuǎn)速空運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到熱平衡時，主軸軸承的溫度和溫升，滑動軸承溫度不超過60℃，溫升不超過30℃；滾動軸承溫度不超過70℃，溫升不超過40℃。這里的溫升實(shí)際上是滾動軸承外圈的溫升。軸頸的溫升由于散熱條件較差需要更高些。

熱量主要是從某個熱源發(fā)出的。所以熱源處溫度最高，離熱源越遠(yuǎn)則溫度較低。這就形成了溫度場。

事實(shí)上，熱源往往不止一個。例如若主軸箱底部油池?zé)嵊途奂趦?nèi)，這就形成另一個熱源。此外箱體的厚度也不會均勻。這時，等溫線將表現(xiàn)為復(fù)雜的曲線。由于各處溫度不同，將產(chǎn)生不均勻的熱變形，從而進(jìn)一步影響加工精度。

2.主軸箱的溫升估算

機(jī)床各部件中發(fā)熱最多的主軸箱。因此，有必要對主軸箱的溫升進(jìn)行估算。如果發(fā)現(xiàn)溫升過高，則在設(shè)計(jì)階段就可采取措施。例如：加通風(fēng)、箱體增加散熱片、潤滑油專設(shè)油箱進(jìn)行外循環(huán)、潤滑油設(shè)冷卻裝置等。

2.1主軸箱的發(fā)熱

主軸箱的較高溫度出現(xiàn)在主軸高速空載連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到平衡溫度時，主軸箱的發(fā)熱量Q，可以認(rèn)為是由主軸最高速旋轉(zhuǎn)時空載損失N空轉(zhuǎn)化來的。

Q=N（kw）=1000N（w）

2.2主軸箱體的平均溫升估算

箱體內(nèi)多個熱源，如軸承、齒輪、摩擦離合器、油池等。它們的發(fā)熱不同，又分布在箱體內(nèi)各個部分。箱體和表面散熱條件也不一致，故箱體上個點(diǎn)溫度并不均勻。下式可用來對箱體的平均溫升進(jìn)行估算。運(yùn)轉(zhuǎn)2小時后箱體的平均溫升：

ψ——箱體通過接合面?zhèn)髦疗渌麢C(jī)件的熱量比例。對于車床和組合機(jī)床ψ=0.15～0.2，接觸面較大時取大值。

平均散熱系數(shù)K=（Wm2·℃）

式中AA.....A——各箱壁表面積（m2）

KK......K——分別為箱體第1至第n壁的散熱系數(shù)（Wm2·℃）見表1。

例：估算一臥式車床主軸箱在主軸以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時的平均溫升。主軸和帶輪轉(zhuǎn)速均為1400r/min，空轉(zhuǎn)功率損失估算為Q=N（kw）=1925（w）。箱體的尺寸如圖1所示。箱體質(zhì)量為500 kg。

（1）散熱系數(shù)h。

箱體的面1前有高速旋轉(zhuǎn)的卡盤，表面3之后又帶輪皆能產(chǎn)生良好的氣流，K=K=85（Wm2·℃）；面積皆為0.355x0.52=0.184m2。表面2、4、5的鄰接面有良好的氣流K=K=K=16（Wm2·℃）；表面6散熱條件較差，K=14（Wm2·℃）；面積A=A=0.57x0.355=0.202m2， A=A=0.52x0.57=0.296m2。

K=

==34.2（Wm2·℃）

（2）散熱面積A=（0.184+0202+0.296）×2=1.364。

（3）時間常數(shù)Z==≈1.5（h）

（4）求箱體平均溫升取ψ=1.75

當(dāng)t=1h時，Q=（1-0.175）××（1-e）≈15℃

當(dāng)t=2h時，Q=（1-0.175）××（1-e）≈22.5℃

當(dāng)t=3h時Q=（1-0.175）××（1-e）≈26.4℃

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，運(yùn)轉(zhuǎn)1小時至3小時之間溫升已經(jīng)小于4℃，可以認(rèn)為達(dá)到了熱平衡。箱體平均溫升約為27℃。作為普通精度等級機(jī)床的主軸箱，可以不采用降溫措施。

【參考文獻(xiàn)】

[1]機(jī)械設(shè)計(jì)通用手冊——機(jī)械工業(yè)出版社.

[2]重型機(jī)床設(shè)計(jì)與計(jì)算——北京工業(yè)大學(xué)出版社.

[3]新編機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊——學(xué)苑出版社.