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當(dāng)前位置：電主軸升溫都有哪些抑制措施？
發(fā)布時間：2020-07-13 18:20:37電主軸是最近幾年在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)。高速數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動機(jī)直接驅(qū)動，從而把機(jī)床主傳動鏈的長度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動”。這種主軸電動機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機(jī)床的傳動系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對獨(dú)立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”。
電主軸溫升的抑制措施：
一、減小軸承發(fā)熱量的措施
(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)以不過多削弱軸承的剛度為限。一般高速精密滾動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。
(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，滾珠與滾道間的滾動和滑動摩擦減小，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 × 103 kg /m3，只相當(dāng)于鋼球的40%。在高速回轉(zhuǎn)時，滾動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。
二、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。
(1)主軸軸承的潤滑冷卻措施———油氣潤滑系統(tǒng)
油氣潤滑是將微量的潤滑油均勻、連續(xù)地混入壓縮空氣流，再把它噴入要潤滑的摩擦副內(nèi)的一種潤滑方法。它除了具有很好的潤滑性能之外，還有極強(qiáng)的冷卻效果。雖油氣潤滑系統(tǒng)比較昂貴，但對于高精密加工中心來說，一套油氣潤滑系統(tǒng)不至于將產(chǎn)品成本提高很多。
油氣潤滑在加工中心中應(yīng)用，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：
①噴嘴距滾動軸承端面的距離可在3 ～ 25 mm 之間;
②在軸承腔壁上需開設(shè)排氣孔，以便流通;
③油氣潤滑系統(tǒng)的用油量極少，大約1 mL /h;
④油氣潤滑系統(tǒng)的含油量：采用油氣潤滑時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)到一個最佳值，才能既保證軸承的潤滑充足又保證軸承的強(qiáng)力冷卻。為此，油氣潤滑系統(tǒng)參數(shù)確定為: 空氣壓力為0. 4MPa，空氣流量為( 3. 3 ～ 6. 7) × 10 - 4 m3 /s，潤滑油運(yùn)動粘度為32 mm2 /s，潤滑油流量約為( 0. 28 ～ 0. 83) ×10 - 10 m3 /s，調(diào)整潤滑油流量取得最佳含油量;
⑤油氣潤滑系統(tǒng)供油的均勻性：采用油氣潤滑時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) 。采用油氣潤滑系統(tǒng)來解決高速電主軸中陶瓷球軸承的潤滑與冷卻問題。
油氣潤滑系統(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間定量輸出微量的潤滑油，在一定長度的管道中混合，通過壓縮空氣在管道中的流動，帶動潤滑油沿管道內(nèi)壁不斷地流動，把油氣混合物輸送到安裝于軸承近處的噴嘴( 孔徑1mm 中) ，經(jīng)噴嘴射向內(nèi)圈和滾動體的接觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)潤滑和冷卻，達(dá)到“最佳供油量”和“壓縮空氣進(jìn)行冷卻”。
油氣潤滑與油霧潤滑的主要區(qū)別在于供給軸承的潤滑油未被霧化，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，因此對環(huán)境沒有污染。具有一定壓力的潤滑油在接觸點(diǎn)除潤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)潤滑軸承的目的。油氣潤滑用大量的壓縮空氣來冷卻軸承，使得軸承的溫升比用油霧潤滑時要低很多。實(shí)驗(yàn)表明，使用油氣潤滑的軸承溫升可比使用脂潤滑時降低5 ～ 80 ℃，比油霧潤滑降低9 ～ 160℃，隨著dm·n 值的增大，降溫的效果更明顯。
軸承潤滑的目的是減少軸承內(nèi)部摩擦及磨損，防止燒粘，延長疲勞壽命，排出摩擦熱，冷卻。傳統(tǒng)的滾動軸承潤滑方法，如油浴潤滑法、油杯潤滑法、飛濺潤滑法、循環(huán)潤滑法和油霧潤滑法等已均不能滿足高速主軸軸承對潤滑的要求，這是因?yàn)楦咚僦鬏S軸承不僅對油的粘度有嚴(yán)格要求，而且對供油量也有著嚴(yán)格要求。為了獲得最佳的潤滑效果，供油量過多或過少都是有害的。而油氣潤滑系統(tǒng)則可以精確地控制各個摩擦點(diǎn)的潤滑油量，可靠性極高，因而可在高速主軸軸承領(lǐng)域應(yīng)用。
(2)主軸軸承外環(huán)和內(nèi)裝式電動機(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。選擇加工各種高品質(zhì)機(jī)床主軸認(rèn)準(zhǔn)鈦浩機(jī)械，專業(yè)品質(zhì)保障!因?yàn)閷I(yè)，所以卓越!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)過壓力泵增壓輸?shù)饺胗涂冢瑥亩鴮?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。由于主軸電動機(jī)兩端就是主軸軸承，電動機(jī)的發(fā)熱會直接降低軸承的工作精度，如果主電動機(jī)的散熱解決得不好，將會影響到機(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，電動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，有近1 /3 的電動機(jī)發(fā)熱量是由電動機(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)盡量減小電動機(jī)徑向傳熱熱阻，使轉(zhuǎn)子的發(fā)熱量盡可能多地通過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)。系統(tǒng)采用連續(xù)、大流量、冷卻油對定子進(jìn)行循環(huán)冷卻，冷卻油從主軸殼體上的入油口輸入，通過定子冷卻套上的螺旋槽，與電動機(jī)定子進(jìn)行充分的熱交換，將電動機(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)過壓力泵增壓輸?shù)饺胗涂冢瑥亩鴮?shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻。根據(jù)主軸電動機(jī)的要求，冷卻油的入口溫度T 在10 ～ 40 ℃之間，溫升不得超過10 ℃。
現(xiàn)有的高速主軸主要是通過在主軸殼體內(nèi)加冷卻油，并不斷地循環(huán)，把熱量帶走，來進(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)過在靠近前端蓋的入水口，冷卻油進(jìn)入前端軸承的外圍，對前端軸承進(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)主軸軸承內(nèi)環(huán)和內(nèi)裝式電動機(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)的散熱來實(shí)現(xiàn)。
由此可見，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，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。以上只是對機(jī)床熱變形研究和試驗(yàn)分析，希望對機(jī)床電主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)者起到一定的幫助作用。
