高速机床电主轴热特性研究

[摘要]随着机床主轴转速的提高，切削进给速度和加速度的加大，机床发热将急剧上升。对于高速机床来说，热变形所引起的加工误差可占总体误差的30%～70%。热误差是影响机床加工精度稳定性的重要因素，而主轴系统的热变形引起的误差是引起机床热变形误差的主要因素。

[关键词]高速机床；电主轴；热特性

引言

高速电主轴作为高速机床的核心部件，同时也是该类机床的主要热源。在高速机床中，电主轴单元各零件的刚度和精度都比较高，工作负荷不大，电主轴因切削力引起的加工误差比较小。然而，电主轴中电机的发热和轴承的摩擦发热却是不可避免的，由此引起的热变形如果处理不当会严重地降低机床的加工精度。因此在高速机床中，电主轴的热态特性成为影响加工精度的一个主要因素，并直接限制了电主轴转速的提高。

1.机床及其主轴系统热特性的研究发展

机械加工中传热和热变形对加工精度的稳定性影响是逐步被人们所认识的。最先被注意的是工件热变形。机床热变形影响加工精度稳定性的问题发现得比较晚。在1984年召开的CIRP年会上强调：对于机床热特性的研究工作不能简单地靠直接经验，而要靠科学的研究方法。研究机床热变形应基于精确的测试，进而研究其机理，分析其规律，将正确的感性认识提高到理性认识。我国在20世纪50年代开始了机床热变形的研究，在20世纪50年代末、60年代初，我国很多单位都进行了热变形研究。1984年成立了全国机床热变形研究会，标志我国机床热变形的科研和学术活动进入了新的阶段。高速主轴单元是高速机床的核心部件，其性能在很大程度上决定了整台机床所能达到的切削速度和加工精度。随着先进的电气传动技术在高速机床上的广泛应用，大大地简化了高速机床主传动的机械结构。在高速机床中点主轴的应用比较广泛。电主轴是由内装式电机和机床主轴合二为一传动形式，将其空心转子直接套装在机床的主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电主轴。国内在高速电主轴热特性方面的研究水平与工业发达国家相比有很大的差距，仍有很长的路要走。研究高速电主轴的主要任务是分析计算主轴的热源、温升、温度场和热位移场。在工程中常常采用有限元法和有限差分法等近似的数值计算方法来求解和研究传热过程。

2.主轴热变形的机理

机床主轴在工作时处于内、外热源的作用下，而且这些热源一般来说都是非恒定的。由于加工条件不同，变化的程度也不同；主轴各零部件的材料、形状和结构各不相同，各自热惯性也不相同；再加上联结件之间结合面的热阻、主轴表面不尽相同的传热状况等因素，使主轴形成了一个复杂多变的温度场。在这样的温度场作用下，主轴构件材料产生了热应力和热位移，且随着材料物理特性、零部件形状以及支承联接状态的不同而不同，从而使主轴的热变形问题更加复杂，给研究主轴热变形带来很大的困难。在加工过程中，影响机床加工精度的热源可分为内热源和外热源两大类。主轴系统的温升，通常使指在无外加载荷和无外部热源影响的条件下的典型区域温度与环境温度的差值。工程上多用主轴前轴承的外圈作为测量系统温升的典型区域。系统温升越高，零件的热变形越大，引起精度丧失的可能性越大，系统的热态特性就越差。但是，影响主轴系统工作精度的关键因素并不是温升，而是温度场的分布，也就是温度场对主轴轴线的对称性和温度梯度。在温度上升的过程中，主轴本身将产生轴向伸长，同时主轴前后支承的中心位置必会在径向发生变化。由于前支承的直径和负荷通常比后支承大，因此前支承的发热量也比后支承大，故前支承和前箱壁的温度也要比后支承和后箱壁的温度高，热变形的结果将使主轴的工作端产生径向位移，出现抬头现象。

3.高速电主轴的热源

高速电主轴的热变形主要是由电机发热与主轴轴承的发热引起。机床在加工过程中，电机输出功率是它在空转时消耗的功率与切削时消耗的功率的总和。在高速加工中，机床的空转功耗所转化的热成为高速加工机床的主要热源。主轴轴承在高速运转中，存在着复杂的摩擦现象，加剧了发热强度，直接影响电主轴系统的热变形。同时由于电机发热传递给轴承，使轴承的温升更高，这就加速了轴承的磨损而使精度丧失，严重时甚至发生金属粘结烧伤现象，使轴承失效。主轴轴承的热强度与主轴系统的结构、轴承的型号、配置和预紧、润滑剂以及传动方式都有密切的关系。试验表明同样尺寸规格的钢球和陶瓷球角接触轴承，在速度不商时温升值相差不多，但是随着主轴转速的进一步的提高进入高速区，则轴承的温升急剧增大。随着轴承预紧力的增加，轴承发热量也会迅速增加。另外在油一气润滑系统中，油和气相互混合，一起对轴承进行冷却，其中空气的冷却占很大的比例。

4.高速电主轴的散热

高速电主轴在内、外热源的作用下，其各部分的温度有差异，而热量总是从高温向低温处传递，三种基本的传热方式在电主轴中都存在。定子产生的热量大部分通过对流由冷却水或油带走，而少部分通过对流和辐射传递给定子周围的空气：转子产生的热量一部分通过导热直接传递给主轴和轴承，而另一部分通过对流和辐射传递给定子。电主轴的散热示意图如图4.1所示。

（1）主轴轴承的油一气润滑系统

油一气润滑系统是利用具有一定压力的压缩空气和定量输出的微量润滑油，在一定长度的管道中混合，通过压缩空气在管道中的流动，带动润滑油沿管道内壁不断地流动，把油气混合物输送给安装在轴承附近的喷嘴，经过喷嘴射向轴承内圈和滚动体的接触点实现润滑和冷却。

（2）电机定子油-水热交换冷却系统

高速电主轴通常采用油-水热交换的系统，油泵连续输出大流量的冷却油，通过电机定子冷却套的螺旋槽与电机定子产生热交换，再经过输出回路与水进行热交换，使油冷却后流回油池，实现循环冷却。

（3）电主轴与周围空气的传热

工作中高速主轴电机表面是热的，所以在较大温差的作用下发生自由对流换热，同时还有辐射换热。为了减发热对主轴性能的影响，特别是对主轴轴承性能的影响，在结构设计的过程中在主轴电机转子与轴承之间安装了冷却环，可以有效地减小由于电机发热对主轴轴承的影响，提高轴承的使用寿命。

结论

通过以上阐述，主轴系统运行中所产生的热量是整机热源中的重要来源之一，由此引起的热变形误差又是引起机床热变形误差的重要因素。因此，主轴系统的热特性分析与设计对保证机床精度稳定性至关重要，是高速高精度机床必须要考虑和解决的关键技术问题之一。

参考文献

[1]张伯霖，杨庆东，陈长年.高速切削技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2003，14.

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