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    高速機床電主軸的熱特性

    發布時間:2020-07-13 18:07:57


      高速電主軸作為高速機床的核心部件,同時也是該類機床的主要熱源。在高速機床中,電主軸單元各零件的剛度和精度都比較高,工作負荷不大,電主軸因切削力引起的加工誤差比較小。電主軸中電機的發熱和軸承的摩擦發熱卻是不可避免的,由此引起的熱變形如果處理不當會嚴重地降低機床的加工精度。因此在高速機床中,電主軸的熱態特性成為影響加工精度的一個主要因素,并直接限制了電主軸轉速的提高。

      高速電主軸的熱源,高速電主軸的熱變形主要是由電機發熱與主軸軸承的發熱引起。機床在加工過程中,電機輸出功率是它在空轉時消耗的功率與切削時消耗的功率的總和。在高速加工中,機床的空轉功耗所轉化的熱成為高速加工機床的主要熱源。主軸軸承在高速運轉中,存在著復雜的摩擦現象,加劇了發熱強度,直接影響電主軸系統的熱變形。

      同時由于電機發熱傳遞給軸承,使軸承的溫升更高,這就加速了軸承的磨損而使精度喪失,嚴重時甚至發生金屬粘結燒傷現象,使軸承失效。主軸軸承的熱強度與主軸系統的結構、軸承的型號、配置和預緊、潤滑劑以及傳動方式都有密切的關系。試驗表明同樣尺寸規格的鋼球和陶瓷球角接觸軸承,在速度不商時溫升值相差不多,但是隨著主軸轉速的進一步的提高進入高速區,則軸承的溫升急劇增大。隨著軸承預緊力的增加,軸承發熱量也會迅速增加。另外在油一氣潤滑系統中,油和氣相互混合,一起對軸承進行冷卻,其中空氣的冷卻占很大的比例。

      主軸熱變形的機理,機床主軸在工作時處于內、外熱源的作用下,而且這些熱源一般來說都是非恒定的。由于加工條件不同,變化的程度也不同,主軸各零部件的材料、形狀和結構各不相同,各自熱慣性也不相同,再加上聯結件之間結合面的熱阻、主軸表面不盡相同的傳熱狀況等因素,使主軸形成了一個復雜多變的溫度場。在這樣的溫度場作用下,主軸構件材料產生了熱應力和熱位移,且隨著材料物理特性、零部件形狀以及支承聯接狀態的不同而不同,從而使主軸的熱變形問題更加復雜,給研究主軸熱變形帶來很大的困難。在加工過程中,影響機床加工精度的熱源可分為內熱源和外熱源兩大類。

      主軸系統的溫升,通常使指在無外加載荷和無外部熱源影響的條件下的典型區域溫度與環境溫度的差值。工程上多用主軸前軸承的外圈作為測量系統溫升的典型區域。系統溫升越高,零件的熱變形越大,引起精度喪失的可能性越大,系統的熱態特性就越差。影響主軸系統工作精度的關鍵因素并不是溫升,而是溫度場的分布,也就是溫度場對主軸軸線的對稱性和溫度梯度。在溫度上升的過程中,主軸本身將產生軸向伸長,同時主軸前后支承的中心位置必會在徑向發生變化。由于前支撐的直徑和負荷通常比后支承大,因此前支撐的發熱量也比后支承大,故前支承和前箱壁的溫度也要比后支承和后箱壁的溫度高,熱變形的結果將使主軸的工作端產生徑向位移,出現抬頭現象。

      高速電主軸的散熱,高速電主軸在內、外熱源的作用下,其各部分的溫度有差異,而熱量總是從高溫向低溫處傳遞,三種基本的傳熱方式在電主軸中都存在。定子產生的熱量大部分通過對流由冷卻水或油帶走,而少部分通過對流和輻射傳遞給定子周圍的空氣:轉子產生的熱量一部分通過導熱直接傳遞給主軸和軸承,而另一部分通過對流和輻射傳遞給定子。

      電機定子油-水熱交換冷卻系統,高速電主軸通常采用油-水熱交換的系統,油泵連續輸出大流量的冷卻油,通過電機定子冷卻套的螺旋槽與電機定子產生熱交換,再經過輸出回路與水進行熱交換,使油冷卻后流回油池,實現循環冷卻。主軸軸承的油一氣潤滑系統,油一氣潤滑系統是利用具有一定壓力的壓縮空氣和定量輸出的微量潤滑油,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壁不斷地流動,把油氣混合物輸送給安裝在軸承附近的噴嘴,經過噴嘴射向軸承內圈和滾動體的接觸點實現潤滑和冷卻。

      電主軸與周圍空氣的傳熱,工作中高速主軸電機表面是熱的,所以在較大溫差的作用下發生自由對流換熱,同時還有輻射換熱。為了減發熱對主軸性能的影響,特別是對主軸軸承性能的影響,在結構設計的過程中在主軸電機轉子與軸承之間安裝了冷卻環,可以有效地減小由于電機發熱對主軸軸承的影響,提高軸承的使用壽命。


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