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    電主軸升溫都有哪些抑制措施?

    發布時間:2020-07-13 18:20:37


      電主軸是最近幾年在數控機床領域出現的將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術。高速數控機床主傳動系統取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機床主軸由內裝式電動機直接驅動,從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零,實現了機床的“零傳動”。這種主軸電動機與機床主軸“合二為一”的傳動結構形式,使主軸部件從機床的傳動系統和整體結構中相對獨立出來,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、減小軸承發熱量的措施

      (1)適當減小軸承滾珠直徑

      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準系列滾珠軸承滾珠直徑的70% ,而且做成小直徑密珠的結構形式,通過增加軸承的滾珠數和滾珠與內外套圈的接觸點,提高滾珠軸承的剛度。

      (2)采用新材料

      陶瓷球軸承與鋼質角接觸球軸承相比,在高速回轉時,滾珠與滾道間的滾動和滑動摩擦減小,發熱量降低。比如陶瓷球軸承與鋼質角接觸球軸承相比的主要優點有:

      1、質量輕。材料密度僅為3. 218 × 103 kg /m3,只相當于鋼球的40%。在高速回轉時,滾動體的離心力和陀螺力矩可顯著減小從而接觸應力減小,摩擦功耗下降,發熱量降低。

      2、線膨脹系數小。α = 3. 2 × 10 - 6 /℃,約為鋼球的25% ,使得在不同溫升的條件下,球與內外環的配合間隙變化小,提高了軸承工作的可靠性,并減小了溫升導致的軸承軸向位移,也使得預加載荷變化小。

      二、電主軸單元發熱的解決方法

      電主軸單元異常發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

      油氣潤滑是將微量的潤滑油均勻、連續地混入壓縮空氣流,再把它噴入要潤滑的摩擦副內的一種潤滑方法。它除了具有很好的潤滑性能之外,還有極強的冷卻效果。雖油氣潤滑系統比較昂貴,但對于高精密加工中心來說,一套油氣潤滑系統不至于將產品成本提高很多。

      油氣潤滑在加工中心中應用,應注意以下事項:

     ?、賴娮炀酀L動軸承端面的距離可在3 ~ 25 mm 之間;

     ?、谠谳S承腔壁上需開設排氣孔,以便流通;

     ?、塾蜌鉂櫥到y的用油量極少,大約1 mL /h;

     ?、苡蜌鉂櫥到y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,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,當含油量增加到某一數值后溫升緩慢增加,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力冷卻。為此,油氣潤滑系統參數確定為: 空氣壓力為0. 4MPa,空氣流量為( 3. 3 ~ 6. 7) × 10 - 4 m3 /s,潤滑油運動粘度為32 mm2 /s,潤滑油流量約為( 0. 28 ~ 0. 83) ×10 - 10 m3 /s,調整潤滑油流量取得最佳含油量;

     ?、萦蜌鉂櫥到y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速、負荷、許用溫升及軸承類型有關,一般根據速度因數dm·n 值選擇。

      其中: dm為軸承中徑( mm) : n 為工作轉速( r /min) 。采用油氣潤滑系統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) ,經噴嘴射向內圈和滾動體的接觸點實現潤滑和冷卻,達到“最佳供油量”和“壓縮空氣進行冷卻”。

      油氣潤滑與油霧潤滑的主要區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,因此對環境沒有污染。具有一定壓力的潤滑油在接觸點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,故可穿透在高速運轉時由于離心力的作用而在軸承周圍形成的空氣渦流,實現潤滑軸承的目的。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。實驗表明,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,這是因為高速主軸軸承不僅對油的粘度有嚴格要求,而且對供油量也有著嚴格要求。為了獲得最佳的潤滑效果,供油量過多或過少都是有害的。而油氣潤滑系統則可以精確地控制各個摩擦點的潤滑油量,可靠性極高,因而可在高速主軸軸承領域應用。

      (2)主軸軸承外環和內裝式電動機的循環冷卻措施———油—水熱交換系統

      為了提高軸承外環的散熱效果,在主軸設計中可采用主軸套筒螺旋槽冷卻劑熱交換系統,對主軸套筒進行強制冷卻,從而帶走主軸軸承外環異常產生的熱量。選擇加工各種高品質機床主軸認準鈦浩機械,專業品質保障!因為專業,所以卓越!主軸套筒螺旋槽冷卻劑熱交換系統采用連續、大流量、冷卻液對主軸套筒進行循環冷卻,冷卻液從主軸套筒上的入油口輸入,通過主軸軸承外環主軸套筒上的螺旋槽,與主軸套筒進行充分的熱交換,將主軸軸承外環產生的絕大部分熱量轉移到冷卻液中,從主軸套筒上的出油口輸出,然后流經熱交換器,進行再一次熱交換,將冷卻液溫度降到接近室溫后,流回冷卻箱,再經過壓力泵增壓輸到入油口,從而實現循環冷卻。

      主軸套筒螺旋槽冷卻劑熱交換系統在加工中心中應用,應考慮以下內容:

     ?、倮鋮s劑的選擇: 常用的冷卻劑有制冷劑、水、油及油水混合物,因產品具體情況選取,其中水冷降熱比高、價格低廉、維護方便,深受廣大用戶青睞;

     ?、诶鋮s液或油或油水混合物冷卻時介質壓力約0. 4 MPa 為宜,介質流量約50 L /min 為宜。由于主軸電動機兩端就是主軸軸承,電動機的發熱會直接降低軸承的工作精度,如果主電動機的散熱解決得不好,將會影響到機床工作的可靠性和穩定性。有限元分析表明,電主軸的定子和轉子是電主軸的兩大熱源。另外,電動機高速運轉條件下,有近1 /3 的電動機發熱量是由電動機轉子產生的,并且轉子產生的絕大部分熱量都通過轉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的熱量產生于電動機定子。

      轉子散熱條件差,又直接安裝在主軸上,設計中應盡量減小電動機徑向傳熱熱阻,使轉子的發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,保證電動機的絕緣安全,高速電主軸采用油一水熱交換循環冷卻系統。系統采用連續、大流量、冷卻油對定子進行循環冷卻,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,與電動機定子進行充分的熱交換,將電動機產生的絕大部分熱量轉移到油中,從殼體的出油口輸出,然后流經逆流式冷卻交換器,與冷卻水進行再一次熱交換,將熱油溫度降到接近室溫后,流回油箱,再經過壓力泵增壓輸到入油口,從而實現循環冷卻。根據主軸電動機的要求,冷卻油的入口溫度T 在10 ~ 40 ℃之間,溫升不得超過10 ℃。

      現有的高速主軸主要是通過在主軸殼體內加冷卻油,并不斷地循環,把熱量帶走,來進行冷卻。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,經過在靠近前端蓋的入水口,冷卻油進入前端軸承的外圍,對前端軸承進行冷卻。接著流向主軸的定子和后端軸承進行冷卻,最后從出水口流回主軸冷卻油溫控制器完成循環。

      (3)主軸軸承內環和內裝式電動機轉子的冷卻措施———B 型內冷

      采用主軸套筒螺旋槽冷卻液熱交換系統,與不采用主軸套筒熱交換系統冷卻時軸承內環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對軸承內環的散熱效果不明顯。要減少主軸軸承內環的溫升和熱影響,必須采用冷卻劑對主軸中心孔冷卻( B型內冷) ,提高主軸軸承內環的散熱來實現。

      由此可見,機床設計師在進行高速加工中心電主軸單元設計時,兼顧折中各方面因素,一定要權衡剛度、變形量和壽命等之間的利弊,取得最佳主軸系統的溫升控制和熱變形抑制。以上只是對機床熱變形研究和試驗分析,希望對機床電主軸系統設計者起到一定的幫助作用。


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