潘丁丁1 王欣2
【1.旭泰（沈陽）精密機械有限公司，遼寧沈陽（yáng） 1101422；上（shàng）海（hǎi）優尼斯工業設備銷售有限公司沈陽分（fèn）公司，遼寧（níng）沈陽 110142】
摘 要（yào）：隨著機床主軸轉速（sù）的提高，切削進給速度和加速度的加大，機床發熱將急劇上升。對於高速機床來（lái）說，熱變形（xíng）所引起的加工誤差可占總體誤差的30％～70％。熱誤差是影（yǐng）響機（jī）床加工精（jīng）度穩定性的（de）重要因素，而主軸係統（tǒng）的熱變形引起（qǐ）的誤差（chà）是引起機床熱變形誤差的（de）主要因素。
關鍵詞：高速（sù）機床；電主軸；熱特性
引言（yán）
高速電（diàn）主（zhǔ）軸（zhóu）作為高速機床的（de）核（hé）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（zhóu）單元各零（líng）件的剛度和精度都比較高，工作負荷不大，電主軸因（yīn）切削力引（yǐn）起的加工誤差比較小。然而，電主軸中電機的發熱和軸承的摩（mó）擦發熱卻是不可避免的，由此引（yǐn）起（qǐ）的（de）熱變形如果處理不當會（huì）嚴重地降低機床的加工精度（dù）。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，並直接限製了電主軸轉速的提高。
1.機床及其主軸係統熱特性的研究發展
機械加工中傳熱和熱變形（xíng）對加（jiā）工精度的穩（wěn）定（dìng）性影響（xiǎng）是逐步被人們所認識的。Z先被注意的是工件熱變形。機（jī）床熱變形（xíng）影響加工精度穩定性的問題發現得比（bǐ）較（jiào）晚。在1984年召（zhào）開的CIRP年會上強調：對於機床熱特性的（de）研究工作不能簡單地靠直接經驗（yàn），而（ér）要靠科學的研究方法。研究機床熱變形（xíng）應基（jī）於精確的測試，進而研究其機（jī）理，分析其規律，將正確（què）的感性認識提高（gāo）到理性認識。我國（guó）在20世紀（jì）50年代開始了機床熱變形的（de）研究（jiū），在20世紀50年代末、60年代初，我國很多單位都進行了熱變形研究。1984年成立了（le）全國機床熱變形（xíng）研究會，標誌我（wǒ）國機床熱變形的科研和學術活動進（jìn）入了新的階（jiē）段。高速主軸單元是（shì）高速機床的（de）核心部件，其性能在很大程度上決定了整台機床所能達到的切削速度和加（jiā）工（gōng）精度。隨著先進的電氣傳動（dòng）技術（shù）在高速機床上的廣泛應用，大大地簡（jiǎn）化了高速機床主傳動的機械（xiè）結構。在高速機床中點主軸的應用比較廣泛。電主軸是由內裝式（shì）電機和機床主軸合二（èr）為一傳動形式，將其空心轉子直接套裝（zhuāng）在機床的主軸上，帶有冷卻套的定子（zǐ）則安裝在主軸單元的殼體（tǐ）內，形成內裝（zhuāng）式電主軸。國內在高速電（diàn）主軸熱特性方麵的研究水平與工業發達國家相比有很大的差距，仍有很長的路要走。研究高（gāo）速電主軸的主要任（rèn）務是分析計算主軸的熱（rè）源、溫升、溫度場和熱位移場。在（zài）工程中常（cháng）常采用有（yǒu）限元（yuán）法和有限差分法等近似的數值計算方（fāng）法來（lái）求解和研究傳熱過程。
2.主軸熱變形的機理
機床主軸在工作時處（chù）於內、外熱源的作用下，而且這些熱源一般來說都是（shì）非恒定的（de）。由於加工條件不同，變化的程度也不同；主軸各零部件的材（cái）料（liào）、形狀和結構（gòu）各不相同，各自熱慣性也不相同；再加上聯結件之間結合麵的熱阻、主軸表麵不（bú）盡相同的傳熱狀況等因素，使主（zhǔ）軸形成了一個（gè）複雜多變的溫度場。在這樣的溫度場（chǎng）作用下，主軸構件材料產生了（le）熱應力和熱位（wèi）移，且隨著材料物理特（tè）性（xìng）、零部件形狀以及支（zhī）承聯接狀態的不同而不同，從而（ér）使主軸的熱變形問題更加複雜，給研究主軸熱變形帶來（lái）很大的困難。在加工過程中，影（yǐng）響機床加工精度的熱（rè）源可分為內熱源和外熱源兩（liǎng）大類。主軸係統的溫升，通常（cháng）使指在（zài）無外加載（zǎi）荷和無外（wài）部熱源影響的條件下（xià）的典型區域溫度與環境溫度的差值。工程上多用主軸（zhóu）前軸承的外圈作為測量係統溫升的典型（xíng）區域。係統溫升越高，零件的（de）熱變形越大，引起精度喪失的可能（néng）性越大，係統（tǒng）的（de）熱（rè）態特性就越差。但是，影響主軸係統工作精度的（de）關鍵因素並（bìng）不是溫升，而是溫度（dù）場的分布，也就是溫度場對（duì）主軸軸線的對稱性和溫度梯度。在溫（wēn）度上升的過程（chéng）中，主軸本身（shēn）將產生（shēng）軸向伸長，同（tóng）時主（zhǔ）軸前後支承的中心位置必會在徑向發生（shēng）變化。由於前支承的直（zhí）徑和負荷通常（cháng）比後支承大，因此前支承的發熱量也比後支承大，故前支承和前箱壁的（de）溫度也要比後支承和（hé）後箱壁的溫度高，熱（rè）變形的結果將（jiāng）使主軸的工作端產生徑向位移，出現抬（tái）頭現象。
3.高速（sù）電主軸（zhóu）的熱源
高速電主軸的熱變（biàn）形主要是（shì）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（gōng）率與切削時（shí）消耗的功率的總和。在高速加工中，機（jī）床的空轉（zhuǎn）功耗所轉化的熱成為高速加工機床的主要（yào）熱源。主軸軸承在高速運轉中，存在著（zhe）複雜的摩擦現（xiàn）象，加劇了發熱強度（dù），直接影響電主軸係統的熱變形（xíng）。同時由於（yú）電機發熱傳遞給（gěi）軸（zhóu）承，使軸承的（de）溫升更高，這就加速了軸承的磨損而使精度喪失，嚴重（chóng）時甚至發生金屬粘結燒傷現象，使軸承失效。主（zhǔ）軸軸（zhóu）承的熱強度與主（zhǔ）軸係統的結構、軸承（chéng）的型號（hào）、配置和（hé）預緊、潤滑劑以及傳動方（fāng）式都有密切的關係。試驗（yàn）表明同樣尺寸規格的鋼球和陶瓷球角接觸（chù）軸承，在速度不商（shāng）時溫升值相差不多，但是隨著主軸轉速的進一步的提高進（jìn）入高速區，則（zé）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（huì）迅速增加。另外在油一氣潤滑係統中，油和氣相互混合，一起對軸（zhóu）承進行冷卻，其中空氣的冷卻占很大的比例。
4.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（de）溫度有差異，而熱量總是從高溫向（xiàng）低溫處傳遞（dì），三種基本的傳熱方式在（zài）電主軸中都存在。定子產生的熱（rè）量大部分通過（guò）對流由冷卻水（shuǐ）或油帶走，而（ér）少部分通過對流和輻射傳遞給定子周圍的（de）空（kōng）氣：轉（zhuǎn）子產生的熱（rè）量一部分通過導熱直接傳遞給主軸和軸承，而另（lìng）一部（bù）分通過對流和輻射傳遞給定子。電主軸的散熱示意圖如（rú）圖1所示。
（1）主軸軸（zhóu）承（chéng）的油一氣潤滑係統
油一氣潤滑係統是利用具有一定壓力的（de）壓縮空（kōng）氣和定量輸（shū）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（guǎn）道中的流動，帶動（dòng）潤滑油沿管（guǎn）道內壁不斷（duàn）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（zuǐ）射向軸承內圈和滾動體（tǐ）的接觸點實現潤滑和冷卻。
（2）電機定子油-水（shuǐ）熱交換冷卻係統
高速電主軸通常采（cǎi）用油-水熱交換的係統，油泵連續輸出大流量的冷卻油，通過電機定子（zǐ）冷卻套的螺旋槽與電機（jī）定子產（chǎn）生熱交換，再經過輸出回路與水進行（háng）熱交換，使油冷卻後流回油池，實現循環冷卻。
（3）電主軸與周圍空氣的傳熱（rè）
工作中高（gāo）速主軸電機表麵是熱的，所以在較大溫差的作用下發生自由對流換熱，同時還有輻（fú）射換熱。為了減發熱對主軸性（xìng）能的影響，特別是對主（zhǔ）軸軸承性能的影響，在（zài）結構設計的（de）過程中在主軸（zhóu）電機轉子與軸承之間安裝了冷卻（què）環，可以有效地減小由於電機發熱對（duì）主軸軸承的影（yǐng）響，提高軸承的（de）使用壽（shòu）命。
結論
通（tōng）過以上闡述，主軸係統運（yùn）行中所產生的熱量是整（zhěng）機熱源中的重要來源之（zhī）一，由此引起的熱（rè）變形誤差又是引（yǐn）起機床熱變形誤差的重要因（yīn）素。因此（cǐ），主軸係統的熱（rè）特（tè）性分析與設計（jì）對保證（zhèng）機床精度穩（wěn）定性至關重要，是高速高（gāo）精度機床必須要考慮（lǜ）和（hé）解決（jué）的關鍵技術問（wèn）題之一。
參考文（wén）獻
[1]張伯霖，楊慶東，陳（chén）長年.高速切削技術及應（yīng）用[M].北京：機械工業出版社，2003，14.
（"決策論壇——區域（yù）發展與公共政策研究學術研討會", 2016）
