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高速机床电主轴的热特性

时间:2021-12-16浏览:99次

高速电主轴作为高速机床的核心部件,也是这类机床的主要热源。在高速机床中,电主轴单元各部分的刚度和精度都较高,工作负荷小,由切削力引起的电主轴加工误差也比较小。但是电主轴中电机的发热和轴承的摩擦发热是不可避免的,如果处理不当,由此产生的热变形会严重减小机床的加工精度。因此,在高速机床中,电主轴的热特性成为影响加工精度的主要因素,直接限制了电主轴转速的提高。


高速电主轴的热源,高速电主轴的热变形主要是由电机和主轴轴承的发热引起的。在机床的加工过程中,电机的输出功率是其在空转时消耗的功率和切削时消耗的功率之和。在高速加工中,机床空转功耗转化的热量成为高速加工机床的主要热源。主轴轴承在高速运转时,存在复杂的摩擦现象,加剧了加热强度,直接影响电主轴系统的热变形。


同时,由于电机热量传递给轴承,轴承温升较高,加速了轴承的磨损,造成精度的损失,严重时甚至出现金属结合烧伤现象,导致轴承失效。主轴的热强度与主轴系统的结构、轴承的类型、配置、预紧力、润滑剂和传动方式都密切相关。试验表明,相同尺寸和规格的钢球和陶瓷球的角接触轴承在转速不同时温升值相似,但随着主轴转速的进一步提高,轴承温升急剧增加。随着轴承预紧力的增加,轴承发热量也会迅速增加。此外,在油气润滑系统中,油和气相互混合在一起冷却轴承,其中空气冷却占有很大的比例。


主轴热变形的机理,机床主轴在工作时是在内部、外部热源的作用下,而这些热源一般都是非恒定的。由于加工条件不同,变化程度也不同,主轴各部分材料、形状和结构不同,其热惯量也不同。此外,连接器之间结合面的热阻、和主轴表面不相同的传热条件等因素,使主轴形成复杂多变的温度场。在这样的温度场作用下,主轴部件的材料产生热应力和热位移,这与材料物理特性、零件的形状和支撑连接的状态不同,使得主轴的热变形问题更加复杂,给主轴热变形的研究带来了很大的困难。在加工过程中,影响机床加工精度的热源可分为两类:内部热源和外部热源。


主轴系统的温升通常是指在没有外部负载和外部热源影响的情况下,典型区域温度与环境温度的差值。在工程中,主轴前轴承的外圈经常被用作测量系统温升的典型区域。系统温升越高,零件热变形越大,精度损失的可能性越大,系统的热态特性越差。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,即温度场相对主轴轴线的对称性和温度梯度。在上升温度过程中,主轴本身会轴向延伸,主轴前后支承的中心位置会在径向发生变化。由于前支撑的直径和载荷通常大于后支架,前支撑的发热量也大于后支承,因此前支承和前箱壁的温度也高于后支承和后箱壁,主轴的工作端会因热变形而径向位移,导致抬头现象。


高速电主轴的散热,在内部、外部热源的作用下,高速电主轴各部分温度不同,而热量总是从高温传递到低温。电主轴有三种基本的传热方式存在。定子产生的热量大部分通过对流被冷却水或油带走,小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热传导直接传递给主轴和轴承,另一部分通过对流和辐射传递给定子。


电机定子油—水热交换冷却系统,高速电主轴通常采用油—水热交换系统,油泵不断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,再通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。主轴轴承的油—气润滑系统是利用一定压力的压缩空气和定量输出的少量润滑油在一定长度的管道内混合。通过管道内压缩空气的流动,带动润滑油沿管道内壁不断地流动,把油气混合物输送到安装在轴承附近的喷嘴,再通过喷嘴喷向轴承内圈与滚动体的接触点,实现润滑和冷却。


电主轴与周围空气之间的传热,高速主轴电机工作时表面较热,因此在较大温差作用下发生自由对流换热,同时也存在辐射换热。为了减少发热对主轴性能的影响,特别是对主轴轴承性能的影响,在结构设计过程中,在主轴电机的转子和轴承之间安装了冷却环,可以有效减少电机发热对主轴轴承的影响,延长轴承的使用寿命。