超高速电主轴的热态特性

超高速电主轴的热态特性
朱红萍;盛鹤松
【摘要】在分析高速切削加工特性的基础上,对超高速电主轴的传热特性进行了研究,指出了高速电主轴的主要发热源,提出了有效改善电主轴热态特性的润滑冷却措施.
【期刊名称】《沙洲职业工学院学报》
【年(卷),期】2010(013)001
【总页数】3页(P30-32)
【关键词】高速;电主轴;热态特性;散热
【作者】朱红萍;盛鹤松
【作者单位】沙洲职业工学院,江苏,张家港,215600;张家港市天运建筑机械有限公司,江苏,张家港,215600
【正文语种】中文
【中图分类】TG506.1
现代机械制造工业正朝着高精度、高速度、高效率的方向飞速发展，因此，对加工机床提出了更高的要求。

与普通切削加工相比，高速切削加工有其独特之处：（1）切削效率高，大大提高了能源和设备的利用率；（2）加工表面质量好、精度高，可作为机械加工的最终工序；（3）热变形小，特别适合加工易产生热变形的材料及零件；（4）可以加工各种难加工材料，有效地减小刀具的磨损。

高速加工一般采用小直径刀具，小切深、小切宽、快速多次走刀来提高加工效率。

实现高速加工最根本、最核心的技术是实现高的切削速度，电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，不但转速高、功率大，使用电主轴可以减少带轮传动和齿轮传动，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中一种理想结构，被称为高速机床的核心部件。

电主轴是一种智能型功能部件，它采用无外壳电动机，将带有冷却套的电动机定子装配在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围完全由变频交流电动机控制，使变频电动机和机床主轴合二为一，它基本上取消了带传动和齿轮传动，机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。

目前，电主轴一般是采用内置式电机直接驱动的，它能够传递很高的转速和扭矩，而且刚性好，结构紧凑，可大大提高机床的生产效率和工件的加工质量。

但是这种结构也存在一个缺陷——主电机的散热条件比较差，轴承温升比较高。

电主轴的
发热问题是制约电主轴发展的重要因素之一，因而成为一个有待解决的重大难题。

在电主轴结构中，电机转子前后轴承与主轴均采用过盈配合来传递扭矩，同时它们之间也会存在大量的热传递。

研究发现，在电动机高速运转条件下，有近1/3的
电动机发热量是由电动机转子产生的，并且转子产生的绝大部分热量都通过转子与定子间的气隙传入定子中，只有少部分热量直接传入主轴和端盖上，其余2/3的
热量产生于电动机的定子。

尽管电机转子的发热量只有电机定子的1/2，但是由于电机定子有冷却油进行冷却，而转子的热量只有通过主轴两端和定子进行散热，所以散热条件比较差，温度相对来说比较高。

在电主轴转速增加到 10 000 r/min以后，轴心的温升增加得更快。

电主轴温度与影响其变化的因素之间并不是一个线性的关系，也就是说这个模型是本质非线性的。

电主轴内部的传热是一个复杂的过程，而且影响因素很多，其热源为电机发热、搅动热、轴承热、切削热等，其中最主要的两大热源：一是内装电动机的损耗发热，二是轴承摩擦发热。

当前广泛使用的有限元软件ANSYS热应力分析先将所处理的对象划分成有限单元，然后根据能量守恒原理求解特定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程，从而求解出各节点温度及相关参数。

对于复杂问题，需根据构建的模型，寻求恰当算法，编程解决。

有限元差分法是传热问题数值求解的另一种有效方法。

其基本思想是将求解区域进行离散，同时将求解区域用网格线的交点（节点）所组成的点的集合来代替，对于每个节点上的热传导方程的导数项用相应的差分和差商来代替，再求解这些代数方程解，就可以获得各节点的温度值。

很多学者通过分析研究得知：电主轴的轴承综合预载包括轴承预载和轴承热预载，其中轴承热预载来自系统径向热膨胀和轴向热膨胀。

这些热膨胀都是由电主轴系统发热而产生的。

影响系统热力学的因素包括电机发热、切削热、冷却和轴承发热。

轴承发热量取决于轴承扭矩即轴承刚度的影响，而发热又反作用于轴承刚度。

在影响电主轴热力学性能的因素中，这些因素是相互关联互相制约的。

发热引起的热膨胀使得轴承扭矩增大，反过来又加剧了轴承的发热，如果散热不佳，又没有即时监控，极易烧伤轴承。

为此，改善电主轴的热特性，并采取预警措施和更加有效的散热是非常重要的。

高速电主轴在将电能转化为机械能的同时，也有一部分转化为热能。

所有这些热能无法通过风扇和机壳向外扩散，必须加以控制，否则电主轴将因热量积聚而使主轴的机械效率下降、主轴精度丧失、破坏电机线圈绝缘层的介电强度，主轴轴承也将受到损坏。

可以采取有效的措施改善主轴系统热特性：首先应尽量减少系统内部热源数量，如用非接触迷宫密封+气封代替接触式密封。

其次对那些无法移去的热源应尽量降低其发热强度，如对轴承，采用陶瓷球混合球轴承代替钢珠轴承，对轴承进行合理预紧及根据工况控制预紧力；以油-气润滑代替脂润滑；在采用脂润滑时，正确控制
脂的填充量。

对电机，以同步机代替异步机，能显著降低电机的发热量。

通过电主轴温度有限元分析表明，其热量大部分产生于通电后的定子。

由于电主轴将电机内置于主轴单元中，且转速很高，运转时会产生大量的热，引起电主轴温升，从而引起机床的热变形和零件的加工误差，降低机床的使用寿命。

可以在电机定子与壳体连接处设计循环冷却水套，水套用热阻较小的材料制造，套外环加工有螺旋水槽，电机工作时，水槽里通入循环冷却水，为加强冷却效果，冷却水的入口温度应严格控制，并有一定的压力，以保持电主轴单元壳体均匀的温度分布。

但是这种方法结构复杂，所需辅助设备多，散热效率不高，冷却过程中又造成了动力消耗与环境污染等问题，为此又提出了一种基于热管的电主轴冷却方式。

对于轴承的冷却，可以根据轴承和电机的位置不同，例如：前轴承和中轴承都集中在主轴前端，结构比较紧凑，可以借鉴电机定子的冷却方式，考虑在轴承座开环形冷却槽，通过油-水热交换系统来对轴承外圈进行强制冷却。

高速电主轴的润滑和冷却：
（1）润滑。

以动静压轴承支承的电主轴，润滑剂一般为温水或粘度较低的高速机械油。

供油压力一般较大，达5～7 Mpa；流量也较大。

此外，应采用特殊方式降低油路中润滑油温升，如供油采用静压二级闭式油路，回油采用强制冷却如水冷和风冷等。

以混合陶瓷球轴承支承的电主轴，一般用油雾、油气润滑。

油气润滑中，空气与油混合，压缩空气（来自工厂气源，经精细过滤器）常供，而油（少数厂家还加某种添加剂）采取定时、必须的最小量的方式供给。

这种润滑方式虽然所需设备复杂，成本很高，但这些润滑方式能对每个轴承分别进行精确润滑，润滑油利用率极高，轴承发热量小，无环境污染。

另外喷油润滑、环下润滑也是新型少油润滑，在高速电主轴中也将有广阔的应用前景。

（2）冷却。

经有限元分析，轴承发热较小的情况下，主轴电机的发热对轴承温升
的影响很明显。

随着主轴转速的提高，主轴的温升也增大。

在主轴转速增加到10 000 r/min以后，主轴的温升增加得更快，这是因为随着主轴转速的提高，轴承的发热量急剧增大的缘故。

电主轴的发热情况比较复杂，传统的测温方法只是对电主轴前部端盖、电动机定子绕组、或者电主轴轴承外圈进行局部接触测温，测得的温度无法取得最佳的监控效果。

由于受到绕组和轴承发热以及搅动热的影响，电主轴轴心的温升最大，因此改善电主轴轴心的冷却方式是降低电主轴温升、减少主轴热变形的最佳措施之一。

采用电主轴轴心冷却/轴承座圈下润滑的方式，即将大量已控制温度的冷却油输送
到转动的主轴内部，从内部直接冷却主轴本身（轴心冷却）的方式，从而抑制从低速到高速领域时轴承的受压变形，同时能长时间内将变形抑制到最小且稳定的程度。

通过上述分析，可以认为轴心冷却方式是改善电主轴温升的最佳方法之一。

同时，配合轴承座圈下润滑，对改善电主轴轴承温升，防止轴承烧伤，延长电主轴轴承寿命都有非常好的效果。

在电主轴结构设计中，除了采用加装冷却水管外，还应该增强壳体内部空气的对流，强制对流应该是比较有效的减小转子发热量的办法。

电主轴在工作过程中由于转速很高，所以在主轴上加装风扇显然不太可行，目前考虑可行的办法是在壳体上加装散热排风口，安装小型排风机，使壳体内部空气强制对流。

另外高速旋转的转子本身也具备带动气流的作用，改进转子的外表形状，使其在旋转过程中增大带动气流的面积，也可以使内部空气通过排风口排出，利用内部产生的负压，再通过吸风口吸入空气。

采用这种方法要考虑噪声的控制。

高速加工能提高生产率和降低生产成本，是一项非常有前途的先进制造技术。

采用电主轴的高速加工技术是目前机床行业非常热门的一个话题，它不仅可获得更高的生产率，而且还可获得很高的加工质量，并可降低生产成本，因而被认为是21世
纪最有发展前途的先进制造技术之一。

目前，国内在高速电主轴热态特性方面的研究深度与工业发达国家相比有一定的差距，仍有很长的路要走。

我们应对电主轴的温度场和热变形进行深入研究，掌握影响电主轴热态特性的主要因素，为今后电主轴新产品的研制提供理论依据，缩短新产品的开发时间，提高企业的竞争力。

在制造加工过程中，应根据实际的加工情况，通过有限元分析对电主轴进行热态分析，对电主轴温度场进行比较，找到电主轴的发热规律，确定合适的润滑冷却方式。

盛鹤松（1979-），男，张家港市天运建筑机械有限公司工程师。

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