高速電主軸熱態特性研究綜述

郭小蘭

摘 要： 電主軸技術是隨著高速數控機床的發展和需求而發展起來的。高速電主軸的工作性能直接影響機床加工系統的精度、穩定性和應用范圍，其熱態特性對高速加工起著關鍵作用。本文對高速電主軸內部的發熱進行了深層次的綜述，同時結合電主軸穩態熱分析，提出了改善電主軸的熱態特性的措施。

關鍵詞： 電主軸 熱態特性 溫度場 熱變形

1.引言

超高速加工是以比常規高5～10倍的切削速度和進給速度對工件進行機械加工的先進制造技術，其高速主軸單元被稱為高速機床的核心部件，也是該類機床的主要熱源。然而電主軸中電動機的損耗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就會嚴重降低機床的加工精度。因此，在高速加工中，電主軸的熱態特性成為影響加工精度的一個主要因素，并直接限制電主軸轉速的提高。

2.電主軸熱源分析

高速電主軸有兩個主要內部熱源：內裝式電動機的損耗發熱和軸承的摩擦發熱。

電動機的作用是把電能轉化成機械能，在轉化的過程中會產生能量的損失，相當一部分能量以熱量的形式存在于轉子與定子之間的殼體內，導致主軸產生熱變形，影響主軸的加工精度，嚴重時還會降低主軸的使用壽命。電動機的損耗一般分為四類：機械損耗、電損耗、磁損耗和附加損耗；前三類損耗為主要損耗[1]。因此，要保證高速條件下電主軸的加工精度，關鍵是解決內置電機的發熱問題，提高電主軸的熱穩定性。

機械損耗：機械損耗主要是由于轉子高速旋轉時與空氣間的摩擦損耗，產生在定子和轉子之間的間隙處，可由下式計算：

p■=πCρ？覣■R■L（1）[1]

式中p■——機械損耗功率，單位為W；

C——摩擦系數

R——轉子的外半徑，單位為m；

L——轉子的長度，單位為m

？覣——角速度，單位為rad/s；

ρ——空氣密度，單位為kg/m■。

電損耗主要是定子和轉子線圈的損耗，可用下式計算：

P■=I■R=I■ρL/S（2）

式中P■——電損耗功率，單位為W；

I——電流，單位為A；

R——導體的電阻，單位為Ω；

ρ——導體的電阻率；

L——導體的長度，單位為m；

S——導體的截面積，單位為m■

磁損耗是在定子、轉子鐵心內因磁滯和渦流所造成的主要損耗。與主磁通對有效鐵心的周期性反復磁化有關。反復磁化分為三種：靜磁化——在一定限度內磁化電流緩慢變化時產生的磁化；循環磁化——由交變電流產生的磁化；旋轉磁化——電樞鐵心在磁場中旋轉時產生的磁化。循環磁化時單位質量的磁損耗可用下述經驗公式表示：

P■=CfB■■（3）

式中P■——磁滯損耗功率，單位為W

C——與電工鋼牌號有關的常數

f——磁化頻率，單位為s■

B■——磁感應強度最大值，單位為T

引起軸承發熱的原因主要是滾子與滾道的滾動摩擦、高速下所受陀螺力矩產生的滑動摩擦、潤滑油的黏性摩擦等 [2]。

在主軸無外載荷運轉時，轉矩就是電主軸在這一轉速下的總摩擦力矩。目前軸承的熱源計算主要是根據Palmgren公式進行計算的，由總摩擦力矩M（N·m）和轉速n（r/min）就可算出空轉摩擦功率損耗N，也就是電主軸的軸承熱源強度，如下式所示：

N=M·n（Kw）/9550（4）

軸承摩擦總力矩M由軸承空轉時潤滑劑黏性產生的摩擦力矩M■和與速度無關的載荷作用下產生的摩擦力矩M■兩部分組成[3]，即：

M=M■+M■=0.45f■（μw）■d■■+f■■■F■d■（5）

式中：f■為取決于軸承設計和潤滑方式的系數，對于角接觸球軸承，f■=1；μ為潤滑劑在運轉溫度下的運動粘度；w為軸承內圈的旋轉速度；d■為軸承平均直徑；f■為取決于軸承設計與載荷的系數，對于角接觸球軸承，f■=0.001；F■為軸承的當量靜載荷；C■為軸承額定靜載荷；F■為決定軸承摩擦力矩的計算載荷。

高速電主軸的軸承熱源強度越大，表明主軸系統在空轉條件下的能耗越大，引起熱變形的可能性越大，主軸系統的型號、配置和預緊、潤滑劑和轉動方式等都對軸承在運轉時的發熱有密切的影響[4]。此外，軸承發熱強度還與主軸系統的工況條件有關，載荷、轉速和運行時間的變化，都會引起發熱強度的變化。

3.電主軸的穩態熱分析

電主軸的溫度場分布和熱變形主要采用的是有限元分析和有限差分法，有限元法可以用于虛擬電主軸溫度場數值仿真求解。先構建軸對稱結構幾何模型，進行網格劃分；再施加載荷，輸入各部分的發熱量及傳熱系數等特定邊界條件和初始條件，根據能量守恒原理求解每一節點處的熱平衡方程，計算出各節點溫度，求出與溫度相關的物理量的分布狀況，如節點及單元的熱流密度、熱梯度等[5]。如熱分析與結構分析相結合，進一步求出分析對象的熱應力和熱位移[6]。有限差分法的基本思想是將求解區域進行離散，同時將求解區域用網格線的交點（節點）所組成的點的集合來代替，對于每個節點上的熱傳導方程的導數項用相應的差分和差商來代替，從而在每個節點上形成一個代數方程，求解這些代數方程組成的方程組就可獲得各節點的溫度值。運用有限差分熱模型計算，可以得到虛擬高速電主軸熱量分布及傳熱與散熱等特性[7]。

分析結果一般為轉子鐵芯的溫度最高，這是因為轉子發熱的熱量在鐵芯處累積，且散熱條件不好，熱量不能迅速有效地導出，因而溫升較高。其次為定子鐵芯的內表面。盡管定子產生的熱量可通過冷卻油帶走，但從轉子鐵芯通過氣隙傳來的熱量仍使得定子鐵芯中部的溫升較高。前后軸承的溫升較大。前、后軸承的溫升較高，一方面是因為軸承本身發熱量較大，另一方面是受轉子較大的發熱量的影響[8]。因此，產生的軸向熱應力會很大，必然引起較大的主軸熱位移。

4.改善電主軸的熱態特性的措施

為改善電主軸的熱態特性，可從兩方面考慮，即減少發熱和增強散熱。減少發熱可用陶瓷球軸承或非接觸式軸承，陶瓷球軸承的質量比較輕，在高速回轉時離心力相對小些，從而減小接觸應力，降低摩擦。非接觸式軸承可以減小摩擦，減小發熱量[9]。增強散熱可加強電機的冷卻，采用合適的潤滑方式，如油氣潤滑減少電主軸的熱變形；在殼體上增加散熱排風口，增強殼體內部空氣的對流，加強對流循環，達到增強散熱的目的，可有效減小轉子發熱量。在電主軸結構設計中，除了采用加裝冷卻水管外，強制對流是比較好的辦法。

5.結語

在制造加工過程中，應根據實際的加工情況，通過對電主軸進行穩態熱分析，對電主軸溫度場進行比較，找到電主軸的發熱規律，確定合適電主軸的結構設計和潤滑冷卻方式。這對于提高電主軸的產品質量和技術水平，促進我國高速數控機床的發展及高速加工技術的普及應用，有重要的理論意義和實用價值。

參考文獻：

[1]崔海云.磨削類電主軸單元動態熱態特性研究[D].太原科技大學，2010.

[2]張明華，袁松梅，劉強.基于有限元分析方法的高速電主軸熱態特性研究[J].制造技術與機床，2008（4）.

[3]黃曉明，張伯霖，肖曙紅.高速電主軸熱態特性的有限元分析[J].航空制造技術，2003（10）.

[4]邵寬平.高速電主軸單元的熱態特性研究[D].蘭州理工大學，2011.

[5]黃曉明.高速電主軸熱態特性的有限元分析[D].廣東：廣東工業大學碩士學位論文，2003.

[6]南江.TH5650立式加工中心電主軸的熱分析[D].西南林業大學，2006.

[7]林偉青，傅建中.擬實環境下高速電主軸建模與熱態特性研究[J].儀器儀表學報，2006（06）.

[8]黃曉明，張伯霖，肖曙紅.高速電主軸熱態特性的有限元分析[J].航空制造技術，2003（10）.

[9]孫興偉，王聰，王可，王遠濤.高速電主軸熱態特性的研究[J].制造業自動化，2011（11）.