加工內螺紋銅管用電主軸技術研究

宋思明 吳東陽 張濤 李東亞

摘 要：文章主要從轉速、振動、冷卻、潤滑和旋壓工裝方面介紹了用于生產加工內螺紋銅管用電主軸的相關技術，并對其加工技術進行了探討。

關鍵詞：拉輾用電主軸；內螺紋銅管；軸承

中圖分類號：TG659 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）14-0143-02

Abstract： In this paper， the related technology for producing and machining internal threaded copper pipe is introduced from the aspects of rotational speed， vibration， cooling， lubrication and spinning tooling， and the processing technology is discussed.

Keywords： electric spindle rolling； copper tube with internal thread； bearing

隨著內螺紋銅管以其高效的熱交換率被廣泛應用于空調、冰箱等制冷設備上，需求量不斷擴大，內螺紋銅管加工迎來了快速發展和技術進步。起初，國內銅管加工設備和生產線一直被國外壟斷，國內各大生產商的生產設備及工藝也在實踐中不斷改良創新，其中洛陽軸研所最早開發出了高轉速拉輾軸，實現了產品替代，促進了內螺紋生產技術的進步，目前被廣泛應用的無縫內螺紋銅管的成型工藝為超高速行星滾壓成型工藝，但其拉輾軸的旋壓速度低和拉拔口徑小等缺點限制了生產效率。為了適應空調器節能降成本的要求，內螺紋銅管的管徑要求越細越薄，這對其加工設備提出了更高的要求。

1 內螺紋銅管的成型原理

目前被廣泛應用的內螺紋銅管滾珠旋壓成型技術包括三個工序：減徑拉拔，滾珠旋壓起槽和定徑拉拔，成型原理如圖1所示。高速電機帶動旋壓套內的鋼球圍繞銅管外表面高速行星旋轉，銅管在拉拔力的作用下直線運動，帶動螺紋芯頭轉動，在銅管內壁上形成與螺紋芯頭相同的溝槽[1]。游動芯頭起到對螺紋芯頭的軸向定位作用。旋壓起槽后的銅管經過最后的定徑拉拔形成所要求規格的內螺紋銅管，如圖2 所示。合格的內螺紋銅管要求齒型飽滿美觀，紋路均勻，外表光滑。

2 拉輾用電主軸的相關介紹

生產螺距滿足要求的銅管，其中內螺紋拉輾成型環節最為重要，需要電主軸的高轉速和低振動。洛陽軸研所開發了15000/24000/35000/45000一系列的拉輾用電主軸，滿足了市場所需的多規格管徑銅管的加工要求。其中超高速拉輾軸解決了生產速度低的問題，并實現了內螺紋銅管的細徑、薄壁、高齒化生產。

以型號170LD45Q20超高速拉輾軸為例，設計極限轉速為45000r/min，功率20kW，設計最高拉拔速度為120m/min，振動值要求低于1.8mm/s。拉輾軸結構示意圖如圖3所示，圖中1為角接觸陶瓷球軸承，具有高轉速高剛性特點。前后軸承均為DT（串聯）配置，能夠承受徑向力和軸向推力，這種配置適合高速運轉場合；2為軸承油氣潤滑用噴油隔圈；3為永磁同步電機，具有高效率、高力矩慣量比、高能量密度的特點；4為水套；5為滾動導套，可以防止軸承發熱引起的軸向熱伸長；6為彈簧，為軸承提供彈性預緊；7為氣密封環。

3 固有頻率對極限轉速的影響

拉拔速度V=轉速n×螺距p，由于轉軸中心通孔，影響極限轉速和振動。故在電主軸的設計過程中，對于有特殊要求的高轉速主軸系統，需要對其軸系進行固有頻率和臨界轉速的計算分析，以確保在主軸工作時的穩定性和安全性。

由于高階模態的固有頻率遠高于可能出現的激勵力的頻率，不會發生共振現象，故本文只對該軸系進行前三階計算分析。首先將軸系找節點、分單元，并標明有附加質量的位置和序號；確定軸承的型號和預緊力，添加徑向和軸向外力，選擇對應的材料，計算結果如表1所示。

通過對計算結果的分析，結合生產實際的轉速需要，確定該主軸的轉速為45000r/min，轉軸中心通孔φ16。

4 平衡技術

當高速主軸旋轉中心與軸線有一定的偏心時，主軸轉子上會產生隨轉速周期性變化的不平衡力和不平衡力矩，引起主軸系統的振動，影響零件的加工精度，降低軸承的使用壽命，甚至導致嚴重的安全事故，這種現象稱為主軸存在不平衡。造成這種不平衡的主要原因有：

（1）主軸設計存在不對成性；（2）主軸材質分布不均

勻；（3）主軸在加工和裝配的過程中存在誤差；（4）旋壓套結構或者磨損產生的不平衡。

上述因素造成的主軸不平衡都具有隨機性，無法通過計算得到，因此需要通過動平衡來對主軸進行測量和校對，使主軸不平衡量降到允許的范圍內[2]。

旋壓套作為高速回轉體，采用對稱式結構設計，并且需要將其安裝在轉軸上進行整體動平衡，平衡機通過檢測計算判斷出不平衡量的角度位置后，在回轉件兩端采用去重方法進行平衡。對于高精密高轉速系統的主軸，平衡等級為G0.4。提高回轉精度，降低振動。

5 冷卻技術

電主軸的發熱源來自于電機的熱損耗和軸承的旋轉摩擦發熱，電機的發熱功率為一般為20%～30%，為降低電機溫度，冷卻可選用水冷和油冷，水冷的優點在于比熱容大，冷卻效率高，但水冷易產生水蒸氣進入主軸內部，導致電機受潮損壞。為保證電機的絕緣安全，也可采用油冷卻。

主軸冷卻系統有連續、大流量冷卻液進行循環冷卻。水冷機提供的冷卻液通過進水口輸入，通過冷卻套時與定子進行熱交換，帶走主軸單元內部大量的熱量，以保證電主軸正常工作，然后通過出水口輸出返回到水冷機，從而實現循環冷卻。為了提高散熱效率，水套通常采用螺旋式水槽結構，這樣可大大提高了冷卻效率，降低了電機溫度。

6 潤滑技術

潤滑的目的是為了減少軸承內部摩擦及磨損，延長疲勞壽命，并且循環供油也可將摩擦產生的熱量排出，起到一定的冷卻效果。油量控制非常重要，過少會導致潤滑不充分溫度上升及燒傷，過多也會導致軸承在高速旋轉時因油的阻力增大而發熱。拉輾用電主軸的潤滑方式一般可采用油氣潤滑或油霧潤滑。

油霧潤滑是指利用壓縮空氣將潤滑油霧化，在噴射到軸承內部，其優點是可不斷向軸承輸送新潤滑油，軸承腔處于正壓狀態，防止灰塵和切削液進入，起到密封作用，缺點是對環境產生污染[3]。

油氣潤滑是通過裝置定量間歇性的噴出微量潤滑油，再通過混合閥將壓縮空氣中的潤滑油慢慢引出，潤滑劑在管路中的“附壁效應”，連續不斷向軸承供油。其優點是可以定量管理，每一次供油過程得到全面的監控：監控氣壓，供油狀況，合理控制油量，對軸承具有一定的冷卻作用，對環境污染小，但裝置成本較高。油氣裝置中推薦進氣壓力0.4-0.5MPa。

7 旋壓套設計

旋壓套包括連接套和回轉套，二者通過螺釘小間隙緊固配合，間隙量在0.005-0.01mm。其材料可選用軸承鋼或鈦合金。鈦合金材料質量輕，可減小回轉件的慣性質量，經過氮化處理后具有比強度高、耐腐蝕性好、耐熱性高等優點。

盤拉機產生的拉力約為14000kN，通過有限元模擬軟件分析得到，在螺紋成型過程中，旋壓鋼球和螺紋芯軸承受較大的徑向力，旋壓套承受軸向力，磨損較嚴重，因此選用鈦合金材料可提高整體模具的壽命，降低更換成本。

8 結束語

本文介紹了內螺紋銅管的加工成型原理，并且從轉速、振動、潤滑、冷卻、和旋壓工裝方面介紹了拉輾軸的相關技術。超高速拉輾軸對于拉制細徑、薄壁內螺紋銅管具有顯著的技術優勢，并可大幅度提高生產效率，是目前內螺紋成型生產設備的主要發展方向。

參考文獻：

[1]張榮欣，陳朝偉，等.高速大口徑銅管內螺紋成型技術探討[J].中國金融通報，2009，30：39.

[2]梅雪松，章云，杜 .機床主軸高精度動平衡技術[M].上海：科學出版社，2015，14.

[3]洛陽軸研科技股份有限公司.精密滾動軸承[Z].