基于高速机床的电主轴热管冷却系统

内容：高速机床在电主轴的高速旋转下，产生大量的热量，由此产生的热膨胀造成总制造误差的40% ~ 70%，也影响了高速电主轴的使用寿命。通过对现有高速电主轴冷却系统的分析，将热管高效导热、温度均匀、结构多样的特点应用于高速电主轴的冷却，可以快速导出大量热能。基于高速机床的电主轴热管冷却在高速机床工作时，由于电主轴的高速旋转，电主轴的各个部件都会产生不同程度的热量。加热后的电主轴与机床其他部件之间的相对位置和尺寸会与加热前不同，因此热膨胀会导致加工误差增大。特别是在高速机床的加工中，热膨胀引起的误差尤为突出。由于主轴系统各部分的刚度和精度都较高，但载荷不是很大，因此由应力引起的主轴弹性变形引起的加工误差往往很小，主轴单元的热膨胀成为影响加工精度的主要因素。据英国伯明翰大学的J皮勒尼克教授和日本京都大学的谷野和夫教授统计，在精密加工中，机床热变形引起的制造误差占总制造误差的40% ~ 70%。如果热变形处理不当，会严重降低机床的加工精度。因此，在高速电主轴冷却系统的设计中，采用高效的导热元件来控制电主轴的温升，降低其热膨胀，对提高电主轴的性能至关重要。1.现有高速电主轴冷却系统分析。现有的高速主轴主要是在主轴壳体内加入冷却油，不断循环带走热量来冷却的(如图1)。基本的冷却路线是：首先，冷却油从主轴冷却油温控制器流出，经过前端盖附近的进水口，冷却油进入前端轴承的外围，对前端轴承进行冷却。然后流到主轴的定子和后端轴承进行冷却，最后从出水口流回主轴冷却油温控制器，完成循环。国内现有的高速主轴冷却基本都是通过这种形式进行的。图1现有高速电主轴的冷却设计。高速电主轴的热源可分为以下几个部分。一、主轴电机内置在机床主轴的结构中，电机高速旋转产生的热量是其结构内部的主要热源。其次，主轴壳体内电机转子的高速搅动会使腔内空气升温。这些热源产生的热量主要通过主轴箱和主轴散发，所以电机产生的热量有相当一部分会通过主轴传递给轴承，从而影响轴承的使用寿命，并引起主轴的热伸长，从而影响加工精度。第三，随着主轴转速的提高，主轴轴承摩擦产生的热量也随之增加。电机的发热主要包括定子绕组的铜损和转子的铁损，其中定子绕组的发热占电机总发热值的2/3以上。在传统的冷却方式下，只对定子部分进行冷却，而对转子的铁损发热部分不进行冷却，也就是说占电机总热量近1/3的热量不进行冷却，形成外冷内热。转子的热膨胀对加工精度至关重要。如果主轴芯的长度为500mm，根据钢的金属膨胀系数，主轴芯的温度每升高一度，主轴的长度就会延长0.005mm。另外，在高速旋转的主轴的离心力作用下，用于冷却轴承的冷却液根本无法分配到轴承的内圈和轴芯。随着增长

2.热管的工作原理及特性分析。热管作为目前人类已知的最高效的传热元件之一，通过将工质密封在高真空腔体内，依靠工质的相变来传热。它的工作是连续的，不需要额外的动力就可以通过很小的横截面积将大量的热量传输很远的距离。因为没有无效运行部件，热管运行非常可靠。热管的工作原理如图2所示。在蒸发部分，液体被热量加热并蒸发。在真空室内，蒸发的蒸汽通过绝热段迅速流向冷凝段，蒸发段的热量也被带到冷凝段。在冷凝段，蒸汽在管外与冷却液相遇进行热交换，释放出蒸发段的热量。当蒸汽失去热能时，它粘附在冷凝段的芯上形成冷凝物。在灯芯毛细力的作用下，冷凝液返回蒸发段吸热，再次蒸发。在热管的三个工作段中，蒸发段和冷凝段是必不可少的，而隔热段根据设计要求是可选的。在实际的热管结构中，通常没有隔热段。下图2热管示意图。热管作为一种高效的传热元件，不同于其他传热元件。这里提出将热管技术用于高速机床电主轴的冷却，主要是因为热管的以下特性为电主轴的冷却控制提供了可行性：(1)高效导热。热管内部主要依靠工作液体的汽液相变来传递热量，所以热阻很小，所以具有很高的热导率。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可以多传递几个数量级的热量。所以有人把热管称为热量的“超导体”。(2)热响应快。因为热管内部是真空，压力很小，所以热管的启动温差很小。只要蒸发段的温度略高于冷凝段的温度，热管就会快速响应，调节蒸发段和冷凝段的温差。(3)结构形状的多样性。脉动热管的基本结构可以根据热源和冷源的要求变化成各种形状，加热和冷却位置可以任意选择，大大增强了其适应性，扩大了应用领域。(4)管内温度分布非常均匀。热管的表面温度由真空中的蒸汽温度控制，而热管内部各部分的热阻很小，温度变化很小。当加热量变化时，热量

　　(5) 导热密度可以随着需要的变化而变化。既可以用较小的蒸发段输入热量，用较大的冷凝段输出热量， 也可 以用较大的蒸发段输入热量，而以较小的冷凝段输出热量。

　　3、采用热管冷却技术的高速电主轴的冷却系统设计

　　采用热管技术的主轴冷却系统不但可以对轴壳进行冷却，而且还增加了对高速主轴芯的冷却如图3所示。通过将为电主轴量身定做热管植入电主轴的壳体和轴芯，将前端轴承、电机定子、后端轴承均设为蒸发段，将露出再后端盖的热管部分设为冷凝端。在机床上加装冷却空调机，并通过加压，使冷空气从后端盖的入口流进，最后从出口流出并循环到制冷空调机冷却。当机床工作时，一旦在蒸发端产生热量，就会迅速通过热管内部的蒸汽带到冷凝段， 而在冷凝端遇上冷空气，就会迅速带走热量，保证电主轴的恒温状态。利用高效的热管导热技术，能迅速带走主轴电机和主轴轴承上的热量，能有效的控制温升，最大限度的减少由于主轴热膨胀引起的加工精度误差，同时也将提高轴本身与主轴轴承的使用寿命。

图3 采用热管技术电主轴的冷却设计

　　4、结语

　　高速电主轴热管冷却技术的使用，能有效降低电主轴由于轴芯的热膨胀所引发加工精度误差。在机床电主轴可承受的情况下，也能更进一步的提高主轴的转速，使机床的加工效率更高。同时也可以缓解电主轴轴承的热膨胀，提高轴承的使用寿命。国产的数控机床电主轴 的转速一直未能提高，其中的主要原因就高转速下的内部散热问题。而采用电主轴热管冷却技术，能有效的解决高速电主轴的内部散热问题。