分析高速機(jī)床電主軸的熱管冷卻

孟祥宇

摘要 高速機(jī)床相對(duì)于傳統(tǒng)的加工機(jī)床來(lái)說(shuō)具更高的加工速度以及較優(yōu)秀的零件精度及切削表面質(zhì)量，為現(xiàn)代化的機(jī)械加工業(yè)提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。但是由于高速機(jī)床在工作的過(guò)程中，是由電主軸的高速旋轉(zhuǎn)來(lái)完成工作的，在這一進(jìn)程中產(chǎn)生了大量的熱量，溫度的升高使得機(jī)械產(chǎn)生熱膨脹，從而使得零件的制造精度降低，誤差較大，因此采取有效的降溫措施是保證高速機(jī)床正常工作的必然選擇。本文中主要針對(duì)高速機(jī)床電主軸的熱管冷卻進(jìn)行了詳細(xì)的分析及探討。

關(guān)鍵詞：高速機(jī)床；電主軸；熱管冷卻

高速機(jī)床在使用的過(guò)程當(dāng)中，處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的電主軸的各個(gè)零件都會(huì)表現(xiàn)為或強(qiáng)或熱的發(fā)熱現(xiàn)象，如果不采取及時(shí)且有效的冷卻措施，就會(huì)使得電主軸與機(jī)床中的其它結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置等參數(shù)相較于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)存在較大的誤差，特別是電主軸發(fā)生較強(qiáng)的熱膨脹時(shí)，會(huì)嚴(yán)重的影響著零件的加工誤差，此外，由于溫度得不到很好的控制，也會(huì)使得電主軸過(guò)熱而發(fā)生局部的應(yīng)用變化等，等而減少高速電主軸的使用壽命，增加了生產(chǎn)成本，因此應(yīng)采用合理的冷卻系統(tǒng)，提高電主軸的冷卻水平，從而更有利于穩(wěn)定機(jī)械加工質(zhì)量，保護(hù)高速機(jī)床設(shè)備。

1.創(chuàng)新高速電主軸冷卻系統(tǒng)的必要性分析

在當(dāng)今我國(guó)使用的高速機(jī)床中，在進(jìn)行高速主軸冷卻工作時(shí)，大多數(shù)是采用在主軸殼體內(nèi)添加冷卻油的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些冷卻油在主軸的工作過(guò)程中得到不斷的循環(huán)，從而將熱量帶下次，達(dá)到主軸冷卻的最終目的。在具體的工作中，這些冷卻油在油溫控制器的控制下，經(jīng)前端蓋處的入水口，流入到前端軸承外圍，并完成對(duì)前端軸承的冷卻工作，隨后再流向主軸的定子及后軸承，完成相應(yīng)的冷卻任務(wù)后，再流回主軸油溫控制品，這一流程的結(jié)束即完成了一次冷卻循環(huán)。

高帶電主軸在工作中之所以會(huì)發(fā)出熱量，究其原因主要是其存以以下的發(fā)熱源，首先位于機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)中的主軸電動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)而發(fā)出的熱量，是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要熱量來(lái)源；其次，由于電動(dòng)機(jī)在主軸殼體內(nèi)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)使得殼體內(nèi)的空氣發(fā)熱，同時(shí)再通過(guò)主軸殼體等散發(fā)了出去，這使得主軸的溫度有所升高，甚至于其使用壽命也會(huì)有所縮短，零件的加工精度也得不到有效保證；最后，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，主軸軸承摩擦所產(chǎn)生的熱能也是熱源之一。而傳統(tǒng)的冷卻方式只進(jìn)行了定子冷卻，沒(méi)有對(duì)轉(zhuǎn)子的相關(guān)部件進(jìn)行冷卻，雖然外部看似已經(jīng)冷卻，但內(nèi)部仍然很熱。要想實(shí)現(xiàn)全面的冷卻效果，對(duì)傳統(tǒng)的高速機(jī)床電主軸冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化及革新勢(shì)在必行。

2.熱管冷卻的工作原理及特性分析

熱管是一種當(dāng)今社會(huì)較為常用的一種傳熱元件，其工作原理主要是依靠密封于高真空腔體內(nèi)工質(zhì)的相變過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)傳熱的，這樣的不間斷式的傳熱系統(tǒng)，可以在沒(méi)有外力作用的條件下，實(shí)現(xiàn)通過(guò)小截面的熱量遠(yuǎn)距離傳送，且運(yùn)行十分穩(wěn)定。熱管3個(gè)工作段中，蒸發(fā)段與凝結(jié)段是必不可少的，而絕熱段根據(jù)設(shè)計(jì)的要求可有可無(wú)，在實(shí)際應(yīng)用的熱管結(jié)構(gòu)中，通常都是沒(méi)有絕熱段的。熱管區(qū)別于其它傳熱元器件的許多特性，在這里提出將熱管的技術(shù)用于高速機(jī)床電主軸冷卻，主要因?yàn)闊峁艿囊韵聨c(diǎn)特性為實(shí)現(xiàn)電主軸冷卻控制提供了可行性：

（1）高效的導(dǎo)熱性。通過(guò)熱管進(jìn)行散熱，就是利用熱管內(nèi)部液體的汽、液轉(zhuǎn)換的熱量變化，而實(shí)現(xiàn)傳熱的，這一過(guò)程的熱阻極小，相應(yīng)的導(dǎo)熱能力也就更高。在單位重一定的條件下，熱管可比銅、鉛等金屬多輸送幾個(gè)量級(jí)的熱量。

（2）熱響應(yīng)性速度快。熱管采用的是真空結(jié)構(gòu)，其較小的壓力，使得熱管的整體啟動(dòng)溫差都很小，當(dāng)蒸發(fā)段相比于冷凝段溫度稍高些時(shí)，熱管能夠迅速調(diào)節(jié)蒸發(fā)段與冷凝段之間的溫差，使溫差得到迅速改變，響應(yīng)速度非?？臁?/p>

（3）結(jié)構(gòu)形狀的多樣性。熱管的結(jié)構(gòu)形狀可根據(jù)需求呈現(xiàn)出不同的形狀，其冷卻及加熱的位置也能夠?qū)嶋H情況隨意確定，這強(qiáng)化了它的隨意性，使其應(yīng)用范圍更加廣泛。

（4）管內(nèi)溫度分布非常均勻。通過(guò)真空內(nèi)的蒸汽溫度可以有效的實(shí)現(xiàn)熱管表面的溫度控制，同時(shí)熱管內(nèi)各部件的熱阻較小，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生較大變化，甚至是沒(méi)有影響。

（5）導(dǎo)熱密度可以隨著需要的變化而變化。既可以用較小的蒸發(fā)段輸入熱量，用較大的冷凝段輸出熱量，也可以用較大的蒸發(fā)段輸入熱量，而以較小的冷凝段輸出熱量。

3.高速機(jī)床電主軸的熱管冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用熱管技術(shù)的主軸冷卻系統(tǒng)不但可以對(duì)軸殼進(jìn)行冷卻，而且還增加了對(duì)高速主軸芯的冷卻。通過(guò)將為電主軸量身定做熱管植入電主軸的殼體和軸芯，將前端軸承、電機(jī)定子、后端軸承均設(shè)為蒸發(fā)段，將露出再后端蓋的熱管部分設(shè)為冷凝端。在機(jī)床上加裝冷卻空調(diào)機(jī)，并通過(guò)加壓，使冷空氣從后端蓋的入口流進(jìn)，最后從出口流出并循環(huán)到制冷空調(diào)機(jī)冷卻。當(dāng)機(jī)床工作時(shí)，一旦在蒸發(fā)端產(chǎn)生熱量，就會(huì)迅速通過(guò)熱管內(nèi)部的蒸汽帶到冷凝段，而在冷凝端遇上冷空氣，就會(huì)迅速帶走熱量，保證電主軸的恒溫狀態(tài)。利用高效的熱管導(dǎo)熱技術(shù)，能迅速帶走主軸電機(jī)和主軸軸承上的熱量，能有效的控制溫升，最大限度的減少由于主軸熱膨脹引起的加工精度誤差，同時(shí)也將提高軸本身與主軸軸承的使用壽命。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)的機(jī)械加工技術(shù)水平得到了明顯的提升，特別是高速加工機(jī)床的誕生及使用，更使得機(jī)械加工業(yè)步入了新的發(fā)展時(shí)期。但是高速電主軸在使用過(guò)程中，溫度的快速升高，影響了高速機(jī)床有正常使用，降低了零件的加工精度，只有通過(guò)采用有效的冷卻技術(shù)，才能改善這一狀況，高速電主軸熱管冷卻技術(shù)就是這樣的一種有效的降溫技術(shù)。有了該項(xiàng)技術(shù)的存在，可以在機(jī)床可承受的范圍內(nèi)，相應(yīng)的提高電主軸的轉(zhuǎn)速，從而提高加工機(jī)床的工作效率，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

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