油冷機(jī)技術(shù)在機(jī)床冷卻中的應(yīng)用

趙成寅

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

前言

隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)數(shù)控機(jī)床精度要求日益提高，因?yàn)闊嶙冃螌?dǎo)致的機(jī)床加工誤差問(wèn)題日益突出。大量研究表明，機(jī)床熱變形是導(dǎo)致機(jī)床加工精度降低的主要原因，根據(jù)國(guó)、內(nèi)外相關(guān)資料表明，熱變形導(dǎo)致的誤差占到機(jī)床總誤差的60 %左右。

數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行高強(qiáng)度工作狀態(tài)時(shí)，在內(nèi)部熱源（摩擦熱）和外部熱源（環(huán)境溫度）的共同作用下，形成一個(gè)非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。在該非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的下，機(jī)床主軸-軸承系統(tǒng)、主軸立柱、絲杠、床身會(huì)發(fā)生熱變形，從而導(dǎo)致機(jī)床加工精度大大降低。

如何減小熱變形，國(guó)內(nèi)、外學(xué)者進(jìn)行了深入的研究?？偨Y(jié)起來(lái)有如下三種方法：熱誤差補(bǔ)償、機(jī)床熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)以及油冷機(jī)降溫技術(shù)。油冷機(jī)降溫技術(shù)是通過(guò)利用制冷原理，將機(jī)床潤(rùn)滑油降溫，當(dāng)機(jī)床潤(rùn)滑油流經(jīng)主軸、軸承等機(jī)床發(fā)熱部件，通過(guò)熱傳導(dǎo)將熱量帶走，在機(jī)床內(nèi)部形成恒定溫度場(chǎng)，機(jī)床各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件在恒定溫度場(chǎng)內(nèi)工作，從而實(shí)現(xiàn)消除熱變形的目的。

油冷機(jī)的發(fā)展對(duì)高精密加工機(jī)床的發(fā)展有著重要的價(jià)值，作為高精密機(jī)床不可或缺的配件，油冷機(jī)的選擇對(duì)機(jī)床加工精度有著重要影響，油冷機(jī)制冷量選擇過(guò)小，造成機(jī)床內(nèi)部熱量無(wú)法完全消除，制冷量選擇過(guò)大，機(jī)床內(nèi)部溫度過(guò)低，造成主軸凝露，使主軸生銹等情況，本文將重點(diǎn)研究不同類型的機(jī)床如何選擇合適的油冷機(jī)。

1 油冷機(jī)降溫技術(shù)的發(fā)展

油冷機(jī)降溫技術(shù)與環(huán)境降溫、油淋降溫、熱管降溫技術(shù)相比，其最大的特點(diǎn)在于制冷量可以調(diào)節(jié)。隨著制冷技術(shù)、溫度控制技術(shù)的不斷發(fā)展，油冷機(jī)經(jīng)歷了ON/OFF控制，冷媒旁通回路搭配ON/OFF控制，直到目前的全直流變頻技術(shù)搭配智能PID溫度控制技術(shù)。

1）ON/OFF控制：采用定頻壓縮機(jī)、毛細(xì)管節(jié)流技術(shù)，制冷量調(diào)節(jié)范圍有限，控溫精度在±2 ℃左右，響應(yīng)速度嚴(yán)重滯后；

2）ON/OFF搭配冷媒旁通回路控制：在ON/OFF控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，在壓縮機(jī)出口和蒸發(fā)器入口增加旁通回路，利用電磁閥控制旁通回路的通斷，在機(jī)床轉(zhuǎn)速較低、發(fā)熱量較小的情況下，打開(kāi)旁通電磁閥，減小油冷機(jī)制冷量，從而達(dá)到減小油溫超調(diào)的目的。這種控制方式，可以將油溫精度控制在±1 ℃，目前國(guó)內(nèi)大部分油冷機(jī)生產(chǎn)廠家采用這種技術(shù)；

3）全直流變頻搭配智能PID溫度控制技術(shù)：這種技術(shù)是目前最先進(jìn)的油冷機(jī)技術(shù)，全直流變頻技術(shù)采用直流變頻壓縮機(jī)、電子膨脹閥（節(jié)流）、電子膨脹閥（旁通）、直流風(fēng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)壓縮、冷凝、節(jié)流過(guò)程均可隨機(jī)床的發(fā)熱量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；智能PID控制技術(shù)是在傳統(tǒng)PID控制技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的可調(diào)，從而克服溫度控制的大慣性、滯后性、時(shí)滯性等劣勢(shì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床油溫控制快速響應(yīng)、控溫精度達(dá)到±0.1 ℃。

2 油冷機(jī)基本工作原理

2.1 機(jī)床主要熱源

機(jī)床加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱量主要有四個(gè)來(lái)源：第一，機(jī)床主軸電機(jī)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)電機(jī)、液壓系統(tǒng)的能量損耗轉(zhuǎn)化的熱量；第二，刀具與加工工件之間產(chǎn)生的切削摩擦熱；第三，機(jī)床主軸與主軸軸承的摩擦熱，齒輪箱內(nèi)部齒輪嚙合產(chǎn)生的摩擦熱，絲杠與絲杠螺母產(chǎn)生的摩擦熱；第四，周?chē)h(huán)境溫度對(duì)機(jī)床的熱輻射。

分析機(jī)床熱量來(lái)源，明確機(jī)床的發(fā)熱部位主要是主軸-軸承系統(tǒng)、絲杠、齒輪箱、刀具-工件系統(tǒng)，其中主軸-軸承系統(tǒng)、絲杠、齒輪箱采用同一種油冷機(jī)，統(tǒng)稱為主軸冷卻機(jī)；對(duì)刀具-工件系統(tǒng)冷卻因?yàn)橐紤]到防堵的因素，采用另外一種結(jié)構(gòu)形式的油冷機(jī)，統(tǒng)稱為切削液冷卻機(jī)，如圖1所示。

2.2 冷卻機(jī)床主軸、軸承

圖1 油冷機(jī)冷卻示意圖

圖2 主軸冷卻機(jī)原理圖

主軸冷卻機(jī)工作原理如圖2所示，壓縮機(jī)將蒸發(fā)器中的冷媒氣體壓縮，形成高溫高壓的氣體，在冷凝器中進(jìn)行冷凝、液化，形成高溫、高壓的液體，通過(guò)節(jié)流裝置將高溫、高壓的液體變成低溫、低壓的液體，在蒸發(fā)器中低溫、低壓的液體冷媒吸收油中的熱量，變成低溫、低壓的氣體。

機(jī)床冷卻油和冷媒在蒸發(fā)器中換熱，冷卻油被降溫后回到機(jī)床，冷卻油進(jìn)入機(jī)床主軸以后，在冷卻流道內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，冷卻主軸的同時(shí)，通過(guò)主軸軸承上面的過(guò)油孔進(jìn)入軸承內(nèi)部，帶走熱量，高溫冷卻油在油泵的作用下再次進(jìn)入油冷機(jī)被冷卻，這樣完成一個(gè)循環(huán)。

2.3 冷卻刀具、工件

切削液冷卻機(jī)與主軸冷卻機(jī)不同點(diǎn)在于切削液冷卻機(jī)的循環(huán)回路是開(kāi)式的，切削液在循環(huán)過(guò)程中混入金屬碎屑、粉塵等各種雜質(zhì)，所以切削液冷卻機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮到蒸發(fā)器防堵，雜質(zhì)易清理的特點(diǎn)。主軸冷卻機(jī)的蒸發(fā)器多采用套管換熱器、殼管換熱器或者板式換熱器，在換熱器中冷媒與主軸油進(jìn)行換熱，而切削液冷卻機(jī)考慮到防堵塞，所以切削液冷卻機(jī)蒸發(fā)器采用盤(pán)管式換熱器，直接浸入油箱中，這種設(shè)計(jì)可以避免切削液中的雜質(zhì)、金屬碎屑堵塞蒸發(fā)器，但是它的缺點(diǎn)是換熱效率差，并且換熱不均勻，在蒸發(fā)器附件的切削液溫度低，靠近油箱壁的切削液溫度高，為了消除這種弊端，所以在油箱中增加了攪拌器，通過(guò)攪拌增加切削液的流動(dòng)，從而提高換熱消除油箱內(nèi)部溫差。盤(pán)管式蒸發(fā)器采用不銹鋼材質(zhì)或者銅管表面鍍層處理，要具備耐腐蝕特性。如圖3所示，為切削液冷卻機(jī)原理圖。

圖3 切削液冷卻機(jī)原理圖

3 油冷機(jī)控溫精度

3.1 控溫精度對(duì)機(jī)床加工精度的影響

油冷機(jī)最重要的性能指標(biāo)是油溫控制精度，通過(guò)對(duì)目前市場(chǎng)上油冷機(jī)調(diào)研，變頻油冷機(jī)已經(jīng)可以將油溫波動(dòng)控制在±0.1 ℃以內(nèi)，大多數(shù)定頻油冷機(jī)將油溫控制在±1 ℃。

不同的油溫控制精度，對(duì)主軸熱變形影響有很大差異。如圖4所示，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速5 000轉(zhuǎn)，出口油溫設(shè)定24 ℃，當(dāng)油溫在±1 ℃內(nèi)波動(dòng)，則主軸熱位移可達(dá)到6 μm，加工工件表面存在明顯的刀痕。當(dāng)冷卻油溫控制在±0.1 ℃內(nèi)波動(dòng)，主軸熱位移變形最高可以控制在1 um，加工工件表面光潔、不留刀痕。由此可見(jiàn)，油冷機(jī)控溫精度在很大程度上決定著機(jī)床加工的產(chǎn)品質(zhì)量，也決定著機(jī)床的加工水平。

3.2 油冷機(jī)溫度控制

隨著高精密數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，對(duì)油冷機(jī)控溫精度、控溫穩(wěn)定性的要求越來(lái)越高，于是現(xiàn)階段對(duì)油冷機(jī)的研究主要集中在以下幾點(diǎn)：①針對(duì)更加復(fù)雜的控制模型，要求能夠克服大慣性、大滯后性的特點(diǎn)；②控制系統(tǒng)可以根據(jù)機(jī)床加工條件的變化進(jìn)行快速響應(yīng)；③溫度控制算法可以進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。

油冷機(jī)溫度控制精度與油冷機(jī)溫度控制邏輯有直接關(guān)系，從目前市場(chǎng)上的油冷機(jī)來(lái)看，控溫精度±1 ℃的機(jī)型，大多采用定頻壓縮機(jī)ONOFF控制，而精度達(dá)到±0.1 ℃的油冷機(jī)，都采用PID溫度控制。

PID控制是線性控制系統(tǒng)，而油冷機(jī)溫度控制是非常復(fù)雜的控制對(duì)象，具有非線性、大時(shí)滯和大慣性等特點(diǎn)，如果采用傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)，難以達(dá)到理想的效果，因此很多學(xué)者將一些智能算法和PID算法進(jìn)行結(jié)合，目前應(yīng)用比較廣泛的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及專家算法，其中應(yīng)用最廣泛的是模糊控制與PID算法相結(jié)合的控制算法。

模糊控制的核心部分是模糊控制器，模糊控制器的模糊規(guī)則是以技術(shù)人員的工作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)制定，所以模糊規(guī)則的本質(zhì)是模仿人工智能。基于模糊控制的溫度系統(tǒng)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是不需要掌握精確的溫度控制模型，所以具有較強(qiáng)的抗干擾能力；二是過(guò)程調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)PID控制，不會(huì)因?yàn)檫^(guò)程參數(shù)的變化產(chǎn)生較大的波動(dòng)。

3.3 控溫模式選擇

油冷機(jī)對(duì)油溫的控制模式有多種，不同的控制模式，適用于不同的機(jī)床，總體上控溫模式分為同調(diào)模式和定溫模式。

定溫模式是將油冷機(jī)的入口或者出口控制在某一個(gè)溫度，如表1所示，定溫模式的控制對(duì)象是進(jìn)口或者出口油溫，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，需要根據(jù)機(jī)床冷卻槽的設(shè)計(jì)特點(diǎn)選用合適的控制對(duì)象。定溫模式多應(yīng)用于對(duì)控溫精度要求不高的機(jī)床，對(duì)于高精密加工機(jī)床，大多采用“同調(diào)模式”。

機(jī)床主要由主軸、立柱、床身、工作臺(tái)四大部分組成（如圖5所示），以上四個(gè)部件在機(jī)床運(yùn)行前溫度相同，當(dāng)機(jī)床開(kāi)始工作后，因?yàn)楦髯缘陌l(fā)熱量不同，所以溫度變化發(fā)生變化，溫度不同導(dǎo)致膨脹的程度不同，從而影響到機(jī)床的加工精度。

圖4 油溫波動(dòng)與加工誤差

表1 控溫模式

四大部件中，機(jī)床床身沒(méi)有熱源，并且不屬于運(yùn)動(dòng)部件，所以是機(jī)床中溫度變化最穩(wěn)定的部分，將機(jī)床床身的溫度作為機(jī)床的代表溫度，油冷機(jī)以床身溫度為基準(zhǔn)，設(shè)定進(jìn)口油溫或者出口油溫與床身溫度的差值，當(dāng)機(jī)床床身溫度變化的同時(shí)，油溫也跟隨其變化，從而保證主軸、立柱、工作臺(tái)與床身保持相對(duì)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，其他3個(gè)部件的溫度以床身溫度為基準(zhǔn)，油冷機(jī)控制油溫與機(jī)床床身溫度相配合的控制方法為基準(zhǔn)同調(diào)控制，將油溫跟隨床身溫度變化的方法稱之為“機(jī)體同調(diào)控制”。

4 油冷機(jī)選型計(jì)算

4.1 主軸油冷機(jī)

4.1.1 根據(jù)進(jìn)出口油溫計(jì)算

如圖6所示，根據(jù)機(jī)床入口油溫和機(jī)床出口油溫計(jì)算機(jī)床發(fā)熱量Q。

式中:

Q：發(fā)熱量，kW；

Cp：油的定壓比熱，J/kg℃；

Γ：密度，kg/m3；

Vs：油流量（m3/h）

△T：進(jìn)出口油溫差值，T2-T1，℃；

以VG 32為例，在油溫35 ℃下，Cp為1967.4J/kg℃，γ為876 kg/m3，流量Vs為1.44 m3/h，△T為4 ℃：

不同溫度下，油的定壓比熱和密度不同。發(fā)熱量計(jì)算要根據(jù)機(jī)床工作溫度，利用熱平衡法計(jì)算得到定壓比熱，利用質(zhì)量和體積計(jì)算得到密度：

式中:

Qh：電加熱發(fā)熱量，kW；

M：油的質(zhì)量，kg；

△T：油的溫升，℃；

V：油的體積，m3。

4.1.2 從電機(jī)輸出功耗計(jì)算發(fā)熱量

式中:

Q：發(fā)熱量，kW；

H：電機(jī)輸出主軸功率，kW；

Η：電機(jī)輸出損耗量，%。

例：20 KW的電機(jī)輸出損耗量為30 %時(shí)，Q=20×0.3=6 KW。

電主軸電機(jī)損耗按照20 %～30 %計(jì)算，機(jī)械主軸電機(jī)損耗按照8 %～15 %計(jì)算。

4.2 磨削液、切削液油冷機(jī)選擇與計(jì)算

圖5 機(jī)床四部分

圖6 示意圖

切削液、磨削液系統(tǒng)的發(fā)熱量是根據(jù)冷卻液箱的容量、泵功率的大小按以下公式計(jì)算得到。

式中：

Q：機(jī)床整體熱負(fù)荷；

Q1：主軸電機(jī)功率損失，主軸輸出功率的20 %～30 %；

Q2：機(jī)床所有循環(huán)泵的發(fā)熱量，Q2=泵輸出功率×η/100，kW；

幾天以后，丈母娘再次鬧出事端。黃昏時(shí)分小區(qū)物業(yè)管理人員敲開(kāi)呼倫的防盜門(mén)，寒暄一番后就和呼倫躲進(jìn)書(shū)房。是這樣，他直入正題，下午大媽把小區(qū)草坪里的草拔掉一些。

Q3：經(jīng)過(guò)冷卻箱的冷卻液和室溫的傳熱量。

式中：

K：熱通過(guò)率，一般為K=11.6-23.2，W/m2×℃；

A：油箱表面積（m2）

ΔT：室溫和箱內(nèi)冷卻液溫差（℃）

例：Q1=3 KW；

Q2=（0.75+1.1）×50/100=0.925 KW（泵的熱損耗一般去50 %）；

Q= Q1+ Q2+ Q3=3+0.925+0.805=4.73 KW。

4.3 管道阻力設(shè)計(jì)

如果油冷機(jī)配管過(guò)長(zhǎng)，管道阻力超出了使用范圍，會(huì)導(dǎo)致流量降低、制冷量下降，同時(shí)油泵也會(huì)產(chǎn)生異響動(dòng)。

設(shè)計(jì)配管尺寸可以參考以下公式計(jì)算管道阻力：

式中:

ΔP：管道阻力，MPa；

γ：油液運(yùn)動(dòng)粘度，mm2/s；

Q：流量，L/min；

L：配管長(zhǎng)度，m；

D：配管內(nèi)徑，mm。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了油冷機(jī)降溫技術(shù)在高精密機(jī)床加工領(lǐng)域的應(yīng)用，總結(jié)了油冷機(jī)不同發(fā)展階段的特點(diǎn)，以及油冷機(jī)的工作原理和設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)油冷機(jī)的控溫精度和控溫模式進(jìn)行了講解，不同用途的機(jī)床對(duì)控溫精度和控溫模式的。

隨著制冷技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)油冷機(jī)提出了更高的要求，除了要滿足降溫、控溫的基本功能，同時(shí)還要具備節(jié)能、環(huán)保、智能化等特點(diǎn)。

油冷機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制技術(shù)，是下一代油冷機(jī)重點(diǎn)發(fā)展的功能。隨著無(wú)人化車(chē)間的出現(xiàn)，遠(yuǎn)程控制需求日益增多，它要求油冷機(jī)可以連接WiFi或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在電腦、手機(jī)上的完成查看運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)置運(yùn)行數(shù)據(jù)作等日常維護(hù)。