（机械制造及其自动化专业论文）电主轴温升在线检测系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着高速加工的发展，对电主轴的需求也越来越多，电主轴的发热问题 是制约电主轴发展的重要因素之一，因而成为一个有待解决的重大难题。 文章对电主轴的温升特性进行了全面分析，通过电主轴热态有限元分析 得出恶劣工况下的温度场分布，找到电主轴温升最大的部位以及前后轴承的 温升特性，并对其原因进行分析。最后得出有必要检测的对象之一为电主轴 的轴心温度。 文章采用红外测温方法对电主轴的轴心温度进行检测。通过检测的温度 值、电主轴转速、运行时间等参数建立温度预测模型，得到温升预警值h ， 该值反映了温度变化率和最高温度共同作用的结果，比传统的仅仅以温度上 限作为报警的方式更加有预知性、更加智能化。根据预警值h 就可以对电主 轴温升及其故障进行预测和提前报警，以达到延长电主轴寿命防止轴承烧伤 的目的，对电主轴的安全运行起到非常重要的作用。 最后基于以上分析和实验提出确实有效的降低电主轴温升、减少主轴热 变形的方法，即电主轴轴心冷却、轴承座圈下润滑的方式，并对其冷却效果 进行分析模拟，进一步验证了其正确性，为电主轴的发展开辟了新的思路。 关键词：电主轴；温度场；预警模型；红外测温；在线 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i 曲s p e e dm a c h i n i n g , t h ed e m a n do fm o t o r i z e d s p i n d l eb e c o m em o r ea n dm o r e ，1 1 q u e s t i o no fm o t o r i z e ds p i n d l eg i v e so f fh e a ti s t h ei m p o r t a n tf a c t o rw h i c hr e s t r i c t st h em o t o r i z e ds p i n d l ed e v e l o p s t h i sa r t i c l eh a sc a r r i e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i st ot h em o t o r i z e ds p i n d l e t e m p e r a t u r er i s ec h a r a c t e r i s t i c ，t h r o u g ht h em o t o r i z e ds p i n d l et h e r m a ls t a t ef i n i t e d e m e n ta n a l y s i st oo b t a i nt h et e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h eb a do p e r a t i n g m o d e , f o u n dt h em o t o r i z e ds p i n d l et e m p e r a t u r er i s eb i g g e s ts p o ta sw e l la st h ef i r s t 跚b e a t i n gt e m p e r a t u r er i s ec h a r a c t e r i s t i c ，a n dc a r r i e so nt h ea n a l y s i st oi t sr e a s o n f i n a l l yi to b t a i n st h a to n eo fe s s e n t i a le x a m i n a t i o no b j e c t si st h em o t o r i z e ds p i n d l e a x l ec e n t e rt e m p e r a t u r e t h ea r t i c l eu s e st h ei n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tm e t h o dt oc a r r yo nt h e e x a m i n a t i o no ft h em o t o r i z e ds p i n d l ea x l ec e n t o tt e m p e r a t u r e 。t h r o u g ht e m p e r a t u r e v a l u e , m o t o r i z e ds p i n d l e r o t a t i o n a l s p e e d ，r u n n i n gt i m ea n ds o o no b t a i n s t e m p e r a t u r er i s ee a r l yw a r n i n gv a l u eh ，t h i sv a l u eh a dr e f l e c t e dt h et e m p e r a t u r er a t e o fc h a n g ea n dt h em a x i m u mt e m p e r a t u r ea f f e c tt o g e t h e rt h er e s u l t , m e r e l yt h ew a y w h i c hr e p o r t st ot h ep o l i c eb yt h et e m p e r a t u r eu p p e rl i m i ta c h i e v e m e n to v e nm o r e h a st h ep r e d i c t a b i l i t yc o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n ，i n t e l l e c t u a l i z e d a c c o r d i n gt oe a r l y w a r n i n gv a l u eh ，e s t a b l i s h m e n tt e m p e r a t u r ef o r e c a s tm o d e l s ，t of o r e c a s t a n d a d v a n c ew a r n i n gt h et e m p e r a t u r er i s ea n dt h eb r e a k d o w no fm o t o r i z e ds p i n d l e , t o e x t e n dt h el i f eo fm o t o r i z e ds p i n d l ea n dp r e v e n tt h eb e a r i n gb u m i ti s v e r y i m p o r t a n tt ot h es a f eo p e r a t i o no fm o t o r i z e ds p i n d l e 。 a tl a s t ，t h et r u l ye f f e c t i v em e a s u r e st or e d u c et h eh e a ta n dt h e r m a ld e f o r m a t i o n o ft h em o t o r i z e ds p i n d l ea r eb r o u g h tf o r w a r d 硼粥m e a s u r e sa r et h em o t o r i z e d s p i n d l ea x l ec e n t e rc o o l sa n du n d e rt h eb e a r i n gc o l l a rl u b r i c a t e s a n di tc a r r i e so nt h e a n a l y s i ss i m u l a t i o nt oi t sc o o l i n ge f f e c t , w h i c hc o n f i r m e di t sa c c u r a c ye v e nm o r e t h i so p e n e dt h en o w m e n t a l i t yf o rt h ed e v e l o p m e n to f m o t o r i z e ds p i n d l e k e yw o r d s ：m o t o r i z e ds p i n d l e ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；e a r l yw a r n i n gm o d e l ；i n f r a r e d t h e r m o m e t e r ；o n - l i n e h 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：缘硷 签字日期： 沙髟年彳月，z ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ： 铭礁 导师签名( 手写 签字日期：彬f 月f 。日签字日期：力穆年6 月砂日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 电主轴领域的研究概况 采用电主轴的高速加工技术是目前机床行业非常热门的一个话题，它不仅 可获得更大的生产率，而且还可获得很高的加工质量，并可降低生产成本，因 而被认为是2 l 世纪最有发展前途的先进制造技术之一。在先进工业国家，此项 技术已广泛应用于航空、航天及模具行业。在近五年中，我国的该项技术也取 得了长足的进步【l 。3 1 。 高速加工的几个优势【4 】： 1 ) 加工时间大幅度缩短，只有原来的约1 4 ，这意味着一台h s c 高速机床 可以代替4 台普通c n c 机床； 2 ) 加工表面质量很高，不用再进行比如打磨等表面处理工序； 3 ) 零件重复性好，这很利于模具行业电极的制造； 4 ) 零件变形小，基本不产生热量，可以加工很薄的零件： 5 ) 高速机床的投资可以很快收回，可以缩短交货期，减小车间占地面积， 减少工人数量。 高速加工采用小直径刀具、小切深、小切宽、快速多次走刀来提高效率， 而传统的加工一般采用大直径刀具、大切深、大切宽；高速加工的切削力大幅 度减小，需要的主轴扭矩相应减小。 高速加工不仅仅用于加工一些比较软的材料如铝、铜、塑料等，现在已经 可以用于加工硬度在6 0 h r c 以上的淬硬钢，这要归功于刀具商开发出了像 t i a l n 这样的新的刀具涂层，以及像c b n 这样的新的刀具材料，目前加工淬硬 钢的线速度也达到了5 0 0 m r a i n ，使钢材料的加工也开始采用高速切削。模具制 造商因此也越来越多地采用高速加工技术来加工三维的钢零件。 高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的性能。高速主轴单元的 类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴等。不同类型的高速主轴单元输出功 率相差较大。高速加工机床主轴要求在极短的时间内实现升降速，并在指定的 位置快速准停，这就需要主轴有较高的角减速度和角加速度。如果通过传动带 第1 章引言 等中间环节，不仅会在高速状态下打滑，产生振动和噪声，而且增加转动惯量， 给机床快速准停造成困难。目前，随着电气传动技术( 变频调速技术、电动机 矢量控制技术等) 的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主轴传动系统的机械 结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装 式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传 动” 5 】。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从 机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可作为“主轴单元”，俗称“电 主轴”，如图1 1 所示。 图1 1 电主轴 对于转速在1 0 0 0 0 r m i n 以上的主轴单元，通过皮带或者联轴器来驱动已不 再合适，较合理的方式是采用内装电机直接驱动，即电机的转子就是主轴，定 子安装在主轴套筒里，做成所谓电主轴的形式。该方式具有结构紧凑、易于平 衡、传动效率高等优点，是高速主轴理想的结构。电主轴的性能除了受轴承及 其润滑技术影响较大以外，还受许多因素的影响，其中包括轴承预紧力的控制、 内装电机的发热与冷却、主轴的动平衡、轴上零件的连接等。此外，主轴轴端 的设计也是高速电主轴不容忽视的问题。 夕 第1 章引言 为此，电主轴的研究领域主要有：高速轴承技术；高速电动机设计和驱动 技术；润滑技术；冷却技术；内置脉冲编码器技术；自动换刀技术；高速刀具 的装卡技术；矢量变频技术等【昏1 4 1 。 1 2 本课题研究的来源和背景 随着高速加工的迅速发展，对数控机床用电主轴的要求也越来越高。对于 电主轴，它工作在充满油雾、水气和粉尘的恶劣环境中，其故障占整个机床故 障部位的比例最高( 如表1 1 ) 1 5 】。 表1 1 数控磨床故障部位的故障比例表 部位名称次数比例 高频电主轴 4 1 0 1 4 5 9 1 电气系统 3 60 1 2 8 1 1 测量系统 3 30 1 1 7 4 4 上下料机构3 3o 1 1 7 4 4 装卡附件 3 2o 1 1 3 8 8 伺服控制单元 2 20 0 7 8 2 9 电源 2 10 0 7 4 7 3 砂轮修正器 1 70 0 6 0 5 进给系统 1 20 0 4 2 7 c n c 系统n 0 0 3 9 1 5 液压系统 90 0 3 2 0 3 冷却系统 70 0 2 4 9 1 润滑系统 7 0 0 2 4 9 1 从电主轴的结构特点分析，电动机的转子和定子直接安装在电主轴壳体内， 这对电动机的散热及其不利。同时发热引起的热变形将导致机床丧失加工精度。 所以温升是衡量主轴高速性能的一个重要指标。过高的温度会影响主轴的旋转 精度，严重时会使轴承烧伤，所以轴承的热特性是制约其提高转速的主要原因 之一。总的来说，电主轴的损坏，主要有两方面的原因： 其一。电主轴轴承的损坏，主要因素： 3 第1 章引言 ( 1 ) 轴承的结构形式和质量的影响。 ( 2 ) 转子及其部件的加工精度和精度保持性不好。 ( 3 ) 电主轴工作过程中发热的影响。 ( 4 ) 轴承的润滑、冷却不够充分。 其二，电主轴的绝缘性能降低而造成电驱动( 主要是定子) 部分的损坏。 而发热是造成绝缘材料性能下降的关键因素。 由上述分析可以看出，主轴电机的发热和散热状况成为影响电主轴工作寿 命的决定因素。虽然这个寿命数据对用户至关重要，但是电主轴制造商一般不 愿意以书面形式提供。其原因主要为以下几点i 峪1 9 1 ： ( 1 ) 对机床而言，轴承失效形式主要不是材料表面疲劳失效，而是精度丧 失。疲劳失效的寿命较长，而且可作相对较为精确的计算；而疲劳丧失失效的 寿命相对较短，而且很难精确计算。 ( 2 ) 精度寿命与使用的工况条件和用户维护水平关系很大，而且精度丧失 以后，难以分清是用户的责任还是制造商的责任。 尽管这样，在正常使用和维护的前提下，一般应保证电主轴使用寿命在5 0 0 0 1 0 0 0 0 小时左右。一般电主轴在失效后，完全可以通过检修恢复精度。 高频电主轴故障模式主要是零部件损坏( 4 8 ) 和元器件损坏( 2 6 ) ，共 约占7 4 。高频电主轴故障原因主要是烧坏，约占5 3 。零部件损坏主要是由 于速度较高，摩擦发热使轴承等零部件烧坏。 通过对某航空工业集团的数控加工车间的调研，发现其在三年内一共损坏 1 2 根电主轴，排除人为操作不当等因数，共有8 根是由于发热引起轴承烧伤， 从而降低加工精度，致使电主轴必须重新维护才能使用，严重的几乎报废。而 在某汽车柔性生产线的调研中发现该企业曾经在短时间内连续损坏3 根崭新的 进口电主轴，原因都是由于发热引起的轴承烧伤。可见电主轴的热特性是其有 待解决的一大难题。 我国加工中心用的电主轴多为进口电主轴【2 0 】，电主轴的维修费用非常高， 例如日本进口电主轴价格约4 0 万人民币，而维修费用却高达3 5 万人民币。为 此电主轴的故障预防尤其重要，我们可以通过电主轴故障在线检测对电主轴进 行预警，在故障没有恶化之前进行预知，及时排除早期故障，降低维修费用， 节约运行成本。 目前对于电主轴的故障诊断技术主要有：振动检测技术、声学诊断技术、 4 第1 章引言 温度诊断技术等。电主轴的损坏主要是由于发热引起的，其热源主要为：电机 发热、搅动热、轴承热、切削热。振动和声学检测的方法主要是对轴承的磨损 进行诊断，而且只有当轴承磨损后才能检测到，此时已经为时已晚。为此本文 利用温度诊断技术对电主轴进行检测，希望在轴承还未磨损较大，电主轴还未 烧伤之前，通过发热异常来对电主轴进行在线检测。 “ 1 3 本课题研究的目的和意义 本研究希望通过对导致电主轴温度异常升高的原因进行分析，采用合理的 测温方法对电主轴的温度进行检测，通过检测的温度值、电主轴转速、运行时 间等参数建立温度预测模型，对电主轴温升及其故障进行预测和提前报警，达 到延长电主轴寿命防止轴承烧伤的目的，对电主轴的安全运行起到非常重要的 作用。同时建立一个与有关工况和其它分析参数相关联的电主轴温度历史以及 故障数据库，希望能从比较长期的运行数据中，找到电主轴烧损的原因，从而 能够提出改善措施。 实现对轴承温升的预测，建立与电主轴工况相关的电主轴温度历史以及故 障数据库，对防止烧伤轴承和机床安全经济运行有着重要的指导意义。而如果 沿用传统的温度保护措施，使得以仅仅监控温度为手段的保护方法显得力不从 心。本研究就是希望改变这一状况，在原有技术的基础上，结合当前的新理论 和新技术，走一条智能化的电主轴监控技术路线。 在冷却和润滑方面，希望通过对电主轴的全面分析，能够得出一系列改善 措施，为电主轴的发展开辟新的思路。 1 4 本课题的主要研究内容 电主轴是高速机床的关键部件，针对电主轴温度进行安全检测，及时发现 甚至预测温度异常，是电主轴状态检修的一项重要内容。由于常规的测温手段 只是简单的测量电主轴定子某局部的温度，对影响温升的相关量没有检测，因 而反映的故障特征不直接，且不能预测电主轴温度上升的趋势。同时由于温度 测量所不可避免的线性滞后，致使电主轴检测系统既起不到事故前预警的作用， 又起不到事故后分析原因的作用。 5 第1 章引言 本研究希望通过对导致电主轴温升异常的原因进行分析，通过检测的温度 值、电主轴转速、运行时间等参数建立温度预测模型，对电主轴温升及其故障 进行预测和提前报警，达到延长电主轴寿命防止轴承烧伤的目的。 在建立温度数学模型的过程中，曾经尝试用解析的方法建立数学模型。虽 然对温升波动的机理有了比较详尽的了解，但是由于电主轴的状况比较复杂， 模型的参数和维数会随着时间、季节等的变化而变化。而且最关键的问题是电 主轴温度与影响其变化的因素之间并不是一个线性的关系，也就是说这个模型 本质是非线性的。因而有必要采用别的手段来建立电主轴温度数学模型，实现 对电主轴温度的预测。鉴于以上特点，通过比较和研究，我们尝试采用多元非 线性回归的方法来建立电主轴温度数学模型。 通过对电主轴的热态分析，提出了有效的冷却和润滑方法，即：轴心冷却 和轴承座圈下润滑的方式，并对该方法进行理论和实践论证，为今后的电主轴 设计提供了新的思路。 6 第2 章电主轴的温升特性分析 第2 章电主轴的温升特性分析 2 1 电主轴的结构分析 电主轴是一种智能型功能部件，它采用无外壳电动机，将带有冷却套的电 动机定子装配在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主 轴的变速范围完全由交流变频电动机控制，使得变频电动机和机床主轴合二为 一。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯量小、振动小、噪声低、响应快等优点， 不但转速高、功率大，还具有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功 能，以确保其高速运转的可靠性和安全性。使用电主轴可以减少带轮传动和齿 轮传动，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结 构【2 l 】。如图2 1 所示。 图2 1 电主轴的结构原理图 1 主轴箱体2 冷却套3 冷却水进口4 定子5 转子6 套筒 7 冷却水出口8 转轴9 反馈装置1 0 主轴前轴承1 l 主轴后轴承 7 第2 章电主轴的温升特性分析 轴壳是高速电主轴的主要部件。轴壳的尺寸精度和位置精度直接影响主轴 的综合精度。通常将轴承座孔直接设计在轴壳上。电主轴为加装电机定子，必 须开放一端。大型或特种电主轴，可将轴壳两端均设计成开放型。高速、大功 率和超高速电主轴，其转子直径往往大于轴承外径，为控制整机装配精度，应 将后轴承安装部分设计成无间隙配合。 转轴是高速电主轴的主要回转主体。它的制造精度直接影响电主轴的最终 精度。转轴的形位公差和尺寸精度要求都很高，转轴高速运转时，由偏心质量 引起振动，严重影响其动性能，必须对转轴进行严格动平衡测试。部分安装在 转轴上的零件也应随转轴一起进行动平衡测试。 高速电主轴的核心支承部件是高速精密轴承。因电主轴的最高转速取决于 轴承的大小、布置和润滑方法，所以这种轴承必须具有高速性能好、动负荷承 载能力高、润滑性能好、发热量小等优点。近年来，相继开发研制了陶瓷轴承 和磁浮轴承。磁浮轴承的高速性能好、精度高，容易实现诊断和在线监控。但 这种轴承由于电磁测控系统复杂，价格十分昂贵，而且长期居高不下，至今未 能得到广泛应用。目前，应用最多的高速主轴轴承还是混合陶瓷球轴承。即滚 动体使用热压s i 3 n 4 陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈。这种轴承标准化程度高，对 机床结构改动小，便于维护保养，特别适合高速运行场合，它的d ，l 曲值已超 过2 7 x1 0 6 。用其组装的高速电主轴，能兼得高速、高刚度、大功率、长寿命 等优点【2 2 之4 】。 高速电主轴的定子由具有高导磁率的优质矽钢片叠压而成。叠压成型的定 子内腔带有冲制嵌线槽。转子是电机的旋转部分，它的功能是将定子的电磁场 能量转换成机械能。转子由转子铁芯、鼠笼、转轴三部分组成。 高速电主轴电机的绕组相位互差1 2 0 。，通以三相交流电后，三相绕组各 自形成一个正弦交变磁场，这三个对称的交变磁场互相迭加，合成一个强度不 变，磁极朝一定方向恒速旋转的磁场，磁场转速就是电主轴的同步转速。异步 电动机的同步转速1 1 由输入电机定子绕组电流的频率f 和电机定子的极对数p f 决定( i 商o 三( 1 一s ) ) 电主轴就是利用变换输入电动机定子绕组的电流的频率 p 和激磁电压来获得各种转速。在加速和制动过程中，通过改变频率进行加减速， 以免电机温升过高由于电机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相 r 第2 章电主轴的温升特性分析 序，故改变电主轴输入电流的相序，便可改变电主轴的旋转方向【5 】。 当然，将电动机内置也会带来不少麻烦，但在高速加工时，采用该措施几 乎是唯一的选择，也是最佳的选择。原因如下【2 5 。3 】： ( 1 ) 如果电动机不内置，而采用电动机通过带轮或齿轮等方式传动，则在 高速运转条件下，由此产生的振动等，势必影响高速加工的精度、加 工表面粗糙度，同时产生的噪声导致环境质量的恶化，这些问题都是 很难解决的。 ( 2 ) 高速加工的最终目的是为了提高生产率，相应地要求在最短时间内实 现高转速的速度变化，即要求主轴回转时具有很高的角加速度和角减 速度。达到这个要求的最经济的方法就是将主轴传动系统的转动惯量 尽可能地减到最小。而这只有将电主轴内置，省掉齿轮、带轮等一切 中间环节，才可能达到这一目的。 ( 3 ) 电动机内置于主轴两支承之间，与用带轮、齿轮等作末端传动的结构 相比，可提高主轴系统的刚度，也就提高了系统的固有频率，从而提 高了其临界转速值。这样，电主轴即使在最高转速运转时，仍可确保 低于其临界转速，保证高速运转时的安全。 ( 4 ) 由于没有中间传动环节的传动冲击等外力作用，主轴高速运行更为平 稳，使得主轴轴承的寿命相应得到延长。 ( 5 ) 电主轴与传统主轴传动系统相比有结构简单、紧凑等特点，这样便于 把它用在多轴联动机床、多面体加工机床和并联( 虚拟轴) 机床上。 电动机内置于主轴部件，不可避免的将会产生发热的问题，从而需要设计 专门用于冷却电动机的油冷或水冷系统。高频电动机要有变频器类的驱动器， 以实现主轴速转速的变换。高速轴承需要有专门的润滑装置。 2 2 电主轴的热影响分析 高速电主轴的热稳定性问题是该类主轴需要解决的关键问题之一。由于电 主轴将电机集成于主轴组件的结构中，无疑在其结构的内部增加了一个热源。 电机的发热主要有定子绕组的铜耗发热及转子的铁损发热，其中定子绕组的发 热占电机总发热量的三分之二以上【3 们卯。另外，电机转子在主轴壳体内的高速 搅动，使内腔中的空气也会发热，这些热源产生的热量主要通过主轴壳体和主 9 第2 章电主轴的温升特性分析 轴进行散热，所以电机产生的热量有相当一部分会通过主轴传到轴承上去，因 而影响轴承的寿命，并且会使主轴产生热伸长，影响加工精度【3 6 1 。 除了电机的发热之外，主轴轴承的发热也不容忽视，引起轴承发热的因素 很多，也很复杂，主要有滚子与滚道的滚动摩擦、高速下所受陀螺力矩产生的 滑动摩擦、润滑油的粘性摩擦等。上述各种摩擦会随着主轴转速的升高而加剧， 发热量也随之增大，温升增加，轴承的预紧量增大，这样反过来又加剧了轴承 的发热，再加上主轴电机的热辐射和热传导，所以主轴轴承必须合理润滑和冷 却，否则，无法保证电主轴高速运转。影响电主轴温升的因数如图2 2 所示【2 。 l u v 索 囊 时同( r a i n ) 轴承温升随时间变化关 转遮d m i 转速对轴承温升的影 主轴转速n ( 1 0 1 r m i n )轴向预紧力尸州 主轴转速与温升的 轴承预紧力与温升的 图2 2 影响温升的因素 l o 第2 章电主轴的温升特性分析 从以上分析可以看出，为改善电主轴的热特性，电机冷却必不可省。采取 的主要措施是在电机定子与壳体连接处设计循环冷却水套，如图2 3 所示。水 套用热阻较小的材料制造，套外环加工有螺旋水槽，电机工作时，水槽里通入 循环冷却水，为加强冷却效果，冷却水的入口温度应严格控制，并有一定的压 力和流量。另外，为防止电机发热影响主轴轴承，主轴应尽量采用热阻较大的 图2 3 电主轴螺旋冷却槽 材料，使电机转子的发热主要通过气隙传给定子，由冷却水吸收带走。 热变形是导致丧失j h - r 精度的直接原因，如图2 4 所示为主轴的轴向热变 形【3 7 】。 第2 章电主轴的温升特性分析 蕊 穗 黼 瓣 锚 瓣 鼢 麓 g 翥 。鼗 黪 ；一揪辫隅； n ； i 一粼瓣辫獭 ； t m ( m i n ) 匿2 4 电主辘的轴向热变形 电主轴系统发热对滚动轴承的热影响很大，电主轴系统发热对轴承预紧力 影响的数学模型如图2 5 。 众a = 霹一功一( 露一宠) 轴向热变形 肆= 缸隗( 砖一哟玩；( r - 一露期 径向热变形 觑( 砭一确 严觑( 砭一确 滚动体的热变形 图2 + 5 发热对轴承热影响的数学模型 1 2 第2 章电主轴的温升特性分析 轴承在接触线方向的热变形为：a = l + a , e o s 0 - a s i n o 由热变形引起的轴承预紧力的变化为：= 让1 5 图2 6 高速主轴热一动力学耦合模型 温升对电主轴的影响可以归纳为高速主轴热动力学耦合模型，如图2 6 所 示。影响主轴动力学性能的因素有主轴转速、主轴刚度、外载( 切削力) 、不平 衡量、陀螺力矩、离心力、轴承刚度。其中轴承刚度由主轴转速和轴承综合预 载决定，轴承综合预载包括轴承预载和轴承热预载，轴承热预载来自系统径向 热膨胀和轴向热膨胀。这些热膨胀都是由电主轴系统发热而产生的，影响系统 热力学的因素包括电机发热、切削热、冷却和轴承发热。其中轴承发热量取决 于轴承扭矩即轴承刚度的影响，而发热又反作用于轴承刚度。因此，在影响电 主轴热力学性能的因素中，某些因素是相互关联互相制约的。发热引起的热膨 胀使得轴承扭矩增大，反过来又加剧了轴承的发热，在这种情况下如果散热不 佳，又没有即时监控，极易烧伤轴承。为此，改善电主轴的热特性，并采取预 警措施和更加有效的散热是非常重要的。 1 3 第2 章电主轴的温升特性分析 2 3 电主轴的热源分析 高速滚珠轴承电主轴的核心部件是高速大功率无外壳变频调速电机，主轴 电机安装在主轴单元内，其中电机转予与主轴之间采用无键过盈联接方式，构 成电机的转予，而定子与主轴壳体配合构成电机的机座。 主轴的输入能为电能，其能量流模型如图2 ，7 所示。根据能量流模型可知， 其中电机输入能量中的1 0 0 o , - 1 5 为电机本身损耗转化为电机热能，绝大部分转 换为机械能，用来克服切觊力、轴承的摩擦力、高速运转条件下电视与空气的 搅动摩擦力并提供主轴的加减速动力。其中主轴的动能是类似飞轮的储能器， 当主轴速度降低时，其机械麓可以释放出来，其它的施塞主要转换为热能。因 此，电主轴热源主要来自三个方面：一是切削热；二是内藏电机发热；三是主 轴轴承发热引。 图2 7 电主辘酶能蘩流 在高速；0 a t 条件下，尽管切削效率高，单位时间内的切削量大，会产生较 大的切削热量，但出于切削速度和进绘速度高，切削热绝大部分被切屑带走， 因此，从切削区传入主轴的热量较少，工件基本保持冷态。在常规高速加工中， 普遍采用高压大流量连续冷却方式，对切削区进行瀑布式冷却，减少了切肖0 热 对主轴和工件加工质量的影响；目前，在绿色环保高速加工工艺中，有的采用 一1 0 1 0 0 高压冷却气体对切削区进行冷却，同时在切削中注入少量的植物 油，可以取得更好静冷却润滑效果，有效地降低切削温度，僵加工中需装备抽 1 4 第2 章电主轴的温升特性分析 风装置，消除金属粉灰尘影响。减少切削热，实现高速加工的另一个有效工艺 方法是采用最小油量润滑技术，在切削中，将少量润滑油( 5 0 m l h - 2 0 0 m l h ) 和高压空气混合形成毫微级气雾喷射到切削区，可获得良好的冷却润滑效果， 降低切削热产生的影响。因此切削热对主轴的影响较小，影响主轴温升的主要 因素是主轴电机的发热和轴承的摩擦热。 2 3 1 内装式电机的损耗发热 减少主轴电机的热影响是开发电主轴的关键技术之一。在高速数控机床中， 和传统的“电机+ 皮带轮+ 变速箱 的主轴传动结构的热特性不同，高速电主轴 由于采用内置式主轴结构形式，电机位于主轴单元体中，电机不能采用风扇散 热，因此自然散热条件较差。电机在实现能量的转换过程中，电机内部产生功 率损耗，从而使电机发热，电机的热量很容易传入主轴和壳体中，使主轴和箱 体产生热转移，直接影响主轴的性能。主轴电机热量的大小与电机的性能密切 相关，额定功率条件下，电机的温升表达式为【3 9 1 ： 、 7 - - 等( 1 一矿一7 c ) + 矿彳7 c 弦 ( 2 1 ) 以 式中：f 一电机温升( 1 2 ) 流量( w ) a 电机的散热系数( w ) c _ 一电机热容量( j ) 厶一初始温度( ) 由式( 2 1 ) 可知，当主轴电机选定后，电机的额定功率和热容量一定，要降 低电机的温升，关键在于提高电机散热系数a 。研究发现，在电机高速运转条 件下，有近1 1 3 的电机发热量是由电机转子产生的，并且转子产生的绝大部分 热量都通过转子与定子间的气隙传入定子中，只有少部分热量直接传入主轴和 端盖上，其余2 3 的热量产生于电机的定子。因此在电主轴设计中，为了降低 散热系数，采用定子循环冷却方法，对电机定子进行强制冷却，冷却系统结构 如图2 8 所示。为了保证电机的绝缘安全，对定子采用连续、大流量、循环油 冷，输入端为冷却油，将电机定子产生的热量从输出端带出，然后流经逆流式 冷却交换器将油温降到接近室温并回到油箱，再经过压力泵增压输到主轴输入 1 5 第2 章电主轴的温升特性分析 端从而实现循环冷却【3 8 j 。 根据系统设计要求，在额定功率条件下，冷却油的温升不超过1 0 c ，设冷 却水的入口温度为2 5 c ，冷却水流量g l 为1 3 3 x 1 0 4 m 3 s ，冷却油的入口温度 图2 8 电主轴油水热交换循环冷却系统 不高于2 8 c ，则冷却油的流量g 2 和输油压力可以根据热交换要求确定。 已知电主轴的额定功率为1 3 5 k w ，功率损耗为2 7 k w ，设电机的损耗功率 全部转换为热量，则冷却油的流量g 2 可根据下式确定： g ，= 兰竺x _( 2 2 ) 。 p g t 式中：q 朋x 一最大热交换量( q 戗- - - 2 7 0 0 w ) p 一冷却油的密度( p = 8 5 2 k g m 3 ) c 广冷却油的比热( c v = 1 9 9 3 w ( k g ) ) r 一冷却油的温升( a t = 1 0 ) 根据式( 2 2 ) 求得，g 2 = 1 5 9 x 1 0 4 m 3 s ，油泵的最小输油压力为： 卸= 1 2 8 v x 可g 2 x l( 2 3 ) 刀x “ 式中：劬一油泵的输出压力( p a ) 油槽的等效直径( 0 1 0 m ) ，一冷却油的动力粘度( v = 0 1 6 6 n s ) 心油回路长度( l = 9 r n ) 1 6 第2 章电主轴的温升特性分析 根据式( 2 3 ) ，求得最小的输油压力卸为0 9 6 8 m p a ，输油压力取1 0 m p a 。 实验研究表明，采用这种油水热交换系统，电机定子的温升能控制在2 6 范围 内，保证了电机的正常运转，减少了电机发热对主轴精度的影响。 电主轴使用的无外壳电机的部分参数见表2 1 。电机定子和转子的发热来源 于电机的损耗。电机的损耗一般分为4 类：机械损耗、电损耗、磁损耗和附加 损耗。前3 类损耗为主要损耗。附加损耗在总的损耗中所占的比例很小，约为 额定功率的1 5 。 假定电机的额定功率损耗( p v n - - 3 8k w ) 全部转化为热量，则其中2 3 热量由定子产生( 约2 5 3 k w ) ，1 1 3 热量由转子产生( 约1 2 7 l 【w ) 。 表2 1 无外壳电机的部分技术参数 额定功率额定转速最高转速额定扭矩 额定功率损耗 p n k wn n r r a i n 1 瞰r m i n 1 m n n m p v n k w 1 9 92 3 4 0 1 8 0 0 01 2 43 8 2 3 2 轴承的摩擦发热 机床主轴高速化的另一关键技术是轴承，其轴承首先必须满足高速运转的 要求，并具有较高的回转精度和较低的温升；其次，必须具有尽可能高的径向 和轴向刚度：此外，还要具有较长的使用寿命，特别是保持精度的寿命。目前 适用于高速化要求的轴承主要有： 一、磁性轴承，具有无摩擦、动态性好、热影响最小等特点，但控制系统 复杂，价格昂贵； 二、流体静、动压滑动轴承，需根据机床要求专门设计，标准化程度低， 并且容易发热，轴承损耗较大； 三、新型滚动轴承，包括全陶瓷轴承和陶瓷混合轴承。 滚动轴承具有刚度高、高速性能好、结构简单紧凑、标准化程度高、品种 规格繁多、便于维修更换、价格适中和便于选择等优点，因而在电主轴中得到 最广泛的应用。高速数控机床和加工中心的电主轴一般采用适应高速且可同时 承受径向和轴向负荷的精密角接触球轴承。 但这种主轴轴承在高速运转条件下，滚珠与轴承内外圈间会产生复杂的摩 擦，产生较强的摩擦热，轴承的发热还会引起轴承预紧力的增大，使轴承发热 1 7 第2 章电主轴的温升特性分析 更加严重。轴承的发热与摩擦力矩密切相关，轴承的摩擦力矩m ，可由下式确 定【3 8 l ： m - 1 0 - 7 f o ( v n ) 2 门3 十i 1 石f 丸 ( 2 4 ) 二 式中：五一与轴承类型和润滑方式有关的系数( 对于角接触球轴承，厶= 1 ) y 润滑剂有关的运动粘度 n 一轴承转速 芦一与载荷和轴承结构类型有关的摩擦系数 石一与轴承类型和所受负荷有关的系数( 对于角接触球轴承z = 0 0 0 1 ) f 一轴承计算载荷( n ) 屯谈珠轴承的节圆直径( m ) 由上式可知，要减少轴承的发热，降低轴承的摩擦力矩，关键在于采用先 进的轴承技术和合理的润滑方式。在滚珠轴承运转过程中，滚珠既自转又公转， 会产生离心力和陀螺力矩，影响轴承承载的变化。单个滚珠的离心力可按下式 计算： 只= - 拍g - - p 磁厶 ( 2 5 ) 式中：p 滚珠材料的密度( k g m 3 ) d 滚珠的直径( m ) 一滚珠的公转角速度( t a d s ) 滚珠所受的陀螺力矩可用下式计算： 尥= d 略s i n f l ( 2 6 ) 式中：j - 、滚珠的转动惯量( k g m 2 ) 镶滚球的自转速度( r a d s ) 滚球自转轴与坐标平面之间的夹角( r a d ) 由式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 可知，在轴承高速运转条件下，滚珠的离心力与轴承转 速的平方成正比。当轴承的转速很高时，滚珠会产生很大的离心力，其值有时 甚至超过切削力的负荷。离心力增大易导致轴承过盈量增大，恶化滚动体的接 触条件和滚动关系，从而导致旋滚比增加，滑动和摩擦磨损增大，并且易使润 滑剂劣化甚至烧结，导致轴承温升增加，振动加剧，直接影响高速主轴性能， 1 8 第2 章电主轴的温升特性分析 同时滚珠也将产生很大的陀螺力矩，造成对电主轴不可忽视的额外载荷，并可 能产生滚珠与滚道之间的相对滑移。离心力和陀螺力矩还会对轴承产生很大的 接触应力，加剧轴承的温升与磨损，降低轴承的使用寿命。因此适合高速主轴 要求就必须减小轴承的离心力和陀螺力矩的影响。为了减少这个离心力和陀螺 力矩，可以采用以下两种方法：一是适当减少滚珠的直径。但是，滚珠直径的 减少应以不过多削弱轴承的刚度为限。一般高速精密滚动轴承的滚珠直径约为 标准系列滚珠轴承的7 0 ，而且做成小直径密珠的结构型式，通过增加轴承的 滚珠数和滚珠与内外套圈的接触点，提高滚珠轴承的刚度。二是采用轻质的滚 珠材料，其中，新型的陶瓷轴承材料，采用s i 3 n 4 陶瓷球具有以下优点f 州l 】： 一、质量轻，材料密度仅为3 2 1 8 x 1 0 3 k g c m 3 ，只相当于钢球的4 0 。在 高速回转时，轻质球的离心力和陀螺力矩可显著减小，从而接触应力减 小，摩擦功耗下降，温升降低，轴承寿命延长。离心力减小后，还可使 轴向位移减小，使预加载荷的变化小，更好地适应于转速范围大的应用 场合； 二、弹性模量高，e = 3 2 2 x 1 0 6 n m m 2 ，为钢球的1 5 倍，提高了轴承和 主轴系统的刚度，也提高了主轴系统的临界转速； 三、线性膨胀系数低，口= 3 2 x 1 0 - e c ，约为钢球的2 5 ，使得在不同温 升的条件下，球与内外环的配合间隙变化小，提高了轴承工作的可靠性 并减少了温升导致的轴承轴向位移，也使得预加载荷变化小； 四、硬度高能达到h v l 6 0 0 - - 1 7 0 0 ，为钢球的2 3 倍，可减少磨损，提高轴 承寿命； 五、陶瓷与金属间不产生搿咬合”( g a l l i n g ) 现象，磨损物也不会嵌入陶瓷球 中，从而进一步提高了轴承寿命。 在主轴设计中，采用s i 3 n 4 混合陶瓷轴承，这种轴承采用钢质的内外环配 以氮化硅( s i 3 n 4 ) 陶瓷球。研究表明，这种陶瓷球轴承在高速及重载的条件下， 仍可获得高刚度、低温升和长寿命的效果。在相同的负荷、润滑条件和精度等 级的条件下，混合轴承的d n l n 值是钢球轴承的1 2 5 1 3 5 倍。因此，虽然陶瓷 球轴承价格约为钢质球轴承的2 2 5 倍，但寿命比钢质球轴承长3 6 倍，可获 得较高的性能价格比。 降低轴承发热不仅需要采用新型的混合陶瓷球轴承，同时还需要有先进的 润滑技术，电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但 1 9 第2 章电主轴的温升特性分析 相应的速度要打折扣。常用的轴承润滑技术有以下几种 4 2 。5 5 】： ( 1 ) 脂润滑 脂润滑是一次性永久润滑，不需任何附加装置和特别维护，但其温升较高， 允许轴承工作的最高转速较低，一般d m n 值在1 o x1 0 6 以下。而且脂润滑会降 低全钢轴承的性能，但是j 混合陶瓷轴承可以安全地采用脂润滑。 ( 2 ) 油雾润滑 油雾润滑是一种高速性能好、润滑可靠、润滑油量在一定范围内可调的润 滑方法，压缩空气可以起到清洁和冷却轴承的作用。但是，油雾润滑由于供油量 无法精确控制，常常处于润滑油过量状态，所以因润滑油的搅动发热比较严重， 另外，所排出的废气中含油量较多，对工件和环境的污染严重。 ( 3 ) 油气润滑 油气润滑技术就是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地、精确地 供给每一套主轴轴承，微小油滴在滚动体和i 为# 1 - 滚道间形成弹性动压油膜，而 压缩空气则带走轴承运转所产生的部分热量。每隔一定时间由定量柱塞泵分配 器定量输出的微量润滑油，在混合阀中与压缩空气混和后，经内径2 m m - - 4 m m 的尼龙管以及安装在轴承近处的喷嘴进入轴承内，停留在摩擦点处。经混 合阀输出的油气应该称为“油+ 气 ，微小油滴沿管壁波状分布