基于高速机床的电主轴热管冷却

　　高速机床在工作时，由于电主轴在高速旋转的作用下，电主轴的各零部件会产生不同程度的发热。发热后的电主轴和机床其他零部件之间的相对位置和尺寸都将与发热前有所不同，因此所产生的热膨胀，将导致加工误差的加大。特别是在高速机床的加工中，热膨胀引起的误差尤为突出，由于主轴系统各零件的刚度和精度都较高，负荷却不是很大，主轴因受力产生的弹性变形所引起的加工误差常常是很小的，主轴单元的热膨胀己经成为影响加工精度的主要因素。英国伯明翰大学J·Peelenik教授和日本京都大学垣野溢昭教授的统计表明： 在精密加工中，由机床热变形所引起的制造误差占总制造误差的40％～70％，由此引起的热变形如果处理不当会严重地降低机床的加工精度。因此在高速电主轴的冷却系统的设计上， 通过改用高效的导热元器件，来控制电主轴的温升，减小电主轴的热膨胀，对于提高电主轴的使用性能是至关重要的。

　　1、现有的高速电主轴冷却系统分析

　　现有的高速主轴主要是通过在主轴壳体内加冷却油，并不断的循环，把热量带走，来进行冷却（如图1）。其基本的冷却路线是：首先从主轴冷却油温控制器流出冷却油，经过在靠近前端盖的入水口，冷却油进入前端轴承的外围，对前端轴承进行冷却。接着流向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。我国现有的高速主轴冷却，基本都是通过这种形式来进行的。

图1 现有高速电主轴的冷却设计

　　高速电主轴的发热源主要可分为以下几部分，其一，主轴电动机内置于机床主轴的结构 中，电机高速旋转所产生的发热是其结构内部的主要的热源。其二，电动机转子在主轴壳体 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轴进行散热，所以电动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。其三，随着主轴转速的升高，主轴轴承的摩擦所产生的发热量也随之增大。

　　电动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动机总发热量的2／3以上。传统的冷却方式下，只对定子部分做了冷却处理，而没有对转子的铁损发热部分进行冷却处理，也就是说对占电动机发热总量近l／3的热量没有进行冷却处理，从而形成了外冷内热。而转子的热膨胀对于加工精度的影响是致命的，如果主轴轴芯按500mm的长度计算时，根据钢的金属膨胀系数可得出，轴芯的温度每上升一度，主轴的长度将延长0.005mm。另外对轴承的进行冷却的冷却液，在高速旋转的主轴的离心力作用下，冷却液根本无法分布到轴承的内圈和轴芯，随着主轴温升增加，轴承的预紧量将增大， 反过来又加剧轴承的发热，使轴承得不到有效的冷却和润滑。因此对传统的高速电主轴的冷却系统进行改进是很有必要的。

　　2、热管的工作原理与特性分析

　　热管作为目前人类已知最高效的传热元件之一，热管是通过将工质密封在高真空腔体中，依靠工质的相变进行传热，其工作是连续的，能将大量热量通过很小的截面积远距离传输而且无需外加动力，由于没有失效的运行部件，所以热管运行非常可靠。热管的工作原理如图2所示。液体工质在蒸发段，受到热量的加热，而被蒸发。在真空的腔体中，蒸发的蒸汽经过绝热段迅速流向冷凝段，蒸发段的热量，也随之被带到了冷凝段。在冷凝段，蒸汽碰到管外冷却流体，进行冷热交换，释放出蒸发段的热量。蒸汽由于失去了热能，便着附在冷凝段吸液芯中的形成凝结液，凝结液在吸液芯毛细力的作用下，返回到蒸发段再吸热蒸发。热管3个工作段中，蒸发段与凝结段是必不可少的，而绝热段根据设计的要求可有可无，在实际应用的热管结构中，通常都是没有绝热段的。

图2 热管工作原理图

　　热管作为一种高效的传热元件，有着区别于其它传热元器件的特性。在这里提出将热管的技术用于高速机床电主轴冷却，主要因为热管的以下几点特性为实现电主轴冷却控制提供了可行性 ：

　　(1)高效的导热性。热管内部主要靠工作液体汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。因此有人把热管称之为热的“超导体”。

　　(2)热响应性速度快。由于热管内部是真空的，压力很小，因此热管的启动温差很小。只要是蒸发段的温度稍微高于其冷凝段的温度，热管就会快速响应，调节蒸发段温度与冷凝段温度之间的温度差。

　　(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条件需要，变化出多种形状，而且加热和冷却的位置可以任意选取，使其适应性大大增强，也扩大了其应用的领域。

　　(4)管内温度分布非常均匀。热管表面温度是由真空中的蒸汽温度控制的，而热管内部 的各部分热阻很小，受温度变化不大，当加热量变化时，热管蒸发段和冷凝段的温度也会发生均匀变化。这种等温性与热管的形状和尺寸关系不大。如一米长的热管，蒸发段和冷凝段两端的温差可小于1℃。

　　(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。