分析高速機床電主軸的熱管冷卻

孟祥宇

摘要 高速機床相對于傳統的加工機床來說具更高的加工速度以及較優秀的零件精度及切削表面質量，為現代化的機械加工業提供更優質的服務。但是由于高速機床在工作的過程中，是由電主軸的高速旋轉來完成工作的，在這一進程中產生了大量的熱量，溫度的升高使得機械產生熱膨脹，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床正常工作的必然選擇。本文中主要針對高速機床電主軸的熱管冷卻進行了詳細的分析及探討。

關鍵詞：高速機床；電主軸；熱管冷卻

高速機床在使用的過程當中，處于高速旋轉狀態下的電主軸的各個零件都會表現為或強或熱的發熱現象，如果不采取及時且有效的冷卻措施，就會使得電主軸與機床中的其它結構的相對位置等參數相較于正常運轉狀態存在較大的誤差，特別是電主軸發生較強的熱膨脹時，會嚴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，也會使得電主軸過熱而發生局部的應用變化等，等而減少高速電主軸的使用壽命，增加了生產成本，因此應采用合理的冷卻系統，提高電主軸的冷卻水平，從而更有利于穩定機械加工質量，保護高速機床設備。

1.創新高速電主軸冷卻系統的必要性分析

在當今我國使用的高速機床中，在進行高速主軸冷卻工作時，大多數是采用在主軸殼體內添加冷卻油的形式來實現的，這些冷卻油在主軸的工作過程中得到不斷的循環，從而將熱量帶下次，達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，經前端蓋處的入水口，流入到前端軸承外圍，并完成對前端軸承的冷卻工作，隨后再流向主軸的定子及后軸承，完成相應的冷卻任務后，再流回主軸油溫控制品，這一流程的結束即完成了一次冷卻循環。

高帶電主軸在工作中之所以會發出熱量，究其原因主要是其存以以下的發熱源，首先位于機床主軸結構中的主軸電動機高速旋轉而發出的熱量，是其內部結構的主要熱量來源；其次，由于電動機在主軸殼體內的高速轉動使得殼體內的空氣發熱，同時再通過主軸殼體等散發了出去，這使得主軸的溫度有所升高，甚至于其使用壽命也會有所縮短，零件的加工精度也得不到有效保證；最后，在轉動過程中，主軸軸承摩擦所產生的熱能也是熱源之一。而傳統的冷卻方式只進行了定子冷卻，沒有對轉子的相關部件進行冷卻，雖然外部看似已經冷卻，但內部仍然很熱。要想實現全面的冷卻效果，對傳統的高速機床電主軸冷卻系統進行優化及革新勢在必行。

2.熱管冷卻的工作原理及特性分析

熱管是一種當今社會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工質的相變過程來實現傳熱的，這樣的不間斷式的傳熱系統，可以在沒有外力作用的條件下，實現通過小截面的熱量遠距離傳送，且運行十分穩定。熱管3個工作段中，蒸發段與凝結段是必不可少的，而絕熱段根據設計的要求可有可無，在實際應用的熱管結構中，通常都是沒有絕熱段的。熱管區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用于高速機床電主軸冷卻，主要因為熱管的以下幾點特性為實現電主軸冷卻控制提供了可行性：

（1）高效的導熱性。通過熱管進行散熱，就是利用熱管內部液體的汽、液轉換的熱量變化，而實現傳熱的，這一過程的熱阻極小，相應的導熱能力也就更高。在單位重一定的條件下，熱管可比銅、鉛等金屬多輸送幾個量級的熱量。

（2）熱響應性速度快。熱管采用的是真空結構，其較小的壓力，使得熱管的整體啟動溫差都很小，當蒸發段相比于冷凝段溫度稍高些時，熱管能夠迅速調節蒸發段與冷凝段之間的溫差，使溫差得到迅速改變，響應速度非常快。

（3）結構形狀的多樣性。熱管的結構形狀可根據需求呈現出不同的形狀，其冷卻及加熱的位置也能夠實際情況隨意確定，這強化了它的隨意性，使其應用范圍更加廣泛。

（4）管內溫度分布非常均勻。通過真空內的蒸汽溫度可以有效的實現熱管表面的溫度控制，同時熱管內各部件的熱阻較小，當溫度發生變化時，也不會產生較大變化，甚至是沒有影響。

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

3.高速機床電主軸的熱管冷卻系統設計

采用熱管技術的主軸冷卻系統不但可以對軸殼進行冷卻，而且還增加了對高速主軸芯的冷卻。通過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、電機定子、后端軸承均設為蒸發段，將露出再后端蓋的熱管部分設為冷凝端。在機床上加裝冷卻空調機，并通過加壓，使冷空氣從后端蓋的入口流進，最后從出口流出并循環到制冷空調機冷卻。當機床工作時，一旦在蒸發端產生熱量，就會迅速通過熱管內部的蒸汽帶到冷凝段，而在冷凝端遇上冷空氣，就會迅速帶走熱量，保證電主軸的恒溫狀態。利用高效的熱管導熱技術，能迅速帶走主軸電機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，同時也將提高軸本身與主軸軸承的使用壽命。

4.結語

綜上所述，經過多年的發展，我國的機械加工技術水平得到了明顯的提升，特別是高速加工機床的誕生及使用，更使得機械加工業步入了新的發展時期。但是高速電主軸在使用過程中，溫度的快速升高，影響了高速機床有正常使用，降低了零件的加工精度，只有通過采用有效的冷卻技術，才能改善這一狀況，高速電主軸熱管冷卻技術就是這樣的一種有效的降溫技術。有了該項技術的存在，可以在機床可承受的范圍內，相應的提高電主軸的轉速，從而提高加工機床的工作效率，創造更大的經濟效益。

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