軸芯冷卻對電主軸熱-機械特性影響的實驗研究

郝曼

(陜西省產品質量監督檢驗研究院，陜西西安 710048)

0 前言

電主軸是數控機床的關鍵功能部件和主要內熱源。在高速高精度加工條件下，電主軸的電機和軸承產生大量熱，是導致機床熱誤差的主要因素。目前采用電機定子冷卻水套、軸承油-氣潤滑2種冷卻方式進行冷卻，雖然可以帶走軸承和電機部分發熱量，但對于占電機發熱量近1/3的轉子鐵損發熱卻沒有進行有效冷卻，導致轉子部分熱量傳到軸芯和軸承，引起各部件溫度分布不均，在系統內產生熱應力和熱變形。此外，軸承冷卻液在高速旋轉主軸的離心力作用下，難以均勻分布到軸承內外圈及滾動體，導致軸承溫度升高，預緊力變大，軸承摩擦發熱加劇，進而影響軸承動力學性能和電主軸系統機械特性，最終導致嚴重熱誤差甚至主軸失效。因此，控制電主軸的溫升，減小其熱變形，已經成為高速機床發展過程中亟待解決的關鍵問題。

為進一步減小電主軸的熱變形，研究人員提出了電主軸軸芯冷卻這一技術概念，通過將冷卻介質引入軸芯內部的冷卻方式，實現對轉子和軸承的高效冷卻。瑞士Fisher公司設計了一種帶有軸芯冷卻結構的電主軸，通過外部系統向軸芯通入冷卻液，顯著地改善了軸芯熱積聚問題。本文作者提出一種轉子冷卻結構及系統，如圖1所示。沿轉軸軸線加工圓孔冷卻通道，通道出口和入口分別位于轉軸的前、后端面，采用螺紋連接旋轉接頭導入冷卻油。通過控制冷卻油的溫度和流量來調節換熱量。

圖1 軸芯冷卻結構及系統示意

現有對電主軸冷卻特別是軸芯冷卻技術的研究，多集中于軸芯冷卻對電主軸系統熱特性影響的分析。但采取軸芯冷卻，在改善軸芯熱積聚問題的同時，往往也會影響電主軸的機械特性。如何在開發電主軸先進冷卻技術的同時，保證電主軸高速運轉時的動靜剛度，是發展高速電主軸冷卻技術的關鍵，但目前國內外很少有涉及此問題的研究。本文作者以具有軸芯冷卻結構的150SD電主軸為研究對象，研究軸芯冷卻電主軸的熱-機械特性。

1 軸芯冷卻對電主軸熱-機械特性影響的機制分析

軸芯冷卻對電主軸熱-機械特性影響機制如圖2所示。電主軸內部熱源主要是電機定子、轉子和軸承。常規電主軸采用螺旋冷卻套對定子進行冷卻，而轉子和軸承無冷卻。在高速、長時間加工狀態下，電主軸系統內部溫升不均勻導致軸承座、軸芯、軸承內外圈及滾動體發生熱變形，同時軸承內圈發生離心膨脹變形。熱效應和離心效應共同作用，減小了軸承內部間隙，一方面產生了熱誘導預緊力，增大了軸承滾動體與內外圈之間的接觸載荷，導致軸承滾動體與內外圈之間的接觸剛度增大，進而增大了軸承徑向支撐剛度，在主軸離心、陀螺效應的共同作用下，最終影響電主軸系統機械特性。另一方面，軸承內部間隙減小，加劇了滾動體與內外圈之間的接觸摩擦力矩，其發熱量增大，進一步導致系統溫度升高，影響電主軸系統熱特性。而當進行軸芯冷卻時，減小了系統內部溫升和各部件熱變形，改變了軸承內部間隙，最終影響電主軸熱特性和機械特性。

圖2 耦合機制

2 實驗系統及設備

2.1 熱特性測試

實驗平臺由電主軸調速系統、冷卻系統、負載系統和數據采集系統組成，如圖3所示。詳細的傳感器布置及實驗步驟和工況見文獻[8]。

圖3 實驗平臺系統圖

2.2 靜剛度測試

電主軸工作時主要承受徑向力作用，文中測試電主軸軸端在受到徑向力時抵抗變形的能力，數值上等于力除以在力的方向上的位移。實驗裝置包括：磁吸式千分表、徑向力加載裝置(帶力傳感器)、力數據采集儀、電主軸，如圖4所示。千分表的量程為1 mm，精度為1 μm。徑向力加載裝置規格為10 kN。力數據采集儀示值分辨率小于10 N。

圖4 電主軸靜剛度測試臺

將被測電主軸固定于實驗臺上，利用夾緊裝置以及螺栓等將它夾緊。根據外圓磨床精度的測試標準，電主軸伸出端的最大徑向相對位移量不超過1～2 μm；徑向位移的測點位于電主軸軸芯伸出端的正上方，徑向力施加點位于電主軸軸芯伸出端的正下方；當軸端徑向位移量達到最大允許值時，立即停止施加徑向力。徑向力加載裝置沿主軸徑向向上施加力，千分表在另一側測量主軸徑向位移。徑向力加載采用液壓缸式千斤頂，頂端帶有力傳感器，實時測量所施加力的大小。采用千分表測量電主軸軸芯伸出端的徑向位移。在進行電主軸靜剛度測量之前，利用磁力底座將千分表固定在工作臺上，保證其穩定性。以電主軸軸端徑向相對位移量2 μm為最大允許值，采取逐步加載的方式，載荷遞增量為50 N，每次加載完后保持1 min，記錄軸端徑向位移，重復測量3次求平均值。徑向力加載過程如圖5所示，當徑向力為350 N時，徑向位移量為2.1 μm，進一步加載至400 N，停止加載。

圖5 徑向力加載過程

2.3 動態響應測試

電主軸伸出端動態響應測試系統如圖6所示，采用非固定式激勵系統激振裝置力錘，在電主軸軸端施加徑向激勵，利用單向加速度傳感器測量激勵點附近的振動響應，將加速度傳感器采集到的信號與力錘上的力傳感器采集到的信號一同傳給多通道數據采集儀進行處理，進而將數據傳輸到PC機，根據激勵、響應信號，使用數據分析處理軟件計算出主軸端部的頻率響應函數。力錘(含力傳感器)PCB 086C03靈敏度為2.25 mV/N，單向加速度傳感器PCB 333A32靈敏度為101.3 mV/，16通道數據采集系統為LMS SCADAS305。實驗過程中，將單向加速度傳感器用石蠟貼在電主軸伸出端正上方，在加速度傳感器相對位置，用力錘垂直向上敲擊電主軸伸出端，重復幾次，當測得的頻響曲線基本不變時停止。

圖6 電主軸軸端動態響應測試系統

3 實驗結果及討論

3.1 軸芯冷卻對電主軸熱特性的影響

轉速為1 500 r/min，負載轉矩為0.8 N·m，軸芯冷卻油流量為2.5 L/min，與相同工況下無軸芯冷卻時電主軸熱特性實驗數據進行對比，結果如圖7所示。可見：在軸芯冷卻油的高效、直接冷卻下，電主軸穩態時軸向熱變形由6 μm減小為3 μm；無軸芯冷卻時，電主軸系統熱平衡時間約為3 000 s。軸芯冷卻系統對電主軸內部進行強制對流換熱，系統熱平衡時間減少至1 000 s，減少了66.7%；同時各測點溫升也有不同程度的減小，軸芯測點溫升減小了約2.5 ℃；前軸承1測點和后軸承2測點溫升減小了約2、1 ℃。軸芯冷卻可以有效地減小系統各關鍵部件的溫升，極大地改善了電主軸系統內部的熱環境。

圖7 電主軸熱特性對比

3.2 軸芯冷卻對電主軸機械特性的影響

(1)靜剛度

在轉速1 000～6 000 r/min的工況下，無軸芯冷卻和有軸芯冷卻對電主軸軸端靜剛度的影響規律如圖8所示。

由圖8可知，隨著轉速升高，電主軸系統靜剛度增大，在轉速為5 000 r/min以后，增長趨勢減緩。影響系統靜剛度的關鍵因素是軸承徑向剛度，不考慮熱效應時，軸承徑向剛度主要受離心效應的影響，變化量很小。無軸芯冷卻時，隨著轉速增加，在熱效應和離心效應的綜合影響下，內、外圈接觸力均增加，且由于滾動體離心力效應，外圈接觸力大于內圈，內圈接觸角大于外圈，導致軸承軸向剛度和徑向剛度均增大，從而增大了系統剛度，使系統靜剛度隨轉速的增加由163.2 N/μm增加到166.4 N/μm。有軸芯冷卻時，降低了軸芯溫升，從而減小了軸芯軸向及徑向熱變形，同時對軸承進行冷卻，減小了軸承各部分熱膨脹變形，導致前、后軸承徑向剛度降低，從而降低了系統靜剛度。與無軸芯冷卻相比，在轉速為4 000 r/min時，軸芯冷卻使系統靜剛度降低最多，為0.72 N/μm。

圖8 不同轉速下電主軸系統靜剛度變化 圖9 電主軸軸端頻率響應函數

(2)固有頻率

實驗測得電主軸伸出端頻率響應函數的1階、2階、3階固有頻率分別為1 037、1 332、1 425 Hz，如圖9所示。

在轉速為1 000～6 000 r/min工況下，無軸芯冷卻和有軸芯冷卻對電主軸系統1階、2階固有頻率的影響規律如圖10所示。無軸芯冷卻時，系統1階固有頻率隨轉速增加，由957.4 Hz增加到969.3 Hz，系統2階固有頻率由1 292.3 Hz增加到1 323.9 Hz；與無軸芯冷卻相比，在轉速為6 000 r/min時，軸芯冷卻使系統1階、2階固有頻率降幅最大，分別降低了9.1、46.1 Hz。

圖10 電主軸系統固有頻率變化

4 結論

經分析可知，軸芯冷卻降低了系統內部溫升，減小了軸芯前端軸向熱變形；同時減小了軸承滾動體與內外圈之間的接觸摩擦力，有利于提高軸承使用壽命。軸芯冷卻降低了電主軸系統靜剛度和固有頻率。在1 000～6 000 r/min轉速范圍內，軸芯冷卻減小了系統靜剛度，在轉速為4 000 r/min時，系統靜剛度降幅最大，與無軸芯冷卻相比降低了0.72 N/μm；軸芯冷卻減小了不同轉速下的系統1、2階固有頻率，在轉速為6 000 r/min時，系統1、2階固有頻率降幅最大，分別降低了9.1、46.1 Hz。

系統剛度降低或不足時，在切削力及其他力的作用下，電主軸將產生較大的變形，不僅影響工件的加工質量，還會增加軸承動載荷，降低其精度和壽命，進一步影響加工精度。因此有必要在設計階段對軸芯冷卻電主軸從軸單元懸伸量、跨距、幾何尺寸、材料等方面進行綜合優化設計，識別和確定系統振型和固有頻率，提高系統機械特性。