（沈陽機床股份有限公司，遼寧 沈陽 110142）

0 引言

鉆攻機不但可以進行高速鉆孔、攻絲和銑削加工，還可以進行連續(xù)的平滑曲線加工，具有高速、高精度和高效率的特點。目前，國內外鉆攻機主軸轉速普遍較高，主軸軸芯的高速旋轉運動，使得主軸溫升過高，而這一直是鉆攻機制造廠商的頑疾。只有控制好鉆攻機主軸溫升，才能夠保證機臺的尺寸精度和外觀精度。

在主軸溫升解決方案中，目前采用的方法主要有加裝Z 軸光柵尺，系統(tǒng)自適熱補償?shù)却胧﹣肀ＷC機臺加工精度，以上均為主軸溫升的后續(xù)的補救措施，并沒在源頭上解決由于主軸發(fā)熱而引起的加工誤差。

1 溫升原因分析

主軸溫升的主要因素有軸承高速轉動，換刀時對彈簧的反復壓縮，以及切削熱傳導至主軸，以下對影響主軸溫升的3 種主要因素進行研究。

1.1 軸承傳動

目前市面鉆攻機主軸軸承多為2 組角接觸陶瓷軸承，背對背排列布置。軸承中各個元件生熱及其熱傳遞是滾動軸承使用性能及壽命的重要影響因素。在高速運轉過程中，陶瓷軸承元件間相互摩擦是軸承溫度變化的主要熱量來源，要計算陶瓷軸承的傳熱機制，需要獲取陶瓷軸承各個元件的發(fā)熱情況。

1.1.1 滾珠與外圈滑動摩擦生熱

主軸在高速運轉時，軸承外圈靜止不動，陶瓷滾珠與外圈存在相對滑動和滾動的復合運動，而熱量的產生，主要來自相對滑動，其產生熱量為Q1：

式中：τq—滾動與外圈之間的切應力。vq—滾動體相對于外圈的滑動速度。T0—軸承運轉時間。dt—時間的微段。

1.1.2 滾動體與內滾道摩擦生熱

軸承滾動體繞軸心高速運轉時，滾動體本身做自轉，并與內滾道摩擦產生熱量，其產生熱量為Q2：

式中：Mq—滾動體摩擦力矩。ωq—滾動體轉動的角速度。t—轉動時間。

1.1.3 滾動體與潤滑脂拖動生熱

軸承滾動體在運轉時，與潤滑脂產生相對拖動，其產生熱量為Q3：

式中：dq—滾動體直徑?！獫L動體摩擦力平均值。ωq—潤滑油轉動角速度。ωp—滾動體繞周向角速度。

1.1.4 其他發(fā)熱

軸承在高速轉動過程中，保持架與滾動體和潤滑脂之間均有摩擦生熱，其發(fā)熱量為Q4：

式中：q1—滾動體與保持架之間摩擦生熱。q2—潤滑脂與保持架摩擦生熱。

以上為主軸陶瓷軸承發(fā)熱的4 種主要形式[1]，其總發(fā)熱量為：式中：Qa—軸承運轉所引起的發(fā)熱量。Qi—引起軸承發(fā)熱的各個因素。

軸承的熱量傳遞可分為3 種基本類型：對流、傳導和輻射，通過以上3 種形式向外傳遞，導致主軸整體溫度升高。

1.2 頻繁換刀

鉆攻機優(yōu)勢在于其鉆孔及剛性攻絲的速度，而換刀速度是鉆攻機的基本屬性，初步統(tǒng)計深圳某公司某項目四序在2 h 內換刀次數(shù)，見表1。

表1 某項目2H 換刀次數(shù)

理想的彈簧壓縮只會發(fā)生彈性變形，動能會完全轉化為彈簧彈性勢能，該壓縮過程是不會發(fā)熱的。但在實際彈簧在壓縮過程中，除彈性變形外，同樣有小幅的塑性形變，動能一部分通過彈性形變轉化為彈性勢能，另一部分通過塑性形變轉化為其內能發(fā)熱，其熱量為Qb：

式中：Qb—彈簧壓縮導致的發(fā)熱量。n—換刀次數(shù)。q—一次換刀彈簧塑性形變產生的熱量。

1.3 切削熱

鉆攻機進行金屬切削時，其他條件不變的情況下，越高的切削速度（S）會產生越多的熱量；更高的速度進給量（F）會加大切削刃中受高溫所影響的區(qū)域。通常情況下，在以高速銑削加工為主的斷續(xù)切削工況中，刀具的切削刃槽型、切削速度、進給量、背吃刀量的選擇對熱量的產生、吸收和控制都有不同程度的影響。

1.3.1 切削刃槽型

選擇適當?shù)你姷侗倔w的幾何角度、切削刃開槽形狀、刃數(shù)及是否涂層，有助于控制熱量產生。標準銑刀分為二刃，三刃，四刃及六刃，刃數(shù)越多，刀具強度越高，但越不利于排屑及排熱。通常情況下，加工鋁合金，鎂合金，壓鑄鋁，選擇非涂層合金刀具；加工鐵、鋼、銅等產品，選擇涂層合金刀具。非涂層刀具強度低于涂層刀具，但非涂層刀具較涂層刀具更鋒利，同時更利于熱量排出。

1.3.2 切削用量的選擇

切削用量包括切削速度、進給量、背吃刀量。增加切削用量通常會產生更多的切削熱量，減少了加工時間并提高生產率，但降低了刀具的使用壽命及工件的加工精度。此時，降低切削用量可將溫度降至可接受的水平。加工中，要選擇合適的切削用量。

通常，整個加工系統(tǒng)會吸收金屬切削過程中所產生的熱量，85% 進入切屑及切削液，約8%進入工件，5 % 進入刀具，2%散入空氣，其中進入刀具的熱量20%傳入主軸錐孔，再通過熱傳遞向內部傳遞，其熱量為Qc。

綜上，鉆攻機在加工中，使主軸產生溫升的熱量為Q：

式中：C—主軸比熱容。M—主軸質量。ΔT—主軸溫升。

2 溫升的影響

2.1 加工精度

作為3C 行業(yè)首選的鉆攻機是一款集速度和精度于一體的高精度加工設備，主軸是鉆攻機上提供加工主動力的核心部件。研究表明，主軸熱誤差占機床總誤差比例最大可以達70%[2]。其中，主軸熱伸長表現(xiàn)尤為突出，該誤差沿主軸軸線方向，鉆攻機為Z 向，亦為加工誤差敏感方向。主軸的精度對于整臺機床精度有著十分重要的影響。該文對主軸熱伸長進行了測試，數(shù)據(jù)如圖1 所示。

根據(jù)以上數(shù)值可以看出，當溫度在室溫到95℃之間變化時，主軸熱伸長數(shù)值波動為0.024 mm，并且當溫度在45℃~75℃之間變化最為明顯。鉆攻機在加工過程中，主軸熱伸長影響其Z 值變化，隨著加工時間的增加，熱伸長數(shù)值越大，越影響加工零件的加工精度。

3.2 主軸軸承的使用壽命

軸承的壽命與載荷間的關系可表示為[3]：式中：L10—基本額定壽命。ft—溫度系數(shù)，數(shù)值選取見表2。C—基本額定動載荷。P—當量動載荷。ε—壽命系數(shù)。

表2 溫度系數(shù)表

可以看出，軸承的使用壽命隨著溫度的升高而降低，且溫度越高，降低的梯度越大。

3.3 刀庫使用壽命

市面現(xiàn)有鉆攻機，多為轉塔式結構，該刀庫具有換刀速度快，響應迅速等特點，但相對機械手刀庫，刀夾相對薄弱。目前鉆攻機最高轉速多為20 000 rpm，在高速運轉中，需要3 000 N的拉力。根據(jù)分子運動論，分子在永不停息的做無規(guī)則運動，且溫度越高，分子熱運動越劇烈，更容易使刀柄與主軸錐孔產生粘連，在持續(xù)“高速轉動-粘連-換刀-高速轉動-粘連-換刀”的過程中，刀夾在較大的交變應力作用下，易使得刀夾根部產生疲勞破壞，從而影響刀庫的使用壽命。

4 降低主軸溫升的措施

4.1 選取適中的加工參數(shù)

切削用量是影響主軸受到軸向及徑向力的主要來源，在加工過程中需要選擇合理的切削用量才能夠充分利用刀具的切削性能及機床性能。不同的加工性質，對切削加工制訂不同切削用量，就是要在已選擇好刀具和加工材料的基礎上，確定合理的切削深度ap、進給量f 及切削速度vc。

粗加工時，需盡量保證較高的金屬去除率及必要的刀具耐用度，所以一般優(yōu)先選用盡可能大的切削深度ap，其次選擇較大的進給量f，再根據(jù)刀具耐用度要求，確定合適的切削速度vc。半精加工和精加工的加工余量一般較小，可一次切除，但有時為了保證工件的加工精度和表面質量，也可采用二次銑削。多次銑削時，應盡量將第一次走刀的切削深度取大些，一般為總加工余量的2/3~3/4。鉆攻機精加工余量多為0.03~0.08，并通過一次銑削完成工件加工，高轉數(shù)vc，大進給f，小切削量ap，以保證加工出高品質的產品[4]。

圖1 主軸溫升-熱伸長統(tǒng)計圖

只有選擇合理的切削用量，才能將機臺性能發(fā)揮到極致，同時保證不至因主軸軸承受力過大，而導致的主軸溫度升高過高，從而影響機臺的加工精度。

4.2 優(yōu)化主軸軸承的安裝方式

采用合理的安裝調試方式，適合的安裝工具，以及無塵的車間環(huán)境，是軸承獲得較高速度、較低溫升較、較高精度的必要條件。優(yōu)化主軸軸承的安裝方式對提高主軸的使用壽命至關重要，假設主軸材質為各項同性材料，優(yōu)化安裝方式能夠保證主軸軸承徑向及軸向受力的均勻性，如采用熱裝法，均勻施壓安裝法等安裝方式。陶瓷軸承的精度為6 級，即與主軸軸承裝配的內軸心與外軸心分別選取6 級的加工精度，以保證后續(xù)的動平衡達到G0.4 等級。鉆攻機主軸軸承采用過盈配合安裝，當主軸直徑d ≥80mm 時，采用熱力安裝法，將其加熱至80℃后進行安裝。鉆攻機主軸采用軸承預加載荷的方法，可以提高軸承的剛度，但預加載和要適度，否則軸承克服摩擦所作的功會轉化為熱量，這樣反而導致主軸過高的溫升，從而造成軸承系統(tǒng)的損壞[5]。

4.3 加裝主軸油冷機

主軸是鉆攻機中重要的組成部分，由于鉆攻機主軸轉速很高，常規(guī)鉆攻機主軸轉數(shù)為20 000 rpm，運轉時產生大量的熱，引起主軸溫升，從而影響主軸的正常工作。油冷機在油泵作用下，將冷卻油強制的在主軸外圈與主軸箱之間進行流動。根據(jù)熱力學第二定律，存在溫差的地方必定有熱量的轉移，并且溫度總是從高溫物體向體溫物體傳遞。加裝油冷機后，主軸將熱量傳遞給循環(huán)的冷卻油，之后冷卻油再進入油冷機，在壓縮泵作用下進行冷卻，從而進行循環(huán)使用。

5 結語

在高速鉆攻機作業(yè)過程中，隨著作業(yè)時間的加長以及轉速的升高，主軸溫升愈加明顯，不但影響鉆攻機使用壽命，而且會影響產品尺寸精度及表面粗糙度。該文介紹了影響鉆攻機主軸溫升的3 個主要因素，以及防止主軸過度溫升的3 種措施，為高速鉆攻機主軸溫度變化研究及其應用提供參考。