郝曼

(陜西省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，陜西西安 710048)

0 前言

電主軸是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件和主要內(nèi)熱源。在高速高精度加工條件下，電主軸的電機(jī)和軸承產(chǎn)生大量熱，是導(dǎo)致機(jī)床熱誤差的主要因素。目前采用電機(jī)定子冷卻水套、軸承油-氣潤(rùn)滑2種冷卻方式進(jìn)行冷卻，雖然可以帶走軸承和電機(jī)部分發(fā)熱量，但對(duì)于占電機(jī)發(fā)熱量近1/3的轉(zhuǎn)子鐵損發(fā)熱卻沒(méi)有進(jìn)行有效冷卻，導(dǎo)致轉(zhuǎn)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(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱變形。此外，軸承冷卻液在高速旋轉(zhuǎn)主軸的離心力作用下，難以均勻分布到軸承內(nèi)外圈及滾動(dòng)體，導(dǎo)致軸承溫度升高，預(yù)緊力變大，軸承摩擦發(fā)熱加劇，進(jìn)而影響軸承動(dòng)力學(xué)性能和電主軸系統(tǒng)機(jī)械特性，最終導(dǎo)致嚴(yán)重?zé)嵴`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(jīng)成為高速機(jī)床發(fā)展過(guò)程中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

為進(jìn)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(shù)概念，通過(guò)將冷卻介質(zhì)引入軸芯內(nèi)部的冷卻方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子和軸承的高效冷卻。瑞士Fisher公司設(shè)計(jì)了一種帶有軸芯冷卻結(jié)構(gòu)的電主軸，通過(guò)外部系統(tǒng)向軸芯通入冷卻液，顯著地改善了軸芯熱積聚問(wèn)題。本文作者提出一種轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)，如圖1所示。沿轉(zhuǎn)軸軸線加工圓孔冷卻通道，通道出口和入口分別位于轉(zhuǎn)軸的前、后端面，采用螺紋連接旋轉(zhuǎn)接頭導(dǎo)入冷卻油。通過(guò)控制冷卻油的溫度和流量來(lái)調(diào)節(jié)換熱量。

圖1 軸芯冷卻結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)示意

現(xiàn)有對(duì)電主軸冷卻特別是軸芯冷卻技術(shù)的研究，多集中于軸芯冷卻對(duì)電主軸系統(tǒng)熱特性影響的分析。但采取軸芯冷卻，在改善軸芯熱積聚問(wèn)題的同時(shí)，往往也會(huì)影響電主軸的機(jī)械特性。如何在開(kāi)發(fā)電主軸先進(jìn)冷卻技術(shù)的同時(shí)，保證電主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)靜剛度，是發(fā)展高速電主軸冷卻技術(shù)的關(guān)鍵，但目前國(guó)內(nèi)外很少有涉及此問(wèn)題的研究。本文作者以具有軸芯冷卻結(jié)構(gòu)的150SD電主軸為研究對(duì)象，研究軸芯冷卻電主軸的熱-機(jī)械特性。

1 軸芯冷卻對(duì)電主軸熱-機(jī)械特性影響的機(jī)制分析

軸芯冷卻對(duì)電主軸熱-機(jī)械特性影響機(jī)制如圖2所示。電主軸內(nèi)部熱源主要是電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子和軸承。常規(guī)電主軸采用螺旋冷卻套對(duì)定子進(jìn)行冷卻，而轉(zhuǎn)子和軸承無(wú)冷卻。在高速、長(zhǎng)時(shí)間加工狀態(tài)下，電主軸系統(tǒng)內(nèi)部溫升不均勻?qū)е螺S承座、軸芯、軸承內(nèi)外圈及滾動(dòng)體發(fā)生熱變形，同時(shí)軸承內(nèi)圈發(fā)生離心膨脹變形。熱效應(yīng)和離心效應(yīng)共同作用，減小了軸承內(nèi)部間隙，一方面產(chǎn)生了熱誘導(dǎo)預(yù)緊力，增大了軸承滾動(dòng)體與內(nèi)外圈之間的接觸載荷，導(dǎo)致軸承滾動(dòng)體與內(nèi)外圈之間的接觸剛度增大，進(jìn)而增大了軸承徑向支撐剛度，在主軸離心、陀螺效應(yīng)的共同作用下，最終影響電主軸系統(tǒng)機(jī)械特性。另一方面，軸承內(nèi)部間隙減小，加劇了滾動(dòng)體與內(nèi)外圈之間的接觸摩擦力矩，其發(fā)熱量增大，進(jìn)一步導(dǎo)致系統(tǒng)溫度升高，影響電主軸系統(tǒng)熱特性。而當(dāng)進(jìn)行軸芯冷卻時(shí)，減小了系統(tǒng)內(nèi)部溫升和各部件熱變形，改變了軸承內(nèi)部間隙，最終影響電主軸熱特性和機(jī)械特性。

圖2 耦合機(jī)制

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及設(shè)備

2.1 熱特性測(cè)試

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由電主軸調(diào)速系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、負(fù)載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖3所示。詳細(xì)的傳感器布置及實(shí)驗(yàn)步驟和工況見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)圖

2.2 靜剛度測(cè)試

電主軸工作時(shí)主要承受徑向力作用，文中測(cè)試電主軸軸端在受到徑向力時(shí)抵抗變形的能力，數(shù)值上等于力除以在力的方向上的位移。實(shí)驗(yàn)裝置包括：磁吸式千分表、徑向力加載裝置(帶力傳感器)、力數(shù)據(jù)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(guī)格為10 kN。力數(shù)據(jù)采集儀示值分辨率小于10 N。

圖4 電主軸靜剛度測(cè)試臺(tái)

將被測(cè)電主軸固定于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，利用夾緊裝置以及螺栓等將它夾緊。根據(jù)外圓磨床精度的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，電主軸伸出端的最大徑向相對(duì)位移量不超過(guò)1～2 μm；徑向位移的測(cè)點(diǎn)位于電主軸軸芯伸出端的正上方，徑向力施加點(diǎn)位于電主軸軸芯伸出端的正下方；當(dāng)軸端徑向位移量達(dá)到最大允許值時(shí)，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(cè)測(cè)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(shí)時(shí)測(cè)量所施加力的大小。采用千分表測(cè)量電主軸軸芯伸出端的徑向位移。在進(jìn)行電主軸靜剛度測(cè)量之前，利用磁力底座將千分表固定在工作臺(tái)上，保證其穩(wěn)定性。以電主軸軸端徑向相對(duì)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(fù)測(cè)量3次求平均值。徑向力加載過(guò)程如圖5所示，當(dāng)徑向力為350 N時(shí)，徑向位移量為2.1 μm，進(jìn)一步加載至400 N，停止加載。

圖5 徑向力加載過(guò)程

2.3 動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試

電主軸伸出端動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)如圖6所示，采用非固定式激勵(lì)系統(tǒng)激振裝置力錘，在電主軸軸端施加徑向激勵(lì)，利用單向加速度傳感器測(cè)量激勵(lì)點(diǎn)附近的振動(dòng)響應(yīng)，將加速度傳感器采集到的信號(hào)與力錘上的力傳感器采集到的信號(hào)一同傳給多通道數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行處理，進(jìn)而將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)，根據(jù)激勵(lì)、響應(yīng)信號(hào)，使用數(shù)據(jù)分析處理軟件計(jì)算出主軸端部的頻率響應(yīng)函數(shù)。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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為L(zhǎng)MS SCADAS305。實(shí)驗(yàn)過(guò)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(duì)位置，用力錘垂直向上敲擊電主軸伸出端，重復(fù)幾次，當(dāng)測(cè)得的頻響曲線基本不變時(shí)停止。

圖6 電主軸軸端動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 軸芯冷卻對(duì)電主軸熱特性的影響

轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)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(wú)軸芯冷卻時(shí)電主軸熱特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示?？梢?jiàn)：在軸芯冷卻油的高效、直接冷卻下，電主軸穩(wěn)態(tài)時(shí)軸向熱變形由6 μm減小為3 μm；無(wú)軸芯冷卻時(shí)，電主軸系統(tǒng)熱平衡時(shí)間約為3 000 s。軸芯冷卻系統(tǒng)對(duì)電主軸內(nèi)部進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱，系統(tǒng)熱平衡時(shí)間減少至1 000 s，減少了66.7%；同時(shí)各測(cè)點(diǎn)溫升也有不同程度的減小，軸芯測(cè)點(diǎn)溫升減小了約2.5 ℃；前軸承1測(cè)點(diǎn)和后軸承2測(cè)點(diǎn)溫升減小了約2、1 ℃。軸芯冷卻可以有效地減小系統(tǒng)各關(guān)鍵部件的溫升，極大地改善了電主軸系統(tǒng)內(nèi)部的熱環(huán)境。

圖7 電主軸熱特性對(duì)比

3.2 軸芯冷卻對(duì)電主軸機(jī)械特性的影響

(1)靜剛度

在轉(zhuǎn)速1 000～6 000 r/min的工況下，無(wú)軸芯冷卻和有軸芯冷卻對(duì)電主軸軸端靜剛度的影響規(guī)律如圖8所示。

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

圖8 不同轉(zhuǎn)速下電主軸系統(tǒng)靜剛度變化 圖9 電主軸軸端頻率響應(yīng)函數(shù)

(2)固有頻率

實(shí)驗(yàn)測(cè)得電主軸伸出端頻率響應(yīng)函數(shù)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(zhuǎn)速為1 000～6 000 r/min工況下，無(wú)軸芯冷卻和有軸芯冷卻對(duì)電主軸系統(tǒng)1階、2階固有頻率的影響規(guī)律如圖10所示。無(wú)軸芯冷卻時(shí)，系統(tǒng)1階固有頻率隨轉(zhuǎn)速增加，由957.4 Hz增加到969.3 Hz，系統(tǒng)2階固有頻率由1 292.3 Hz增加到1 323.9 Hz；與無(wú)軸芯冷卻相比，在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時(shí)，軸芯冷卻使系統(tǒng)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(tǒng)固有頻率變化

4 結(jié)論

經(jīng)分析可知，軸芯冷卻降低了系統(tǒng)內(nèi)部溫升，減小了軸芯前端軸向熱變形；同時(shí)減小了軸承滾動(dòng)體與內(nèi)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(tǒng)靜剛度和固有頻率。在1 000～6 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，軸芯冷卻減小了系統(tǒng)靜剛度，在轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)，系統(tǒng)靜剛度降幅最大，與無(wú)軸芯冷卻相比降低了0.72 N/μm；軸芯冷卻減小了不同轉(zhuǎn)速下的系統(tǒng)1、2階固有頻率，在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時(shí)，系統(tǒng)1、2階固有頻率降幅最大，分別降低了9.1、46.1 Hz。

系統(tǒng)剛度降低或不足時(shí)，在切削力及其他力的作用下，電主軸將產(chǎn)生較大的變形，不僅影響工件的加工質(zhì)量，還會(huì)增加軸承動(dòng)載荷，降低其精度和壽命，進(jìn)一步影響加工精度。因此有必要在設(shè)計(jì)階段對(duì)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(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，識(shí)別和確定系統(tǒng)振型和固有頻率，提高系統(tǒng)機(jī)械特性。