数控铣床主轴热负荷的应用研究

数控铣床主轴热负荷的应用研究

  作者：祁剑

【内容摘要】 数控铣床在加工过程中，机床主轴会产生热量，这对主轴的回转精度，工件加工精度都会造成直接影响，尤其是在机床高速运转的情况下，发热量更会急剧上升，主轴因热形变而引起的加工误差占到总体误差30%-70%的程度。因此，机床主轴系统的热负荷分析变得至关重要。本文从数控铣床主轴热来源的角度入手，对主轴热负荷应用进行了分析，提出了改进措施。

【关键词】 数控铣床 机床主轴 热负荷 应用研究

1 引言

数控铣床是在普通铣床的基础上集成了数字控制系统，能在程序代码控制下精确进行铣削加工的机床。在加工过程中，机床主轴产生的热量对主轴的回转精度，工件加工精度都会造成直接影响，尤其是在机床高速运转的情况下更容易引起工件加工误差。数控铣床属于高速精密应用，主轴的承载能力同一般工程应用完全不同，因此对主轴的热负荷能力进行分析与设计，对于数控铣床的精度有着重要意义。

2 数控铣床主轴的热来源

数控铣床主轴系统，包括主轴箱体和主轴传动系统，现代机床的传动结构已经得到了极大的简化，主轴系统成为机床的核心部件，直接影响着机床的加工精度，其热来源主要包括两个方面。

2.1 切削热

切削热是来自于机械加工过程中，切削所消耗的能量，这些能量几乎全部转化为热量。尤其是机床在高速切削的情况下，切削变形所消耗的能量更高，产生的热量更大。不过在高速切削的时候，大部分热量会被切屑带走，仅3%左右由刀具散热。

2.2 摩擦发热

主轴承系统的热来源主要是轴承的摩擦发热。在切削的过程中，刀具切削所产生的热量传递给主轴的仅占总切削热的3%。但主轴承摩擦所产生的热量，却大量积存于主轴承上，并且使主轴产生非均匀温度场，造成主轴轴线抬升和倾斜的现象，从而对机床的加工精度造成影响。所以我们在考虑数控铣床主轴热负荷问题的时候，主要从主轴的摩擦发热方面进行考虑。

3 主轴系统热负荷分析

主轴轴承摩擦产生的热量，其中一部分会传入主轴及主轴箱部件之中，使主轴和主轴箱部件的温度上升；剩下的热量，一部分通过主轴和主轴箱表面散发到空气之中，另一部分则通过主轴冷却构件带出。在主轴系统中，由于主轴冷却构件与水箱是相连的，在运转的时候，泵系统将水箱里的水送到铣床主轴冷却构件从而降低主轴的温度并把热量带回水箱，再通过水箱将部分热量散发到空气中，但是带入水箱中的热量，并不能完全散发出去，会使水箱中的冷却水温度升高，对主轴部件的温度形成影响。在整个过程中，冷却水的温度是一直在发生着变化的，所以我们在分析主轴热负荷的时候，再加上数控铣床主轴部件结构相当复杂，要准确描述主轴热负荷，用数学函数是很难进行的。所以我们采用有限元法，对主轴热负荷进行分析。

3.1 主轴和主轴箱的有限元热负荷模型

通过主轴系统的热来源分析，我们可以发现主轴轴承发出的热量，除了传入主轴之外，还会传入主轴箱内的其它部件中，对主轴系统的精度造成影响，所以我们在建立有限元热负荷模型分析主轴系统的热负荷时，要将主轴和主轴箱作为一个整体进行分析，这样所得到的结果才更接近于实际情况。

在有限元热负荷模型计算时，需要对热负荷边界进行处理。数控铣床的热负荷一般只需考虑热源和对流换热这两种情况。热源包括轴承摩擦生热和刀具切削生热两个部分，对流形式包括自然对流、冷却系统对流两个部分。对于主轴冷却系统来说，其对流体的温度就是冷却水的温度。

4.2 主轴系统与冷却水箱之间的冷却模型

主轴冷却系统的冷却水温度是随时间变化的，我们在建立冷却模型的时候，需要将时间划分为一个个的时间段，并假设主轴冷却部分与冷却水箱之间是完全绝热的，冷却水在流回冷却水箱后能马上均匀混合。那么，我们根本能量守恒定律可以推断出，主轴冷却系统的热负荷，将其加入有限元模型上，即可得出主轴及主轴箱的温度场。在我们实际应用研究中会发现，支承温度升到稳定状态是一个非常缓慢的过程，并且前、中、后支承温度变化过程基本相同，其过程基本上可以分成三个阶段，包括快速温升阶段，稳态过渡阶段和稳态阶段。主轴端的变化过程与支承变化过程也极为相似。

5 数控铣床主轴热负荷应用

通过对数控铣床主轴热负荷模型的研究，我们可以发现，在对工件进行加工之前，如果先对铣床进行预热，再对工件进行加工，这样就可以大大减少主轴热变形对加工精度的影响，我们称预热所达到的温度点为拐点。而拐点之后，支承和主轴的温度基本上是呈线性增加，各曲线大致处于平行状态，其流量的大小影响了温升曲线的间距，随着流量的增大，相邻曲线的间距渐渐减少。

此外，水箱大小对主轴热负荷也有影响。在热模型研究中，我们会发现冷却水箱大小不同时，前支承和主轴温升变化曲线的区别。水箱的大小，对于前支承温升的变化有着较大的影响。所以我们在设计冷却水箱的大小时，应当充分考虑轴承对温升的要求和冷却水箱实际占用的空间大小，以此确定冷却水箱的大小。

6 结束语

通过对数控铣床主轴系统热来源、散热途径、热负荷模型的研究，我们可以分析得出：

第一，在数控铣床主轴散热系统中，当我们使用普通水箱对铣床主轴进行冷却时，主轴系统的温升变化过程非常缓慢，而在冷却系统中采用恒温水箱比普通水箱会有更好的效果。

第二，冷却系统中，冷却水的流量对温升曲线的间距会有影响，但当冷却水流量达到一定数值时，冷却效果就不那么明显了，所以需要注意冷却水的流量控制，使其在一个比较合适的范围内。

第三，冷却系统中冷却水箱的大小，对于拐点后主轴系统的温升变化具有较大的影响，不过同冷却水流量一样，当冷却水箱的尺寸达到一定值之后，再增加其容积对主轴系统的温升影响就不再那么明显。

所以，我们对主轴系统，应当采取合适的冷却方式和冷却结构，以寻找最佳的降低主轴系统温升的设计方案，获量较好的温度场分布，从而减少主轴系统因热变形引起的精度问题。

【参考文献】

[1] 蒋兴奇，《主轴轴承热特性及对速度和动力学性能影响的研究》[D]，杭州：浙江大学，2001

[2] 王金生，姚春燕，《ANSYS在数控铣床热特性分析中的应用》[J]，浙江工业大学学报，2004.32

[3] 梁允奇，《机械制造中的传热与热变形基础》[M]，机械工业出版社，1982

[4] 万长森，《滚动轴承的分析方法》[M]，机械工业出版社，1987