分析高速机床电主轴的热管冷却

孟祥宇

摘要 高速机床相对于传统的加工机床来说具更高的加工速度以及较优秀的零件精度及切削表面质量，为现代化的机械加工业提供更优质的服务。但是由于高速机床在工作的过程中，是由电主轴的高速旋转来完成工作的，在这一进程中产生了大量的热量，温度的升高使得机械产生热膨胀，从而使得零件的制造精度降低，误差较大，因此采取有效的降温措施是保证高速机床正常工作的必然选择。本文中主要针对高速机床电主轴的热管冷却进行了详细的分析及探讨。

关键词：高速机床；电主轴；热管冷却

高速机床在使用的过程当中，处于高速旋转状态下的电主轴的各个零件都会表现为或强或热的发热現象，如果不采取及时且有效的冷却措施，就会使得电主轴与机床中的其它结构的相对位置等参数相较于正常运转状态存在较大的误差，特别是电主轴发生较强的热膨胀时，会严重的影响着零件的加工误差，此外，由于温度得不到很好的控制，也会使得电主轴过热而发生局部的应用变化等，等而减少高速电主轴的使用寿命，增加了生产成本，因此应采用合理的冷却系统，提高电主轴的冷却水平，从而更有利于稳定机械加工质量，保护高速机床设备。

1.创新高速电主轴冷却系统的必要性分析

在当今我国使用的高速机床中，在进行高速主轴冷却工作时，大多数是采用在主轴壳体内添加冷却油的形式来实现的，这些冷却油在主轴的工作过程中得到不断的循环，从而将热量带下次，达到主轴冷却的最终目的。在具体的工作中，这些冷却油在油温控制器的控制下，经前端盖处的入水口，流入到前端轴承外围，并完成对前端轴承的冷却工作，随后再流向主轴的定子及后轴承，完成相应的冷却任务后，再流回主轴油温控制品，这一流程的结束即完成了一次冷却循环。

高带电主轴在工作中之所以会发出热量，究其原因主要是其存以以下的发热源，首先位于机床主轴结构中的主轴电动机高速旋转而发出的热量，是其内部结构的主要热量来源；其次，由于电动机在主轴壳体内的高速转动使得壳体内的空气发热，同时再通过主轴壳体等散发了出去，这使得主轴的温度有所升高，甚至于其使用寿命也会有所缩短，零件的加工精度也得不到有效保证；最后，在转动过程中，主轴轴承摩擦所产生的热能也是热源之一。而传统的冷却方式只进行了定子冷却，没有对转子的相关部件进行冷却，虽然外部看似已经冷却，但内部仍然很热。要想实现全面的冷却效果，对传统的高速机床电主轴冷却系统进行优化及革新势在必行。

2.热管冷却的工作原理及特性分析

热管是一种当今社会较为常用的一种传热元件，其工作原理主要是依靠密封于高真空腔体内工质的相变过程来实现传热的，这样的不间断式的传热系统，可以在没有外力作用的条件下，实现通过小截面的热量远距离传送，且运行十分稳定。热管3个工作段中，蒸发段与凝结段是必不可少的，而绝热段根据设计的要求可有可无，在实际应用的热管结构中，通常都是没有绝热段的。热管区别于其它传热元器件的许多特性，在这里提出将热管的技术用于高速机床电主轴冷却，主要因为热管的以下几点特性为实现电主轴冷却控制提供了可行性：

（1）高效的导热性。通过热管进行散热，就是利用热管内部液体的汽、液转换的热量变化，而实现传热的，这一过程的热阻极小，相应的导热能力也就更高。在单位重一定的条件下，热管可比铜、铅等金属多输送几个量级的热量。

（2）热响应性速度快。热管采用的是真空结构，其较小的压力，使得热管的整体启动温差都很小，当蒸发段相比于冷凝段温度稍高些时，热管能够迅速调节蒸发段与冷凝段之间的温差，使温差得到迅速改变，响应速度非常快。

（3）结构形状的多样性。热管的结构形状可根据需求呈现出不同的形状，其冷却及加热的位置也能够实际情况随意确定，这强化了它的随意性，使其应用范围更加广泛。

（4）管内温度分布非常均匀。通过真空内的蒸汽温度可以有效的实现热管表面的温度控制，同时热管内各部件的热阻较小，当温度发生变化时，也不会产生较大变化，甚至是没有影响。

（5）导热密度可以随着需要的变化而变化。既可以用较小的蒸发段输入热量，用较大的冷凝段输出热量，也可以用较大的蒸发段输入热量，而以较小的冷凝段输出热量。

3.高速机床电主轴的热管冷却系统设计

采用热管技术的主轴冷却系统不但可以对轴壳进行冷却，而且还增加了对高速主轴芯的冷却。通过将为电主轴量身定做热管植入电主轴的壳体和轴芯，将前端轴承、电机定子、后端轴承均设为蒸发段，将露出再后端盖的热管部分设为冷凝端。在机床上加装冷却空调机，并通过加压，使冷空气从后端盖的入口流进，最后从出口流出并循环到制冷空调机冷却。当机床工作时，一旦在蒸发端产生热量，就会迅速通过热管内部的蒸汽带到冷凝段，而在冷凝端遇上冷空气，就会迅速带走热量，保证电主轴的恒温状态。利用高效的热管导热技术，能迅速带走主轴电机和主轴轴承上的热量，能有效的控制温升，最大限度的减少由于主轴热膨胀引起的加工精度误差，同时也将提高轴本身与主轴轴承的使用寿命。

4.结语

综上所述，经过多年的发展，我国的机械加工技术水平得到了明显的提升，特别是高速加工机床的诞生及使用，更使得机械加工业步入了新的发展时期。但是高速电主轴在使用过程中，温度的快速升高，影响了高速机床有正常使用，降低了零件的加工精度，只有通过采用有效的冷却技术，才能改善这一状况，高速电主轴热管冷却技术就是这样的一种有效的降温技术。有了该项技术的存在，可以在机床可承受的范围内，相应的提高电主轴的转速，从而提高加工机床的工作效率，创造更大的经济效益。

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