臥式車床主軸箱溫升的影響及計算

姜春雨 孫曉亮 郭榮貴

【摘 要】如何計算主軸箱的溫升。

【關鍵詞】熱變形的影響；主軸箱

主軸箱作為臥式車床的重要部件之一。在工作時，由于傳動件的機械摩擦，潤滑油飛濺，攪拌作用等而發(fā)熱，使主軸箱溫度升高，產(chǎn)生熱變形。熱變形的影響，主要有以下幾個方面：

第一、改變各相關部件的相對位置。

如主軸箱發(fā)熱后使主軸軸線升高，而尾座則由于內(nèi)部無傳動件而溫升很小，這就使主軸與尾座套筒軸線的相對位置發(fā)生改變，影響工件的加工精度。

第二、改變主軸的幾何位置。

主軸的前后支承構(gòu)造不同，溫升也不同。這就使得前后支承處箱體的熱膨脹量不同，從而使主軸軸線傾斜，熱檢時超差。

第三、改變軸承的間隙。

箱體的散熱條件較好，軸承和主軸的散熱條件較差，這就使得軸承和主軸的溫度高于箱體，熱膨脹量較多，從而產(chǎn)生減少軸承的間隙或加大預緊量。這樣，又會進一步增加發(fā)熱量和溫差，嚴重時將導致發(fā)生事故。

第四、改變潤滑條件。

溫升使?jié)櫥偷恼扯冉档?，粘度降低又將進一步降低潤滑油的潤滑性能和油膜的承載壓力，嚴重時導致潤滑失效。

因此，減少主軸箱的發(fā)熱和加強散熱，以便降低溫升，并采取某些均熱措施以減少不均勻熱膨脹是設計主軸箱，特別是設計數(shù)控臥式車床主軸箱所必須考慮的問題。

1.熱平衡和溫度場

主軸箱在工作時一方面產(chǎn)生熱量，另一方面又向周圍環(huán)境散發(fā)熱量。如果單位時間產(chǎn)生的熱量一定，則開始時，主軸箱的溫度較低，與周轉(zhuǎn)環(huán)境之間的溫差較小，散熱較少，溫度升高就較快。隨著溫度的升高將逐步減慢。最后一定會達到某一溫度，這時，同一時間內(nèi)的發(fā)熱量等于散熱量，即達到了熱平衡。

達到熱平衡的時間是相當長的，對于普通車床國家現(xiàn)行通用技術(shù)要求規(guī)定每小時的溫升不差過5℃，就認為達到了熱平衡。一般需連續(xù)運轉(zhuǎn)2至3小時才能達到熱平衡。

主軸箱的溫度不可能每個部位都相同。熱源處溫度較高，其它地方較低。一般機床的主軸箱往往就是主軸軸承處的溫度高。按照國家現(xiàn)行標準規(guī)定，普通精度級機床，當主軸的最高轉(zhuǎn)速空運轉(zhuǎn)達到熱平衡時，主軸軸承的溫度和溫升，滑動軸承溫度不超過60℃，溫升不超過30℃；滾動軸承溫度不超過70℃，溫升不超過40℃。這里的溫升實際上是滾動軸承外圈的溫升。軸頸的溫升由于散熱條件較差需要更高些。

熱量主要是從某個熱源發(fā)出的。所以熱源處溫度最高，離熱源越遠則溫度較低。這就形成了溫度場。

事實上，熱源往往不止一個。例如若主軸箱底部油池熱油聚集在內(nèi)，這就形成另一個熱源。此外箱體的厚度也不會均勻。這時，等溫線將表現(xiàn)為復雜的曲線。由于各處溫度不同，將產(chǎn)生不均勻的熱變形，從而進一步影響加工精度。

2.主軸箱的溫升估算

機床各部件中發(fā)熱最多的主軸箱。因此，有必要對主軸箱的溫升進行估算。如果發(fā)現(xiàn)溫升過高，則在設計階段就可采取措施。例如：加通風、箱體增加散熱片、潤滑油專設油箱進行外循環(huán)、潤滑油設冷卻裝置等。

2.1主軸箱的發(fā)熱

主軸箱的較高溫度出現(xiàn)在主軸高速空載連續(xù)運轉(zhuǎn)達到平衡溫度時，主軸箱的發(fā)熱量Q，可以認為是由主軸最高速旋轉(zhuǎn)時空載損失N空轉(zhuǎn)化來的。

Q=N（kw）=1000N（w）

2.2主軸箱體的平均溫升估算

箱體內(nèi)多個熱源，如軸承、齒輪、摩擦離合器、油池等。它們的發(fā)熱不同，又分布在箱體內(nèi)各個部分。箱體和表面散熱條件也不一致，故箱體上個點溫度并不均勻。下式可用來對箱體的平均溫升進行估算。運轉(zhuǎn)2小時后箱體的平均溫升：

ψ——箱體通過接合面?zhèn)髦疗渌麢C件的熱量比例。對于車床和組合機床ψ=0.15～0.2，接觸面較大時取大值。

平均散熱系數(shù)K=（Wm2·℃）

式中AA.....A——各箱壁表面積（m2）

KK......K——分別為箱體第1至第n壁的散熱系數(shù)（Wm2·℃）見表1。

例：估算一臥式車床主軸箱在主軸以最高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時的平均溫升。主軸和帶輪轉(zhuǎn)速均為1400r/min，空轉(zhuǎn)功率損失估算為Q=N（kw）=1925（w）。箱體的尺寸如圖1所示。箱體質(zhì)量為500 kg。

（1）散熱系數(shù)h。

箱體的面1前有高速旋轉(zhuǎn)的卡盤，表面3之后又帶輪皆能產(chǎn)生良好的氣流，K=K=85（Wm2·℃）；面積皆為0.355x0.52=0.184m2。表面2、4、5的鄰接面有良好的氣流K=K=K=16（Wm2·℃）；表面6散熱條件較差，K=14（Wm2·℃）；面積A=A=0.57x0.355=0.202m2， A=A=0.52x0.57=0.296m2。

K=

==34.2（Wm2·℃）

（2）散熱面積A=（0.184+0202+0.296）×2=1.364。

（3）時間常數(shù)Z==≈1.5（h）

（4）求箱體平均溫升取ψ=1.75

當t=1h時，Q=（1-0.175）××（1-e）≈15℃

當t=2h時，Q=（1-0.175）××（1-e）≈22.5℃

當t=3h時Q=（1-0.175）××（1-e）≈26.4℃

從以上計算結(jié)果可以看出，運轉(zhuǎn)1小時至3小時之間溫升已經(jīng)小于4℃，可以認為達到了熱平衡。箱體平均溫升約為27℃。作為普通精度等級機床的主軸箱，可以不采用降溫措施。

【參考文獻】

[1]機械設計通用手冊——機械工業(yè)出版社.

[2]重型機床設計與計算——北京工業(yè)大學出版社.

[3]新編機械設計實用手冊——學苑出版社.