卧式车床主轴箱温升的影响及计算

姜春雨 孙晓亮 郭荣贵

【摘 要】如何计算主轴箱的温升。

【关键词】热变形的影响；主轴箱

主轴箱作为卧式车床的重要部件之一。在工作时，由于传动件的机械摩擦，润滑油飞溅，搅拌作用等而发热，使主轴箱温度升高，产生热变形。热变形的影响，主要有以下几个方面：

第一、改变各相关部件的相对位置。

如主轴箱发热后使主轴轴线升高，而尾座则由于内部无传动件而温升很小，这就使主轴与尾座套筒轴线的相对位置发生改变，影响工件的加工精度。

第二、改变主轴的几何位置。

主轴的前后支承构造不同，温升也不同。这就使得前后支承处箱体的热膨胀量不同，从而使主轴轴线倾斜，热检时超差。

第三、改变轴承的间隙。

箱体的散热条件较好，轴承和主轴的散热条件较差，这就使得轴承和主轴的温度高于箱体，热膨胀量较多，从而产生减少轴承的间隙或加大预紧量。这样，又会进一步增加发热量和温差，严重时将导致发生事故。

第四、改变润滑条件。

温升使润滑油的粘度降低，粘度降低又将进一步降低润滑油的润滑性能和油膜的承载压力，严重时导致润滑失效。

因此，减少主轴箱的发热和加强散热，以便降低温升，并采取某些均热措施以减少不均匀热膨胀是设计主轴箱，特别是设计数控卧式车床主轴箱所必须考虑的问题。

1.热平衡和温度场

主轴箱在工作时一方面产生热量，另一方面又向周围环境散发热量。如果单位时间产生的热量一定，则开始时，主轴箱的温度较低，与周转环境之间的温差较小，散热较少，温度升高就较快。随着温度的升高将逐步减慢。最后一定会达到某一温度，这时，同一时间内的发热量等于散热量，即达到了热平衡。

达到热平衡的时间是相当长的，对于普通车床国家现行通用技术要求规定每小时的温升不差过5℃，就认为达到了热平衡。一般需连续运转2至3小时才能达到热平衡。

主轴箱的温度不可能每个部位都相同。热源处温度较高，其它地方较低。一般机床的主轴箱往往就是主轴轴承处的温度高。按照国家现行标准规定，普通精度级机床，当主轴的最高转速空运转达到热平衡时，主轴轴承的温度和温升，滑动轴承温度不超过60℃，温升不超过30℃；滚动轴承温度不超过70℃，温升不超过40℃。这里的温升实际上是滚动轴承外圈的温升。轴颈的温升由于散热条件较差需要更高些。

热量主要是从某个热源发出的。所以热源处温度最高，离热源越远则温度较低。这就形成了温度场。

事实上，热源往往不止一个。例如若主轴箱底部油池热油聚集在内，这就形成另一个热源。此外箱体的厚度也不会均匀。这时，等温线将表现为复杂的曲线。由于各处温度不同，将产生不均匀的热变形，从而进一步影响加工精度。

2.主轴箱的温升估算

机床各部件中发热最多的主轴箱。因此，有必要对主轴箱的温升进行估算。如果发现温升过高，则在设计阶段就可采取措施。例如：加通风、箱体增加散热片、润滑油专设油箱进行外循环、润滑油设冷却装置等。

2.1主轴箱的发热

主轴箱的较高温度出现在主轴高速空载连续运转达到平衡温度时，主轴箱的发热量Q，可以认为是由主轴最高速旋转时空载损失N空转化来的。

Q=N（kw）=1000N（w）

2.2主轴箱体的平均温升估算

箱体内多个热源，如轴承、齿轮、摩擦离合器、油池等。它们的发热不同，又分布在箱体内各个部分。箱体和表面散热条件也不一致，故箱体上个点温度并不均匀。下式可用来对箱体的平均温升进行估算。运转2小时后箱体的平均温升：

ψ——箱体通过接合面传至其他机件的热量比例。对于车床和组合机床ψ=0.15～0.2，接触面较大时取大值。

平均散热系数K=（Wm2·℃）

式中AA.....A——各箱壁表面积（m2）

KK......K——分别为箱体第1至第n壁的散热系数（Wm2·℃）见表1。

例：估算一卧式车床主轴箱在主轴以最高转速运转时的平均温升。主轴和带轮转速均为1400r/min，空转功率损失估算为Q=N（kw）=1925（w）。箱体的尺寸如图1所示。箱体质量为500 kg。

（1）散热系数h。

箱体的面1前有高速旋转的卡盘，表面3之后又带轮皆能产生良好的气流，K=K=85（Wm2·℃）；面积皆为0.355x0.52=0.184m2。表面2、4、5的邻接面有良好的气流K=K=K=16（Wm2·℃）；表面6散热条件较差，K=14（Wm2·℃）；面积A=A=0.57x0.355=0.202m2， A=A=0.52x0.57=0.296m2。

K=

==34.2（Wm2·℃）

（2）散热面积A=（0.184+0202+0.296）×2=1.364。

（3）时间常数Z==≈1.5（h）

（4）求箱体平均温升取ψ=1.75

当t=1h时，Q=（1-0.175）××（1-e）≈15℃

当t=2h时，Q=（1-0.175）××（1-e）≈22.5℃

当t=3h时Q=（1-0.175）××（1-e）≈26.4℃

从以上计算结果可以看出，运转1小时至3小时之间温升已经小于4℃，可以认为达到了热平衡。箱体平均温升约为27℃。作为普通精度等级机床的主轴箱，可以不采用降温措施。

【参考文献】

[1]机械设计通用手册——机械工业出版社.

[2]重型机床设计与计算——北京工业大学出版社.

[3]新编机械设计实用手册——学苑出版社.