加工内螺纹铜管用电主轴技术研究

宋思明 吴东阳 张涛 李东亚

摘 要：文章主要从转速、振动、冷却、润滑和旋压工装方面介绍了用于生产加工内螺纹铜管用电主轴的相关技术，并对其加工技术进行了探讨。

关键词：拉辗用电主轴；内螺纹铜管；轴承

中图分类号：TG659 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）14-0143-02

Abstract： In this paper， the related technology for producing and machining internal threaded copper pipe is introduced from the aspects of rotational speed， vibration， cooling， lubrication and spinning tooling， and the processing technology is discussed.

Keywords： electric spindle rolling； copper tube with internal thread； bearing

随着内螺纹铜管以其高效的热交换率被广泛应用于空调、冰箱等制冷设备上，需求量不断扩大，内螺纹铜管加工迎来了快速发展和技术进步。起初，国内铜管加工设备和生产线一直被国外垄断，国内各大生产商的生产设备及工艺也在实践中不断改良创新，其中洛阳轴研所最早开发出了高转速拉辗轴，实现了产品替代，促进了内螺纹生产技术的进步，目前被广泛应用的无缝内螺纹铜管的成型工艺为超高速行星滚压成型工艺，但其拉辗轴的旋压速度低和拉拔口径小等缺点限制了生产效率。为了适应空调器节能降成本的要求，内螺纹铜管的管径要求越细越薄，这对其加工设备提出了更高的要求。

1 内螺纹铜管的成型原理

目前被广泛应用的内螺纹铜管滚珠旋压成型技术包括三个工序：减径拉拔，滚珠旋压起槽和定径拉拔，成型原理如图1所示。高速电机带动旋压套内的钢球围绕铜管外表面高速行星旋转，铜管在拉拔力的作用下直线运动，带动螺纹芯头转动，在铜管内壁上形成与螺纹芯头相同的沟槽[1]。游动芯头起到对螺纹芯头的轴向定位作用。旋压起槽后的铜管经过最后的定径拉拔形成所要求规格的内螺纹铜管，如图2 所示。合格的内螺纹铜管要求齿型饱满美观，纹路均匀，外表光滑。

2 拉辗用电主轴的相关介绍

生产螺距满足要求的铜管，其中内螺纹拉辗成型环节最为重要，需要电主轴的高转速和低振动。洛阳轴研所开发了15000/24000/35000/45000一系列的拉辗用电主轴，满足了市场所需的多规格管径铜管的加工要求。其中超高速拉辗轴解决了生产速度低的问题，并实现了内螺纹铜管的细径、薄壁、高齿化生产。

以型号170LD45Q20超高速拉辗轴为例，设计极限转速为45000r/min，功率20kW，设计最高拉拔速度为120m/min，振动值要求低于1.8mm/s。拉辗轴结构示意图如图3所示，图中1为角接触陶瓷球轴承，具有高转速高刚性特点。前后轴承均为DT（串联）配置，能夠承受径向力和轴向推力，这种配置适合高速运转场合；2为轴承油气润滑用喷油隔圈；3为永磁同步电机，具有高效率、高力矩惯量比、高能量密度的特点；4为水套；5为滚动导套，可以防止轴承发热引起的轴向热伸长；6为弹簧，为轴承提供弹性预紧；7为气密封环。

3 固有频率对极限转速的影响

拉拔速度V=转速n×螺距p，由于转轴中心通孔，影响极限转速和振动。故在电主轴的设计过程中，对于有特殊要求的高转速主轴系统，需要对其轴系进行固有频率和临界转速的计算分析，以确保在主轴工作时的稳定性和安全性。

由于高阶模态的固有频率远高于可能出现的激励力的频率，不会发生共振现象，故本文只对该轴系进行前三阶计算分析。首先将轴系找节点、分单元，并标明有附加质量的位置和序号；确定轴承的型号和预紧力，添加径向和轴向外力，选择对应的材料，计算结果如表1所示。

通过对计算结果的分析，结合生产实际的转速需要，确定该主轴的转速为45000r/min，转轴中心通孔φ16。

4 平衡技术

当高速主轴旋转中心与轴线有一定的偏心时，主轴转子上会产生随转速周期性变化的不平衡力和不平衡力矩，引起主轴系统的振动，影响零件的加工精度，降低轴承的使用寿命，甚至导致严重的安全事故，这种现象称为主轴存在不平衡。造成这种不平衡的主要原因有：

（1）主轴设计存在不对成性；（2）主轴材质分布不均

匀；（3）主轴在加工和装配的过程中存在误差；（4）旋压套结构或者磨损产生的不平衡。

上述因素造成的主轴不平衡都具有随机性，无法通过计算得到，因此需要通过动平衡来对主轴进行测量和校对，使主轴不平衡量降到允许的范围内[2]。

旋压套作为高速回转体，采用对称式结构设计，并且需要将其安装在转轴上进行整体动平衡，平衡机通过检测计算判断出不平衡量的角度位置后，在回转件两端采用去重方法进行平衡。对于高精密高转速系统的主轴，平衡等级为G0.4。提高回转精度，降低振动。

5 冷却技术

电主轴的发热源来自于电机的热损耗和轴承的旋转摩擦发热，电机的发热功率为一般为20%～30%，为降低电机温度，冷却可选用水冷和油冷，水冷的优点在于比热容大，冷却效率高，但水冷易产生水蒸气进入主轴内部，导致电机受潮损坏。为保证电机的绝缘安全，也可采用油冷却。

主轴冷却系统有连续、大流量冷却液进行循环冷却。水冷机提供的冷却液通过进水口输入，通过冷却套时与定子进行热交换，带走主轴单元内部大量的热量，以保证电主轴正常工作，然后通过出水口输出返回到水冷机，从而实现循环冷却。为了提高散热效率，水套通常采用螺旋式水槽结构，这样可大大提高了冷却效率，降低了电机温度。

6 润滑技术

润滑的目的是为了减少轴承内部摩擦及磨损，延长疲劳寿命，并且循环供油也可将摩擦产生的热量排出，起到一定的冷却效果。油量控制非常重要，过少会导致润滑不充分温度上升及烧伤，过多也会导致轴承在高速旋转时因油的阻力增大而发热。拉辗用电主轴的润滑方式一般可采用油气润滑或油雾润滑。

油雾润滑是指利用压缩空气将润滑油雾化，在喷射到轴承内部，其优点是可不断向轴承输送新润滑油，轴承腔处于正压状态，防止灰尘和切削液进入，起到密封作用，缺点是对环境产生污染[3]。

油气润滑是通过装置定量间歇性的喷出微量润滑油，再通过混合阀将压缩空气中的润滑油慢慢引出，润滑剂在管路中的“附壁效应”，连续不断向轴承供油。其优点是可以定量管理，每一次供油过程得到全面的监控：监控气压，供油状况，合理控制油量，对轴承具有一定的冷却作用，对环境污染小，但装置成本较高。油气装置中推荐进气压力0.4-0.5MPa。

7 旋压套设计

旋压套包括连接套和回转套，二者通过螺钉小间隙紧固配合，间隙量在0.005-0.01mm。其材料可选用轴承钢或钛合金。钛合金材料质量轻，可减小回转件的惯性质量，经过氮化处理后具有比强度高、耐腐蚀性好、耐热性高等优点。

盘拉机产生的拉力约为14000kN，通过有限元模拟软件分析得到，在螺纹成型过程中，旋压钢球和螺纹芯轴承受较大的径向力，旋压套承受轴向力，磨损较严重，因此选用钛合金材料可提高整体模具的寿命，降低更换成本。

8 结束语

本文介绍了内螺纹铜管的加工成型原理，并且从转速、振动、润滑、冷却、和旋压工装方面介绍了拉辗轴的相关技术。超高速拉辗轴对于拉制细径、薄壁内螺纹铜管具有显著的技术优势，并可大幅度提高生产效率，是目前内螺纹成型生产设备的主要发展方向。

参考文献：

[1]张荣欣，陈朝伟，等.高速大口径铜管内螺纹成型技术探讨[J].中国金融通报，2009，30：39.

[2]梅雪松，章云，杜 .机床主轴高精度动平衡技术[M].上海：科学出版社，2015，14.

[3]洛阳轴研科技股份有限公司.精密滚动轴承[Z].