加工內(nèi)螺紋銅管用電主軸技術(shù)研究

宋思明 吳東陽 張濤 李東亞

摘 要：文章主要從轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、冷卻、潤滑和旋壓工裝方面介紹了用于生產(chǎn)加工內(nèi)螺紋銅管用電主軸的相關(guān)技術(shù)，并對(duì)其加工技術(shù)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：拉輾用電主軸；內(nèi)螺紋銅管；軸承

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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

隨著內(nèi)螺紋銅管以其高效的熱交換率被廣泛應(yīng)用于空調(diào)、冰箱等制冷設(shè)備上，需求量不斷擴(kuò)大，內(nèi)螺紋銅管加工迎來了快速發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。起初，國內(nèi)銅管加工設(shè)備和生產(chǎn)線一直被國外壟斷，國內(nèi)各大生產(chǎn)商的生產(chǎn)設(shè)備及工藝也在實(shí)踐中不斷改良創(chuàng)新，其中洛陽軸研所最早開發(fā)出了高轉(zhuǎn)速拉輾軸，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品替代，促進(jìn)了內(nèi)螺紋生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，目前被廣泛應(yīng)用的無縫內(nèi)螺紋銅管的成型工藝為超高速行星滾壓成型工藝，但其拉輾軸的旋壓速度低和拉拔口徑小等缺點(diǎn)限制了生產(chǎn)效率。為了適應(yīng)空調(diào)器節(jié)能降成本的要求，內(nèi)螺紋銅管的管徑要求越細(xì)越薄，這對(duì)其加工設(shè)備提出了更高的要求。

1 內(nèi)螺紋銅管的成型原理

目前被廣泛應(yīng)用的內(nèi)螺紋銅管滾珠旋壓成型技術(shù)包括三個(gè)工序：減徑拉拔，滾珠旋壓起槽和定徑拉拔，成型原理如圖1所示。高速電機(jī)帶動(dòng)旋壓套內(nèi)的鋼球圍繞銅管外表面高速行星旋轉(zhuǎn)，銅管在拉拔力的作用下直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)螺紋芯頭轉(zhuǎn)動(dòng)，在銅管內(nèi)壁上形成與螺紋芯頭相同的溝槽[1]。游動(dòng)芯頭起到對(duì)螺紋芯頭的軸向定位作用。旋壓起槽后的銅管經(jīng)過最后的定徑拉拔形成所要求規(guī)格的內(nèi)螺紋銅管，如圖2 所示。合格的內(nèi)螺紋銅管要求齒型飽滿美觀，紋路均勻，外表光滑。

2 拉輾用電主軸的相關(guān)介紹

生產(chǎn)螺距滿足要求的銅管，其中內(nèi)螺紋拉輾成型環(huán)節(jié)最為重要，需要電主軸的高轉(zhuǎn)速和低振動(dòng)。洛陽軸研所開發(fā)了15000/24000/35000/45000一系列的拉輾用電主軸，滿足了市場(chǎng)所需的多規(guī)格管徑銅管的加工要求。其中超高速拉輾軸解決了生產(chǎn)速度低的問題，并實(shí)現(xiàn)了內(nèi)螺紋銅管的細(xì)徑、薄壁、高齒化生產(chǎn)。

以型號(hào)170LD45Q20超高速拉輾軸為例，設(shè)計(jì)極限轉(zhuǎn)速為45000r/min，功率20kW，設(shè)計(jì)最高拉拔速度為120m/min，振動(dòng)值要求低于1.8mm/s。拉輾軸結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，圖中1為角接觸陶瓷球軸承，具有高轉(zhuǎn)速高剛性特點(diǎn)。前后軸承均為DT（串聯(lián)）配置，能夠承受徑向力和軸向推力，這種配置適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)合；2為軸承油氣潤滑用噴油隔圈；3為永磁同步電機(jī)，具有高效率、高力矩慣量比、高能量密度的特點(diǎn)；4為水套；5為滾動(dòng)導(dǎo)套，可以防止軸承發(fā)熱引起的軸向熱伸長；6為彈簧，為軸承提供彈性預(yù)緊；7為氣密封環(huán)。

3 固有頻率對(duì)極限轉(zhuǎn)速的影響

拉拔速度V=轉(zhuǎn)速n×螺距p，由于轉(zhuǎn)軸中心通孔，影響極限轉(zhuǎn)速和振動(dòng)。故在電主軸的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于有特殊要求的高轉(zhuǎn)速主軸系統(tǒng)，需要對(duì)其軸系進(jìn)行固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算分析，以確保在主軸工作時(shí)的穩(wěn)定性和安全性。

由于高階模態(tài)的固有頻率遠(yuǎn)高于可能出現(xiàn)的激勵(lì)力的頻率，不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，故本文只對(duì)該軸系進(jìn)行前三階計(jì)算分析。首先將軸系找節(jié)點(diǎn)、分單元，并標(biāo)明有附加質(zhì)量的位置和序號(hào)；確定軸承的型號(hào)和預(yù)緊力，添加徑向和軸向外力，選擇對(duì)應(yīng)的材料，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際的轉(zhuǎn)速需要，確定該主軸的轉(zhuǎn)速為45000r/min，轉(zhuǎn)軸中心通孔φ16。

4 平衡技術(shù)

當(dāng)高速主軸旋轉(zhuǎn)中心與軸線有一定的偏心時(shí)，主軸轉(zhuǎn)子上會(huì)產(chǎn)生隨轉(zhuǎn)速周期性變化的不平衡力和不平衡力矩，引起主軸系統(tǒng)的振動(dòng)，影響零件的加工精度，降低軸承的使用壽命，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，這種現(xiàn)象稱為主軸存在不平衡。造成這種不平衡的主要原因有：

（1）主軸設(shè)計(jì)存在不對(duì)成性；（2）主軸材質(zhì)分布不均

勻；（3）主軸在加工和裝配的過程中存在誤差；（4）旋壓套結(jié)構(gòu)或者磨損產(chǎn)生的不平衡。

上述因素造成的主軸不平衡都具有隨機(jī)性，無法通過計(jì)算得到，因此需要通過動(dòng)平衡來對(duì)主軸進(jìn)行測(cè)量和校對(duì)，使主軸不平衡量降到允許的范圍內(nèi)[2]。

旋壓套作為高速回轉(zhuǎn)體，采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且需要將其安裝在轉(zhuǎn)軸上進(jìn)行整體動(dòng)平衡，平衡機(jī)通過檢測(cè)計(jì)算判斷出不平衡量的角度位置后，在回轉(zhuǎn)件兩端采用去重方法進(jìn)行平衡。對(duì)于高精密高轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的主軸，平衡等級(jí)為G0.4。提高回轉(zhuǎn)精度，降低振動(dòng)。

5 冷卻技術(shù)

電主軸的發(fā)熱源來自于電機(jī)的熱損耗和軸承的旋轉(zhuǎn)摩擦發(fā)熱，電機(jī)的發(fā)熱功率為一般為20%～30%，為降低電機(jī)溫度，冷卻可選用水冷和油冷，水冷的優(yōu)點(diǎn)在于比熱容大，冷卻效率高，但水冷易產(chǎn)生水蒸氣進(jìn)入主軸內(nèi)部，導(dǎo)致電機(jī)受潮損壞。為保證電機(jī)的絕緣安全，也可采用油冷卻。

主軸冷卻系統(tǒng)有連續(xù)、大流量冷卻液進(jìn)行循環(huán)冷卻。水冷機(jī)提供的冷卻液通過進(jìn)水口輸入，通過冷卻套時(shí)與定子進(jìn)行熱交換，帶走主軸單元內(nèi)部大量的熱量，以保證電主軸正常工作，然后通過出水口輸出返回到水冷機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻。為了提高散熱效率，水套通常采用螺旋式水槽結(jié)構(gòu)，這樣可大大提高了冷卻效率，降低了電機(jī)溫度。

6 潤滑技術(shù)

潤滑的目的是為了減少軸承內(nèi)部摩擦及磨損，延長疲勞壽命，并且循環(huán)供油也可將摩擦產(chǎn)生的熱量排出，起到一定的冷卻效果。油量控制非常重要，過少會(huì)導(dǎo)致潤滑不充分溫度上升及燒傷，過多也會(huì)導(dǎo)致軸承在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)因油的阻力增大而發(fā)熱。拉輾用電主軸的潤滑方式一般可采用油氣潤滑或油霧潤滑。

油霧潤滑是指利用壓縮空氣將潤滑油霧化，在噴射到軸承內(nèi)部，其優(yōu)點(diǎn)是可不斷向軸承輸送新潤滑油，軸承腔處于正壓狀態(tài)，防止灰塵和切削液進(jìn)入，起到密封作用，缺點(diǎn)是對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染[3]。

油氣潤滑是通過裝置定量間歇性的噴出微量潤滑油，再通過混合閥將壓縮空氣中的潤滑油慢慢引出，潤滑劑在管路中的“附壁效應(yīng)”，連續(xù)不斷向軸承供油。其優(yōu)點(diǎn)是可以定量管理，每一次供油過程得到全面的監(jiān)控：監(jiān)控氣壓，供油狀況，合理控制油量，對(duì)軸承具有一定的冷卻作用，對(duì)環(huán)境污染小，但裝置成本較高。油氣裝置中推薦進(jìn)氣壓力0.4-0.5MPa。

7 旋壓套設(shè)計(jì)

旋壓套包括連接套和回轉(zhuǎn)套，二者通過螺釘小間隙緊固配合，間隙量在0.005-0.01mm。其材料可選用軸承鋼或鈦合金。鈦合金材料質(zhì)量輕，可減小回轉(zhuǎn)件的慣性質(zhì)量，經(jīng)過氮化處理后具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐熱性高等優(yōu)點(diǎn)。

盤拉機(jī)產(chǎn)生的拉力約為14000kN，通過有限元模擬軟件分析得到，在螺紋成型過程中，旋壓鋼球和螺紋芯軸承受較大的徑向力，旋壓套承受軸向力，磨損較嚴(yán)重，因此選用鈦合金材料可提高整體模具的壽命，降低更換成本。

8 結(jié)束語

本文介紹了內(nèi)螺紋銅管的加工成型原理，并且從轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、潤滑、冷卻、和旋壓工裝方面介紹了拉輾軸的相關(guān)技術(shù)。超高速拉輾軸對(duì)于拉制細(xì)徑、薄壁內(nèi)螺紋銅管具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并可大幅度提高生產(chǎn)效率，是目前內(nèi)螺紋成型生產(chǎn)設(shè)備的主要發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]張榮欣，陳朝偉，等.高速大口徑銅管內(nèi)螺紋成型技術(shù)探討[J].中國金融通報(bào)，2009，30：39.

[2]梅雪松，章云，杜 .機(jī)床主軸高精度動(dòng)平衡技術(shù)[M].上海：科學(xué)出版社，2015，14.

[3]洛陽軸研科技股份有限公司.精密滾動(dòng)軸承[Z].