伏宇璐 張學斌 丁偉文
（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇常州 213011）
摘 要：磨齒機是齒輪磨齒精加工的重要設備，但由于機床的主軸電機冷卻不充分會導致設備無法加工出滿足要求的齒輪零部件，為此有必要對主軸電機的冷卻機構進行研究改造。
關鍵詞：NILES進口磨齒機；主軸電機；原理分析；改造
NILES磨齒機是德國進口的成型磨齒機設備，主要用于加工高鐵、動車、風電以及地鐵車輛上的齒輪箱齒輪，磨齒機是齒輪箱齒輪加工的Z后重要工序之一，磨齒精度的好壞關系著齒輪產品的加工質量，關系著齒輪箱組裝后的傳動精度。
高精度設備的完好使用是齒輪產品質量精度的保證，其中砂輪主軸的旋轉精度是直接影響齒輪磨削面加工精度的關鍵因素，而砂輪主軸長時間高速運轉就會產生大量熱量，熱量控制不好，就會降低砂輪主軸的旋轉精度，嚴重時直接損壞主軸軸承和內部零部件。目前每年都會有砂輪主軸因為散熱不好而需要進行修理的情況，2016～2018年共發生7起砂輪主軸報修，修理費用達22.5萬元。多年來廠家對這類設備修理技術一直處于壟斷模式，因此如何給砂輪主軸有效降溫，更好地保證主軸精度和延長其使用壽命是迫切需要解決的問題。
01 造前冷卻結構分析
針對上述問題，著重分析了目前磨齒機主軸電機冷卻的結構和現狀。目前，NILES磨齒機主軸冷卻采用的是外冷的方法(見圖1)，機床改造前如圖2所示。
圖1 改造前冷卻結構示意圖
圖2 機床改造前實際效果圖
砂輪主軸冷卻和工件磨削冷卻油是由同一個泵供給，總壓力為0.5MPa。工作原理為:磨削油泵抽油→油路分配器，通過分配器之后，一路到磨削區域對工件進行加工冷卻，另一路到砂輪主軸內部對高速運行的主軸進行冷卻散熱，冷卻油在機床內通過管道流回冷卻油箱。
02 冷卻系統的設計計算
確定冷卻系統的主要參數：冷卻系統的主要參數有壓力和流量，根據原來機床的冷卻壓力選擇合適的冷卻泵。
(1)確定冷卻泵的Z大工作壓力為0.5MPa。
(2)確定冷卻泵的揚程Hp。冷卻系統工作時，冷卻泵的輸出流量為:Hp=(hf+hd)+hm+hs。式中:hf、hd分別為冷卻油管路系統總的沿途阻力和局部阻力，hm為冷凝器阻力，hs為冷卻油箱到冷卻電機的高度差。
(3)選擇冷卻泵的規格。根據以上求得的Hp值按系統中擬定的冷卻泵形式，從產品樣本或手冊中選擇相應的冷卻泵。
根據儲油量要求計算油箱容量：原機床的主軸冷卻是和工件冷卻混合在一起的，儲油量為1400L，而新油箱容量要根據實際使用來制定，儲油量約為50L，一般油面的高度是油箱高h的0.8倍，V=0.8abh。得出需要油液的體積V，再通過公式換算成實際需要的油量大小，式中a為油箱的寬度，b為油箱的長度，h為油箱的高度。主軸電機的冷卻系統正常工作溫度是22～28℃。根據制冷產品手冊，選擇合適的制冷空調。
03 改造后結構分析
機床改造后冷卻結構示意圖如圖3所示，分離后的主軸采用了獨立的冷卻油箱供油，油液通過空調冷卻系統使其溫度達到24℃～27℃后再返回冷卻油箱，保證冷卻油箱的油液始終是恒溫狀態，然后油泵電機抽油冷卻，內部循環后再流回主軸冷卻油箱。原來的冷卻機構對電機的外部進行沖刷冷卻，這樣雙重冷卻使電機運行更加可靠，壽命更長，同時主軸的冷卻油更清潔，流速更高，熱量效果也更好，主軸油箱經空調冷卻后，可以極大地提高主軸的旋轉精度和使用壽命。
圖3 機床改造后冷卻結構示意圖
對電路部分進行改造，采用單獨供電模式，加裝機械過濾及檢測壓力報警裝置，并在機床系統中編入檢測報警程序，及時有效地監控主軸電機的冷卻情況。
改造后的冷卻結構具備以下優點:
(1)采用內部循環系統，使油液干凈不含有雜質，同時清潔的油液也不容易堵塞管道。
(2)冷卻溫度得到控制，油箱冷卻裝置可有效保證主軸冷卻液的恒定溫度，使主軸電機溫度處于恒定狀態，有效保證砂輪的旋轉精度，提高電機主軸工作的穩定性能。
(3)提高了主軸的使用壽命，恒溫的冷卻循環系統能有效減少熱源的產生，確保砂輪主軸的正常使用，使砂輪電機使用壽命延長3～5年，較原來提高了40%?
(4)降低了設備停機率，砂輪主軸電機更換一次需要2天，修理一次需要7天，購買全新主軸電機需要40天的周期，改造后設備的停機率降低了60%。
(5)控制了維修成本，改造后可減少砂輪主軸冷卻內腔的磨損、電機主軸進口軸承的損壞和零部件的損壞，節約了維修成本，購買新的主軸需要20萬元/臺，維修主軸的費用約3.5萬元/臺。
(6)保障產品質量，砂輪主軸熱源的控制可有效提高其動態穩定性，砂輪及電機主軸的運行更加穩定，精度更加平穩，提高了工件的磨削精度，使產品的質量得到極大保障。
改造后的機床實際效果如圖4所示。
圖4 機床改造后實際效果圖
04 結論
通過分析、計算，對NILES系列磨齒機主軸電機冷卻系統進行了改造探索，改造后的冷卻系統能夠獨立對主軸電機進行冷卻工作，避免了因長期使用帶來的管路堵塞，導致電機損壞、精度降低造成磨削不穩定的現象，使機床運行更平穩，延長了使用壽命。現在齒輪加工精度能穩定達到0．005mm，有效保證了各種高速列車齒輪的安全運行，也大大減少了停機時間，原來的主軸正常使用壽命為4～6年，經過改造后預計可以延長3～5年，預計每年可以節約主軸電機維修成本12萬元。該設計已申請國家實用新型發明專利，今后可在同類NILES進口磨齒機上推廣改造，實現全部國產化。
來源：《軌道交通裝備與技術》2020, (4)
