｜ 工業基礎專欄 │ 內藏式主軸冷卻流道設計研究

前言

主軸為工具機的核心元件，主軸的性能如熱穩定、剛性、結構設計…等，影響著最終的加工精度表現。近年來，隨著內藏式主軸轉速的提昇，使得主軸內部的軸承摩擦扭矩也隨之增加，軸承發熱變大；而在主軸高速運轉時，主軸馬達的輸出功率變大，馬達的鐵損及銅損也隨之增加，馬達發熱亦跟著變大，故內藏式的主軸主要熱源來自於軸承的摩擦熱及馬達的功率損耗。內藏式主軸的軸承元件及馬達是設計在密閉式的系統中，散熱不易，現行的方法都是使用冷卻機進行內部散熱的動作，所以如何散熱或有效將熱源移除將是重要的一門學問。本研究建立高精度的多重物理耦合分析去比較不同的內藏式主軸冷卻水套型式對於主軸內部溫昇狀況及主軸變形量，然後利用實驗設計方法(DOE, Design of Experiment)進行尺寸最佳化的分析，找出冷卻流道尺寸最佳的設計型式，達到冷卻流道設計最佳化的目的，其溫度降低25.9℃，冷卻效率可以提昇57.6%。

工具機內藏式主軸冷卻流道設計研究

在現行的主軸上，大多採用油冷流道的方式，而國外對此流道的設計也成為了減少熱誤差的主要技術項目之一。為了降低主軸的熱源，國外許多的研究是透過主軸冷卻水套設計或使用模擬分析方法優化主軸冷卻水套尺寸，甚至考慮到冷卻水套內壁表面粗糙度增加熱傳導的方式來提昇主軸冷卻效率，降低熱源的影響來提昇主軸精度。本研究利用模擬分析軟體進行尺寸最佳化的分析，針對前軸承的三圈並聯式冷卻水道的尺寸，在相同的冷卻流量、溫度及流體傳熱係數時，其前軸承冷卻流道尺寸最佳的設計型式，達到冷卻流道設計最佳化的目的。將內藏式主軸的前軸承冷卻水套後並簡化其模型以利分析後，再定義出冷卻水套的寬度及高度尺寸為關鍵設計參數，圖1為前軸承水套關鍵尺寸及最佳化分析結果，主要為並聯式冷卻水套的流道寬度(W)及高度(H)定義。