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• 一、緣起
• 二、本文
• 三、結果

內藏式主軸軸心冷卻功能

智慧零組件開發部 黃興杰

在工具機金屬加工過程中，主軸熱伸長已成為影響精密模具加工精度的關鍵因素，目前主軸冷卻在業界普遍採用只有外部冷卻方式，冷卻主軸馬達定子與軸承外環，但其降溫效果有限，難以有效抑制主軸熱伸長所造成的誤差。而目前唯一且有效解決主軸熱伸長的方案，就是發展軸心冷卻技術，而所謂的軸心冷卻：即是導引外部冷卻能夠液進出主軸心軸的冷卻迴路，直接冷卻主軸馬達轉子與軸承內環，達到完全控制主軸熱伸長的目的。為此，精機中心藉由執行科技專案，成功開發出具備軸心冷卻功能的「內藏式主軸」，有效提升長時間加工下的熱穩定性，徹底解決主軸熱伸長影響精密模具加工精度的關鍵因素。

一、緣起

目前主軸相關冷卻技術研究領域如圖一所示：

圖一、主軸相關冷卻技術研究領域

考慮到性能、可靠度及經濟性等因素，傳統液壓冷卻機冷卻系統最適合用於電主軸的冷卻方式，如何設計冷卻迴路達到最佳化是研究的重點。隨著現代製造業對生產效率及精度要求不斷地提升，工具機主軸最高轉速與輸出功率近年來大幅提高，內藏式主軸內部的馬達轉定子及軸承高速運轉時產生大量熱量，導致主軸整體溫度升高，進一步造成熱膨脹伸長，直接影響加工精度與產品品質。尤其針對精密模具加工領域，對於精密機械加工領域之精度極為嚴格，故對於主軸產生之熱伸長變形抑制更顯重要。精密模具加工中以「主軸」所造成的熱伸長變形量最大，尤其是內藏式主軸，其發熱量約占整體設備的59%，而剖析主軸熱源又以主軸內轉子定子馬達線圈與軸承發熱量最大，如圖二所示。

圖二、精密模具加工設備熱源解析。

如前面所言，唯一能有效地解決主軸熱伸長問題的關鍵技術即為「軸心冷卻功能」，由於其開發技術門檻極高、加工製程困難且生產成本昂貴，目前全球只有瑞士的Fischer與Step-Tec兩家主軸廠掌握該「內藏式主軸的軸心冷卻功能」並具備量產能力。受限於上述挑戰，國內主軸廠商仍無法突破此一瓶頸。為此，本中心開發能於長時間加工下維持熱穩定性之「軸心冷卻內藏式主軸」，其核心性能指標為將熱伸長的溫升熱變異量控制在5μm以內，進而使整體設備加工精度達到0.02mm以下，有效滿足精密加工對高精度與穩定性的嚴格需求，亦展現我國在高階主軸技術自主化的重要突破。

此一技術的突破，將有效協助國內工具機製造產業與金屬加工廠商強化高精度製程能力，同時，有助於提升工具機產值與產品的附加價值與加強航太加工市場開發實力。預此項本技術可帶動精密內藏式主軸年產值約6億元，並進一步衍生工具機整體產業年產值30億元，對國內產業升級與高階製造市場的開拓將具重大助益。

二、本文

在精密模具與航太零組件等需要長時間加工的情況下，主軸會因持續運轉而產生熱變形，常導致加工刀尖點磨耗，進而導致加工成品精度變差。而一般內藏式主軸通常僅採用外循環冷卻系統，僅僅只能冷卻馬達定子與軸承外環所產生的熱，難以有效抑制軸承內環與馬達轉子產生的熱量，導致主軸在長時間加工旋轉過程中所產生的熱伸長膨脹量難以穩定，如圖二所示。

為此，為確保主軸能在長時間加工下穩定控制主軸軸向熱伸長，開發具備軸心冷卻功能的內藏式主軸成為關鍵技術開發方向，藉此提升整體加工穩定性與成品精度。

                        外冷卻水套設計          外冷卻水套+軸心冷卻迴路設計

圖三、主軸外部冷卻與軸心內部冷卻的差異 [Step-Tec公司型錄]

精機中心所開發的軸心冷卻迴路設計如圖四所示，採一進一出的對稱式流路結構；當冷卻液進入軸心後，繞過左右對稱迴路，最後迴路匯聚為一出口，冷卻液離開軸心，整個迴路共四進四出。此冷卻迴路機制可大幅提升主軸內部散熱效率，有效抑制主軸熱源所產生的熱量對加工精度與穩定性的影響。

圖四、軸心冷卻迴路

外部冷卻液從冷卻機引進，由IN單一進水口，透過旋轉模組一分為四進入軸心冷卻迴路，各自朝向主軸前端流動，抵達A-A剖面時，經軸心表面迴路回轉，往主軸後端方向流動，再透過旋轉模組一合為四，由OUT出水口離開主軸回到冷卻機，四進四出達到冷卻主軸轉子與前後軸承組。

精機中心所開發的「軸心冷卻內藏式主軸」，相關規格如表一所示，主軸所採用的新型軸心冷卻流道技術，除了具有傳統僅對主軸外部進行冷卻外，進一步實現對主軸內部軸承和馬達轉子所產生的熱進行冷卻。經測試驗證，此技術可將主軸熱伸長變異量穩定的控制在5μm以內，大幅降低長時間加工主軸熱伸長對加工精度的影響，並可降低軸承工作溫度，提高主軸使用壽命，並可將機器的主軸暖機時間從30分鐘縮短至3分鐘，顯著提高生產效率和加工精度。

表一、軸心冷卻內藏式主軸規格表

為驗證「軸心冷卻內藏式主軸」的軸心冷卻成效，針對所開發的主軸，將其安裝於協鴻工業(股)公司(Hartford)的五軸立式加工中心機；型號5A-65E如圖五所示，並分別進行有無軸心冷卻功能的實機暖機測試與精密模具加工切削驗證，相關測試數據比較如表二與表三所示：

圖五、協鴻-五軸立式加工中心機5A-65E

表二、主軸有無軸心冷卻功能暖機比較

表三、有無軸心冷卻功能LED車燈膜加工形狀誤差比較

從以上實機加工測試數據可以很明顯證明，當主軸具有軸心冷卻功能時，無論是暖機時間、整機熱伸長量與模具加工精度，都遠遠優於無軸心冷卻功能的主軸。

三、結果

目前，全球只有瑞士Fischer與Step-Tec兩家主軸廠具備軸心冷卻內藏式主軸的量產技術，顯示該技術開發難度高且加工困難，造成生產成本高，導致目前國內工具機與主軸廠仍無法突破此瓶頸。為解決此一問題，精機中心透過執行科技專案計畫，成功開發出具備長時間加工維持熱穩定之HSK-A63 / 24,000 rpm「軸心冷卻內藏式主軸」，該主軸熱伸長的穩定變異量控制在5μm以內，進而使整體使機床設備加工精度達到0.02mm，滿足精密模具加工製程對高精度的嚴格要求。

主軸暖機以主軸最高轉速的75%（即18,000 rpm）進行有無軸心冷卻功能比較：主軸不具有軸心冷卻功能時，主軸啟動後需37分鐘後才能達到熱穩定狀態，且最終熱伸長量為0.0362mm；相較之下，當開啟軸心冷卻功能後，僅需3分鐘即可達到熱穩定，熱伸長量亦大幅降低至0.0068mm。顯示軸心冷卻技術能有效抑制溫升造成的熱變形。

為驗證該技術於實機條件下的應用成效，精機中心將軸心冷卻內藏式主軸安裝於協鴻工業(股)公司的五軸立式加工中心機（型號5A-65E），進行實機精密模具加工切削驗證。測試結果顯示，使用主軸無軸心冷卻功能加工時，Z軸位移變形量為0.0082mm與模具形狀誤差為0.0374mm；而使用具備軸心冷卻功能之主軸加工時，Z軸位移變形量為0.0042mm與模具形狀誤差為0.0172mm；最終模具加工形狀精度提升37%。

綜合比較結果可得知，導入軸心冷卻技術後，不僅顯著縮短主軸暖機所需時間，也有效提升加工過程中的熱穩定性與尺寸精度，使最終模具加工形狀精度提升，展現其在高精度加工應用中的關鍵效益。