[發明專利]基于導熱通道的精密機床主軸冷卻系統及集中散熱方法

有效

• 申請號: 201910009268.4
• 申請日: 2019-01-04
• 公開（公告）號: CN109571134B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 李旸;趙萬華;張俊;蘇東旭
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23Q11/12
• 分類號: B23Q11/12
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

1.基于導熱通道的精密機床主軸冷卻系統，其特征在于，包括導熱通道(1)、冷卻管道(2)、閥門(3)和散熱裝置(4)；導熱通道(1)根據機械主軸兩端軸承處溫度場分布沿徑向構筑，構筑基本原則是：機械主軸兩端溫度最高的地方構筑導熱通道(1)；導熱通道(1)均與冷卻管道(2)相連，冷卻管道(2)上設置有閥門(3)，冷卻管道(2)內冷卻流體的流通由閥門(3)控制，冷卻管道(2)連接有散熱裝置(4)；導熱通道(1)與冷卻管道(2)內的流體直接接觸，流體吸收導熱通道(1)的熱量后由冷卻管道(2)輸送至散熱裝置(4)處進行冷卻，從而實現主軸系統的循環冷卻；其中，導熱通道(1)內填充高導熱材料。

2.根據權利要求1所述的一種基于導熱通道的精密機床主軸冷卻系統，其特征在于，導熱通道(1)的數量與軸承處的溫度高低成正比。

3.根據權利要求1所述的一種基于導熱通道的精密機床主軸冷卻系統，其特征在于，導熱通道(1)的具體排布形式的確定依據為：

(1)增加導熱通道后，主軸系統的最高溫度和平均溫度最小；

(2)增加導熱通道后，主軸系統任意一點處的溫度梯度絕對值均為最小；

(3)增加導熱通道后，符合原有剛度要求。

4.基于導熱通道的精密機床主軸的集中散熱方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)利用熱阻網絡法確定精密機床主軸溫升特性：

以精密機床機械主軸和電主軸為對象，首先進行主軸系統幾何模型的簡化，其次進行熱網格劃分，并布置若干節點，節點之間用熱阻連接，根據式(1)和(2)計算相應熱阻值，最終建立等效熱網絡模型，以等效熱網絡模型為基礎，計算相應熱源的發熱量與邊界條件，確定主軸系統溫度場分布和溫升特性；

式中：δ——導熱結構特征長度；λ——熱導率；A——導熱或對流換熱面積；h——對流換熱系數；R_c為導熱熱阻，R_v為對流熱阻；

(2)構造導熱通道：

針對軸承和電機兩種熱源，根據主軸系統溫度場分布和溫升特性，在主軸軸承座和主軸殼體上沿主軸徑向方向構造導熱通道(1)，并填充高導熱材料，導熱通道(1)將主軸內部熱量傳導到主軸外；

(3)確定導熱通道布局：

確定導熱通道沿軸向方向的組數和沿周向的排布形式，導熱通道排布形式為：沿主軸軸向排布i列導熱通道，且第i列與第i+1列間的距離為d_i；沿周向排布j行導熱通道，且第j與第j+1行間的距離為h_j；其中，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n；

通過以下原則，確定導熱通道布局：

(1)增加導熱通道后，主軸系統的最高溫度和平均溫度最小；

(2)增加導熱通道后，主軸系統任意一點處的溫度梯度絕對值均為最小；

(3)增加導熱通道后，符合原有剛度要求。

5.根據權利要求4所述的基于導熱通道的精密機床主軸的集中散熱方法，其特征在于，步驟(1)中，主軸系統幾何模型的簡化過程為：刪除螺釘、螺釘孔與油管，忽略倒角與圓角；利用圓環代替軸承，利用圓柱體代替階梯軸；刪除高度10mm的凸臺或凹槽；在保證整體結構不變的情況下，修改調整各模型尺寸，保證各零部件的裝配。

6.根據權利要求4所述的基于導熱通道的精密機床主軸的集中散熱方法，其特征在于，步驟(1)中，節點為30～60個。

7.根據權利要求4所述的基于導熱通道的精密機床主軸的集中散熱方法，其特征在于，步驟(2)中，假設主軸軸承座和主軸殼體橫截面為圓環形平板結構，建立其二維等效導熱模型，步驟(2)中，在二維等效導熱模型中，熱源產生的熱流密度q_in加載至圓環內邊界，圓環外邊界有熱流密度大小為q_out的熱量流出；圓環形平板結構原導熱系數為k₀，導熱通道(1)的導熱系數為k_p。