[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

基于導熱通道的精密機床主軸冷卻系統及集中散熱方法，包括導熱通道、冷卻管道、閥門和散熱裝置。針對精密機床機械主軸和電主軸，通過在軸承座和主軸殼體沿徑向構建導熱通道填充高效導熱材料，可將內部熱源的發熱量，以熱傳導方式快速、有效的傳遞至主軸外再進行集中冷卻。以散熱強度最大化為目標，根據主軸前后端軸承和電機軸向與周向溫場的不同，確定合理的導熱通道布局，以達到主軸系統軸向和周向溫升與室溫的平衡。本發明克服傳統散熱方式效率低、熱量仍會被主軸殼體及安裝部件吸收的弊端，具有較好的工程應用前景。

技術領域

本發明涉及機床主軸冷卻與散熱領域，具體涉及基于導熱通道的精密機床主軸冷卻系統及集中散熱方法。

背景技術

隨著我國工業技術的不斷發展，機床精度的要求也不斷提高。精密機床配置的高功率主軸系統保證了機床的高速和高效性，但機床主軸在高速旋轉時，軸承滾動體與軸承內外圈摩擦、內置電機定轉子損耗均會產生大量熱。這些熱量沿不同方向以不同速度向主軸各個部件傳播，導致主軸各部件內形成不均勻分布的溫度場。與此同時，由于主軸各部件受到的約束不同、材料不同，將產生不同程度的熱變形，最終導致主軸在軸向和徑向方向產生熱誤差，影響機床加工精度。

針對主軸內熱源發熱，提高散熱能力是主動控制溫升、減小熱源熱量對機床精度影響最直接、可靠的方法。當熱源發熱量一定時，增加冷卻系統可達到增強散熱的目的。目前國內外常用的主軸冷卻方式為主軸殼體冷卻和主軸中空冷卻。主軸殼體冷卻通常是在主軸內熱源，如軸承和內置電機外，增加冷卻水套，冷卻水套上加工有冷卻流道，冷卻液沿冷卻流道流過主軸帶走部分熱量，從而實現對主軸系統的冷卻。為加強冷卻效果，國內外學者紛紛對冷卻流道進行了優化。李偉光等針對高速電主軸開發了一種新型冷卻系統，該系統中螺旋水槽不再在定子外殼上加工，而在水套外殼內壁上加工。該創新設計的電主軸冷卻系統，可迅速帶走電機定子的發熱量，同時保證了電主軸整體結構的緊湊。經溫升實驗測定，與傳統冷卻系統相比，采用新型冷卻系統的電主軸溫升降低了15.66℃。洛陽軸研科技股份公司李澤強等改進了傳統的電主軸冷卻水套，沿周向方向設置了多個冷卻支路，縮短了冷卻水在支路內的循環周期，使冷卻水與內套具有較大的溫差，利于熱量傳遞，實現了電主軸快速、有效冷卻。傅建中等在電主軸冷卻套上構造了樹形分叉流道，該新型流道與原螺旋水道相比，對流換熱能力提高2倍以上，散熱能力明顯增強。李安玲等在高速磨削電主軸原有冷卻系統的基礎上進行了改進，增加了前軸承冷卻，并設計了新型螺旋水道，通過測試改進的電主軸前軸承殼體溫度和內置電機溫度可知，改進后電主軸溫升降低了約10℃，主軸溫升得到了有效的控制。利用冷卻水套進行冷卻時，只對主軸系統內置電機定子、軸承外圈、主軸殼體進行冷卻，而軸芯無冷卻措施，其內部熱量無法及時排出，易形成“外冷內熱”。為了減小主軸內熱源發熱對主軸軸芯溫升和熱變形的影響，高巍設計了一種中空冷卻的雕刻機主軸，該主軸轉子軸內部設置軸向通孔，高壓冷卻液經旋轉接頭通入通孔內，從而直接對主軸軸芯進行冷卻。康躍然、史曉軍等發明了一種電主軸軸芯冷卻結構及系統，在電主軸軸芯上沿周向開設多個直孔通道，形成U型冷卻單元。在多個直孔通道內，冷卻液流速快、湍流度大，冷卻效果好，通過與高速旋轉接頭、入流/回流通道聯箱、油水熱交換系統進行集成，可有效降低電主軸軸芯溫度。

然而，利用主軸殼體冷卻時，需在主軸殼體上增加冷卻套，冷卻效率有限，而且冷卻液在主軸系統內部循環流動時不可避免的會將熱量傳遞至套筒、主軸殼體等其他部件，引起一定的熱變形；采用中空主軸冷卻時，需額外配置旋轉接頭，增加了設計、裝配的難度和成本。

發明內容

本發明的目的在于解決上述問題，目的是提出了一種基于導熱通道的精密機床主軸冷卻系統及集中散熱方法，能夠提高散熱強度，實現溫升和熱變形的有效控制，并降低成本。

為達到上述目的，本發明提出如下技術方案：