[发明专利]一种用于高速电主轴转轴表面冷却的柔性热管

说明书

本发明公开了一种用于高速电主轴转轴表面冷却的柔性热管，该柔性热管(7)包括自上而下依次键合而成的基板(701)、流道板(702)和盖板(703)；其中，流道板(702)上开设有热管流道，且热管流道填充有密封的传热流体。使用时，本发明经过弯折贴合在转轴表面。在电主轴运行状态下，由于内部电机的损耗、前后轴承的摩擦生热、以及转轴的风摩托，使得转轴表面温升明显。本发明所提出的柔性热管在高离心力下有良好的传热性能，可以有效的控制转轴的局部温升，减小温度分布不均匀引起的热变形，有效控制转轴受热变形对高速电主轴加工精度的影响，同时本发明对电主轴原有结构改动很小、具有可靠性高、成本低廉、易于推广实施等优点。

技术领域

本发明属于高速电主轴冷却技术领域，尤其涉及一种用于高速电主轴转轴表面冷却的柔性热管。

背景技术

电主轴热态特性是衡量主轴系统整体工作性能的重要指标，高精度数控机床要求电主轴在受热膨胀时有较小的热变形。由于高速电主轴在工作中产生大量的热量，容易引起主轴系统的热变形，根据已有研究，热变形引起的误差远大于精度误差，最大可占总体误差的70％，严重影响机床工作的加工精度。因此，减小高速主轴系统的热变形已经成为提高电主轴加工精度的重要因素之一。

由于电主轴自身结构因素的限制，导致电机及轴承所产生的热量积聚在电机定转子间隙和轴承外圈等部位而无法被及时有效的导出，致使转子和轴承外圈受热膨胀，引起主轴配合尺寸发生变化，最终影响到主轴的加工精度。

电主轴的热源主要包括电机和轴承两部分。由于轴承滚动体与其内外圈之间的摩擦作用造成轴承发热，引起的温升将导致内外圈沟道和滚动体发生热位移，会对轴承的刚度和动力学特性产生影响，进而影响到电主轴轴承-转子系统的动力学特性；而电机产热的原因主要包括定子绕组铜耗发热、转子铁损发热以及转子高速旋转时摩擦周围空气所产生的热量，其中定子的发热约占总发热量的2/3，而转子的发热约占到1/3。主轴和转子温度的升高将引起转轴的轴向位移，对电主轴的轴承刚度以及轴承-转子系统动力学特性造成显著的影响。

对于轴承的发热问题，目前常用的解决方案是轴承的油-气(雾)润滑技术，在对轴承进行润滑的同时带走部分热量，使得轴承的发热问题得到一定程度的改善。对于电机定子的发热问题，常用的办法是在定子外侧壳体上加工出螺旋冷却流道，利用冷却水(或油)的循环流动，通过对流换热带走电机定子的部分热量。而对于电机转子的发热问题，现有的解决方案是将高压冷却流体利用旋转密封接头通入转轴轴芯处的冷却流道，利用冷却工质在轴心内的对流换热作用，实现电主轴内部热量的引出。但是该方法存在以下弊端：(1)高转速下通入冷却流体的旋转密封成本较高；(2)根据有关的试验结果，在电主轴的运行过程中，前、后轴承的外圈及底座、电机的定子与转子之间的气隙等部位温升明显，而这些位置在结构上距离主轴回转轴心较远，因此采用向转轴轴心通入冷却液的方式对解决这些部位发热问题来说作用有限；(3)通常情况下，通入转轴轴心的冷却流体直接喷射到被加工件上，容易造成冷却液的浪费，不符合绿色制造、节能环保的要求。因此，该电主轴轴心冷却方案在实际中的应用较少。

综上，目前广泛应用的电主轴冷却系统包括：针对轴承的油-气(雾)润滑冷却系统以及针对电机定子的螺旋水套冷却系统。而针对电主轴电机转子部分产生的热量则缺乏有效的热引出方法，导致电主轴内的热量不断堆积而形成“外冷内热”的温度分布格局，进而导致转轴热变形的产生，严重制约了数控机床的加工精度的提高。因此，解决电主轴转轴的冷却问题，成为进一步提高数控机床加工精度的关键。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明旨在提出一种用于高速电主轴转轴表面冷却的柔性热管，借助其在高离心力下出色的传热能力，保证转轴在运行过程中前后端始终有很好的均温性，避免由于转轴的温升不均造成安装在其上的零件的相对位置发生变化对电主轴加工精度的影响，同时还具有可靠性高、对电主轴原有结构改动较小和成本低廉等优点。

本发明采用如下技术方案来实现的：