[发明专利]基于导热通道的精密机床主轴冷却系统及集中散热方法

说明书

基于导热通道的精密机床主轴冷却系统及集中散热方法，包括导热通道、冷却管道、阀门和散热装置。针对精密机床机械主轴和电主轴，通过在轴承座和主轴壳体沿径向构建导热通道填充高效导热材料，可将内部热源的发热量，以热传导方式快速、有效的传递至主轴外再进行集中冷却。以散热强度最大化为目标，根据主轴前后端轴承和电机轴向与周向温场的不同，确定合理的导热通道布局，以达到主轴系统轴向和周向温升与室温的平衡。本发明克服传统散热方式效率低、热量仍会被主轴壳体及安装部件吸收的弊端，具有较好的工程应用前景。

技术领域

本发明涉及机床主轴冷却与散热领域，具体涉及基于导热通道的精密机床主轴冷却系统及集中散热方法。

背景技术

随着我国工业技术的不断发展，机床精度的要求也不断提高。精密机床配置的高功率主轴系统保证了机床的高速和高效性，但机床主轴在高速旋转时，轴承滚动体与轴承内外圈摩擦、内置电机定转子损耗均会产生大量热。这些热量沿不同方向以不同速度向主轴各个部件传播，导致主轴各部件内形成不均匀分布的温度场。与此同时，由于主轴各部件受到的约束不同、材料不同，将产生不同程度的热变形，最终导致主轴在轴向和径向方向产生热误差，影响机床加工精度。

针对主轴内热源发热，提高散热能力是主动控制温升、减小热源热量对机床精度影响最直接、可靠的方法。当热源发热量一定时，增加冷却系统可达到增强散热的目的。目前国内外常用的主轴冷却方式为主轴壳体冷却和主轴中空冷却。主轴壳体冷却通常是在主轴内热源，如轴承和内置电机外，增加冷却水套，冷却水套上加工有冷却流道，冷却液沿冷却流道流过主轴带走部分热量，从而实现对主轴系统的冷却。为加强冷却效果，国内外学者纷纷对冷却流道进行了优化。李伟光等针对高速电主轴开发了一种新型冷却系统，该系统中螺旋水槽不再在定子外壳上加工，而在水套外壳内壁上加工。该创新设计的电主轴冷却系统，可迅速带走电机定子的发热量，同时保证了电主轴整体结构的紧凑。经温升实验测定，与传统冷却系统相比，采用新型冷却系统的电主轴温升降低了15.66℃。洛阳轴研科技股份公司李泽强等改进了传统的电主轴冷却水套，沿周向方向设置了多个冷却支路，缩短了冷却水在支路内的循环周期，使冷却水与内套具有较大的温差，利于热量传递，实现了电主轴快速、有效冷却。傅建中等在电主轴冷却套上构造了树形分叉流道，该新型流道与原螺旋水道相比，对流换热能力提高2倍以上，散热能力明显增强。李安玲等在高速磨削电主轴原有冷却系统的基础上进行了改进，增加了前轴承冷却，并设计了新型螺旋水道，通过测试改进的电主轴前轴承壳体温度和内置电机温度可知，改进后电主轴温升降低了约10℃，主轴温升得到了有效的控制。利用冷却水套进行冷却时，只对主轴系统内置电机定子、轴承外圈、主轴壳体进行冷却，而轴芯无冷却措施，其内部热量无法及时排出，易形成“外冷内热”。为了减小主轴内热源发热对主轴轴芯温升和热变形的影响，高巍设计了一种中空冷却的雕刻机主轴，该主轴转子轴内部设置轴向通孔，高压冷却液经旋转接头通入通孔内，从而直接对主轴轴芯进行冷却。康跃然、史晓军等发明了一种电主轴轴芯冷却结构及系统，在电主轴轴芯上沿周向开设多个直孔通道，形成U型冷却单元。在多个直孔通道内，冷却液流速快、湍流度大，冷却效果好，通过与高速旋转接头、入流/回流通道联箱、油水热交换系统进行集成，可有效降低电主轴轴芯温度。

然而，利用主轴壳体冷却时，需在主轴壳体上增加冷却套，冷却效率有限，而且冷却液在主轴系统内部循环流动时不可避免的会将热量传递至套筒、主轴壳体等其他部件，引起一定的热变形；采用中空主轴冷却时，需额外配置旋转接头，增加了设计、装配的难度和成本。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，目的是提出了一种基于导热通道的精密机床主轴冷却系统及集中散热方法，能够提高散热强度，实现温升和热变形的有效控制，并降低成本。

为达到上述目的，本发明提出如下技术方案：