[发明专利]一种超低温冷却介质内喷式机械主轴

说明书

一种超低温冷却介质内喷式机械主轴，包括静止的真空芯轴、旋转的主轴体、静止的主轴外壳、内外双层回转支承轴承和双层密封结构。内层回转支承轴承的内圈与真空芯轴配合，外圈与主轴体配合，该轴承起到辅助支承与芯轴定位的功能；外层回转支承轴承的内圈与主轴体配合，外圈与主轴外壳配合；真空芯轴为超低温冷却介质提供传输通道，其真空结构具有良好的隔热作用，限制了主轴内的低温传递；真空芯轴消除了传输通道旋转引起的壁面摩擦热致使超低温介质汽化的不利影响；主轴头内安装有隔热能力的密封结构，与真空芯轴外圆周表面形成径向旋转密封，防止超低温介质泄漏回流至主轴内部，遏止泄漏流对主轴前端的低温影响，保证了超低温介质传输的稳定性。

技术领域

本发明属于数控机床主轴设计技术领域，具体涉及一种超低温冷却介质内喷式机械主轴。

背景技术

航空航天领域中，钛合金、镍基合金等难加工材料零件常因过高的切削温度而影响其加工质量和效率。以液氮等超低温介质为冷却液的超低温加工方法，在降低切削温度、改善加工表面完整性、抑制刀具磨损等方面卓有成效。其中，将冷却介质通过主轴、刀柄、刀具内腔通道引导至刀尖处的内喷式冷却方法，具有冷却精准、效率高、装置高度集成等优点。

故此，超低温介质内喷式主轴成为实现难加工材料零件超低温高效加工的关键。然而，超低温冷却介质在主轴内部流动时，由于其极低的温度(＜-150℃)，会引发主轴材料/结构收缩、变形，甚至冰冻，导致主轴严重结霜、配合失效、精度丧失，无法保证零件加工中的精度要求。此外，主轴内部传输通道具有动静结合面，端面之间必然存在间隙，超低温介质受迫流动时会发生泄漏，亦会导致超低温度场的扩散，同时还加剧了液氮传输状态的波动。因此，上述问题对超低温介质内喷式主轴的隔热与密封提出了极高的要求。

显然，常规乳化液内冷主轴无法实现超低温介质的隔热与密封。目前，国内外机构发明了若干针对液氮等冷却介质的内喷式主轴。2014年，大连理工大学在发明专利201410182721.9中公开了“液氮内喷式数控钻铣床主轴装置”，该装置实现了液氮在主轴内部传输并从刀尖射流的功能，且采用真空绝热管阻隔了大部分低温传递，但是主轴前端的拉钉组件并未采取隔热措施，仍会出现主轴快速结霜并变形的问题。2017年，广东工业大学在发明专利201711154863.4中公开了“一种内嵌冷风装置的超高速电主轴”，该装置在主轴外壳内安装了低温冷风装置，实现了低温氮气对钻孔区域的射流冷却，但是冷风并未通过刀具内部，而是从刀柄周围的主轴端面喷出，不能对切削区实施“点对点”式精准冷却，且冷风介质温度不及液氮温度低，其隔热、密封难度相对较小。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷或改进需求，提出了一种超低温冷却介质内喷式机械主轴，克服了主轴内超低温隔热与密封技术难题，实现了对切削局部区域的精准射流冷却。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超低温冷却介质内喷式机械主轴，主要由主轴头结构和主轴主体结构组成；主轴主体结构主要包括静止的真空芯轴3.1、旋转的主轴体3.2、静止的主轴外壳4.6，以及内外双层回转支承轴承；静止的真空芯轴3.1为超低温冷却介质提供传输通道，同时其真空结构具有良好的隔热作用，限制了主轴主体内的低温传递；内层回转支承轴承的内圈与真空芯轴3.1配合，外圈与主轴体3.2配合，该轴承起到辅助支承与芯轴定位的功能；外层回转支承轴承的内圈与主轴体3.2配合，外圈与主轴外壳4.6配合；主轴头结构内部安装有具有隔热能力的密封结构，与真空芯轴3.1的外圆周表面形成径向旋转密封，防止超低温介质泄漏回流至主轴内部，遏止泄漏流对主轴前端的低温影响；

所述的主轴头结构主要包括主轴头1.1、隔热迷宫密封1.2和唇形密封1.3；主轴头结构装配时，依次将隔热迷宫密封1.2齿向朝内、唇形密封1.3开口朝内以过渡配合的方式装配到主轴头内孔1.a中，然后用六个螺钉一2.1将密封端盖1.4安装于主轴头1.1上，以压紧密封结构；