CN102120266A - 高速精密电主轴冷却系统 - Google Patents

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许光辉
邓君
钟守炎
黄泳波
赖树明
林朝阳
叶智方
徐素武
徐红娇
罗剑英
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Abstract

本发明涉及电主轴技术领域，特指高速精密电主轴冷却系统，包括有电主轴壳体冷却、电主轴轴芯冷却、轴承轴芯润滑冷却三部分，可使电主轴工作时的温升变化控制在±1℃以内。具体实施方案为：在电主轴壳体部分设置环套型的热管冷却方式，通过增大其冷却接触面，快速带走壳体热能；在轴芯冷却部分采用对称的条形热管，均匀的分别在轴芯上，利用热管的高速传导性和恒温性进行冷却；在轴承润滑冷却部分采用轴芯液体润滑冷却的方式，充分利用高速电主轴的高转速产生离心力，使润滑冷却液体均布在轴承滚子上。可保证电主轴温度稳定性，最大限度的减少由于电主轴热膨胀引起的加工精度误差，同时也将提高轴本身与主轴轴承的使用寿命。

Description

高速精密电主轴冷却系统
技术领域：
本发明涉及电主轴技术领域，特指高速精密电主轴冷却系统。
背景技术：
目前，随着电气传动技术(变频调速技术、电动机矢量控制技术等)的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。
高速机床在工作时，由于电主轴在高速旋转的作用下，电主轴的各零部件会产生不同程度的发热。发热后的电主轴和机床其他零部件之间的相对位置和尺寸都将与发热前有所不同，因此所产生的热膨胀，将导致加工误差的加大。特别是在高速机床的加工中，热膨胀引起的误差尤为突出，由于主轴系统各零件的刚度和精度都较高，负荷却不是很大，主轴因受力产生的弹性变形所引起的加工误差常常是很小的，主轴单元的热膨胀已经成为影响加工精度的主要因素。因此在高速电主轴的冷却系统的设计上，通过改用高效的导热元器件，来控制电主轴的温升，减小电主轴的热膨胀，对于提高电主轴的使用性能是至关重要的。
现有的高速主轴主要是通过在主轴壳体内加冷却油，并不断的循环，把热量带走，来进行冷却。其基本的冷却路线是：首先从主轴冷却油温控制器流出冷却油，经过在靠近前端盖的入水口，冷却油进入前端轴承的外围，对前端轴承进行冷却。接着流向主轴的定子和后端轴承进行冷却，最后从出水口流回主轴冷却油温控制器完成循环。
高速电主轴的发热源主要可分为以下几部分，其一，主轴电动机内置于机床主轴的结构中，电机高速旋转所产生的发热是其结构内部的主要的热源。其二，电动机转子在主轴壳体内的高速搅动，使内腔中的空气也会发热，这些热源产生的热量主要通过主轴壳体和主轴进行散热，所以电动机产生的热量有相当一部分会通过主轴传到轴承上去，因而影响轴承的寿命，并且会使主轴产生热伸长，影响加工精度。其三，随着主轴转速的升高，主轴轴承的摩擦所产生的发热量也随之增大。
电动机的发热主要有定子绕组的铜耗发热及转子的铁损发热，其中定子绕组的发热占电动机总发热量的2/3以上。传统的冷却方式下，只对定子部分做了冷却处理，而没有对转子的铁损发热部分进行冷却处理，也就是说对占电动机发热总量近1/3的热量没有进行冷却处理，从而形成了外冷内热。而转子的热膨胀对于加工精度的影响是致命的，如果主轴轴芯按500mm的长度计算时，根据钢的金属膨胀系数可得出，轴芯的温度每上升一度，主轴的长度将延长0.005mm。另外对轴承的进行冷却的冷却液，在高速旋转的主轴的离心力作用下，冷却液根本无法分布到轴承的内圈和轴芯，随着主轴温升增加，轴承的预紧量将增大，反过来又加剧轴承的发热，使轴承得不到有效的冷却和润滑。因此对传统的高速电主轴的冷却系统进行改进是很有必要的。
发明内容：
本发明的目的就是针对现有技术存在的不足而提供一种利用热管快速传导热能达到冷却效果、保证电主轴温度稳定性的高速精密电主轴冷却系统。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：高速精密电主轴冷却系统，包括有电主轴壳体、电主轴轴芯、冷却空调，电主轴轴芯的两端分别通过轴承转动连接在电主轴壳体中，电主轴壳体的后端设有环形冷却密封罩，环形冷却密封罩与冷却空调的冷却气体输出口连通，电主轴壳体中设有壳体热管，壳体热管的冷凝端伸入环形冷却密封罩中并设有壳体散热片，壳体热管的蒸发端延伸至前端轴承处。
所述壳体热管为环套式结构，壳体热管的蒸发端包括位于前端轴承对应位置处的前端轴承热管蒸发端、位于定子对应位置处的定子热管蒸发端，定子热管蒸发端的前端与前端轴承热管蒸发端的后端之间通过连接管连通。
所述电主轴轴芯中设有轴芯热管，轴芯热管的冷凝端设有轴芯散热片，冷却空调的冷却气体输出口通向轴芯散热片。
所述电主轴轴芯一端设有温度传感器，冷却空调设有控制冷却气体温度的温度控制器，温度控制器与温度传感器电连接，使电主轴在其工作时的温度波动控制在±1°以内。
所述电主轴轴芯中心设有为轴承提供润滑油的润滑油通道。
本发明有益效果在于：本发明提供的高速精密电主轴冷却系统，包括有电主轴壳体、电主轴轴芯、冷却空调，电主轴轴芯的两端分别通过轴承转动连接在电主轴壳体中，电主轴壳体的后端设有环形冷却密封罩，环形冷却密封罩与冷却空调的冷却气体输出口连通，电主轴壳体中设有壳体热管，壳体热管的蒸发端延伸至前端轴承处，壳体热管的冷凝端伸入环形冷却密封罩中并设有壳体散热片，本发明利用热管的高速传导性和恒温性进行冷却，并在冷凝端加装壳体散热片，使冷空气流经壳体散热片的位置，有效带走热量，当机床工作时，一旦在蒸发端产生热量，就会迅速通过热管内部的蒸汽带到冷凝端，而在冷凝端遇上冷空气，就会迅速带走热量，保证电主轴温度稳定性，利用高效的热管导热技术，能迅速带走主轴电机和主轴轴承上的热量，能有效的控制温升，最大限度的减少由于电主轴热膨胀引起的加工精度误差，同时也将提高轴本身与主轴轴承的使用寿命。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明，见图1所示，本发明的高速精密电主轴冷却系统包括有电主轴壳体1、电主轴轴芯2、转子11、定子12、冷却空调4，电主轴轴芯2的两端分别通过轴承3转动连接在电主轴壳体1中，转子11套接在电主轴轴芯2上，定子12固定在电主轴壳体1内部，电主轴壳体1的后端设有环形冷却密封罩5，环形冷却密封罩5与冷却空调4的冷却气体输出口连通，电主轴壳体1中设有壳体热管6，壳体热管6的蒸发端延伸至前端轴承3处，壳体热管6的冷凝端伸入环形冷却密封罩5中并设有壳体散热片13，使冷空气流经壳体散热片13的位置，有效带走热量，保证电主轴温度稳定性。
壳体热管6为环套式结构，比条状的热管能更好的散热，壳体热管6的蒸发端包括位于前端轴承3对应位置处的前端轴承热管蒸发端61、位于定子12对应位置处的定子热管蒸发端62，定子热管蒸发端62的前端与前端轴承热管蒸发端61的后端之间通过8条连接管63连通。
电主轴轴芯2中设有4条轴芯热管7，轴芯热管7的冷凝端设有轴芯散热片8，冷却空调4的冷却气体输出口通向轴芯散热片8，传统的电主轴轴芯2无法进行冷却设计，而本发明在电主轴轴芯2中装轴芯热管7冷却，有效解决了电主轴由于外冷内热的主轴形变问题，极大地提高了电主轴的使用寿命。
电主轴轴芯2一端设有温度传感器9，冷却空调4设有控制冷却气体温度的温度控制器10，温度控制器10与温度传感器9电连接。温度传感器9把温度变化的信号传导给温度控制器10，温度控制器10根据温度的变化，对冷却空调4的风速和温度进行自动调节，保证温度变化在±1°以内。
电主轴轴芯2中心设有为轴承3提供润滑油的润滑油通道21，通过从电主轴轴芯2的润滑油通道21注入高压润滑油对电主轴轴承3进行冷却，能有效的避免传统轴承3从轴承3外圈进行润滑时，由于电主轴高速旋转产生离心力而导致轴承3靠轴芯端得不到有效润滑的情形，电主轴轴芯2润滑充分利用离心力的优势使润滑液均匀的分布到每个需要润滑的部位，润滑效果好。
本发明利用热管的高速传导性和恒温性进行冷却，并在冷凝端加装壳体散热片13，使冷空气流经壳体散热片13的位置，有效带走热量，当机床工作时，一旦在蒸发端产生热量，就会迅速通过热管内部的蒸汽带到冷凝端，而在冷凝端遇上冷空气，就会迅速带走热量，保证电主轴的恒温状态，利用高效的热管导热技术，能迅速带走主轴电机和主轴轴承3上的热量，能有效的控制温升，最大限度的减少由于电主轴热膨胀引起的加工精度误差，同时也将提高轴本身与主轴轴承3的使用寿命。
本发明高速电主轴利用热管冷却，能有效降低电主轴由于轴芯的热膨胀所引发加工精度误差。在机床电主轴可承受的情况下，也能更进一步的提高主轴的转速，使机床的加工效率更高。同时也可以缓解电主轴轴承3的热膨胀，提高轴承3的使用寿命，能有效的解决高速电主轴的内部散热问题。

Claims (5)

1.高速精密电主轴冷却系统，包括有电主轴壳体(1)、电主轴轴芯(2)，电主轴轴芯(2)的两端分别通过轴承(3)转动连接在电主轴壳体(1)中，其特征在于：还包括有冷却空调(4)，电主轴壳体(1)的后端设有环形冷却密封罩(5)，环形冷却密封罩(5)与冷却空调(4)的冷却气体输出口连通，电主轴壳体(1)中设有壳体热管(6)，壳体热管(6)的冷凝端伸入环形冷却密封罩(5)中并设有壳体散热片(13)，壳体热管(6)的蒸发端延伸至前端轴承(3)处。
2.根据权利要求1所述的高速精密电主轴冷却系统，其特征在于：所述壳体热管(6)为环套式结构，壳体热管(6)的蒸发端包括位于前端轴承(3)对应位置处的前端轴承热管蒸发端(61)、位于定子对应位置处的定子热管蒸发端(62)，定子热管蒸发端(62)的前端与前端轴承热管蒸发端(61)的后端之间通过连接管(63)连通。
3.根据权利要求1所述的高速精密电主轴冷却系统，其特征在于：所述电主轴轴芯(2)中设有轴芯条形热管(7)，轴芯条形热管(7)的冷凝端设有轴芯散热片(8)，冷却空调(4)的冷却气体输出口通向轴芯散热片(8)。
4.根据权利要求1所述的高速精密电主轴冷却系统，其特征在于：所述电主轴轴芯(2)一端设有温度传感器(9)，冷却空调(4)设有控制冷却气体温度的温度控制器(10)，温度控制器(10)与温度传感器(9)电连接。
5.根据权利要求1所述的高速精密电主轴冷却系统，其特征在于：所述电主轴轴芯(2)中心设有为轴承(3)提供润滑油的润滑油通道(21)。
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