CN105598477B - 一种基于轴芯热管冷却的高速高精度电主轴 - Google Patents

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Abstract

一种基于轴芯热管冷却的高速高精度电主轴，包括电主轴轴芯，电主轴轴芯的前端固定在前轴承组件上，后端固定在后轴承组件上，前轴承组件与电电主轴外壳前端连接，电主轴外壳内部与电主轴定子及后轴承组件连接，电主轴外壳后端与冷却腔室后盖连接，后轴承组件和冷却腔室后盖构成冷却腔室，电主轴轴芯的尾端深入到冷却腔室内，电主轴轴芯上加工有轴芯冷却槽道，电主轴轴芯上套合有电主轴轴芯套筒，电主轴轴芯尾端连接有密封阀门，在电主轴轴芯套筒中部工作段内表面与电主轴轴芯外表面存在间隙，采用轴芯冷却槽道与间隙中工作介质的相变过程，实现对电主轴转子部分产生热量的高效导出，控制了主轴转子温度，提高加工精度。

Description

一种基于轴芯热管冷却的高速高精度电主轴
技术领域
本发明涉及高速高精度电主轴冷却技术领域，尤其涉及一种基于轴芯热管冷却的高速高精度电主轴。
背景技术
电主轴作为高速高精度机床工作的核心部件，是完成高速、高精度加工的关键装备。然而，由于电主轴电机内置、外壳封闭等结构因素的限制，致使电机和前后轴承产生的热量无法及时有效的导出，从而在电主轴内部形成了复杂的温度场，引起各部件热变形，导致其尺寸以及各部件之间的相对位置发生变化，进而影响到主轴的加工精度。据统计，在精密加工中，由热变形引起的加工误差所占的比例高达40％～70％左右。
电主轴的热源主要包括两部分，即轴承和电机。轴承产生热量主要是由于轴承滚子与内外圈之间的摩擦作用；而电机产生的热量主要包括定子绕组铜耗发热和转子铁损发热，其中定子发热约占总发热量的2/3，转子占1/3。对于轴承摩擦所产生的热量，目前电主轴采用轴承油-气(雾)润滑技术，在对轴承进行润滑的同时带走部分由于轴承运行过程中摩擦所产生的热量，使得轴承的冷却问题得到一定改善。对于电机定子发热问题，目前的主要解决办法是在电机定子外侧加工出螺旋冷却流道，利用冷却水(或油)的循环流动带走电机定子以及主轴壳体的热量，从而达到一定的冷却效果。对于主轴轴芯的发热问题，目前的主要思路是将冷却工质通入轴芯，从而实现轴芯的循环冷却，主要过程为：用旋转密封机头，在主轴转子高速旋转状态下，将高压冷却工质通入轴芯冷却流道。但是在实现过程中涉及到“高压动密封”问题，随着转速的提高，冷却成本急剧增加，系统可靠性也急剧降低，严重制约了该方法的推广应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于轴芯热管冷却的高速高精度电主轴，能够控制主轴轴芯处的升温，提高电主轴的热稳定性，保证电主轴的旋转精度。
为了达到上述目的，本发明采取的具体技术方案为：
一种基于轴芯热管冷却的高速高精度电主轴，包括电主轴轴芯1，电主轴轴芯1的前端固定在前轴承组件4上，后端固定在后轴承组件8上，前轴承组件4与电主轴外壳5前端连接，电主轴外壳5内部与电主轴定子6及后轴承组件8连接，电主轴外壳5后端与冷却腔室后盖9连接，后轴承组件8和冷却腔室后盖9构成冷却腔室12，电主轴轴芯1的尾端深入到冷却腔室12内。
所述电主轴轴芯1上加工有轴芯冷却槽道14，电主轴轴芯1上套合有电主轴轴芯套筒2，电主轴轴芯套筒2前端固定有和电主轴定子6配合的电主轴转子7，电主轴轴芯套筒2中部固定在后轴承组件8上，电主轴轴芯1尾端连接有密封阀门3，密封阀门3处与轴芯冷却槽道14相连通，电主轴轴芯套筒2两端加工有密封面，电主轴轴芯套筒2和电主轴轴芯1采用热胀式装配技术进行密封，在电主轴轴芯套筒2中部工作段内表面与电主轴轴芯1外表面存在间隙15。
所述电主轴轴芯1外表面与电主轴轴芯套筒2内表面带有锥度α1:100～1:50，前端大于后端。
所述冷却腔室后盖9上部固定有冷却油喷嘴11与冷却油管10，冷却腔室后盖9下方开孔连接冷却油出口接头13。
所述的密封阀门3为液体工作介质注入口，首先由密封阀门3对轴芯冷却槽道14与间隙15组成的空间进行抽真空，保证其内部的真空度后，对其注入液体工作介质，注液率为20％～30％。
本发明的有益效果是：
采用轴芯冷却槽道14与间隙15中工作介质的相变过程，实现对电主轴转子7部分产生热量的高效导出，避免了“高压动密封”问题，控制了主轴转子温度，提高加工精度。具有结构简单、运行稳定、散热热流密度大，散热效率高等特点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2为图1的A-A剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1和图2所示，一种基于轴芯热管冷却的高速高精度电主轴，包括电主轴轴芯1，电主轴轴芯1的前端固定在前轴承组件4上，后端固定在后轴承组件8上，前轴承组件4与电电主轴外壳5前端连接，电主轴外壳5内部与电主轴定子6及后轴承组件8连接，电主轴外壳5后端与冷却腔室后盖9连接，后轴承组件8和冷却腔室后盖9构成冷却腔室12，电主轴轴芯1的尾端深入到冷却腔室12内，冷却腔室12为密闭空间，保证冷却油不流出。
所述电主轴轴芯1上加工有轴芯冷却槽道14，电主轴轴芯1上套合有电主轴轴芯套筒2，电主轴轴芯套筒2前端固定有和电主轴定子6配合的电主轴转子7，电主轴轴芯套筒2中部固定在后轴承组件8上，电主轴轴芯1尾端连接有密封阀门3，密封阀门3处与轴芯冷却槽道14相连通，电主轴轴芯套筒2两端加工有密封面，电主轴轴芯套筒2和电主轴轴芯1采用热胀式装配技术进行密封，在电主轴轴芯套筒2中部工作段内表面与电主轴轴芯1外表面存在间隙15，间隙15为1mm，确保轴芯冷却槽道14各部分实现连通，当电主轴轴芯1与电主轴轴芯套筒2高速旋转时，在离心力作用下实现液体工作介质沿圆周方向均匀分布。
所述电主轴轴芯1外表面与电主轴轴芯套筒2内表面带有锥度α1:100～1:50，前端大于后端，当电主轴轴芯1与电主轴轴芯套筒2高速旋转时，液体工作介质可在离心力分量的作用下回流至电主轴轴芯1与电主轴轴芯套筒2前端。
所述冷却腔室后盖9上部固定有与冷却油管10连接的冷却油喷嘴11，冷却油由冷却油喷嘴11喷出，对电主轴轴芯套筒2尾部进行喷淋冷却，冷却腔室后盖9下方开孔连接冷却油出口接头13，使用后的冷却油由冷却油出口接头13处导出。
所述的密封阀门3为液体工作介质注入口，首先由密封阀门3对轴芯冷却槽道14与间隙15组成的空间进行抽真空，保证其内部的真空度后，对其注入液体工作介质，注液率为20％～30％。
本发明的工作原理为：液体工作介质吸收电主轴转子7部位产生的热量汽化为蒸汽，压力增大，蒸汽在压力作用下运行到轴芯冷却槽道14后端，冷却油喷嘴11喷出的冷却油对电主轴轴芯1后端进行冷却，蒸汽冷凝为液态，电主轴轴芯1外表面与电主轴轴芯套筒2内表面带有锥度α，前端大于后端，当电主轴轴芯1与电主轴轴芯套筒2高速旋转时，液体工作介质可在离心力分量的作用下回流至电主轴轴芯1与电主轴轴芯套筒2前端，完成散热循环。

Claims (4)

1.一种基于轴芯热管冷却的高速高精度电主轴，包括电主轴轴芯(1)，电主轴轴芯(1)的前端固定在前轴承组件(4)上，后端固定在后轴承组件(8)上，前轴承组件(4)与电电主轴外壳(5)前端连接，电主轴外壳(5)内部与电主轴定子(6)及后轴承组件(8)连接，其特征在于：电主轴外壳(5)后端与冷却腔室后盖(9)连接，后轴承组件(8)和冷却腔室后盖(9)构成冷却腔室(12)，电主轴轴芯(1)的尾端深入到冷却腔室(12)内；
所述电主轴轴芯(1)上加工有轴芯冷却槽道(14)，电主轴轴芯(1)上套合有电主轴轴芯套筒(2)，电主轴轴芯套筒(2)前端固定有和电主轴定子(6)配合的电主轴转子(7)，电主轴轴芯套筒(2)中部固定在后轴承组件(8)上，电主轴轴芯(1)尾端连接有密封阀门(3)，密封阀门(3)处与轴芯冷却槽道(14)相连通，电主轴轴芯套筒(2)两端加工有密封面，电主轴轴芯套筒(2)和电主轴轴芯(1)采用热胀式装配技术进行密封，在电主轴轴芯套筒(2)中部工作段内表面与电主轴轴芯(1)外表面存在间隙(15)。
2.根据权利要求1所述的一种基于轴芯热管冷却的高速高精度电主轴，其特征在于：所述电主轴轴芯(1)外表面与电主轴轴芯套筒(2)内表面带有锥度α1:100～1:50，前端大于后端。
3.根据权利要求1所述的一种基于轴芯热管冷却的高速高精度电主轴，其特征在于：所述冷却腔室后盖(9)上部固定有冷却油喷嘴(11)与冷却油管(10)，冷却腔室后盖(9)下方开孔连接冷却油出口接头(13)。
4.根据权利要求1所述的一种基于轴芯热管冷却的高速高精度电主轴，其特征在于：所述的密封阀门(3)为液体工作介质注入口，首先由密封阀门(3)对轴芯冷却槽道(14)与间隙(15)组成的空间进行抽真空，保证其内部的真空度后，对其注入液体工作介质，注液率为20％～30％。
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