CN105798701B - 一种基于脉动热管冷却结构的高速、高精度电主轴 - Google Patents
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Abstract
一种基于脉动热管冷却结构的高速、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蛇形脉动热管固定槽道，蛇形脉动热管固定槽道内固定有闭式脉动热管，电主轴轴芯上套合有电主轴轴芯套筒，采用闭式脉动热管中工作介质的相变过程，实现对电主轴转子部分以及前轴承组件和后轴承组件产生热量的高效导出，控制了轴芯温度，减小电主轴零部件的热变形，从而提高机床的加工精度。
Description
技术领域
本发明涉及高速、高精度电主轴冷却技术领域，尤其涉及一种基于脉动热管冷却结构的高速、高精度电主轴。
背景技术
高速、高精度电主轴作为精密与超精密加工机床工作的核心部件，由于目前所采用的电主轴电机内置、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，引起各零部件受热变形，导致其尺寸以及各零部件之间的相对位置发生变化，进而影响到精密与超精密加工机床的加工精度。据统计，在精密加工中，由机床热变形引起的加工误差占加工总误差的比例高达40％～70％。
电主轴的热源主要包括两部分，即轴承摩擦生热和电机生热。轴承产生的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，目前所使用的电主轴主要采用轴承油-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。但对于电主轴轴芯的发热问题，目前的主要思路是将冷却工质通入空心轴芯，从而实现轴芯的循环冷却，主要过程为：用旋转密封接头，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中。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脉动热管冷却结构的高速、高精度电主轴，能够有效导出电主轴内部热量，控制主轴轴芯处的温升，提高电主轴的热稳定性，保证电主轴的旋转精度，从而提精密与超精密机床的加工精度。
为了达到上述目的，本发明采取的具体技术方案为：
一种基于脉动热管冷却结构的高速、高精度电主轴，包括电主轴轴芯13，电主轴轴芯13的前端固定在前轴承组件1上，后端固定在后轴承组件5上，前轴承组件1与电主轴外壳2前端连接，电主轴外壳2内部与电主轴定子3、后轴承组件5连接，电主轴外壳2后端与冷却腔室后盖6连接，后轴承组件5和冷却腔室后盖6之间构成冷却腔室9，电主轴轴芯13的尾端伸入到冷却腔室9内，冷却腔室9为密闭空间；
所述的电主轴轴芯13上加工有蛇形脉动热管固定槽道14，蛇形脉动热管固定槽道14中固定有闭式脉动热管11，电主轴轴芯13上套合有电主轴轴芯套筒12，电主轴轴芯套筒12前端固定有和电主轴定子3配合的电主轴转子4，电主轴轴芯套筒12中部固定在后轴承组件5上，电主轴轴芯套筒12两端加工有密封面，电主轴轴芯套筒12和电主轴轴芯13采用热胀式装配技术进行密封。
所述冷却腔室后盖6上部固定有与冷却油管7连接的冷却油喷嘴8，冷却腔室后盖6下方开孔连接冷却油出口接头10。
所述的闭式脉动热管11采用铜管弯制而成，对其抽真空后，向其内部注入液体工作介质，注液率为20％～30％。
本发明的有益效果是：
通过冷却腔室9内外的闭式脉动热管11中工作介质的相变过程，实现对电主轴转子4部分以及前轴承组件1和后轴承组件5产生热量的高效导出，控制了轴芯温度，减小电主轴零部件的热变形，从而提高机床的加工精度，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。
图3为图2的B部放大图。
图4为电主轴轴芯13的结构示意图。
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。
参照图1，一种基于脉动热管冷却结构的高速、高精度电主轴，包括电主轴轴芯13，电主轴轴芯13的前端固定在前轴承组件1上，后端固定在后轴承组件5上，前轴承组件1与电主轴外壳2前端连接，电主轴外壳2内部与电主轴定子3、后轴承组件5连接，电主轴外壳2后端与冷却腔室后盖6连接，后轴承组件5和冷却腔室后盖6之间构成冷却腔室9，电主轴轴芯13的尾端伸入到冷却腔室9内，冷却腔室9为密闭空间，保证冷却油不出现泄漏。
参照图1、图2、图3和图4，所述电主轴轴芯13上加工有蛇形脉动热管固定槽道14，电主轴轴芯13上的蛇形脉动热管固定槽道14内固定有闭式脉动热管11，电主轴轴芯13上套合有电主轴轴芯套筒12，电主轴轴芯套筒12前端固定有和电主轴定子3配合的电主轴转子4，电主轴轴芯套筒12中部固定在后轴承组件5上，电主轴轴芯套筒12两端加工有密封面，电主轴轴芯套筒12和电主轴轴芯13采用热胀式装配技术进行密封，将闭式脉动热管11紧固在蛇形脉动热管固定槽道14中。
参照图1，所述冷却腔室后盖6上部固定有与冷却油管7连接的冷却油喷嘴8，冷却油由冷却油喷嘴8喷出，对电主轴轴芯套筒12尾部进行喷淋冷却，冷却腔室后盖6下方开孔连接冷却油出口接头10，使用后的冷却油由冷却油出口接头10处导出。
参照图2、图3和图4，所述电主轴轴芯13外表面用球铣刀铣出用于固定闭式脉动热管11的蛇形脉动热管固定槽道14。
所述的闭式脉动热管11采用铜管弯制而成，对其抽真空后，向其内部注入液体工作介质，注液率为20％～30％。
本发明的工作原理为：由于采用抽真空后注入20％-30％的工作介质，故在闭式脉动热管11中形成随机分布的汽、液塞，闭式脉动热管11中的液体工作介质吸收电主轴转子4部位以及前轴承组件1和后轴承组件5产生的热量，液体工作介质蒸发形成气泡，随之迅速膨胀和升压，推动工作介质流向温度较低的一侧(冷却腔室9所对应的闭式脉动热管11部分)；在冷却油的冷却作用下，汽泡冷凝并收缩破裂，压力下降，由于两端存在压差，从而提供工作介质流动的驱动力；由于加热部分闭式脉动热管11中相邻通道的工作介质蒸发过程具有非同步性，会在相邻通道之间形成压力差，该压力差会推动工作介质从一个流道流向另一个流道，从而形成脉动热管的回复力，在驱动力和回复力的相互作用下，形成了工作介质在加热部分和冷却部分之间的局部震荡流动和脉动热管整体的循环流动，从而实现热量的传递。
Claims (3)
1.一种基于脉动热管冷却结构的高速、高精度电主轴，包括电主轴轴芯(13)，电主轴轴芯(13)的前端固定在前轴承组件(1)上，后端固定在后轴承组件(5)上，前轴承组件(1)与电主轴外壳(2)前端连接，电主轴外壳(2)内部与电主轴定子(3)、后轴承组件(5)连接，其特征在于：电主轴外壳(2)后端与冷却腔室后盖(6)连接，后轴承组件(5)和冷却腔室后盖(6)之间构成冷却腔室(9)，电主轴轴芯(13)的尾端伸入到冷却腔室(9)内，冷却腔室(9)为密闭空间；
所述的电主轴轴芯(13)上加工有蛇形脉动热管固定槽道(14)，蛇形脉动热管固定槽道(14)中固定有闭式脉动热管(11)，电主轴轴芯(13)上套合有电主轴轴芯套筒(12)，电主轴轴芯套筒(12)前端固定有和电主轴定子(3)配合的电主轴转子(4)，电主轴轴芯套筒(12)中部固定在后轴承组件(5)上，电主轴轴芯套筒(12)两端加工有密封面，电主轴轴芯套筒(12)和电主轴轴芯(13)采用热胀式装配技术进行密封。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉动热管冷却结构的高速、高精度电主轴，其特征在于：所述的冷却腔室后盖(6)上部固定有与冷却油管(7)连接的冷却油喷嘴(8)，冷却腔室后盖(6)下方开孔连接冷却油出口接头(10)。
3.根据权利要求1所述的一种基于脉动热管冷却结构的高速、高精度电主轴，其特征在于：所述的闭式脉动热管(11)采用铜管弯制而成，对其抽真空后，向其内部注入液体工作介质，注液率为20％～30％。
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