CN106685129B - 一种基于单环路热虹吸管冷却结构的高速高精度电主轴 - Google Patents

一种基于单环路热虹吸管冷却结构的高速高精度电主轴 Download PDF

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Abstract

一种基于单环路热虹吸管结构冷却的高速高精度电主轴，包括电主轴转轴，电主轴转轴前后两端通过前轴承组件、后轴承组件与电主轴外壳两端连接，电主轴转轴中部固定的电机转子与固定在电主轴外壳内部的电机定子配套，后轴承组件和电主轴外壳后端连接的后端盖共同构成密闭的冷却腔室，电主轴转轴尾端伸入至冷却腔室内部，冷却腔室的一侧连接有进油管，和进油管相对的冷却腔室的另一侧设有出油管，电主轴转轴上加工有单环路热虹吸管冷却结构，本发明实现电主轴轴心热量的快速导出，有效的控制电主轴轴心处的温升，减小热变形，提高加工精度，同时还具有可靠性高、成本低廉等优点。

Description

一种基于单环路热虹吸管冷却结构的高速高精度电主轴
技术领域
本发明涉及高速电主轴冷却技术领域，尤其涉及一种基于单环路热虹吸管冷却结构的高速高精度电主轴。
背景技术
据统计，在高速精密加工中，由热变形引起的加工误差所占的比例高达40％～70％。而电主轴则是数控机床进行高精度加工过程中的核心部件和主要产热元件。由于电主轴自身结构因素的限制，导致电机及轴承所产生的热量积聚在转子部位而无法及时有效的导出，致使转子部分受热膨胀，引起主轴配合尺寸发生变化，最终影响到主轴的加工精度。
电主轴的热源主要包括电机和轴承两部分。轴承产生热量主要是由于滚动体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以及转子高速旋转时摩擦周围空气所产生的热量，其中定子发热约占总发热量的2/3，转子发热约占1/3。
对于轴承产热的生热问题，目前常用的办法是轴承油-气(雾)润滑技术，在对轴承进行润滑的同时带走部分热量，使得轴承的发热问题得到一定程度的改善。对于电机定子的发热问题，目前常用的办法是在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，透过壳体带走电机定子的热量。对于电机转子的发热问题，目前常用的办法是将高压冷却流体利用旋转密封接头通入转轴轴芯冷却流道，利用冷却工质在轴心处的循环流动，实现热量的引出。但是该方法工作的关键在于旋转密封接头，在高压流体通入轴心的过程中，随着转速的提高，“高压动密封”难度急剧增大，造成冷却成本的增加以及可靠性的下降，因此该方法并未在高速高精度电主轴轴心冷却方面广泛推广应用。
综上，目前广泛应用的电主轴冷却系统包括：针对轴承的油-气(雾)润滑冷却系统以及针对电机定子的螺旋水套冷却系统。而针对转子轴心的发热问题目前则没有广泛推广应用的冷却方法，导致电主轴转子处的热量不断堆积而形成“外冷内热”的温度分布格局。导致热变形的产生，严重制约了数控机床的加工精度的提高。因此，解决电主轴轴心的冷却问题，成为进一步提高数控机床加工精度的关键。
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单环路热虹吸管冷却结构的高速高精度电主轴，实现电主轴轴心热量的快速导出，有效的控制电主轴轴心处的温升，减小热变形，提高加工精度，同时还具有可靠性高、成本低廉等优点。
为了达到上述目的，本发明采用的具体技术方案为：
一种基于单环路热虹吸管结构冷却的高速高精度电主轴，包括电主轴转轴14，电主轴转轴14前后两端通过前轴承组件1、后轴承组件5与电主轴外壳4两端连接，电主轴转轴14中部固定的电机转子2与固定在电主轴外壳4内部的电机定子3配套，后轴承组件5和电主轴外壳4后端连接的后端盖7共同构成密闭的冷却腔室11，电主轴转轴14尾端伸入至冷却腔室11内部，冷却腔室11的一侧连接有进油管6，和进油管6相对的冷却腔室11的另一侧设有出油管8；
所述的电主轴转轴14上加工有单环路热虹吸管冷却结构，在电主轴转轴14芯部加工出“鼠笼”式流道，具体是在电主轴转轴14芯部对称加工数条冷却流道，其中一个中心冷却流道12布置在电主轴转轴14中心处，另外数根圆周冷却流道13则沿圆周方向均匀布置，并且每根圆周方向上的圆周冷却流道13均与中心冷却流道12利用孔10连通，在圆周冷却流道13前后两端，利用环形流道9将所有外侧圆周冷却流道13沿圆周方向全部串通。
所述的单环路热虹吸管冷却结构在排除冷却流道内不可凝结性气体后，向其内部注入传热工质，注液率为50％～70％。
本发明与现有技术相比的优势在于：
本发明电主轴转轴14将电机转子2及后轴承组件5产生的热量引出至冷却腔室11中的过程中，利用的是单环路热虹吸管冷却结构内部工质的相变传热，内部传热工质与外部冷却液并没有直接接触，从原理上规避了将冷却液通入电主轴转轴14所带来的“高压动密封”问题，并且省去繁杂的配套系统，同时，可有效控制电主轴转轴14轴芯温升，提高其加工精度，降低电主轴转轴14的冷却成本，具有结构紧凑、运行稳定、散热效率高等特点。
附图说明
图1是本发明的电主轴总体结构示意图。
图2是图1的A-A截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述。
参照图1，一种基于单环路热虹吸管结构冷却的高速高精度电主轴，包括电主轴转轴14，电主轴转轴14前后两端通过前轴承组件1、后轴承组件5与电主轴外壳4两端连接，电主轴转轴14中部固定的电机转子2与固定在电主轴外壳4内部的电机定子3配套，后轴承组件5和电主轴外壳4后端连接的后端盖7共同构成密闭的冷却腔室11，电主轴转轴14尾端伸入至冷却腔室11内部，冷却腔室11的一侧连接有进油管6，和进油管6相对的冷却腔室11的另一侧设有出油管8。
参照图2，所述的电主轴转轴14上加工有单环路热虹吸管冷却结构，在电主轴转轴14芯部加工出“鼠笼”式流道，具体是在电主轴转轴14心部对称加工5条冷却流道，其中一个中心冷却流道12布置在电主轴转轴14中心处，另外4根圆周冷却流道14则沿圆周方向均匀布置，并且每根圆周方向上的圆周冷却流道13均与中心冷却流道12利用孔10连通，构成单环路热虹吸管冷却结构；另外，为了保证各冷却流道内传热工质分布均匀，在圆周冷却流道13前后两端，利用环形流道9将所有外侧圆周冷却流道13沿圆周方向全部串通。单环路热虹吸管冷却结构将电主轴转轴14内部热量传导至电主轴转轴14尾端，在冷却腔室11中进行喷淋冷却。
所述的单环路热虹吸管冷却结构在排除冷却流道内不可凝结性气体后，向其内部注入传热工质，注液率为50％～70％。
本发明的工作原理为：由于电主轴转轴14高速旋转过程中产生的高离心力，致使冷却流道内的液体沿外侧分布；同时由于两端圆周方向的两个环形流道9的作用，使各冷却流道内的传热工质分布均匀。在电主轴转轴14正常运行期间，由于轴承及电机转子2产生热量，致使电主轴转轴14温度升高，电主轴转轴14的冷却流道内的传热工质吸收热量而汽化，由于汽体密度远小于液体，故在高离心力作用下，液体向外侧运动，汽体则通过与中心冷却流道12相连的孔10进入中心冷却流道12，导致中心冷却流道12内左侧压力增大，汽体沿中心冷却流道12向电主轴转轴14尾部运动，由于电主轴转轴14尾端布置在冷却腔室11内，冷却油喷淋冷却使电主轴转轴14尾端温度较低，汽体在电主轴转轴14尾端冷却流道内遇冷液化，同时释放热量。此过程导致电主轴转轴14前端液面低而尾部液面高，在高离心力的作用下，两端液位高度差产生的压力梯度，致使电主轴转轴14尾端液体向左侧运动，将电主轴转轴14及轴承产生的热量从电主轴转轴14前端向尾端冷却腔室11高效传递。

Claims (2)

1.一种基于单环路热虹吸管结构冷却的高速高精度电主轴，包括电主轴转轴(14)，电主轴转轴(14)前后两端通过前轴承组件(1)、后轴承组件(5)与电主轴外壳(4)两端连接，电主轴转轴(14)中部固定的电机转子(2)与固定在电主轴外壳(4)内部的电机定子(3)配套，其特征在于：后轴承组件(5)和电主轴外壳(4)后端连接的后端盖(7)共同构成密闭的冷却腔室(11)，电主轴转轴(14)尾端伸入至冷却腔室(11)内部，冷却腔室(11)的一侧连接有进油管(6)，和进油管(6)相对的冷却腔室(11)的另一侧设有出油管(8)；
所述的电主轴转轴(14)上加工有单环路热虹吸管冷却结构，在电主轴转轴(14)芯部加工出“鼠笼”式流道，具体是在电主轴转轴(14)芯部对称加工数条冷却流道，其中一个中心冷却流道(12)布置在电主轴转轴(14)中心处，另外数根圆周冷却流道(13)则沿圆周方向均匀布置，并且每根圆周方向上的圆周冷却流道(13)均与中心冷却流道(12)利用孔(10)连通，在圆周冷却流道(13)前后两端，利用环形流道(9)将所有外侧圆周冷却流道(13)沿圆周方向全部串通。
2.根据权利要求1所述的一种基于单环路热虹吸管结构冷却的高速高精度电主轴，其特征在于：所述的单环路热虹吸管冷却结构在排除冷却流道内不可凝结性气体后，向其内部注入传热工质，注液率为50％～70％。
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