CN108568703B - 一种用于高速电主轴转轴表面冷却的柔性热管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高速电主轴转轴表面冷却的柔性热管，该柔性热管(7)包括自上而下依次键合而成的基板(701)、流道板(702)和盖板(703)；其中，流道板(702)上开设有热管流道，且热管流道填充有密封的传热流体。使用时，本发明经过弯折贴合在转轴表面。在电主轴运行状态下，由于内部电机的损耗、前后轴承的摩擦生热、以及转轴的风摩托，使得转轴表面温升明显。本发明所提出的柔性热管在高离心力下有良好的传热性能，可以有效的控制转轴的局部温升，减小温度分布不均匀引起的热变形，有效控制转轴受热变形对高速电主轴加工精度的影响，同时本发明对电主轴原有结构改动很小、具有可靠性高、成本低廉、易于推广实施等优点。
Description
技术领域
本发明属于高速电主轴冷却技术领域，尤其涉及一种用于高速电主轴转轴表面冷却的柔性热管。
背景技术
电主轴热态特性是衡量主轴系统整体工作性能的重要指标，高精度数控机床要求电主轴在受热膨胀时有较小的热变形。由于高速电主轴在工作中产生大量的热量，容易引起主轴系统的热变形，根据已有研究，热变形引起的误差远大于精度误差，最大可占总体误差的70％，严重影响机床工作的加工精度。因此，减小高速主轴系统的热变形已经成为提高电主轴加工精度的重要因素之一。
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电机定转子间隙和轴承外圈等部位而无法被及时有效的导出，致使转子和轴承外圈受热膨胀，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。由于轴承滚动体与其内外圈之间的摩擦作用造成轴承发热，引起的温升将导致内外圈沟道和滚动体发生热位移，会对轴承的刚度和动力学特性产生影响，进而影响到电主轴轴承-转子系统的动力学特性；而电机产热的原因主要包括定子绕组铜耗发热、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，其中定子的发热约占总发热量的2/3，而转子的发热约占到1/3。主轴和转子温度的升高将引起转轴的轴向位移，对电主轴的轴承刚度以及轴承-转子系统动力学特性造成显著的影响。
对于轴承的发热问题，目前常用的解决方案是轴承的油-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，常用的办法是在定子外侧壳体上加工出螺旋冷却流道，利用冷却水(或油)的循环流动，通过对流换热带走电机定子的部分热量。而对于电机转子的发热问题，现有的解决方案是将高压冷却流体利用旋转密封接头通入转轴轴芯处的冷却流道，利用冷却工质在轴心内的对流换热作用，实现电主轴内部热量的引出。但是该方法存在以下弊端：(1)高转速下通入冷却流体的旋转密封成本较高；(2)根据有关的试验结果，在电主轴的运行过程中，前、后轴承的外圈及底座、电机的定子与转子之间的气隙等部位温升明显，而这些位置在结构上距离主轴回转轴心较远，因此采用向转轴轴心通入冷却液的方式对解决这些部位发热问题来说作用有限；(3)通常情况下，通入转轴轴心的冷却流体直接喷射到被加工件上，容易造成冷却液的浪费，不符合绿色制造、节能环保的要求。因此，该电主轴轴心冷却方案在实际中的应用较少。
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。而针对电主轴电机转子部分产生的热量则缺乏有效的热引出方法，导致电主轴内的热量不断堆积而形成“外冷内热”的温度分布格局，进而导致转轴热变形的产生，严重制约了数控机床的加工精度的提高。因此，解决电主轴转轴的冷却问题，成为进一步提高数控机床加工精度的关键。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明旨在提出一种用于高速电主轴转轴表面冷却的柔性热管，借助其在高离心力下出色的传热能力，保证转轴在运行过程中前后端始终有很好的均温性，避免由于转轴的温升不均造成安装在其上的零件的相对位置发生变化对电主轴加工精度的影响，同时还具有可靠性高、对电主轴原有结构改动较小和成本低廉等优点。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种用于高速电主轴转轴表面冷却的柔性热管，该柔性热管包括自上而下依次键合而成的基板、流道板和盖板；其中，
流道板上开设有热管流道，且热管流道填充有密封的传热流体。
本发明进一步的改进在于，基板、流道板和盖板均采用薄铜板制成，且该柔性热管总厚度控制在1～2mm之间。
本发明进一步的改进在于，使用时，在高速电主轴的转轴周向表面上开设有凹槽，柔性热管镶嵌在该凹槽内。
本发明进一步的改进在于，该柔性热管上为开设热管流道的部分开设有安装孔，并通过螺钉与转轴紧固在一起。
本发明进一步的改进在于，高速电主轴的转轴的周向均布有若干个柔性热管。
本发明进一步的改进在于，柔性热管的厚度等于高速电主轴的转轴周向表面上开设的凹槽的深度。
本发明进一步的改进在于，还包括用于为该柔性热管充液的充液装置，充液装置包括离心式真空泵、储液池、真空计、真空阀和流量计；其中，离心式真空泵及其管路上的真空阀和真空计用于对柔性热管内部抽真空，储液池及其管路上的流量计用于向抽真空后的柔性热管注入传热流体。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明借助柔性热管极高的导热能力，将电主轴中转轴上的热量(主要来源是前、后轴承的摩擦生热、转子热损耗和风摩托等)进行有效导出，保证转轴在运行过程中前后端始终有很好的均温性，避免由于转轴的温升不均造成安装在其上的零件的相对位置发生变化对电主轴加工精度的影响。该方案实施相对简单，成本较低，对电主轴的原有结构改动较小，同时，可有效控制电主轴内部腔室尤其是转轴的温升，减小转轴受热引起的伸长和跳动，降低电主轴的冷却成本，提高其加工精度，具有结构紧凑、运行稳定、散热效率高等特点。
附图说明
图1是本发明所适用的典型的电主轴结构示意图图。
图2是本发明所提出的柔性热管“三明治”结构示意图。
图3是本发明所提出柔性热管的主要加工过程示意图。
图4是本发明所提出柔性热管的充液装置结构示意图。
图5是本发明在电主轴转轴冷却中的应用效果示意图。
图中：1-转轴，2-前端盖，3-前轴承组件，4-壳体，5-后轴承组件，6-后端盖，7-柔性热管，701-基板，702-流道板，703-盖板。
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和图2，本发明提供的一种用于高速电主轴转轴表面冷却的柔性热管，首先简要介绍高速电主轴的主要组成，典型的电主轴结构主要包括转轴1，转轴1前端与前轴承组件3配合，通过前端盖2进行密封防护，转轴1后端则与后轴承组件5相配合，通过后端盖6进行密封防护，电机转子与电主轴转轴1过盈配合，而电机定子则与电主轴外壳4固定在一起，因此在图中未予以标示。电主轴在运行状态下，由于轴承的摩擦生热、电机的损耗和转轴的风摩托等因素，在主轴内部会堆积大量的热量，转轴1受热会出现变形和不规则的径向跳动，对电主轴的加工精度造成一定影响，而且转轴1的受热变形会造成轴承的预紧力发生变化，进一步恶化轴承组件的工作状态。因此，本发明采用柔性热管7解决电主轴中转轴1运行过程中由于局部温升不均造成的热变形问题，借助柔性热管7在高速旋转状态下的高导热特性，保证转轴1在运行过程中前后端始终有很好的均温性，避免由于转轴1的温升不均造成安装在其上的零件的相对位置发生变化对电主轴加工精度的影响，将由于电主轴内部发热造成的转轴1的变形降低到最小，从而有效控制电主轴运行过程中由于内腔发热对加工精度造成的影响。
参照附图2，所述的柔性热管7具有如下特征：具体结构类似“三明治”，由基板701、流道板702和盖板703三层结构键合而成，其中流道板702上加工有流道，三层结构均为薄铜板，键合成板式热管后总厚度约为1mm，因此质地柔软，可以根据需要弯折成不同的形状便于安装。其中，三层结构之间采用键合的方式进行固定，随后对该柔性热管7进行抽真空、充入适量传热流体作为工质后再对其流道两端入口和出口进行密封。
参考附图3，所述的柔性热管7在制备过程中主要有三个步骤，第一步是准备好各层材料，其中流道板702加工出热管的流道为了保证各层结构键合加工的精度，需要仔细打磨各层薄铜板；第二步是完成键合操作后，需要对板式热管进行清洗、抽真空(具体的抽真空作业流程参考附图4)、充入一定量的传热流体，随后完成密封，到此完成柔性热管的制备工作；第三步是根据电主轴转轴的实际安装需要，对柔性热管7进行弯折处理。与传统热管的工作原理相似，柔性热管7依靠内部工质的相变实现传热。当电主轴在工作状态下，带动柔性热管偏心旋转，其内部传热流体在离心力的作用下，在流道顶部形成所谓的池态流。随着电主轴的持续运行，将会产生大量的热量，柔性热管流道内的传热流体受热发生相变，过热蒸汽在压差的驱动下向冷凝端转移，在冷凝端液化同时放出热量，冷凝端形成的凝结液膜在液体静压的作用下返回蒸发端，周而复始，实现传热循环。
参考附图4，所述的柔性热管7的充液装置如图所示，主要包括：离心式真空泵8、储液池9、真空计10、真空阀和流量计。具体的充液作业流程如下，首先开启离心式真空泵8，配合管路上的真空阀对柔性热管7内部抽真空，保持30min左右的时间以验证柔性热管7的密封性能。随后再将储液池9中的传热流体注入柔性热管7，需要注意的是，在充液作业之前，需排出传热流体中的不可凝性气体以保证柔性热管7能正常工作。
参考附图5，本发明所述的柔性热管在安装时采用如下的方式：首先将电主轴中的转轴1取出在其表面铣削出柔性热管的安装位置，并加工出安装孔，然后在柔性热管上打孔，采用螺钉连接将其固定在转轴表面上，具体安装效果如附图5中所示。
本发明的工作原理为：电主轴在运行状态下，转轴1高速旋转，带动固定在其上的柔性热管偏心旋转，产生的高离心力使得热管内的传热流体向流道顶部汇聚。由于在高速电主轴的工作过程中，由于前、后轴承的摩擦生热，以及内装电机的损耗等原因，产生的大量热量堆积在转轴1上，如此一来，柔性热管流道内的液态工质受热气化，蒸汽在压差的作用下运动到冷凝端，重新凝结成液体发出热量，凝结的液态工质在液体内部静压的作用下返回到蒸发端，从而将主轴内部热量沿转轴1迅速传导，使得转轴1在工作过程中前后两端始终有很好的均温姓，减小转轴1由于局部温升不均造成的热变形对高速电主轴加工精度的影响。
关于本发明所述的柔性热管在高速电主轴中的应用效果。在已有实验数据的基础上，本发明得到了所述旋转柔性热管的当量热导率，并对柔性热管应用在高速电主轴中的冷却效果进行了数值模拟。模拟环境为ANSYS Workbench，选用实验室现有的150SD高速磨削电主轴建立三维模型，并对若干非关键部件进行了简化处理。以高速电主轴在6000rpm转速，负载为0.8N·m工况下，给出转轴表面未设置柔性热管冷却和设置柔性热管冷却的高速电主轴内部关键部位的温度分布。根据数值模拟的结果，转轴表面设置柔性热管进行冷却的高速电主轴在运行时轴心内部各关键点温度均得到一定程度的降低，转轴整体沿轴向的均温姓良好。
表1
Claims (3)
1.一种用于高速电主轴转轴表面冷却的柔性热管，其特征在于，该柔性热管(7)总厚度控制在1～2mm之间，包括自上而下依次键合而成的基板(701)、流道板(702)和盖板(703)；其中，
流道板(702)上开设有热管流道，且热管流道填充有密封的传热流体，基板(701)、流道板(702)和盖板(703)均采用薄铜板制成；
此外，还包括用于为该柔性热管(7)充液的充液装置；
使用时，在高速电主轴的转轴(1)周向表面上开设有凹槽，柔性热管(7)镶嵌在该凹槽内；且高速电主轴的转轴(1)的周向均布有若干个柔性热管(7)，柔性热管(7)的厚度等于高速电主轴的转轴(1)周向表面上开设的凹槽的深度；
电主轴在运行状态下，转轴(1)高速旋转，带动固定在其上的柔性热管(7)偏心旋转，产生的高离心力使得柔性热管(7)内的传热流体向流道顶部汇聚；在高速电主轴的工作过程中，由于前、后轴承的摩擦生热，以及内装电机的损耗产生的热量堆积在转轴(1)上，热管流道内的液态工质受热气化，蒸汽在压差的作用下运动到冷凝端，重新凝结成液体发出热量，凝结的液态工质在液体内部静压的作用下返回到蒸发端，从而将电主轴内部热量沿转轴(1)迅速传导，使得转轴(1)在工作过程中前后两端始终有很好的均温性，减小转轴(1)由于局部温升不均造成的热变形对高速电主轴加工精度的影响。
2.根据权利要求1所述的一种用于高速电主轴转轴表面冷却的柔性热管，其特征在于，该柔性热管(7)上为开设热管流道的部分开设有安装孔，并通过螺钉与转轴(1)紧固在一起。
3.根据权利要求1所述的一种用于高速电主轴转轴表面冷却的柔性热管，其特征在于，充液装置包括离心式真空泵(8)、储液池(9)、真空计(10)、真空阀和流量计；其中，离心式真空泵(8)及其管路上的真空阀和真空计(10)用于对柔性热管(7)内部抽真空，储液池(9)及其管路上的流量计用于向抽真空后的柔性热管(7)注入传热流体。
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| CN108568703A (zh) | 2018-09-25 |
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