CN109571134B - 基于导热通道的精密机床主轴冷却系统及集中散热方法 - Google Patents

Abstract

基于导热通道的精密机床主轴冷却系统及集中散热方法，包括导热通道、冷却管道、阀门和散热装置。针对精密机床机械主轴和电主轴，通过在轴承座和主轴壳体沿径向构建导热通道填充高效导热材料，可将内部热源的发热量，以热传导方式快速、有效的传递至主轴外再进行集中冷却。以散热强度最大化为目标，根据主轴前后端轴承和电机轴向与周向温场的不同，确定合理的导热通道布局，以达到主轴系统轴向和周向温升与室温的平衡。本发明克服传统散热方式效率低、热量仍会被主轴壳体及安装部件吸收的弊端，具有较好的工程应用前景。

Description

基于导热通道的精密机床主轴冷却系统及集中散热方法

技术领域

本发明涉及机床主轴冷却与散热领域，具体涉及基于导热通道的精密机床主轴冷却系统及集中散热方法。

背景技术

随着我国工业技术的不断发展，机床精度的要求也不断提高。精密机床配置的高功率主轴系统保证了机床的高速和高效性，但机床主轴在高速旋转时，轴承滚动体与轴承内外圈摩擦、内置电机定转子损耗均会产生大量热。这些热量沿不同方向以不同速度向主轴各个部件传播，导致主轴各部件内形成不均匀分布的温度场。与此同时，由于主轴各部件受到的约束不同、材料不同，将产生不同程度的热变形，最终导致主轴在轴向和径向方向产生热误差，影响机床加工精度。

针对主轴内热源发热，提高散热能力是主动控制温升、减小热源热量对机床精度影响最直接、可靠的方法。当热源发热量一定时，增加冷却系统可达到增强散热的目的。目前国内外常用的主轴冷却方式为主轴壳体冷却和主轴中空冷却。主轴壳体冷却通常是在主轴内热源，如轴承和内置电机外，增加冷却水套，冷却水套上加工有冷却流道，冷却液沿冷却流道流过主轴带走部分热量，从而实现对主轴系统的冷却。为加强冷却效果，国内外学者纷纷对冷却流道进行了优化。李伟光等针对高速电主轴开发了一种新型冷却系统，该系统中螺旋水槽不再在定子外壳上加工，而在水套外壳内壁上加工。该创新设计的电主轴冷却系统，可迅速带走电机定子的发热量，同时保证了电主轴整体结构的紧凑。经温升实验测定，与传统冷却系统相比，采用新型冷却系统的电主轴温升降低了15.66℃。洛阳轴研科技股份公司李泽强等改进了传统的电主轴冷却水套，沿周向方向设置了多个冷却支路，缩短了冷却水在支路内的循环周期，使冷却水与内套具有较大的温差，利于热量传递，实现了电主轴快速、有效冷却。傅建中等在电主轴冷却套上构造了树形分叉流道，该新型流道与原螺旋水道相比，对流换热能力提高2倍以上，散热能力明显增强。李安玲等在高速磨削电主轴原有冷却系统的基础上进行了改进，增加了前轴承冷却，并设计了新型螺旋水道，通过测试改进的电主轴前轴承壳体温度和内置电机温度可知，改进后电主轴温升降低了约10℃，主轴温升得到了有效的控制。利用冷却水套进行冷却时，只对主轴系统内置电机定子、轴承外圈、主轴壳体进行冷却，而轴芯无冷却措施，其内部热量无法及时排出，易形成“外冷内热”。为了减小主轴内热源发热对主轴轴芯温升和热变形的影响，高巍设计了一种中空冷却的雕刻机主轴，该主轴转子轴内部设置轴向通孔，高压冷却液经旋转接头通入通孔内，从而直接对主轴轴芯进行冷却。康跃然、史晓军等发明了一种电主轴轴芯冷却结构及系统，在电主轴轴芯上沿周向开设多个直孔通道，形成U型冷却单元。在多个直孔通道内，冷却液流速快、湍流度大，冷却效果好，通过与高速旋转接头、入流/回流通道联箱、油水热交换系统进行集成，可有效降低电主轴轴芯温度。

然而，利用主轴壳体冷却时，需在主轴壳体上增加冷却套，冷却效率有限，而且冷却液在主轴系统内部循环流动时不可避免的会将热量传递至套筒、主轴壳体等其他部件，引起一定的热变形；采用中空主轴冷却时，需额外配置旋转接头，增加了设计、装配的难度和成本。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，目的是提出了一种基于导热通道的精密机床主轴冷却系统及集中散热方法，能够提高散热强度，实现温升和热变形的有效控制，并降低成本。

为达到上述目的，本发明提出如下技术方案：

基于导热通道的精密机床主轴冷却系统，包括导热通道、冷却管道、阀门和散热装置；导热通道根据机械主轴两端轴承处温度场分布沿径向构筑，构筑基本原则是：机械主轴两端温度最高的地方构筑导热通道；导热通道均与冷却管道相连，冷却管道上设置有阀门，冷却管道内冷却流体的流通由阀门控制，冷却管道连接有散热装置；导热通道与冷却管道内的流体直接接触，流体吸收导热通道的热量后由冷却管道输送至散热装置处进行冷却，从而实现主轴系统的循环冷却。

本发明进一步的改进在于，导热通道的数量与轴承处的温度高低成正比。

本发明进一步的改进在于，导热通道的具体排布形式的确定依据为：

(1)增加导热通道后，主轴系统的最高温度和平均温度最小；

(2)增加导热通道后，主轴系统任意一点处的温度梯度绝对值均为最小；

(3)增加导热通道后，符合原有刚度要求。

基于导热通道的精密机床主轴的集中散热方法，包括以下步骤：

(1)利用热阻网络法确定精密机床主轴温升特性：

以精密机床机械主轴和电主轴为对象，首先进行主轴系统几何模型的简化，其次进行热网格划分，并布置若干节点，节点之间用热阻连接，根据式(1)和(2)计算相应热阻值，最终建立等效热网络模型，以等效热网络模型为基础，计算相应热源的发热量与边界条件，确定主轴系统温度场分布和温升特性；

式中：δ——导热结构特征长度；λ——热导率；A——导热或对流换热面积；h——对流换热系数；R_c为导热热阻，R_v为对流热阻；

(2)构造导热通道：

针对轴承和电机两种热源，根据主轴系统温度场分布和温升特性，在主轴轴承座和主轴壳体上沿主轴径向方向构造导热通道，并填充高导热材料，导热通道将主轴内部热量传导到主轴外；

(3)确定导热通道布局：

确定导热通道沿轴向方向的组数和沿周向的排布形式，导热通道排布形式为：沿主轴轴向排布i列导热通道，且第i列与第i+1列间的距离为d_i；沿周向排布j行导热通道，且第j与第j+1行间的距离为h_j；其中，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n；

通过以下原则，确定导热通道布局：

(1)增加导热通道后，主轴系统的最高温度和平均温度最小；

(2)增加导热通道后，主轴系统任意一点处的温度梯度绝对值均为最小；

(3)增加导热通道后，符合原有刚度要求。

本发明进一步的改进在于，步骤(1)中，主轴系统几何模型的简化过程为：删除螺钉、螺钉孔与油管，忽略倒角与圆角；利用圆环代替轴承，利用圆柱体代替阶梯轴；删除高度<10mm的凸台或凹槽；在保证整体结构不变的情况下，修改调整各模型尺寸，保证各零部件的装配。

本发明进一步的改进在于，步骤(1)中，节点为30～60个。

本发明进一步的改进在于，步骤(2)中，假设主轴轴承座和主轴壳体横截面为圆环形平板结构，建立其二维等效导热模型，在二维等效导热模型中，热源产生的热流密度q_in加载至圆环内边界，圆环外边界有热流密度大小为q_out的热量流出；圆环形平板结构原导热系数为k₀，导热通道的导热系数为k_p。

本发明进一步的改进在于，步骤(2)中，高导热材料为铜或铝。

本发明进一步的改进在于，步骤(2)中，在高效导热材料外部增加隔热涂层。

本发明进一步的改进在于，散热强度D通过下式计算

式中，T——温度场函数，h——对流换热系数，K_bi——单元i热传导矩阵，Ω——散热结构所占的区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用导热通道集中散热的方式，通过在轴承座、主轴壳体沿径向方向构建导热通道并填充高效导热材料，可沿最短路径将主轴内热源(轴承、内置电机)发热量快速、高效的传导至系统外部再进行集中散热，在确定导热通道布局时，以散热强度最大化为目标，根据主轴前后端轴承和电机轴向与周向温场的不同，确定合理的导热通道布局，以达到主轴系统轴向和周向温升与室温的平衡。与现有主轴冷却系统和散热方法相比，本发明能够提高散热强度，实现温升和热变形的有效控制，并降低成本，克服传统散热方式效率低、热量仍会被主轴壳体及安装部件吸收的弊端，具有较好的工程应用前景。

进一步的，为了避免热量在轴承座和壳体内向主轴轴向方向传导，在填充的高导材料外增加隔热涂层。

附图说明

图1是本发明涉及的一种基于导热通道的精密机床主轴(机械主轴)冷却系统；

图2为某机械主轴系统的热网络节点布置示意图。

图3是机械主轴系统热阻网络模型构建流程图；

图4是主轴轴承座横截面二维等效导热模型；

图5是两种典型主轴导热通道排布形式。其中，(a)为第一种典型主轴导热通道排布形式，(b)为第二种典型主轴导热通道排布形式。

图中：1-导热通道，2-冷却管道，3-阀门，4-散热装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，本发明的一种基于导热通道的精密机床主轴冷却系统，包括导热通道1、冷却管道2、阀门3和散热装置4。导热通道1根据机械主轴两端轴承处温度场分布沿径向构筑，构筑基本原则是机械主轴两端温度最高的地方必须构筑导热通道1，温度越高的地方导热通道布置越密集，导热通道1的数量与轴承处的温度高低成正比，具体排布形式可通过公式(3)和具体排布形式的基本依据确定。

具体排布形式的基本依据为：

(1)增加导热通道后，主轴系统的最高温度和平均温度最小

(2)增加导热通道后，主轴系统温度分布，尤其是热源处的温度分布更均匀，任意一点处的温度梯度绝对值均为最小。

(3)增加导热通道后，需符合原系统刚度要求。

导热通道1与均冷却管道2相连，冷却管道2上设置有阀门3，冷却管道2内冷却流体的流通由阀门3控制，冷却管道2连接有散热装置4。导热通道1与冷却管道2内的流体直接接触，可快速的将机械主轴系统内部热量传递至机械主轴外部并与流体发生热量交换，即实现集中冷却，流体吸收导热通道1的热量后由冷却管道2输送至散热装置4处进行冷却，从而实现主轴系统的循环冷却。

具体的，以精密机床机械主轴和电主轴为研究对象，在轴承座和主轴壳体沿径向构建导热通道，并在导热通道内填充高效导热材料，为避免热量沿通道周向传播，在高导材料外增加隔热涂层，导热通道排布形式根据主轴的热源分布、发热量确定。

本发明的一种基于导热通道的精密机床主轴高效集中散热方法如下：

(1)利用热阻网络法确定精密机床主轴温升特性：

参见图3，以精密机床机械主轴和电主轴为对象，计算如两端轴承和内置电机的内热源的发热量，并基于传热学理论计算各部件与周围流体间的对流换热边界条件，利用热阻网络法，对前后端轴承、内置电机温度场分布与温升特性进行分析，具体过程为：首先进行主轴系统几何模型的简化，具体简化过程为：删除螺钉、螺钉孔、油管等细小特征；忽略小尺寸倒角、圆角；利用简单结构代替复杂结构零件，如用简单圆环代替轴承，利用圆柱体代替阶梯轴等；删除高度<10mm的凸台或凹槽特征；在保证整体结构不变的情况下，修改调整各模型尺寸，保证各零部件的准确装配。

其次进行热网格划分，热网格的划分一般参照以下原则：根据不同研究对象的实际结构及材料分布进行划分；通过对对象温度场的初步预估，由温度梯度的大小决定网格疏密；对于关键温度节点(如热源处)应设置热节点。轴承处的热节点采用传统的三节点模型，不考虑轴承内圈内外径、外圈内外径之间的温差。以“·”的代表热网络节点位置，节点数为30～60个，某机械主轴系统的热网络节点布置如图2所示。节点之间用热阻连接，根据下式(1)和(2)计算相应热阻值，最终建立等效热网络模型，等效热网络模型的构建流程图如图3所示。以等效热网络模型为基础，计算相应热源的发热量与边界条件，并完成主轴系统温度场分布和温升特性分析。

式中：δ——导热结构特征长度/m；λ——热导率/W·m^-1·K^-1；A——导热或对流换热面积/m²；h——对流换热系数/W·m^-2·K^-1；R_c为导热热阻，R_v为对流热阻。

(2)构造导热通道：

针对轴承和电机两种热源，在轴承座和主轴壳体上沿主轴径向方向构造导热通道1，并填充高导热材料(铜或铝)，导热通道1导热通道可沿最短路径将主轴内部热量快速、高效的传导到主轴外部，再进行集中冷却。假设主轴轴承座和主轴壳体横截面为圆环形平板结构，建立其二维等效导热模型，如图4所示。在该模型中，热源产生的热流密度q_in加载至圆环内边界，圆环外边界有热流密度大小为q_out的热量流出。圆环平板原导热系数为k₀，图中圆环内黑色通道为导热通道1，其导热系数为k_p。另外，为保证通道内热量沿径向传播，避免热量沿主轴轴向传播，引起热变形，在高效导热材料外部增加隔热涂层，形成热障以减小沿轴向的热传导。

(3)确定合理的导热通道布局：

在实际情况下，前后端轴承、电机温度场沿轴向和周向呈非均匀分布，为实现主轴系统轴向和周向温升与室温的平衡，需合理确定导热通道沿轴向方向的组数和沿周向的排布形式，图5为两种典型的导热通道排布形式。其中，沿主轴轴向排布i列(i＝1,2,…,m)导热通道，且第i列与第i+1列间的距离为d_i；沿周向排布j行(j＝1,2,…,n)导热通道，且第j与第j+1行间的距离为h_j。在一定导热材料用量限制下(即由公式(3)和具体排布形式的确定依据共同决定，在这两种条件下选择最优的)，以散热强度D(散热强度表示为公式(3))最大为目标，选择合理分布的导热通道；

式中，T——温度场函数，h——对流换热系数，K_bi——单元i热传导矩阵，Ω——散热结构所占的区域。

选择合理分布的导热通道的原则为：

(1)增加导热通道后，主轴系统的最高温度和平均温度最小

(2)增加导热通道后，主轴系统温度分布，尤其是热源处的温度分布更均匀，任意一点处的温度梯度绝对值均为最小。

(3)增加导热通道后，需符合原系统刚度要求。

本发明是一种基于导热通道的精密机床主轴冷却系统及高效集中散热方法，本发明借鉴了微电子领域常用的导热通道集中散热方法，通过在轴承座、主轴壳体沿径向方向构建导热通道并填充高效导热材料，可沿最短路径将主轴内热源(轴承、内置电机)发热量快速、高效的传导至系统外部再进行集中散热，同时为了避免热量在轴承座和壳体内向主轴轴向方向传导，在填充的高导材料外增加隔热涂层。与现有主轴冷却系统和散热方法相比，本发明克服传统散热方式效率低、热量仍会被主轴壳体及安装部件吸收的弊端，具有较好的工程应用前景。

Claims (10)

1.基于导热通道的精密机床主轴冷却系统，其特征在于，包括导热通道(1)、冷却管道(2)、阀门(3)和散热装置(4)；导热通道(1)根据机械主轴两端轴承处温度场分布沿径向构筑，构筑基本原则是：机械主轴两端温度最高的地方构筑导热通道(1)；导热通道(1)均与冷却管道(2)相连，冷却管道(2)上设置有阀门(3)，冷却管道(2)内冷却流体的流通由阀门(3)控制，冷却管道(2)连接有散热装置(4)；导热通道(1)与冷却管道(2)内的流体直接接触，流体吸收导热通道(1)的热量后由冷却管道(2)输送至散热装置(4)处进行冷却，从而实现主轴系统的循环冷却；其中，导热通道(1)内填充高导热材料。

2.根据权利要求1所述的一种基于导热通道的精密机床主轴冷却系统，其特征在于，导热通道(1)的数量与轴承处的温度高低成正比。

3.根据权利要求1所述的一种基于导热通道的精密机床主轴冷却系统，其特征在于，导热通道(1)的具体排布形式的确定依据为：

(1)增加导热通道后，主轴系统的最高温度和平均温度最小；

(2)增加导热通道后，主轴系统任意一点处的温度梯度绝对值均为最小；

(3)增加导热通道后，符合原有刚度要求。

4.基于导热通道的精密机床主轴的集中散热方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用热阻网络法确定精密机床主轴温升特性：

以精密机床机械主轴和电主轴为对象，首先进行主轴系统几何模型的简化，其次进行热网格划分，并布置若干节点，节点之间用热阻连接，根据式(1)和(2)计算相应热阻值，最终建立等效热网络模型，以等效热网络模型为基础，计算相应热源的发热量与边界条件，确定主轴系统温度场分布和温升特性；

式中：δ——导热结构特征长度；λ——热导率；A——导热或对流换热面积；h——对流换热系数；R_c为导热热阻，R_v为对流热阻；

(2)构造导热通道：

针对轴承和电机两种热源，根据主轴系统温度场分布和温升特性，在主轴轴承座和主轴壳体上沿主轴径向方向构造导热通道(1)，并填充高导热材料，导热通道(1)将主轴内部热量传导到主轴外；

(3)确定导热通道布局：

确定导热通道沿轴向方向的组数和沿周向的排布形式，导热通道排布形式为：沿主轴轴向排布i列导热通道，且第i列与第i+1列间的距离为d_i；沿周向排布j行导热通道，且第j与第j+1行间的距离为h_j；其中，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n；

通过以下原则，确定导热通道布局：

(1)增加导热通道后，主轴系统的最高温度和平均温度最小；

(2)增加导热通道后，主轴系统任意一点处的温度梯度绝对值均为最小；

(3)增加导热通道后，符合原有刚度要求。

5.根据权利要求4所述的基于导热通道的精密机床主轴的集中散热方法，其特征在于，步骤(1)中，主轴系统几何模型的简化过程为：删除螺钉、螺钉孔与油管，忽略倒角与圆角；利用圆环代替轴承，利用圆柱体代替阶梯轴；删除高度<10mm的凸台或凹槽；在保证整体结构不变的情况下，修改调整各模型尺寸，保证各零部件的装配。

6.根据权利要求4所述的基于导热通道的精密机床主轴的集中散热方法，其特征在于，步骤(1)中，节点为30～60个。

7.根据权利要求4所述的基于导热通道的精密机床主轴的集中散热方法，其特征在于，步骤(2)中，假设主轴轴承座和主轴壳体横截面为圆环形平板结构，建立其二维等效导热模型，步骤(2)中，在二维等效导热模型中，热源产生的热流密度q_in加载至圆环内边界，圆环外边界有热流密度大小为q_out的热量流出；圆环形平板结构原导热系数为k₀，导热通道(1)的导热系数为k_p。

8.根据权利要求4所述的基于导热通道的精密机床主轴的集中散热方法，其特征在于，步骤(2)中，高导热材料为铜或铝。

9.根据权利要求4所述的基于导热通道的精密机床主轴的集中散热方法，其特征在于，步骤(2)中，在高效导热材料外部增加隔热涂层。

10.根据权利要求4所述的基于导热通道的精密机床主轴的集中散热方法，其特征在于，散热强度D通过下式计算

式中，T——温度场函数，h——对流换热系数，K_bi——单元i热传导矩阵，Ω——散热结构所占的区域。

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