CN109590804A - 主轴系统冷却套及主轴系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及主轴系统领域，提供一种主轴系统冷却套及主轴系统，所述主轴系统冷却套包括套体，所述套体中设有进水流道、出水流道和多组冷却流道组，多组所述冷却流道组在所述套体中间隔设置，所述冷却流道组的两端分别与所述进水流道和所述出水流道连接，所述冷却流道组包括多条冷却流道，所述冷却流道连通所述进水流道和所述出水流道。本发明的主轴系统冷却套能够通过多组冷却流道组中的多条冷却流道同时对主轴进行冷却，散热效率高，通过设置进水流道，同时对多组冷却流道组输入冷却液，减少了冷却液的流动长度，使得冷却液的流动压力损失减小。
Description
技术领域
本发明涉及冷却设备技术领域，特别涉及一种主轴系统冷却套及主轴系统。
背景技术
在影响机床加工精度的因素中，机床外部环境和内部热源引起的热误差是其最大误差源，占总制造误差的40％～70％。主轴系统是数控机床的核心部件，是制约数控机床精度提高的最主要因素。
主轴在高速运转时会产生大量热量，引起主轴的热变形，目前，对主轴系统的常用冷却方式是在其套筒内布置带有螺旋形流道的冷却套，来带走系统内部产生的热量。
现有的冷却结构散热效率低，冷却液的流动压力损失大，需要较大的泵送功率来实现散热效果。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种主轴系统冷却套，该主轴系统冷却套能够通过在套体上设置多个冷却流道组，利用冷却流道组中的多条冷却流道来提高冷却效率、减少冷却液压降的损失。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种主轴系统冷却套，所述主轴系统冷却套包括套体，所述套体中设有进水流道、出水流道和多组冷却流道组，多组所述冷却流道组在所述套体中间隔设置，所述冷却流道组的两端分别与所述进水流道和所述出水流道连接，所述冷却流道组包括多条冷却流道，所述冷却流道连通所述进水流道和所述出水流道。
优选地，所述冷却流道组中的多条冷却流道包括中心流道和环绕所述中心流道设置的外周流道。
优选地，所述外周流道以所述中心流道为圆心呈环形排列。
优选地，所述外周流道形成以所述中心流道为圆心环形排列的多个同心圆。
优选地，所述冷却流道的横截面包括圆形和多边形。
优选地，所述冷却流道的横截面为正六边形。
优选地，多个所述冷却流道组之间平行设置。
优选地，所述冷却流道组平行所述套体的端面设置。
优选地，所述进水流道和所述出水流道沿所述套体轴线方向设置，且所述进水流道和所述出水流道上分别设有进水口和出水口。
本发明还提供一种主轴系统，包括芯轴、前轴承、后轴承、主轴套以及冷却套，所述冷却套套设在所述主轴套上，所述冷却套为本发明所述的主轴系统冷却套。
相对于现有技术，本发明的主轴系统冷却套能够通过多组冷却流道组中的多条冷却流道同时对主轴进行冷却，散热效率高，通过设置进水流道，同时对多组冷却流道组输入冷却液，减少了冷却液的流动长度，使得冷却液的流动压力损失减小。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为本发明的主轴系统冷却套的一种实施方式的结构示意图；
图2为图1中主轴系统冷却套的剖视图；
图3为图2中冷却流道组的局部放大示意图；
图4为本发明的主轴系统的一种实施方式的结构示意图；
图5为现有技术中螺旋形流道冷却套的结构示意图。
附图标记说明：
1 进水流道 2 出水流道
3 冷却流道组 4 芯轴
5 主轴套 6 冷却套
11 进水口 21 出水口
31 冷却流道 311 中心流道
312 外周流道
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
根据本发明的一个方面，提供一种主轴系统冷却套，如图1和图2所示，所述主轴系统冷却套包括套体，所述套体中设有进水流道1、出水流道2和多组冷却流道组3，多组所述冷却流道组3在所述套体中间隔设置，所述冷却流道组3的两端分别与所述进水流道1和所述出水流道2连接，所述冷却流道组3包括多条冷却流道31，所述冷却流道31连通所述进水流道1和所述出水流道2。
本发明的主轴系统冷却套通过多组冷却流道组3中的多条冷却流道31同时对主轴进行冷却，散热效率高，通过设置进水流道1，同时对多组冷却流道组3输入冷却液，减少了冷却液的流动长度，使得冷却液的流动压力损失减小。
根据本发明的一种实施方式，为了提高冷却效果，如图3所示，所述冷却流道组3中的多条冷却流道31包括中心流道311和环绕所述中心流道311设置的外周流道312。不同位置的冷却流道31之间能够相互传递热量，使得冷却效果更加均匀。
上述中，为了使冷却流道组3的冷却效果更加均匀，所述外周流道312以所述中心流道311为圆心呈环形排列。在不同位置的冷却流道组3中，外周流道312上可以设置不同个数的冷却流道31，以使套体达到相同的冷却效果。
其中，为了使冷却流道组3获得更大的冷却面积，所述外周流道312形成以所述中心流道311为圆心环形排列的多个同心圆。
根据本发明的一种实施方式，所述冷却流道31的横截面包括圆形和多边形。当截面周长一定时，采用横截面积为圆形的冷却流道31能够容纳更多的冷却液，提高冷却效果；采用横截面积为多边形的冷却流道31能够使冷却流道31之间紧密排布，提高热传递效率，从而提高冷却效果。
上述中，为了减少冷却流道31之间的面积，所述冷却流道31的横截面为正六边形。蜂窝结构是覆盖二维平面的最佳拓扑结构。优选地，所述冷却流道组3为蜂巢仿生流道。即，正六边形的冷却流道31按照蜂巢结构的样式排列。
为了减小套体的温差，多个所述冷却流道组3之间平行设置，以便于冷却流道组对套体的不同位置同时冷却。优选地，在套体上的不同位置设置间距不同的冷却流道组3，从而达到减小套体温差的目的。
优选地，所述冷却流道组3平行所述套体的端面设置。这样的设置使得冷却流道31的长度最短，从而降低了冷却液在冷却流道31中的压力损失。
为了便于同时为多个冷却流道组3提供冷却液，所述进水流道1和所述出水流道2沿所述套体轴线方向设置，且所述进水流道1和所述出水流道2上分别设有进水口11和出水口21。优选地，进水口11和出水口21分别设置在进水流道1和出水流道2的中部，这样的设置有利于减小不同冷却流道组3之间的压力差。
根据本发明的另一方面，如图4所示，提供一种主轴系统，包括芯轴4、前轴承、后轴承、主轴套5以及冷却套6，所述冷却套6套设在所述主轴套5上，所述冷却套6为本发明所述的主轴系统冷却套。
当使用该主轴系统冷却套时，冷却液从进水孔11进入进水流道1后，通过冷却流道组3中的冷却流道31进入到出水流道2，然后从出水口21流出，从而将主轴系统的热量带走，从而完成对主轴系统的冷却。
下面将本发明实施例提供的冷却流道组冷却套与现有技术中如图5所示的螺旋形流道冷却套进行比较。
为便于对比分析，对冷却流道组冷却套和螺旋形流道冷却套都取相同的冷却液进水口流速值、冷却液物性及加热面上的热流密度值，并假设热源在冷却系统结构上均匀分布。设定两种冷却套基体材料为钢材。冷却套圆柱加热面上施加固定热流密度为25000W/mm2，进水口处冷却液流速为1m/s，水流初始温度为20℃，冷却液为水。出水口处将大气压边界条件作为参考压力。根据流固耦合的传热数值计算理论，耦合传热如式： 式中：ks为固体传热系数，T为温度场，ρs为固体密度，cp为固体比热容，t为时间。流动与传热过程受质量守恒、动量守恒和能量守恒三个物理基本定律支配，数值模型的控制方程如下：质量守恒方程：根据单位时间内微元体中流体质量增量等于同一时间间隔内流入其中的净质量，可导出能量守恒方程如下：式中：ρ为流体密度，u、v、w为流体速度矢量U在三个坐标轴上的分量，式中后三项为质量流密度的散度，可以用散度符号表示动量守恒方程：根据微元体中流体动量的增加率等于作用在微元体上各种力之和，并引入Newtown切应力公式及Stokes公式，则x、y、z方向上的动量守恒方程如下： 式中：η为流体的动力粘度，p为管道水的压力；能量守恒方程：根据微元体内热力学能的增加率等于进入微元体的净热流量与表面力、体积力对微元体做功之和，并引入导热Fourier定律，对于不可压缩流体有： 式中：c为流体的质量热容，Ti为温度T在i(i＝x，y，z)方向的分量，k为流体的导热率，Sh为流体的内热源。Φ为耗散函数(由于粘性作用使机械能转换为热能的部分)，其计算公式为 引入源项ST＝Sh+Φ，存在采用k-ε方程作为控制方程，可进行上述传热与换热方程的变量求解，控制方程如下： 式中：Φ代表u、v、w、T。耗散率ε方程可用下述形式表示：k方程(流体湍流脉动方程)为： 式中：i为U的分量u、v、w；j为x、y、z的坐标；ηt为湍流动力黏度系数。
得到的结果如下：
| 进水口压力 | 出水口压力 | 最高温度 | 最低温度 | |
| 螺旋形流道冷却套 | 10610Pa | 1353Pa | 51.0℃ | 27.8℃ |
| 冷却流道组冷却套 | 1962.6Pa | 1034Pa | 35.3℃ | 25.3℃ |
在同一进水口流速情况下，螺旋形流道冷却套最大的压力位于进水口处约10610Pa，出水口压力约为1353Pa；冷却流道组冷却套最大的压力位于进水口11处约1962.6Pa，出水口21压力约为1034Pa。从进水口11和出水口21的压力变化来看，冷却流道组冷却套的压降要比螺旋形流道冷却套的小得多，这意味着冷却流道组冷却套所消耗的能量比螺旋形流道冷却套要小。
螺旋形流道冷却套的最高温度约为51.0℃，最低约为27.8℃；冷却流道组冷却套的最高温度为35.3℃，最低温度为25.3℃。由此可见，冷却流道组冷却套的散热效果较为理想，而且，冷却流道组冷却套的温度分布更均匀。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种主轴系统冷却套，其特征在于，所述主轴系统冷却套包括套体，所述套体中设有进水流道(1)、出水流道(2)和多组冷却流道组(3)，多组所述冷却流道组(3)在所述套体中间隔设置，所述冷却流道组(3)的两端分别与所述进水流道(1)和所述出水流道(2)连接，所述冷却流道组(3)包括多条冷却流道(31)，所述冷却流道(31)连通所述进水流道(1)和所述出水流道(2)。
2.根据权利要求1所述的主轴系统冷却套，其特征在于，所述冷却流道组(3)中的多条冷却流道(31)包括中心流道(311)和环绕所述中心流道(311)设置的外周流道(312)。
3.根据权利要求2所述的主轴系统冷却套，其特征在于，所述外周流道(312)以所述中心流道(311)为圆心呈环形排列。
4.根据权利要求3所述的主轴系统冷却套，其特征在于，所述外周流道(312)形成以所述中心流道(311)为圆心环形排列的多个同心圆。
5.根据权利要求1所述的主轴系统冷却套，其特征在于，所述冷却流道(31)的横截面包括圆形和多边形。
6.根据权利要求5所述的主轴系统冷却套，其特征在于，所述冷却流道(31)的横截面为正六边形。
7.根据权利要求1所述的主轴系统冷却套，其特征在于，多个所述冷却流道组(3)之间平行设置。
8.根据权利要求1所述的主轴系统冷却套，其特征在于，所述冷却流道组(3)平行所述套体的端面设置。
9.根据权利要求1所述的主轴系统冷却套，其特征在于，所述进水流道(1)和所述出水流道(2)沿所述套体轴线方向设置，且所述进水流道(1)和所述出水流道(2)上分别设有进水口(11)和出水口(21)。
10.一种主轴系统，包括芯轴(4)、前轴承、后轴承、主轴套(5)以及冷却套(6)，所述冷却套(6)套设在所述主轴套(5)上，其特征在于，所述冷却套(6)为权利要求1至9中任一项权利要求所述的主轴系统冷却套。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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