CN111289554A - 一种模拟内喷式冷却主轴热变形的装置 - Google Patents

一种模拟内喷式冷却主轴热变形的装置 Download PDF

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班仔优
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Abstract

本发明属于数控机床主轴热变形领域，提供了一种模拟内喷式冷却主轴热变形的装置。本装置包括模拟机床结构组件、模拟机床热源组件、水冷箱组件、热变形测量组件。本发明的有益效果是，通过测量一种简单实验装置模拟内喷式主轴的热变形大小可分析得到内喷式冷却主轴热变形规律，解决了现有超低温冷却加工机床热变形难以实际测量而导致的热误差规律未知的问题，为研究超低温冷却加工机床的热误差补偿、主动控制及机床结构优化奠定了一定的基础。

Description

一种模拟内喷式冷却主轴热变形的装置
技术领域
本发明属于数控机床主轴热变形技术领域，特别涉及一种模拟内喷式冷却主轴热变形的装置。
背景技术
在航空航天等领域，为满足极端工况下的高使役性能要求，高端装备中的核心零部件广泛采用以钛合金、复合材料为代表的先进材料。但是，上述材料往往呈现出高粘、高韧、低热导率等难以加工的特性，加工中切削温度高，乳化液冷却效能明显不足。实验表明对切削局部区域施以超低温介质如液氮，能够有效降低钛合金等难加工材料在切削加工中极高的切削热，改善材料切削性能、提高刀具寿命，并代替传统切削液，实现绿色制造。超低温冷却介质的施加方式主要包括刀具外喷淋冷却和刀具中内喷式冷却。外喷式冷却利用外置喷嘴对切削点的外围区域进行漫灌式冷却，在现有条件下较容易实施，然而冷却介质利用率往往较低、机床功能集成性较差。内喷式冷却是将液氮等超低温介质通过主轴和刀柄的内腔通道引导至刀尖处，实现对切削点的直接定量冷却，冷却效能高，势必成为超低温加工技术的发展趋势。在内喷式冷却技术上发展而来的内喷式冷却机床也成为提高超低温切削性能的关键装备，2010年美国MAG公司研制出迄今为止唯一商用的液氮内喷式超低温冷却机床并成功应用于F35的零件制造中。
此外，数控机床逐渐向高速、高精方面发展，但是精密数控机床在运行中由于受到内、外热源的耦合影响，致使工件与刀具之间相对运动关系遭到破坏，从而降低了机床的加工精度。据统计，对于高速、高精度机床，由热变形引起的加工制造误差所占的比例达到40％～70％。而对于超低温冷却加工机床，由于主轴内部通入了超低温介质导致机床主轴内、外热源发生变化，温度场分布、热变形行为也同样发生变化，这导致其热变形行为和传统数控机床的热变形行为存在很大的差异。因此，研究超低温冷却加工机床的内喷式冷却主轴的热变形行为对于保证超低温冷却加工机床的加工精度、提高使用性能极为重要。然而，由于目前超低温冷却加工机床仍处于研制的阶段，并不具备直接在实际机床现场进行主轴热变形的实验与测量的条件。因此针对于目前超低温冷却加工机床结构热变形直接测量的难度与成本高的问题，有必要研制出一种模拟内喷式冷却主轴热变形的装置，可通过此装置有效地、简便地得到超低温冷却加工机床的热变形规律，从而为该型号机床热误差研究提供良好的数据基础。
2014年，王凤彪等人在发明专利ZL201410182721.9公开了一种液氮内喷式数控钻铣床主轴装置，实现将液氮通过主轴内部和中空刀具运输到切削区域。2019年，高卫国等人在发明专利CN201910939356.4中公开了一种模拟机床结构热变形的测量装置及测量方法,针对机床床身、立柱等大型结构件的热变形测量，该装置可以满足简单、高精度的检测要求,适合中高档数控机床的结构热变形检测。但以上发明专利均未涉及用于研究超低温冷却加工机床热变形规律的一种模拟内喷式冷却主轴热变形的装置，无法得到内喷式冷却主轴热变形规律。
发明内容
本发明解决的主要技术问题是针对目前超低温冷却加工机床结构热变形直接测量的难度与成本高导致无法针对超低温冷却加工机床热变形规律进行试验研究，发明了一种模拟内喷式冷却主轴热变形的装置。
本发明的技术方案：
一种模拟内喷式冷却主轴热变形的装置，包括模拟机床结构组件、模拟机床热源组件、水冷箱组件和热变形测量组件；
所述的模拟机床结构组件包括模拟机床底座1-1、模拟机床立柱1-2、模拟机床主轴箱1-3、模拟内喷式冷却主轴1-4和模拟主轴内部隔热系统1-5；所述的模拟机床结构组件按照实际超低温冷却加工机床的结构经简化后得到，其中模拟机床底座1-1和模拟机床立柱1-2经螺栓连接，模拟机床立柱1-2和模拟机床主轴箱1-3之间同样通过螺栓连接并通过定位块1-3-a、定位销1-3-b进行精准定位，保证模拟机床的位置精度；模拟内喷式冷却主轴1-4为中空结构，安装在模拟机床主轴箱1-3上，其内部设有模拟主轴内部隔热系统1-5后通入冷却水，模拟超低温冷却机床的内喷介质；模拟主轴内部隔热系统1-5包括隔热管一1-5-1和隔热管二1-5-2，其中隔热管1-5-1位于内喷式冷却主轴1-4的上部，两者之间靠隔热管一1-5-1的外螺纹1-5-1-a和内喷式冷却主轴1-4的内螺纹1-4-a连接并依靠隔热管一1-5-1的底面和内喷式冷却主轴1-4的内部阶梯轴端面1-4-b定位；
所述的模拟机床热源组件包块模拟电机热源发热片2-1、模拟后轴承热源发热片2-2和模拟前轴承热源发热片2-3，均为电阻丝发热片，根据输入电压的变化改变发热功率；
所述的水冷箱组件包括水冷箱3-1、冷水入口软管3-2和冷水出口软管3-3；其中水冷箱3-1根据需要提供一定温度T和一定流量Q的冷却水，并通过冷水入口软管3-2经隔热管一1-5-1、隔热管二1-5-2进入模拟内喷式冷却主轴1-4内部，然后经冷水出口软管3-3回到水冷箱3-1；
所述的热变形测量组件包括中空检棒4-1、电涡流位移传感器4-2和测量工装4-3；其中中空检棒4-1依靠弹簧夹头5和模拟内喷式冷却主轴1-4之间进行连接，冷却水最终通过中空检棒4-1经冷水出口软管3-3返回水冷箱3-1；电涡流位移传感器4-2用于测量模拟机床结构组件在模拟内、外热源的激励下产生的热变形的大小；电涡流位移传感器4-2有五个位移传感器固定在测量工装4-3上，五个位移传感器配合所测量的热变形大小包括模拟机床结构轴向热伸长变形、径向热倾斜等热变形大小；
模拟内喷式冷却主轴热变形的装置的主轴热变形模拟步骤如下：步骤一、实际操作前根据实际超低温冷却加工机床的主轴转速以及内喷介质的喷射流量确定模拟装置中电机、前后轴承发热量以及水冷箱的温度、流量；步骤二、安装好热变形测量装置测量冷机状态下的模拟内喷式冷却主轴1-4与中空检棒4-1之间的间距值；步骤三、对模拟电机热源发热片2-1、模拟后轴承热源发热片2-2、模拟前轴承热源发热片2-3以及水冷箱3-1根据步骤一设定，并实时测量施加参数后主轴与中空检棒4-1之间的间距大小；步骤四、将步骤三测量结果与步骤二测量结果的差值得到相应位置的热变形值，计算得到装置主轴各个方向上的热变形大小。
本发明的有益效果：通过测量一种简单实验装置模拟内喷式主轴的热变形大小可分析得到内喷式冷却主轴热变形规律，解决了现有超低温冷却加工机床热变形难以实际测量而导致的热误差规律未知的问题，为研究超低温冷却加工机床的热误差补偿、主动控制及机床结构优化奠定了一定的基础。
附图说明
图1是一种模拟内喷式冷却主轴热变形的装置示意图；
图2是一种模拟内喷式冷却主轴热变形的装置内部剖视图；
图3是一种模拟内喷式冷却主轴热变形的装置中热变形测量组件示意图；
图中：1-1模拟机床底座；1-2模拟机床立柱；1-3模拟机床主轴箱；1-3-a定位块；1-3-b定位销；1-4模拟内喷式冷却主轴；1-4-a主轴内螺纹；1-4-b内部阶梯轴端面；模拟主轴内部隔热系统1-5；1-5-1隔热管一；1-5-1-a外螺纹；1-5-2隔热管二；2-1发热片一；2-2发热片二；2-3发热片三；3-1水冷箱；3-2冷水入口软管；3-3冷水出口软管；4-1中空检棒；4-2电涡流位移传感器；4-2-a位移传感器一；4-2-b位移传感器二；4-2-c位移传感器三；4-2-d位移传感器四；4-2-e位移传感器五；4-3测量工装；5弹簧夹头。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。
如图1、图2、图3所示，一种模拟内喷式冷却主轴热变形的装置，由模拟机床结构组件、模拟机床热源组件、水冷箱组件、热变形测量组件等结构组成。
安装时，将模拟机床立柱1-2通过螺钉连接到机床底座1-1上，然后通过定位块1-3-a和定位销1-3-b确定模拟机床主轴箱1-3和模拟机床立柱1-2之间的位置关系并利用螺钉进行固定；将发热片二2-2和发热片三2-3缠在模拟内喷式冷却主轴1-4外表面后装入模拟机床主轴箱1-3；将发热片一2-1贴在模拟内喷式冷却主轴1-4的上表面；将中空检棒4-1依靠弹簧夹头5安装在内喷式冷却主轴1-4上；将已经安装好电涡流位移传感器4-2的测量工装4-3放置在合适的位置，实现整个装置的装配。
为了保证整个装置的性能和精度要求，需要保证各个零部件之间的装配精度及某些零部件的形状精度，具体包括(1)、保证模拟机床底座1-1上下表面的平面度、平行度要求；(2)、保证、模拟机床立柱1-2、模拟机床主轴箱1-3侧面和地面之间的垂直度要求；(3)、装配完成后需要保证模拟内喷式冷却主轴1-4的轴线对模拟机床底座1-1上表面的垂直度要求；(4)、保证中空检棒4-1和模拟内喷式冷却主轴1-4的同轴度要求。
本模拟内喷式冷却主轴热变形的装置的操作方式如下：
(1)如图1、图2、图3所示，按上述操作完成整个装置的安装；
(2)根据实际超低温冷却加工机床电机、前后轴承发热量计算得到本实验装置发热片一2-1、发热片二2-2、发热片2-3对应的发热量，控制电阻丝的电流实现发热量控制；根据实际超低温冷却加工机床的液氮流量给定水冷箱3-1的冷水入口温度T和冷水流量Q；
(3)如图3所示，利用热变形测量组件实时测量本装置主轴热变形，根据发热片发热且通入冷水后的电涡流位移传感器4-2的测量值和冷机状态下电涡流位移传感器4-2的测量值的差值，计算得到本装置主轴热变形的实际大小；
(4)根据上述所测得的本装置主轴热变形规律，分析实际超低温冷却加工机床主轴热变形变化规律，并为超低温冷却加工机床主轴热变形补偿、主动控制及机床结构优化奠定基础。
应该说明的是，本发明的上述具体实施方式仅用于示例性阐述本发明的原理和流程，不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明精神和范围的情况下所做的任何修改和等同替换，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种模拟内喷式冷却主轴热变形的装置，其特征在于，该种模拟内喷式冷却主轴热变形的装置包括模拟机床结构组件、模拟机床热源组件、水冷箱组件和热变形测量组件；
所述的模拟机床结构组件包括模拟机床底座(1-1)、模拟机床立柱(1-2)、模拟机床主轴箱(1-3)、模拟内喷式冷却主轴(1-4)和模拟主轴内部隔热系统(1-5)；所述的模拟机床结构组件按照实际超低温冷却加工机床的结构经简化后得到，其中模拟机床底座(1-1)和模拟机床立柱(1-2)经螺栓连接，模拟机床立柱(1-2)和模拟机床主轴箱(1-3)之间同样通过螺栓连接并通过定位块(1-3-a)、定位销(1-3-b)进行精准定位，保证模拟机床的位置精度；模拟内喷式冷却主轴(1-4)为中空结构，安装在模拟机床主轴箱(1-3)上，其内部设有模拟主轴内部隔热系统(1-5)后通入冷却水，模拟超低温冷却机床的内喷介质；模拟主轴内部隔热系统(1-5)包括隔热管一(1-5-1)和隔热管二(1-5-2)，其中隔热管(1-5-1)位于内喷式冷却主轴(1-4)的上部，两者之间靠隔热管一(1-5-1)的外螺纹(1-5-1-a)和内喷式冷却主轴(1-4)的内螺纹(1-4-a)连接并依靠隔热管一(1-5-1)的底面和内喷式冷却主轴(1-4)的内部阶梯轴端面(1-4-b)定位；
所述的模拟机床热源组件包块模拟电机热源发热片(2-1)、模拟后轴承热源发热片(2-2)和模拟前轴承热源发热片(2-3)，均为电阻丝发热片，根据输入电压的变化改变发热功率；
所述的水冷箱组件包括水冷箱(3-1)、冷水入口软管(3-2)和冷水出口软管(3-3)；其中水冷箱(3-1)根据需要提供一定温度T和一定流量Q的冷却水，并通过冷水入口软管(3-2)经隔热管一(1-5-1)、隔热管二(1-5-2)进入模拟内喷式冷却主轴(1-4)内部，然后经冷水出口软管(3-3)回到水冷箱(3-1)；
所述的热变形测量组件包括中空检棒(4-1)、电涡流位移传感器(4-2)和测量工装(4-3)；其中中空检棒(4-1)依靠弹簧夹头(5)和模拟内喷式冷却主轴(1-4)之间进行连接，冷却水最终通过中空检棒(4-1)经冷水出口软管(3-3)返回水冷箱(3-1)；电涡流位移传感器(4-2)用于测量模拟机床结构组件在模拟内、外热源的激励下产生的热变形的大小；电涡流位移传感器(4-2)有五个位移传感器固定在测量工装(4-3)上，五个位移传感器配合所测量的热变形大小包括模拟机床结构轴向热伸长变形、径向热倾斜等热变形大小。
2.根据权利要求1所述的一种模拟内喷式冷却主轴热变形的装置，其特征在于，其主轴热变形模拟步骤如下：步骤一、实际操作前根据实际超低温冷却加工机床的主轴转速以及内喷介质的喷射流量确定模拟装置中电机、前后轴承发热量以及水冷箱的温度、流量；步骤二、安装好热变形测量装置测量冷机状态下的模拟内喷式冷却主轴(1-4)与中空检棒(4-1)之间的间距值；步骤三、对模拟电机热源发热片(2-1)、模拟后轴承热源发热片(2-2)、模拟前轴承热源发热片(2-3)以及水冷箱(3-1)根据步骤一设定，并实时测量施加参数后主轴与中空检棒(4-1)之间的间距大小；步骤四、将步骤三测量结果与步骤二测量结果的差值得到相应位置的热变形值，计算得到装置主轴各个方向上的热变形大小。
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