CN112743113B - 一种电主轴冷却水套结构改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电主轴冷却水套结构改进方法，通过将进出口布置改为对称方位并在螺旋流道底部和侧壁刻槽来改变流经冷却系统的冷却液的流动速度，破坏流动边界层，改变其原有的稳定流动状态，从而增加其对流换热系数，达到强化换热效果、降低主轴温升的目的。

Description

一种电主轴冷却水套结构改进方法

技术领域

本发明涉及机床主轴冷却与散热领域，具体涉及一种电主轴冷却水套结构改进方法。

背景技术

随着我国工业技术的不断发展，高主轴转速、高精密加工已经成为现代数控机床的发展趋势，主轴系统作为机床核心部件，其温升与热变形显著制约精密机床使用性能。

主轴冷却是常用的控制温升与热变形的方法之一，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壳体上增加冷却套来强化主轴与外界的对流换热，以达到冷却的目的。冷却套中的螺旋流道使冷却液产生相对稳定的流动状态，而热量很难穿过该稳定状态下的流动边界层，因此螺旋流道的冷却能力有限。为加强冷却效果，相关学者对冷却流道进行了优化。傅建中等在电主轴冷却套上构造了树形分叉流道，使主轴与外界的对流换热能力提高2倍以上，但树形分叉流道的制造可行性较差。珠海格力电器股份有限公司的何圳涛等人在冷却套体内沿其轴向开设轴向流道，并在其周向开设有凹槽，冷却液既可以从轴向上对电主轴进行冷却，还可以从周向上对电主轴进行冷却，冷却效果较好，但多通路势必造成流体压力分配问题，部分通道对散热的贡献太少，造成液体压力损失。相比以上发明，本发明是在现有的电主轴冷却水套的基础上进行改进和优化，制造可行性更好，同时保留了原有水套的螺旋特征，既保留了螺旋水套水流均匀稳定的优势，还可以实现较大程度的强化散热，降低主轴温升的目的，在工程领域上有很大的应用前景。

发明内容

为了解决传统电主轴螺旋冷却流道散热能力不足的问题，本发明的目的是提出一种电主轴冷却水套结构改进方法。

为实现上述方法，本发明采用如下的技术方案：

一种电主轴冷却水套结构改进方法，在水套外壳上设置进口和出口，进口和出口对称设置，在冷却水套内的螺旋流道底部和侧壁刻槽。

本发明进一步的改进在于，在螺旋流道底部刻球形槽。

本发明进一步的改进在于，球形槽的深度为球半径，槽宽为流道底部宽度的一半。

本发明进一步的改进在于，单圈螺旋流道周向布置的球形槽数量为12～16。

本发明进一步的改进在于，在螺旋流道侧壁上刻V型槽。

本发明进一步的改进在于，V型槽的V形夹角为30°，宽度为1mm，相邻两V型槽间距为15mm。

本发明进一步的改进在于，在螺旋流道侧壁沿着与冷却液流速相反方向刻矩形槽。

本发明进一步的改进在于，矩形槽在流道螺旋流道侧壁的两侧对称分布且矩形槽的夹角为60°，宽度为3mm，相邻两矩形槽间距为15mm。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明通过将进出口布置改为对称方位并在螺旋流道底部和螺旋流道侧壁刻槽来改变流经冷却系统的冷却液的流动速度，破坏冷却液的流动边界层，改变其原有的稳定流动状态，使冷却液流速出现突变，从而增加其对流换热系数，达到强化换热效果、降低主轴温升的目的。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为设置球形槽的结构示意图。

图2为设置v形槽的结构示意图。

图3为设置矩形槽的结果示意图。

图4为简化后的主轴冷却系统模型(外侧为水套外壳，内侧为冷却水套)；

图5为模型边界条件设置示意图；其中，(a)为固体区域，(b)为流体区域。

图6为主轴冷却流道改进结构一(含球形槽)；

图7为主轴冷却流道改进结构二(含v形槽)；

图8为主轴冷却流道改进结构三(含矩形槽)；

图9为不同冷却流道结构的主轴冷却系统散热能力的对比，其中，(a)内表面点云平均温度，(b)为内表面点云温度方差，(c)为外表面点云平均温度，(d)为外表面点云温度方差，(e)为内外表面平均温差，(f)为到达热平衡所需时间，(g)为流道进出口压差。

图中，1为冷却水套，2为水套外壳，3为流道底部，4为球形槽，5为流道侧壁，6为V型槽，7为矩形槽，8为流道入水口，9为流道出水口，10为流固耦合面，11为边界条件施加时空气自然对流换热施加位置，12为边界条件施加时均匀热流密度施加位置。

具体实施方式

下面对本发明进行详细描述。

本发明涉及一种电主轴冷却水套的结构改进方法为：通过将进出口布置改为对称方位并在螺旋流道底部和侧壁刻槽来改变流经冷却系统的冷却液的流动速度，破坏流动边界层，改变其原有的稳定流动状态，从而增加其对流换热系数，达到强化换热效果、降低主轴温升的目的。

该方法包括以下步骤：

1)将电主轴冷却系统进行简化，即将冷却水套和外壳单独列出进行建模，由于改进对象为冷却水道的结构形式，因此忽略冷却水套及外壳的部分细小特征，简化模型如图4所示，水套外壳2套设在冷却水套1外部。

2)针对步骤1)简化后的电主轴冷却系统，利用FLUNT仿真软件，建立电主轴冷却系统温度场计算模型，通过HyperMesh软件对其进行流体和固体网格的划分。根据实际主轴工作状态情况，设置电主轴冷却系统温度场计算模型边界条件：

①固体部分：在冷却水套内圈(边界条件施加时均匀热流密度施加位置12)设置边界条件为均匀热流密度，以模拟实际工作时电机定子热量流动。

②固体部分：其他表面(边界条件施加时空气自然对流换热施加位置11)设置边界条件为空气自然对流换热。

③流体部分：设置流道入水口8为入口速度边界条件，流道出水口9为出口压力边界条件。

④流体和固体接触面设置为流固耦合面10。

模型边界条件设置示意如图5中(a)和(b)所示。

3)基于步骤2)所建立的电主轴冷却系统温度场计算模型，分析冷却系统冷却液流动情况、流固交界面的对流换热系数和温度分布情况，发现在一些流道曲率出现较大变化的区域，壁面的对流换热系数会出现激增现象，从而导致附近的温度也降低，冷却效果增强。这是因为在这些区域，流速会发生变化，流动边界层被破坏，原有的稳定流动状态改变，从而导致对流换热系数的增加。因此以造成流速突变为思路，提出对主轴冷却系统流道结构形式进行改进，以达到破坏螺旋流道部分冷却液的流动边界层，强化冷却效果的目的。

结构改进形式如下所示：

改进结构一：将进出口布置改为对称方位并在冷却水套的1的螺旋流道底部3刻球形槽4，以破坏其底面流动边界层，如图1和图6所示。

球形槽4的深度为球半径，槽宽为流道底部3宽度的一半。

单圈螺旋流道周向布置的球形槽数量为12～16。

改进结构二：将进出口布置改为对称方位并在冷却水套1的螺旋流道侧壁5上刻V型槽6，以破坏其流道侧壁流动边界层，如图2和图7所示。

V型槽的V形夹角为α，α＝30°，宽度为D，D＝1mm，相邻两V型槽间距为d，d＝15mm。

改进结构三：将进出口布置改为对称方位并在冷却水套的1的螺旋流道侧壁5上沿着与冷却液流速相反方向刻矩形槽7，以破坏其流道侧壁流动边界层，如图3和图8所示。

矩形槽7在流道螺旋流道侧壁的两侧对称分布且矩形槽的夹角为α，α＝60°，宽度为D，D＝3mm，相邻两矩形槽间距为d，d＝15mm。

4)以步骤3)的仿真结果为基础，提取以下数据，作为判断电主轴冷却系统冷却效果以及流道结构改进效果的依据：

①内圈平均温度：提取内圈500个点，计算其平均温度，用于评价冷却系统对内圈的冷却效果；

②内圈平均温度的方差：提取内圈500个点，计算其平均温度方差，用于评价冷却后内圈温度分布的均匀性；

③外圈平均温度：提取内圈500个点，计算其平均温度，用于评价冷却系统对外圈的冷却效果；

④外圈平均温度的方差：提取内圈500个点，计算其平均温度方差，用于评价冷却后外圈温度分布的均匀性；

⑤内外圈平均温度差：反应内外圈的温差情况；

⑥冷却流道的对流换热系数：反映理论上冷却水与流道壁面的换热情况；

⑦流道进出口的压力差：反映冷却液的流动难易程度，即压缩机的功耗情况；

⑧系统到达热平衡所需时间。

以上述8个指标作为评价电主轴冷却系统冷却效果的依据，对步骤3)的三种结构冷却系统分别使用FLUNT计算其温度场，其散热能力如图9中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)与(g)所示。

由图9所示，原有结构内表面点云平均温度为69.2℃，改进结构一的温度下降为64.3℃，改进结构二下降为65.3℃，而改进结构三下降为64.2℃，其中改进结构三降幅最大；原有结构外表面点云平均温度为50.6℃，改进结构一的温度下降为46.2℃，改进结构二下降为46℃，改进结构三下降为45.8℃，改进结构三的降幅同样最大。三种改进结构的内外圈平均温度相比与原始结构均降低5℃左右，冷却效果均有所加强，而且温度分布均匀性得到改善；这是因为与原有结构相比，改进结构一底部刻有球形槽4、改进结构二流道侧壁刻有V型槽5、改进结构三在流道侧壁沿着与冷却液流速相反方向刻矩形槽7，这样破坏了冷却液的流动边界层，流速出现突变，相应的对流换热系数上升，导致散热能力增强，内外圈平均温度下降。此外，与原结构相比，改进后的结构到达热平衡所需时间降低30％以上。特别的，改进结构二中冷却液进出口压降仅为其他结构的39.2％，性价比高。

从以上分析可知，从冷却效果而言，结构三的最好，结构一和结构二相近；从制造可行性而言，结构一最容易实现，结构二次之，结构三较难加工；同时结合正常工况下结构二的压降最小，功耗最低；综上，结构一的工程应用前景最好，结构二次之。

Claims (3)

1.一种电主轴冷却水套结构改进方法，其特征在于，对电主轴冷却系统，利用FLUNT仿真软件，建立电主轴冷却系统温度场计算模型，通过HyperMesh软件对其进行流体和固体网格的划分，根据实际主轴工作状态情况，设置电主轴冷却系统温度场计算模型边界条件，基电主轴冷却系统温度场计算模型，分析冷却系统冷却液流动情况、流固交界面的对流换热系数和温度分布情况，通过以下步骤对电主轴冷却水套结构进行改进；

在水套外壳(2)上设置进口和出口，进口和出口对称设置，在套设在水套外壳(2)内的冷却水套(1)内的螺旋流道底部和侧壁刻槽；在螺旋流道底部刻球形槽(4)，或在螺旋流道侧壁(5)上刻V型槽(6)，或在螺旋流道侧壁(5)沿着与冷却液流速相反方向刻矩形槽(7)；

V型槽的V形夹角为30°，宽度为1mm，相邻两V型槽间距为15mm；

矩形槽(7)在流道螺旋流道侧壁的两侧对称分布且矩形槽的夹角为60°，宽度为3mm，相邻两矩形槽间距为15mm。

2.根据权利要求1所述的一种电主轴冷却水套结构改进方法，其特征在于，球形槽(4)的深度为球半径，槽宽为流道底部(3)宽度的一半。

3.根据权利要求1所述的一种电主轴冷却水套结构改进方法，其特征在于，单圈螺旋流道周向布置的球形槽(4)数量为12～16。

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