CN113118481B

CN113118481B - 一种超低温冷却介质内喷式机械主轴

Info

Publication number: CN113118481B
Application number: CN202110373295.7A
Authority: CN
Inventors: 王永青; 韩灵生; 刘阔; 刘海波; 赵地; 郭东明
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2021-04-07
Filing date: 2021-04-07
Publication date: 2022-09-20
Anticipated expiration: 2041-04-07
Also published as: CN113118481A

Abstract

一种超低温冷却介质内喷式机械主轴，包括静止的真空芯轴、旋转的主轴体、静止的主轴外壳、内外双层回转支承轴承和双层密封结构。内层回转支承轴承的内圈与真空芯轴配合，外圈与主轴体配合，该轴承起到辅助支承与芯轴定位的功能；外层回转支承轴承的内圈与主轴体配合，外圈与主轴外壳配合；真空芯轴为超低温冷却介质提供传输通道，其真空结构具有良好的隔热作用，限制了主轴内的低温传递；真空芯轴消除了传输通道旋转引起的壁面摩擦热致使超低温介质汽化的不利影响；主轴头内安装有隔热能力的密封结构，与真空芯轴外圆周表面形成径向旋转密封，防止超低温介质泄漏回流至主轴内部，遏止泄漏流对主轴前端的低温影响，保证了超低温介质传输的稳定性。

Description

一种超低温冷却介质内喷式机械主轴

技术领域

本发明属于数控机床主轴设计技术领域，具体涉及一种超低温冷却介质内喷式机械主轴。

背景技术

航空航天领域中，钛合金、镍基合金等难加工材料零件常因过高的切削温度而影响其加工质量和效率。以液氮等超低温介质为冷却液的超低温加工方法，在降低切削温度、改善加工表面完整性、抑制刀具磨损等方面卓有成效。其中，将冷却介质通过主轴、刀柄、刀具内腔通道引导至刀尖处的内喷式冷却方法，具有冷却精准、效率高、装置高度集成等优点。

故此，超低温介质内喷式主轴成为实现难加工材料零件超低温高效加工的关键。然而，超低温冷却介质在主轴内部流动时，由于其极低的温度(＜-150℃)，会引发主轴材料/结构收缩、变形，甚至冰冻，导致主轴严重结霜、配合失效、精度丧失，无法保证零件加工中的精度要求。此外，主轴内部传输通道具有动静结合面，端面之间必然存在间隙，超低温介质受迫流动时会发生泄漏，亦会导致超低温度场的扩散，同时还加剧了液氮传输状态的波动。因此，上述问题对超低温介质内喷式主轴的隔热与密封提出了极高的要求。

显然，常规乳化液内冷主轴无法实现超低温介质的隔热与密封。目前，国内外机构发明了若干针对液氮等冷却介质的内喷式主轴。2014年，大连理工大学在发明专利201410182721.9中公开了“液氮内喷式数控钻铣床主轴装置”，该装置实现了液氮在主轴内部传输并从刀尖射流的功能，且采用真空绝热管阻隔了大部分低温传递，但是主轴前端的拉钉组件并未采取隔热措施，仍会出现主轴快速结霜并变形的问题。2017年，广东工业大学在发明专利201711154863.4中公开了“一种内嵌冷风装置的超高速电主轴”，该装置在主轴外壳内安装了低温冷风装置，实现了低温氮气对钻孔区域的射流冷却，但是冷风并未通过刀具内部，而是从刀柄周围的主轴端面喷出，不能对切削区实施“点对点”式精准冷却，且冷风介质温度不及液氮温度低，其隔热、密封难度相对较小。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷或改进需求，提出了一种超低温冷却介质内喷式机械主轴，克服了主轴内超低温隔热与密封技术难题，实现了对切削局部区域的精准射流冷却。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超低温冷却介质内喷式机械主轴，主要由主轴头结构和主轴主体结构组成；主轴主体结构主要包括静止的真空芯轴3.1、旋转的主轴体3.2、静止的主轴外壳4.6，以及内外双层回转支承轴承；静止的真空芯轴3.1为超低温冷却介质提供传输通道，同时其真空结构具有良好的隔热作用，限制了主轴主体内的低温传递；内层回转支承轴承的内圈与真空芯轴3.1配合，外圈与主轴体3.2配合，该轴承起到辅助支承与芯轴定位的功能；外层回转支承轴承的内圈与主轴体3.2配合，外圈与主轴外壳4.6配合；主轴头结构内部安装有具有隔热能力的密封结构，与真空芯轴3.1的外圆周表面形成径向旋转密封，防止超低温介质泄漏回流至主轴内部，遏止泄漏流对主轴前端的低温影响；

所述的主轴头结构主要包括主轴头1.1、隔热迷宫密封1.2和唇形密封1.3；主轴头结构装配时，依次将隔热迷宫密封1.2齿向朝内、唇形密封1.3开口朝内以过渡配合的方式装配到主轴头内孔1.a中，然后用六个螺钉一2.1将密封端盖1.4安装于主轴头1.1上，以压紧密封结构；

所述的主轴主体结构装配时，首先将作为内层回转支承轴承的芯轴前轴承一3.3与芯轴前轴承二3.4依次装配于真空芯轴3.1的芯轴前端面3.b，采用锁紧螺母一3.5将该两轴承锁紧；然后将真空芯轴3.1从主轴体3.2的前端推入到主轴体3.2内部，该过程中芯轴前轴承一3.3与芯轴前轴承二3.4的外圈与主轴体前端内表面2.b呈过渡配合；接下来将芯轴后轴承一3.6与芯轴后轴承二3.7依次装配于芯轴后端面3.c，该过程中轴承外圈与主轴体后端内表面2.c呈过渡配合，随后用锁紧螺母二3.8将该两轴承内圈锁紧，并通过六个螺钉二2.2使得主轴后端盖3.9压紧该两轴承的外圈；至此，主轴体3.2内部装配完成；

所述的主轴体3.2与主轴外壳4.6装配时，将作为外层回转支承轴承的主轴前轴承一4.1、主轴前轴承二4.2、主轴前轴承三4.3和主轴前轴承四4.4依次装配于主轴体前端外表面2.d，采用锁紧螺母三4.5将该四轴承内圈锁紧；将主轴体3.2从主轴外壳4.6的前端推入到主轴外壳4.6内部，该过程中四个主轴前轴承的外圈与主轴外壳前端内表面4.a呈过渡配合，随后通过六个螺钉三2.3使得主轴外壳前端盖4.7压紧该四个轴承的外圈；将主轴后轴承一4.8与主轴后轴承二4.9依次装配于主轴体后端外表面2.e，该过程中轴承外圈与主轴外壳后端内表面4.b呈过渡配合，随后用锁紧螺母四4.10将该两轴承内圈锁紧，并通过六个螺钉四2.4将主轴外壳后端盖4.11固定在主轴外壳4.6的后端，起防尘作用；至此，主轴主体结构装配完成；

所述的主轴头结构与主轴主体结构装配时，将已装配完成的主轴头1.1的主轴头外表面1.b通过轻微过盈配合与主轴体前端内孔2.a装配在一起，然后采用六个螺钉五2.5固定，此时隔热迷宫密封1.2、密封端盖1.4与芯轴前端外圆面3.a呈间隙配合，唇形密封1.3与芯轴前端外圆面3.a呈过盈配合；至此，超低温冷却介质内喷式机械主轴装配完成；

主轴工作时，首先将中空刀柄5.1插入到主轴头锥孔1.c中，然后用四个螺钉六2.6将中空刀柄5.1与主轴头1.1紧固，此时刀柄隔热层5.2与真空芯轴3.1留有端面间隙4.c，该间隙满足了中空刀柄5.1转动和真空芯轴3.1静止的要求；液氮从芯轴末端口6.1进入，流经真空芯轴3.1、刀柄隔热层5.2和内冷刀具6.2，最终从刀具尖端6.3射流而出。

本发明的有益效果是主轴作为机床的关键功能部件，实现了超低温介质的内喷式冷却功能；静止的芯轴结构能有效避免传输通道旋转引起的壁面摩擦热致使超低温介质汽化的不利现象；主轴内部的真空芯轴与主轴头内部的隔热密封结构，可最大程度地限制传输过程中液氮对主轴的低温影响，使得主轴正常运行的同时能够保证尺寸精度；主轴内部的双层密封结构均采用耐低温隔热材料，具有阻止泄漏和传热的作用，满足超低温介质零泄漏的要求，同时还保证了超低温介质传输的稳定性。

附图说明

图1为主轴头结构的装配示意图；

图2为超低温冷却介质内喷式机械主轴的结构与装配示意图。

图中：1.1-主轴头；1.2-隔热迷宫密封；1.3-唇形密封；1.4-密封端盖；1.a-主轴头内孔；1.b-主轴头外表面；1.c-主轴头锥孔；2.1-螺钉一；2.2-螺钉二；2.3-螺钉三；2.4-螺钉四；2.5-螺钉五；2.6-螺钉六；2.a-主轴体前端内孔；2.b-主轴体前端内表面；2.c-主轴体后端内表面；2.d-主轴体前端外表面；2.e-主轴体后端外表面；3.1-真空芯轴；3.2-主轴体；3.3-芯轴前轴承一；3.4-芯轴前轴承二；3.5-锁紧螺母一；3.6-芯轴后轴承一；3.7-芯轴后轴承二；3.8-锁紧螺母二；3.9-主轴后端盖；3.a-芯轴前端外圆面；3.b-芯轴前端面；3.c-芯轴后端面；4.1-主轴前轴承一；4.2-主轴前轴承二；4.3-主轴前轴承三；4.4-主轴前轴承四；4.5-锁紧螺母三；4.6-主轴外壳；4.7-主轴外壳前端盖；4.8-主轴后轴承一；4.9-主轴后轴承二；4.10-锁紧螺母四；4.11-主轴外壳后端盖；4.a-主轴外壳前端内表面；4.b-主轴外壳后端内表面；4.c-端面间隙；5.1-中空刀柄；5.2-刀柄隔热层；6.1-芯轴末端口；6.2-内冷刀具；6.3-刀具尖端。

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。

本实施例中，超低温冷却介质为液氮，主轴规格为BT40，主轴外壳4.6的外径为180mm，所有轴承均为角接触球轴承；真空芯轴3.1的芯轴前端外圆面3.a的外径为20mm，真空芯轴3.1的导热系数近似为0；隔热迷宫密封1.2与刀柄隔热层5.2的材料均为改性聚酰亚胺，导热系数小于0.15W/(m·K)；隔热迷宫密封1.2共有9个密封齿，内径20.4mm，外径40mm，长度53mm，齿高3.5mm；唇形密封1.3的材料为改性聚醚醚酮，工作温度范围为-200～260℃，规格为20×40×8mm；端面间隙4.c的尺寸为1mm；主轴头锥孔1.c的锥度为7:24；芯轴末端口6.1内径为4mm，刀具尖端6.3有2个射流口，内径为1.5mm。

主轴装配过程如下：如附图1、2所示，第一步，将隔热迷宫密封1.2齿向朝内以过渡配合的方式装配到主轴头内孔1.a中，然后将唇形密封1.3开口朝内以同样方式装配到主轴头内孔1.a中，最后安装密封端盖1.4，用六个螺钉一2.1将其与主轴头1.1固定，压紧密封结构；至此，主轴头结构装配完成；

第二步，将芯轴前轴承一3.3与芯轴前轴承二3.4依次装配于真空芯轴3.1的芯轴前端面3.b，采用锁紧螺母一3.5将该两轴承锁紧；然后将真空芯轴3.1从主轴体3.2的前端推入到主轴体3.2内部，直至真空芯轴3.1无法继续向主轴体3.2后端移动，该过程中芯轴前轴承一3.3与芯轴前轴承二3.4的外圈与主轴体前端内表面2.b呈过渡配合；接下来将芯轴后轴承一3.6与芯轴后轴承二3.7依次装配于芯轴后端面3.c，该过程中轴承外圈与主轴体后端内表面2.c呈过渡配合，随后用锁紧螺母二3.8将该两轴承内圈锁紧，通过六个螺钉二2.2使主轴后端盖3.9压紧该两轴承的外圈；至此，主轴体3.2内部装配完成；

第三步，将主轴前轴承一4.1、主轴前轴承二4.2、主轴前轴承三4.3和主轴前轴承四4.4依次装配于主轴体前端外表面2.d，采用锁紧螺母三4.5将该四轴承内圈锁紧；将主轴体3.2从主轴外壳4.6的前端推入到主轴外壳4.6内部，直至主轴体3.2无法继续向主轴外壳4.6后端移动，该过程中四个主轴前轴承的外圈与主轴外壳前端内表面4.a呈过渡配合，随后通过六个螺钉三2.3使主轴外壳前端盖4.7压紧该四个轴承的外圈；最后将主轴后轴承一4.8与主轴后轴承二4.9依次装配于主轴体后端外表面2.e，该过程中轴承外圈与主轴外壳后端内表面4.b呈过渡配合，随后用锁紧螺母四4.10将该两轴承内圈锁紧，并通过六个螺钉四2.4将主轴外壳后端盖4.11固定在主轴外壳4.6的后端，起防尘作用；至此，主轴主体结构装配完成；

第四步，将已完成装配的主轴头1.1的主轴头外表面1.b通过轻微过盈配合与主轴体前端内孔2.a装配在一起，并采用六个螺钉五2.5固定，此时隔热迷宫密封1.2与芯轴前端外圆面3.a存在单侧0.2mm的间隙，密封端盖1.4与芯轴前端外圆面3.a存在单侧0.8mm的间隙,唇形密封1.3与芯轴前端外圆面3.a呈过盈配合，过盈量为0.1mm；至此，超低温冷却介质内喷式机械主轴装配完成；

第五步，将中空刀柄5.1插入到主轴头锥孔1.c中，用四个螺钉六2.6将中空刀柄5.1与主轴头1.1紧固，此时刀柄隔热层5.2与真空芯轴3.1之间的端面间隙4.c为1mm；液氮以0.6MPa的压力从芯轴末端口6.1进入，流经真空芯轴3.1、刀柄隔热层5.2和内冷刀具6.2的中空通道，最终从刀具尖端6.3射流而出，流量约为30L/h，温度约为-196～-180℃。

本发明采用了“静-动-静”三层结构的主轴设计思路，消除了超低温冷却介质传输管路因旋转而产生摩擦热的不利影响；通过真空结构和隔热材料层，解决了冷却介质低温致使主轴精度丢失的问题；依靠双层密封结构，实现了主轴内超低温介质的有效密封，保障了超低温射流的稳定性；主轴整体结构简单，可靠性高，易于维护。

Claims

1.一种超低温冷却介质内喷式机械主轴，其特征在于，该超低温冷却介质内喷式机械主轴主要由主轴头结构和主轴主体结构组成；

所述的主轴主体结构包括真空芯轴(3.1)、主轴体(3.2)、主轴外壳(4.6)以及内外双层回转支承轴承；静止的真空芯轴(3.1)为超低温冷却介质提供传输通道，同时其真空结构具有良好的隔热作用，限制了主轴主体内的低温传递；内层回转支承轴承的内圈与真空芯轴(3.1)配合，内层回转支承轴承的外圈与旋转的主轴体(3.2)配合，该轴承起到辅助支承与芯轴定位的功能；外层回转支承轴承的内圈与主轴体(3.2)配合，外层回转支承轴承的外圈与主轴外壳(4.6)配合；

所述的主轴主体结构装配时，首先将作为内层回转支承轴承的芯轴前轴承一(3.3)与芯轴前轴承二(3.4)依次装配于真空芯轴(3.1)的芯轴前端面(3.b)，采用锁紧螺母一(3.5)将芯轴前轴承一(3.3)与芯轴前轴承二(3.4)锁紧；然后将真空芯轴(3.1)从主轴体(3.2)的前端推入到主轴体(3.2)内部，该过程中芯轴前轴承一(3.3)与芯轴前轴承二(3.4)的外圈与主轴体前端内表面(2.b)呈过渡配合；接下来将芯轴后轴承一(3.6)与芯轴后轴承二(3.7)依次装配于真空芯轴(3.1)的芯轴后端面(3.c)，该过程中芯轴后轴承一(3.6)与芯轴后轴承二(3.7)的外圈与主轴体后端内表面(2.c)呈过渡配合，随后用锁紧螺母二(3.8)将该芯轴后轴承一(3.6)与芯轴后轴承二(3.7)内圈锁紧，并通过螺钉二(2.2)使得主轴后端盖(3.9)压紧芯轴后轴承一(3.6)与芯轴后轴承二(3.7)的外圈；至此，主轴体(3.2)内部装配完成；

所述的主轴体(3.2)与主轴外壳(4.6)装配时，将作为外层回转支承轴承的主轴前轴承一(4.1)、主轴前轴承二(4.2)、主轴前轴承三(4.3)和主轴前轴承四(4.4)依次装配于主轴体前端外表面(2.d)，采用锁紧螺母三(4.5)将上述四个主轴前轴承内圈锁紧；将主轴体(3.2)从主轴外壳(4.6)的前端推入到主轴外壳(4.6)内部，该过程中四个主轴前轴承的外圈与主轴外壳前端内表面(4.a)呈过渡配合，随后通过螺钉三(2.3)使得主轴外壳前端盖(4.7)压紧四个主轴前轴承的外圈；将主轴后轴承一(4.8)与主轴后轴承二(4.9)依次装配于主轴体后端外表面(2.e)，该过程中主轴后轴承一(4.8)与主轴后轴承二(4.9)的外圈与主轴外壳后端内表面(4.b)呈过渡配合，随后用锁紧螺母四(4.10)将主轴后轴承一(4.8)与主轴后轴承二(4.9)的内圈锁紧，并通过螺钉四(2.4)将主轴外壳后端盖(4.11)固定在主轴外壳(4.6)的后端，起防尘作用；至此，主轴主体结构装配完成；

所述的主轴头结构内部安装有具有隔热能力的密封结构，与真空芯轴(3.1)的外圆周表面形成径向旋转密封，防止超低温介质泄漏回流至主轴内部，遏止泄漏流对主轴前端的低温影响；

所述的主轴头结构包括主轴头(1.1)、隔热迷宫密封(1.2)和唇形密封(1.3)；主轴头结构装配时，依次将隔热迷宫密封(1.2)齿向朝内、唇形密封(1.3)开口朝内以过渡配合的方式装配到主轴头内孔(1.a)中，然后用螺钉一(2.1)将密封端盖(1.4)安装于主轴头(1.1)上，以压紧密封结构；

所述的主轴头结构与主轴主体结构装配时，将已装配完成的主轴头(1.1)的主轴头外表面(1.b)通过过盈配合与主轴体前端内孔(2.a)装配在一起，然后采用螺钉五(2.5)固定，此时隔热迷宫密封(1.2)、密封端盖(1.4)与芯轴前端外圆面(3.a)呈间隙配合，唇形密封(1.3)与芯轴前端外圆面(3.a)呈过盈配合；至此，超低温冷却介质内喷式机械主轴装配完成；

主轴工作时，首先将中空刀柄(5.1)插入到主轴头锥孔(1.c)中，然后用螺钉六(2.6)将中空刀柄(5.1)与主轴头(1.1)紧固，此时刀柄隔热层(5.2)与真空芯轴(3.1)留有端面间隙(4.c)，该间隙满足了中空刀柄(5.1)转动和真空芯轴(3.1)静止的要求；液氮从芯轴末端口(6.1)进入，流经真空芯轴(3.1)、刀柄隔热层(5.2)和内冷刀具(6.2)，最终从刀具尖端(6.3)射流而出。

2.根据权利要求1所述的超低温冷却介质内喷式机械主轴，其特征在于，所述的真空芯轴(3.1)是静止的，主轴体(3.2)是旋转的，主轴外壳(4.6)是静止的，共同构成了具有“静-动-静”结构特征的主轴。

3.根据权利要求1或2所述的超低温冷却介质内喷式机械主轴，其特征在于，所述的芯轴前轴承一(3.3)、芯轴前轴承二(3.4)、芯轴后轴承一(3.6)和芯轴后轴承二(3.7)共同组成内层回转支承轴承；主轴前轴承一(4.1)、主轴前轴承二(4.2)、主轴前轴承三(4.3)、主轴前轴承四(4.4)、主轴后轴承一(4.8)和主轴后轴承二(4.9)共同组成外层回转支承轴承。

4.根据权利要求1或2所述的超低温冷却介质内喷式机械主轴，其特征在于，所述的真空芯轴(3.1)在主轴运行中是静止的，为超低温介质提供静止的传输通道。

5.根据权利要求3所述的超低温冷却介质内喷式机械主轴，其特征在于，所述的真空芯轴(3.1)在主轴运行中是静止的，为超低温介质提供静止的传输通道。

6.根据权利要求1、2或5所述的超低温冷却介质内喷式机械主轴，其特征在于，所述的主轴头结构内安装的密封结构为双层密封结构，其中隔热迷宫密封(1.2)和唇形密封(1.3)均采用耐低温的隔热材料，具有隔热能力。

7.根据权利要求3所述的超低温冷却介质内喷式机械主轴，其特征在于，所述的主轴头结构内安装的密封结构为双层密封结构，其中隔热迷宫密封(1.2)和唇形密封(1.3)均采用耐低温的隔热材料，具有隔热能力。

8.根据权利要求4所述的超低温冷却介质内喷式机械主轴，其特征在于，所述的主轴头结构内安装的密封结构为双层密封结构，其中隔热迷宫密封(1.2)和唇形密封(1.3)均采用耐低温的隔热材料，具有隔热能力。