CN113231885A - 一种高效的高速电主轴轴芯冷却装置 - Google Patents

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程耀楠
张先鹏
张广鑫
姜文奇
李宝伟
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    • B23Q11/12—Arrangements for cooling or lubricating parts of the machine
    • B23Q11/126—Arrangements for cooling or lubricating parts of the machine for cooling only
    • B23Q11/127—Arrangements for cooling or lubricating parts of the machine for cooling only for cooling motors or spindles

Abstract

本发明涉及一种高效的高速电主轴轴芯冷却装置，属于工业冷却领域，特别应用于高速电主轴轴芯冷却，冷却水从后冷却通道流入，经过轴芯内部从主轴前端流出；冷却通道在轴芯内部的设计能够让冷却水进入到轴芯，加强冷却主轴前端等主要区域，有效冷却轴芯，减少成本，提高效率；在相同压力的情况下，减小前冷却通道直径的设计可以使冷却水流速增大，增加冷却效果；冷却环分流处的圆角设计可以减小冷却水的流动阻力和能量损失；外冷却通道靠近转子和前轴承，可以提高冷却性能；螺旋冷却通道使冷却水沿螺旋方向流动，冷却定子，与轴芯内部的冷却通道配合，冷却整个主轴；主轴外壳采用碳纤维材料，散热效果较好，能够减轻自身重量，有利于环保。

Description

一种高效的高速电主轴轴芯冷却装置
技术领域
本发明属于工业冷却技术领域，尤其涉及一种高效的高速电主轴轴芯冷却装置。
背景技术
高速电主轴是高精密数控机床的重要加工部件，其内部由电机直接驱动，省去了中间传动部分，可以减少摩擦阻力，提高工作效率和加工精度。随着电主轴转速的提高，内部部件趋于集成化，工作中会产生大量的热量，使得刀尖产生热变形，定位发生偏差，加工精度降低，甚至导致机械故障。高速电主轴一般采用定子冷却方式，此方法难以有效减少内部的热量，轴芯冷却可以有效改善此问题，但目前对于轴芯冷却的研究相对较少，传统的轴芯冷却技术通常是在内部设置冷却路径，对整个主轴进行冷却。由于主轴的冷却路径必须经过高精度加工，以防止不平衡振动，此设计会引起成本高、效率低等问题，设计合理的冷却路径可以解决此问题。因为主轴的前端设计较后端相对复杂，热膨胀一般发生在前端，主轴刚度也几乎由前轴承刚度决定，所以需要在冷却主轴轴芯时，加强对前端的冷却效果。在此背景下提出的本发明为高速电主轴的轴芯冷却技术的研究提供一些参考和借鉴。
发明内容
本发明的目的是针对现有的对高速电主轴内部冷却技术研究的不足，存在冷却路径的成本过高、效率低等问题，提供一种高效的高速电主轴轴芯冷却装置。
一种高效的高速电主轴轴芯冷却装置，它包含主轴前后轴承、电机定子、电机转子、轴芯、冷却水套、主轴外壳。其特征在于：所述冷却水套套装在外壳中，所述冷却水套与电机定子过盈配合，所述电机定子与转子过盈配合，所述电机转子与轴芯过盈配合，所述主轴前后轴承分别与轴芯过盈配合。
所述主轴在轴芯位置加工冷却通道，利用冷却液体由主轴后方进入轴芯内部进行冷却，从主轴前端流出，并接入工业冷水机循环利用；所述冷却通道分为前后两部分；所述前冷却通道由中央冷却通道和外冷却通道组成；所述外冷却通道分为上冷却通道、下冷却通道、左冷却通道和右冷却通道；所述外冷却通道靠近前轴承和转子；所述前冷却通道在分流处的入口和出口处设有上、下冷却环用于分流；所述后冷却通道直径大于前冷却通道；所述上、下冷却环分流处有五个通孔；所述冷却环分流处及冷却通道拐角处采用圆角设计；所述轴芯尾部设有一个径向冷却孔，与内部冷却通道相连，接入工业冷水机，方便通入冷却水；所述电机套筒采用螺旋冷却通道方式对电机定子冷却，冷却水的入口和出口与工业冷水机相连；所述高速电主轴采用碳纤维外壳。
本发明的有益效果是：
1、本发明设计的轴芯内部设有冷却通道，冷却水对后轴承区域进行冷却后，主要对前轴承区域进行冷却，从而达到对整个轴芯冷却的效果。通过通道的设计，冷却水与电机转子之间也会发生换热，降低内部热量，有效抑制主轴的热伸长，并且可以减少高精度加工的零件数量，降低成本，减少振动源，防止不平衡振动，提高可靠性。
2、本发明设计的后冷却通道的直径大于前冷却通道的直径，在相同的流动速度下，冷却水经过后冷却通道到达下冷却环处分流时，冷却通道直径的减小可以增加通道内压力，使得流动速度增加，快速换热，加强冷却效果，同时加快循环流动，提高工作效率。
3、本发明设计的上、下冷却环在分流通道以及冷却通道的拐角处采用圆角设计，相比于传统的直角设计，圆角设计可以在改变通道内冷却水流动方向时，减少流动阻力和能量消耗，流动速度得到提高，在循环过程中，有益于保持冷却能力和效果。
4、本发明设计的外冷却通道更靠近前轴承和转子等其他前端部件，冷却水经过外冷却通道时，可以更接近热源，增强冷却效果；中央冷却通道冷却轴芯内部，与外冷却通道共同作用，冷却主轴的前端部件，有效减少高速电主轴的前端热量；后冷却通道冷却轴芯后端以及后轴承，与前冷却通道共同作用，冷却整个轴芯，可以防止温度分布不均，引发故障。
5、本发明设计的高速电主轴的电机套筒采用螺旋冷却水套，使得冷却水从螺旋通道后端入口流向前端出口，利用工业冷水机循环工作，与电机定子产生换热，有效冷却定子，通过与轴芯内部的设计相配合，达到同时冷却电机定子和转子的效果。
6、本发明设计的高速电主轴外部采用碳纤维外壳，使得外部散热效果较好，减轻高速电主轴自身的重量，安装方便，耐磨损性强，清理简单，节约材料，有益于环保。
附图说明
图1是高速电主轴剖视图。
图2是轴芯剖视图。
图3是冷却通道示意图。
图4是轴芯外观示意图。
图5是螺旋冷却水套示意图。
图6是碳纤维外壳示意图。
图中标记：1-前轴承；2-电机转子；3-电机定子；4-螺旋冷却水套；5-碳纤维外壳；6-轴芯；7-冷却通道；8-后轴承；9-上冷却通道；10-左冷却通道；11-中央冷却通道；12-下冷却通道；13-右冷却通道；14-上冷却环；15-下冷却环；16-后冷却通道。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图6说明本实施方式，本实施方式所述一种高效的高速电主轴轴芯冷却装置，它包含前轴承(1)、电机转子(2)、电机定子(3)、螺旋冷却水套(4)、碳纤维外壳(5)、轴芯(6)、冷却通道(7)、后轴承(8)、上冷却通道(9)、左冷却通道(10)、中央冷却通道(11)、下冷却通道(12)、右冷却通道(13)、上冷却环(14)、下冷却环(15)、后冷却通道(16)。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述主轴碳纤维外壳(5)与螺旋冷却水套(4)过盈配合，螺旋冷却水套(4)与电机定子(3)过盈配合，冷却水能够通过螺旋冷却水套(4)冷却电机定子(3)达到冷却效果，电机转子(2)与定子(3)过盈配合。
具体实施方式三：结合图2-图4说明本实施方式，本实施方式所述轴芯(6)处设有冷却通道(7)，冷却通道(7)的冷却水从后冷却通道(16)流向下冷却环(15)，冷却轴芯(6)和后轴承(8)，在下冷却环(15)处，分别流向5个前冷却通道。此设计可以加强对主轴前端的冷却，以此冷却整个轴芯(6)，有效抑制主轴的热伸长，并且可以减少高精度加工的零件数量，降低成本，减少振动源，防止不平衡振动，提高可靠性。
具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式所述中央冷却通道(11)冷却轴芯(6)内部，外冷却通道分别为上冷却通道(9)、左冷却通道(10)、下冷却通道(12)、右冷却通道(13)，且靠近前轴承(1)和电机转子(2)。此设计可以使冷却水接近内部热源，有效冷却主轴前端部件和轴芯内部，加强冷却效果。
具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式所述后冷却通道(16)的直径大于前冷却通道，在冷却水经过下冷却环(15)处分流时，在相同的流动速度下，冷却通道直径的减小可以增加压力，使得流动速度增加，加强冷却效果，同时加快流动循环，提高工作效率。
具体实施方式六：结合图3说明本实施方式，本实施方式所述冷却通道(7)的上冷却环(14)和下冷却环(15)的分流处以及通道拐角处为圆角设计，此圆角可以减小流动阻力和能量损耗，加快通道内部的流动速度，保持冷却能力，加强冷却效果。
具体实施方式七：结合图5说明本实施方式，本实施方式所述螺旋冷却水套(4)使冷却水从后端流入，通过前端流出，并接入工业冷水机，循环使用，此设计可以冷却电机定子(3)，与冷却通道(7)共同作用，减少电主轴内外热量，冷却整个电主轴。
具体实施方式八：结合图6说明本实施方式，本实施方式所述碳纤维外壳(5)材料散热性好，重量较轻，拆卸方便，易于清理，节省材料，有利于环保和回收再利用。

Claims (7)

1.一种高效的高速电主轴轴芯冷却装置，其特征在于：所述螺旋冷却水套(4)与碳纤维外壳(5)过盈配合；所述电机定子(3)与螺旋冷却水套(4)过盈配合；所述电机转子(2)与电机定子(3)过盈配合；所述前轴承(1)与后轴承(8)分别过盈配合在轴芯(6)上；所述轴芯(6)内部设有冷却通道(7)；所述轴芯(6)后端中心处设有后冷却通道(16)；所述后冷却通道(16)前端设有下冷却环(15)；所述下冷却环(15)上分布有上冷却通道(9)、下冷却通道(12)、中央冷却通道(11)、左冷却通道(10)、右冷却通道(13)五个前冷却通道；所述冷却通道(7)上端设有上冷却环(14)。
2.根据权利要求1所述一种高效的高速电主轴轴芯冷却装置，其特征在于：所述冷却通道在冷却主轴后端的基础上，更加强对前端的冷却，从而达到对整个轴芯冷却的效果，并且可以减少高精度加工的零件数量，降低成本，减少振动源，防止不平衡振动，提高可靠性。
3.根据权利要求1所述一种高效的高速电主轴轴芯冷却装置，其特征在于：所述的轴芯结构要求满足五个前冷却通道直径小于后冷却通道，起到加快冷却水流动速度，增强冷却效果的作用。
4.根据权利要求1所述一种高效的高速电主轴轴芯冷却装置，其特征在于：所述除中央冷却通道外，四个外冷却通道靠近前轴承和转子，使得冷却水接近热源，起到加强冷却效果的作用。
5.根据权利要求1所述一种高效的高速电主轴轴芯冷却装置，其特征在于：所述上、下冷却环的冷却水分流处采用圆角设计，起到减小流动阻力和能量损耗的作用。
6.根据权利要求1所述一种高效的高速电主轴轴芯冷却装置，其特征在于：所述的电机套筒外部设有螺旋冷却通道，冷却水可以从螺旋冷却通道后端流入沿冷却通道流动带走热量，起到冷却定子的作用。
7.根据权利要求1所述一种高效的高速电主轴轴芯冷却装置，其特征在于：所述的电机外壳采用碳纤维材料，散热效果较好，可以减轻重量，拆卸方便，便于清洁，节省材料，有利于环保和回收再利用。
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