CN2030930U - 精密主轴系统的隔热冷却套环 - Google Patents

Abstract

高速精密机床的加工误差在很大程度上由主轴和主轴箱体的热变形引起。本实用新型装置能将主轴系统的热源与主轴和箱体之间的导热通道隔断，绝大部分热量将不经过主轴和箱体而导向系统外界，从而使箱体的主轴的热变形量减少90％以上。该装置简单可靠，价廉易制，不改变原主轴系统的基本结构。

Description

本实用新型属于机床制造技术。

高速精密机床的加工误差大部分由主轴系统的热变形引起。为了减少机床的热变形，大量的机床采用以下两种冷却方式。第一种是在工件与刀具，或工件与砂轮上冲淋大量冷却液的外冷却法。第二种是在主轴轴承内即滚动轴承的内、外圈之间通以大量的润滑油，把轴承产生的热量由冷却润滑油带走。这就是所谓的内冷却法。但是，外冷却法只能减少外部热源对主轴系统的影响，不能消除主轴系统内部热源如轴承、密封圈等引起的热变形。内冷却法必须使已流过轴承的高温油液直接引到主轴系统的外部进行冷却降温处理，不能让它与主轴系统的其他元件相接触，否则油中的热量又会传给系统自身引起热变形。这种冷却对密封圈和主轴之间产生的热量不起作用。内冷却的油液引导装置和油循环系统的结构复杂，而且需要外加一套油液的冷却设备，整套冷却装备造价昂贵。另一方面，轴承中流过过多的润滑油，增加了油液扰动损耗，加大了阻力矩和能量消耗。因此，目前采用的机床冷却方法是不经济不全面有效的冷却方法。

本实用新型的目的是在主轴系统的内部热源和别的零件之间设置障碍，阻碍热量向这些零件的传导，同时把热源的热量由障碍中的流动介质导向系统外部，使主轴系统在不增加能量损耗的条件下把热变形减至最小限度。

本实用新型的结构由两大部份组成。第一部分是处于热源与包围热源的元件之间的外冷却套环，如图1中的8。图1为它在系统中的安装部位示意图。套环的内径D′与作为系统内部热源的轴承1的外圈12或密封环外径相配合；套环外径D与机座13或箱体的孔紧密配合，并在两端接缝9和14处涂有密封胶以防止泄漏。套环的外圆周上制有环形或螺旋型的单方向外冷却液通道10，用以冷却剂的单向流通。通道的形状和开口位置的选择以保证冷却剂在套内单方向流动且不造成滞留为原则。通道的宽度b视热源的种类不同而不同，以不减弱轴系统的支承刚度为原则。如果被隔绝的热源是滚动轴承，则通道宽度b不得大于轴承宽度B的75％，若热源为滑动轴承，则通道的宽度不得大于滑动轴承宽度的20％，而且通道宽度与圈数的乘积不得大于滑动轴承宽度的65％；若热源为非承力部件，如密封圈，则通道的宽度b可为密封圈宽度的1.1倍，通道的深度h（图1）为套环原H的0.2～0.8倍。套环厚度H为其内径D′的0.1～0.2倍。本实用新型的第二个组成部分是处于热源（轴承或密封环）与主轴之间的内阻热冷却层。该层的结构有两种形式（图1，图2）。各种形式都遵照两个共同的原则：一、冷却剂的通道必须保证冷却剂作单方向流动；二、冷却剂的通道尽可能靠近热源。设置内阻热冷却层的目的是阻止热源（轴承或密封环）中产生的热量向轴芯传递，以减少主轴的热变形。对于图1中的结构，首先在主轴5安装轴承或密封环的轴段上，将原来的直径d切制成d′，使d′／d＝0.98～0.90。然后在直径为d′的轴段上切制一螺旋型内冷却液通道孔11，供冷却剂流通，螺旋槽的尺寸遵照前述的外阻热套环的原则，在螺旋通道的起端与末端分别钻径向圆孔6和15与轴心通孔4接通。在直径为d′的轴段上用热配法安装内冷却套环2，使整段螺旋通道封住。内冷却套环2在轴上固定后将其外径精加工至与轴承内圈7或密封环内孔相配合的尺寸d。中心通孔4在径向圆孔6与15之间用橡胶塞3加环氧树脂堵塞阻止冷却剂直接从通孔流过。这样轴系在工作时，由主轴5一端由通孔4导入的冷却剂将流经径向孔6到螺旋形内冷却液通道孔11，把轴承内圈7传入的热量吸入冷却剂然后经径向孔15和中心孔4流向另一端的轴承，作同样循环后由孔4导出主轴。冷却剂一般可用自来水或切削液或其他冷却剂，其温度低于主轴温度，有较大的热容量，在内外阻热冷却却层，形成一个低温隔热层，阻止机架和主轴吸收热量，可有效地减少主轴系统的热变形。内阻热冷却层还可采取图2的形式：在主轴5的安装轴承段，沿圆周方向钻一圈与轴线平行的小孔11，然后在每一小孔的两端钻一同样直径的圆孔6和15，使之与轴中心通孔4相接通。全部小孔的总面积为中心通孔4的截面积的1.5～3倍。小孔11的中心线圆周直径φ与小孔直径b之和比轴径d小1～2毫米。在通孔4的中部，即孔6与15之间的这一段上以及孔11，15，6的开口处都用密封材料加以堵塞。这样冷却液从孔4的一端导入经径向孔6流入孔11，在热源与轴芯之间形成阻热冷却层，然后又经径向孔15流入通孔4，最后向外导出。图3是图2A－A处的剖面图。

本实用新型与已有技术相比具有4个突出的优点：

1.冷却剂的来源广，要求低，既可用自来水，也可用机床现成的切削液，不必用净化要求很高的冷却润滑油。

2.对冷却剂不必象轴承内冷技术那样特别配置一套降温系统，因而造价低，维护方便。

3.不会造成额外的动力损耗，节省能源。

4.有效地对热源进行了隔热冷却，主轴系统的热变形极小。

附图说明：

图1  装有隔热冷却套环的金刚石滚轮修整器：

1——轴承；2——内冷却套环；3——橡胶塞子；

4——中心通孔；5——主轴；6——径向孔；

7——轴承内圈；8——外冷却套环；

9——密封胶；10——外冷却液通道；

11——内冷却液通道孔；12——轴承外圈；

13——机架；14——密封胶；15——径向孔

D——外冷却套环外径；H——外冷却套环壁厚；

h——外冷却液通道深度；b——外冷却液通道宽度；

B——轴承宽度；D′——外冷却套环的内径；

d——内冷却套环的外径；d′——内冷却套环的内径。

图2  内隔热冷却层的第二种形式

3——橡胶塞；4——中心通孔；5——主轴；

6——径向孔；11——内冷却液通道孔；

15——径向孔；d——内隔热冷却层外径；

φ——内冷却液通道孔中心的分布圆直径；

b——内冷却液通道孔直径；A－A——径向剖面位置。

图3  图2中的A－A剖面图

3——橡胶塞；4——中心通孔；6——径向孔；

11——内冷却液通道孔；b——内冷却液通道孔直径；

φ——内冷却液通道孔中心的分布圆直径。

图4  使用本冷却隔热套环前后的热变形实测值比较

I——未使用冷却隔热套环时，图1系统中滚轮的热位移实测曲线；

Ⅱ——使用冷却隔热套环后，同一系统互相同运转条件下下的滚轮热位移实测曲线。

下面通过附图说明一实施例。

图1是一金刚石滚轮修整器。通过金刚石滚轮    与磨床上砂轮的对滚达到对砂轮的成形修整目的。由于金刚石价格昂贵，金刚石滚轮直径一般都较小，比砂轮直径小好多倍，而修整时金刚石的最大线速却不能低于砂轮线速，因此金刚石滚轮的转速要求很高。转速提高时修整器轴承的发热剧烈使金刚石滚轮产生很大的热位移。在未采用隔热冷却环套时，在不同转速条件下对金刚石滚轮的轴向热位移△Z和径向热位移△X进行测量，其结果如图4的曲线I所示。当转速为6000转／分时，滚轮的轴向热位移△Z达51微米，径向热位移△X为38微米，金刚石滚轮的热位移直接造成成形砂轮的形状误差。从实测的结果看，已大大超出砂轮形状误差的允许范围，因而原来未加隔热冷却套环的修整装置是没有实用价值的，再要提高转速也是不可能的。后来在原装置基础上加了隔热冷却套环，其余结构条件都未改变，如图1所示。在隔热冷却套环中加冷却液的条件下，重复上述试验，当转速递增时，热位移只是缓慢地上升如图4中曲线Ⅱ的△Z与△X所示，与未改装前相比，同样在转速为6000转／分时，滚轮的轴向与径向热位移△Z和△X都只有3微米，分别为未改装时的6％和8％。热稳定性提高了十倍以上，而且装置可以在更高的转速下工作也不会超差。

Claims (7)

1、主轴系统的隔热冷却套环，其特征是在轴承外圈12或密封环的外圆装有外冷却套环8，其外径与对应的机座孔紧配，套环8的外圆周上制有环形或螺旋形的单向外冷却液通道10；在轴承或密封环与主轴之间设有内阻热冷却层，即在主轴5安装轴承或密封环的轴段上将其直径d切制成d′，然后切制螺旋形内冷却液通道孔11，在螺旋通道的起端与末端分别钻径向圆孔6和15都与中心通孔4接通，通孔4内在径向孔6与15之间用橡胶塞3加环氧树脂堵塞，在直径d′的轴段外圆上热配有内冷却套环2，其直径d与轴承内圈或密封环内孔相配合。

2、按权利要求1所述的冷却套环，其特征是外冷却套环8两端与机座的接缝9和14处涂有密封胶。

3、按权利要求1所述的冷却套环，其特征是外冷却套环通道宽度b：当热源是滚动轴承时，不得大于轴承宽度B的75％；当热源为滑动轴承时不得大于滑动轴承宽度的20％，而且通道宽度6与圈数的乘积不得大于滑动轴承宽度的65％；当热源为承力部件如密封圈时，其值为密封圈宽度的1.1倍。

4、按权利要求1所述的冷却套环，其特征是外冷却液的通道深度h为套环厚度H的0.2～0.8倍，厚度H为套环内径D′的0.1～0.2倍。

5、按权利要求1所述的冷却套环，其特征是所述轴段直径比d′／d＝0.98～0.90

6、按权利要求1所述的冷却套环，其特征是在主轴5安装轴承的轴段上，沿圆周方向钻一圈与轴线平行的小孔11，然后在每一小孔的两端分别钻径向小孔6和15都与中心通孔4接通，在通孔4的中部及孔11、15、6的开口处均用密封材料堵塞。

7、按权利要求1和6所述的冷却套环，其特征是全部小孔11的总面积为中心通孔4的截面积的1.5～3倍，各小孔11的中心线圆周直径φ与小孔11直径b之和比轴径d小1～2毫米。

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