TW202019610A - 具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統 - Google Patents

Abstract

一種具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統，包括：主軸單元、夾具單元、銅製導熱軸套、鋁製散熱套環以及鋁製散熱套環；主軸單元的端部設有安裝部；夾具單元具有一桿身，桿身一端部可卸除地固設於安裝部，桿身另一端部設有工具頭夾持部；銅製導熱軸套係套設並緊固於該桿身；鋁製散熱套環係套設並緊固於該銅製導熱軸套，其外表面具有散熱結構；工具頭單元可卸除地固設於工具頭夾持部，其包含一加工工件的頭端與供插入該工具頭夾持部的安裝端，安裝端的面向工具頭夾持部的端面與工具頭夾持部保持一間隔空間而使端面不抵接於工具頭夾持部。

Description

具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統

本發明為一種轉軸散熱系統，特別是有關於應用在組合式的、轉動的加工工具上的具高吸熱銅製導熱軸套與高散熱鋁製散熱套環的轉軸散熱系統。

以一旋轉軸轉動其加工工具(如刀具、研磨輪、摩擦攪拌工具)接觸工件的工具機而言，當加工工具接觸工件的過程，該加工工具會產生高溫(例如摩擦攪拌銲接過程中，摩擦攪拌頭會產生高溫500度C以上)，此情形在產品進入量產製造時，該加工工具產生的持續加工高溫會傳遞至設備主軸，長久下來會加速設備內部零件損壞，而在摩擦攪拌銲接領域，尤其在生產鋁合金厚板產品，或是近年來熱門之高熔點材料銲接，攪拌之高溫皆會使設備零件加速損耗與攪拌頭磨損。

以摩擦攪拌銲接工具機為例，如圖1所示，傳統的摩擦攪拌工具為一體式設計，即攪拌頭121與安裝至主軸單元1之安裝部122為一體成形之單一材質設計的一體式攪拌工具12，而此結構設計較易使加工時的熱量直接地、大量地傳遞至該主軸單元1，進而影響主軸單元1的壽命。

本發明的目的在於應用夾具將工具頭固定於工具機主軸的組合式刀具，並在夾具上結合一高傳熱材料的銅製導熱軸套吸收夾具單元上的熱量、再將一鋁製散熱套環套設於該銅製導熱軸套上，將該銅製導熱軸套所吸收的熱量快速氣冷散熱，且可進一步利用主軸單元轉動的扭矩，產生氣流循環散熱，提昇散熱效率。

為達成上述目的，本發明提供一種具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統，包括：一主軸單元，係提供一轉動扭力，其端部設有一安裝部；一夾具單元，其具有一桿身，該桿身一端部係可卸除地固設於該安裝部，以使該夾具單元隨著該主軸單元轉動，該桿身另一端部設有一工具頭夾持部；一銅製導熱軸套，係套設並緊固於該桿身；一鋁製散熱套環，係套設並緊固於該銅製導熱軸套，其外表面具有散熱結構；一工具頭單元，係可卸除地固設於該工具頭夾持部，其包含一加工工件的頭端與供插入該工具頭夾持部的安裝端，面向該工具頭夾持部的該安裝端的的端面與該工具頭夾持部保持一間隔空間而使該端面不抵接於該工具頭夾持部。

在一實施例中，該工具頭單元係一切削刀具、研磨刀具或銲接工具。

在一實施例中，該工具頭單元係一摩擦攪拌銲接工具。

在一實施例中，該銅製導熱軸套係以熱套組配方式安裝於該桿身。

在一實施例中，該夾具單元之該工具頭夾持部較該桿身凸出，而形成一肩部，且該銅製導熱軸套係抵靠於該肩部。

在一實施例中，該鋁製散熱套環的該散熱結構係為數個相間隔之徑向向外突出的環形翼片。

在一實施例中，該鋁製散熱套環的該散熱結構係為數個整周等角環繞之軸向向外突出的葉片。

在一實施例中，該些葉片係使該夾具單元旋轉時將該葉片外圍的空氣引導往遠離該桿身的方向流動。

在一實施例中，該主軸單元係設置於一工具機機座，該工具機機座可隨著該主軸單元同步移動，但不隨之轉動，該轉軸散熱系統更包含一導流罩單元，其係具有一固定部及一罩體部，該固定部用以安裝至該工具機之機座上並籠罩該主軸單元，該罩體部一側具有一朝向該鋁製散熱套環的罩口，該導流罩單元靠近該主軸單元處設置有多個貫穿孔。

在一實施例中，該罩體部設有一由該罩口向該固定部收縮之錐面。

本發明的特點在於，本發明應用組合式刀具(由夾具單元、風葉單元、工具頭單元組合)安裝於主軸單元，使工具頭單元的熱量不會直接地由軸心大量地傳導至主軸單元。本發明以熱傳遞率(Thermal Conductivity)高的銅作底材(銅製導熱軸套)，緊密套接於夾具單元，將由工具頭單元加工時產生的熱量，由軸心外徑將熱量傳遞至該銅製導熱軸套，再以比熱容(Specific Heat Capacity)雖大於銅，但密度遠小於銅的鋁材之鋁製散熱套環套設於該銅製導熱軸套外徑，將該銅製導熱軸套傳過來的熱量快速空冷。本創作於該鋁製散熱套環外表面設置散熱結構，巧妙地結合主軸單元加工時的轉動動力，可更進一步 主動地、不斷地與空氣主動接觸，並攪動風流，進而可在不需額外提供動力之下，提昇熱交換效能。

A‧‧‧工具機

B‧‧‧機座

AF‧‧‧氣流

HF‧‧‧熱流

S‧‧‧間隔

X‧‧‧中心軸

W‧‧‧工件

1‧‧‧主軸單元

11‧‧‧安裝部

12‧‧‧一體式攪拌頭

121‧‧‧攪拌頭

122‧‧‧安裝部

2‧‧‧夾具單元

21‧‧‧桿身

22‧‧‧工具頭夾持部

23‧‧‧肩部

3‧‧‧銅製導熱軸套

35‧‧‧鋁製散熱套環

351‧‧‧散熱結構

3511‧‧‧環形翼片

3512‧‧‧葉片

4‧‧‧工具頭單元

41‧‧‧頭端

42‧‧‧安裝端

421‧‧‧端面

5‧‧‧導流罩單元

51‧‧‧固定部

52‧‧‧罩體部

521‧‧‧罩口

53‧‧‧錐面

54‧‧‧貫穿孔

[圖1]為先前技術之一體式的工具頭單元；[圖2]為本發明之具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統之前視分解圖；[圖3]為本發明之具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統之組合式刀具的立體分解圖；[圖4]為圖3之前視剖視圖；[圖5]為本發明之具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統的散熱結構為環形翼片實施例的前視剖視圖；[圖6]為本發明之具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統的散熱結構為葉片實施例的前視剖視圖；[圖7]為圖2之加工時的前視組合圖。

茲配合圖式將本創作實施例詳細說明如下，其所附圖式主要為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本創作之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本創作有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

請參照圖2、圖3、圖4及圖6所示。本實施例之具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統，其主要係應用於一轉軸(例如一工具機A主軸)上，其包括：主軸單元1、夾具單元2、銅製導熱軸套3、鋁製散熱套環35以及工具頭單元4。該主軸單元1，係提供一轉動扭力，主軸單元1的端部設有一安裝部11；該夾具單元2，一般為鋼製品，其具有一桿身21，該桿身21一端部係可卸除地固設於該主軸單元1的該安裝部11，以使該夾具單元2隨著該主軸單元1的轉動而轉動，該桿身21另一端部設有一工具頭夾持部22；該銅製導熱軸套3，係套設並緊固於該桿身21，其緊固方式可採用熱套組配方式為之，但不以此緊固工法為限；鋁製散熱套環35係套設並緊固於該銅製導熱軸套3的外徑，鋁製散熱套環35的外表面具有散熱結構351；該工具頭單元4(該工具頭單元4可為切削刀具、研磨刀具或銲接工具，例如本實施例引用之摩擦攪拌銲接工具)，係可卸除地固設於該夾具單元2的該工具頭夾持部22，以隨著該夾具單元2的轉動而轉動。上述夾具單元2、銅製導熱軸套3、鋁製散熱套環35、工具頭單元4組合為一組合式刀具。

如圖6所示，藉由上述結構，當該主軸單元1轉動而對工件W加工時，該鋁製散熱套環35即可隨之旋轉，因此該散熱結構351可導引該組合式刀具的外部空氣與組合式刀具上的熱量形成循環氣流而產生散熱作用，例如，該散熱結構351係為數個沿周面等角間隔環繞之向外突出的葉片3512，應用其傾角或曲面造形，使該夾具單元2旋轉時將該葉片3512外圍的空氣攪動(該些葉片3512係使該夾具單元2旋轉時將該葉片3512外圍的空氣引導往遠離該桿身21的方向流動)，如圖6之虛線箭頭標示之氣流AF。

當然，另一實施例中，如圖5所示，該鋁製散熱套環35的該散熱結構351係為數個沿中心軸X軸向相間隔之徑向向外突出的環形翼片3511，而當 工具頭單元4的熱量大量傳至銅製導熱軸套3及鋁製散熱套環35的環形翼片3511時，可快速地進行空冷，降低該工具頭單元4的傳遞至主軸單元1的熱量。

進一步地，如圖2、圖7所示，該主軸單元1係設置於一工具機A機座B上，該工具機A的機座B可隨著該主軸單元1同步移動，但不隨之轉動，該轉軸散熱系統更包含一導流罩單元5，其係具有一固定部51及一罩體部52，該固定部51用以安裝至該工具機A之機座B上並籠罩該主軸單元1，該罩體部52一側具有一朝向該工具頭單元4的罩口521。另外，導流罩單元5靠近該主軸單元1處設置有多個貫穿孔54。

在一導流罩單元5的實施例中，該罩體部52設有一由該罩口521向該固定部51收縮之錐面53。

在一實施例中，如圖3、圖7所示。本實施例中，該工具頭單元4包含一加工一工件W的頭端41與供插入該工具頭夾持部22的安裝端42，在安裝後(通常的安裝方式為該工具頭夾持部22設置一下凹之螺孔、該安裝端42設置一凸伸之螺桿，兩者互相螺鎖固定)，面向該工具頭夾持部22的該安裝端42之端面421與該工具頭夾持部22保持一充滿空氣的間隔S(如圖5所示)而使該端面421不抵接於該工具頭夾持部22(如圖5所示)，以減少該工具頭單元4的熱量由軸心直接傳遞至該夾具單元2的途徑。該工具頭單元4於加工產生的熱量傳遞至該銅製導熱軸套3時，該銅製導熱軸套3可快速地吸收其熱量，並傳遞至該鋁製散熱套環35，再由散熱快的鋁製散熱套環35散發至空氣中(如圖7之實線箭頭標示之熱流HF至氣流AF的路徑)，而能減少由該工具頭單元4傳導至該夾具單元2的熱量。

為使該銅製導熱軸套3、鋁製散熱套環35牢牢地安裝在該夾具單元2的該工具頭夾持部22上，該工具頭夾持部22係凸出於該桿身21而形成一肩部23，且該銅製導熱軸套3、該鋁製散熱套環35係抵靠於該肩部23，如圖3、圖4所示。

上述實施形態僅例示性說明本創作之原理、特點及其功效，並非用以限制本創作之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本創作之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本創作所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。因此，本創作之權利保護範圍，應如申請專利範圍所列。

A‧‧‧工具機

B‧‧‧機座

AF‧‧‧氣流

HF‧‧‧熱流

W‧‧‧工件

1‧‧‧主軸單元

11‧‧‧安裝部

2‧‧‧夾具單元

22‧‧‧工具頭夾持部

3‧‧‧銅製導熱軸套

35‧‧‧鋁製散熱套環

3512‧‧‧葉片

4‧‧‧工具頭單元

41‧‧‧頭端

5‧‧‧導流罩單元

51‧‧‧固定部

52‧‧‧罩體部

521‧‧‧罩口

53‧‧‧錐面

54‧‧‧貫穿孔

Claims (10)

1. 一種具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統，包括：一主軸單元，係提供一轉動扭力，其端部設有一安裝部；一夾具單元，其具有一桿身，該桿身一端部係可卸除地固設於該安裝部，以使該夾具單元隨著該主軸單元轉動，該桿身另一端部設有一工具頭夾持部；一銅製導熱軸套，係套設並緊固於該桿身；一鋁製散熱套環，係套設並緊固於該銅製導熱軸套外徑，其外表面具有散熱結構；以及一工具頭單元，係可卸除地固設於該工具頭夾持部，其包含一加工工件的頭端與供插入該工具頭夾持部的安裝端，面向該工具頭夾持部的該安裝端的端面與該工具頭夾持部保持一間隔空間而使該端面不抵接於該工具頭夾持部。
2. 如請求項1所述之具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統，其中該工具頭單元係一切削刀具、研磨刀具或銲接工具。
3. 如請求項1所述之具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統，其中該工具頭單元係一摩擦攪拌銲接工具。
4. 如請求項1所述之具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統，其中該銅製導熱軸套係以熱套組配方式安裝於該桿身。
5. 如請求項1所述之具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統，其中該夾具單元之該工具頭夾持部較該桿身凸出，而形成一肩部，且該銅製導熱軸套係抵靠於該肩部。
6. 如請求項1所述之具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統，其中該鋁製散熱套環的該散熱結構係為數個沿中心軸軸向相間隔之徑向向外突出的環形翼片。
7. 如請求項1所述之具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統，其中該鋁製散熱套環的該散熱結構係為數個沿周面等角間隔環繞之向外突出的葉片。
8. 如請求項7所述之具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統，其中該些葉片係使該夾具單元旋轉時將該葉片外圍的空氣引導往遠離該桿身的方向流動。
9. 如請求項1所述之具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統，其中該主軸單元係設置於一工具機機座，該工具機機座可隨著該主軸單元同步移動，但不隨之轉動，該轉軸散熱系統更包含一導流罩單元，其係具有一固定部及一罩體部，該固定部用以安裝至該工具機之機座上並籠罩該主軸單元，該罩體部一側具有一朝向該工具頭單元的罩口，該導流罩單元靠近該主軸單元處設置有多個貫穿孔。
10. 如請求項9所述之具高導熱率與高散熱率之轉軸散熱系統，其中該罩體部設有一由該罩口向該固定部收縮之錐面。

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