TWI652134B - Cooling device and method for cooling the same - Google Patents

Abstract

本發明有關一種冷卻裝置，其包含有一個主軸固定座與多個導流件。主軸固定座具有一個主軸固定槽及多個互不相通之冷卻槽，該等冷卻槽環繞於主軸固定槽之周圍，各導流件具有多個隔板，各導流件以一對一的方式設於主軸固定座之冷卻槽內，使得導流件藉由該等隔板將冷卻槽區隔出一導流通道。藉此，本發明之冷卻裝置可以根據主軸之溫度分布讓冷卻流體進入一或多個冷卻槽，並由導流件所形成之導流通道來增加冷卻流體通過冷卻槽的距離以延長冷卻時間，冷卻流體在進入前述冷卻槽的流量大小及入口溫度可以隨時調整，進而讓主軸快速達到熱平衡的效果。

Description

冷卻裝置及使用其對加工機主軸進行冷卻之方法

本發明與用於加工機主軸之熱平衡技術有關，尤指一種可讓加工機主軸快速達到熱平衡之冷卻裝置，以及使用該冷卻裝置對該主軸進行冷卻之方法。

在加工機的運轉過程中通常是藉由馬達驅動主軸進行高速旋轉，由於主軸在高速旋轉之下會產生極為可觀的熱能，再加上機台之結構設計在主軸的前後方往往呈現出體積比例差異甚大的情況，所以如果沒有適當的散熱機制，主軸容易因為周遭區域的溫度分佈不均而出現熱變形的情況，如此將會對加工精度造成難以修正的影響。

目前較為常見的解決方式主要是配置一台冷卻機，利用冷卻機將冷卻流體降至一預設溫度後，利用一或多條管路將冷卻流體輸送至主軸對主軸進行散熱，但是一般冷卻機所輸出的冷卻流體通常都是定溫定量，由於定溫定量的冷卻流體所能調節的溫度範圍有限，而且一般無法在冷卻管路中提供分段、分區調節的冷卻能力，所以一旦主軸的溫升以及熱平衡性超過冷卻系統的調節範圍時，主軸仍然可能會產生熱變形，特別是不對稱形式的熱變形，亦即熱彎曲，進而影響主軸的加工精度及使用壽命。

本發明之主要目的在於提供一種冷卻裝置，其可讓主軸在不同轉速之下皆能快速達到熱平衡，進而提升加工精度及延長使用壽命。

為了達成上述目的，本發明之冷卻裝置包含有一個主軸固定座與多個導流件。該主軸固定座具有一主軸固定槽、多個進水口、多個出水口及多個冷卻槽，該等冷卻槽環繞於該主軸固定槽之周圍且彼此之間互不相通，該等冷卻槽分別連通一該進水口與一該出水口；各該導流件具有多個隔板，各該導流件以一對一且可拆卸的方式設於該主軸固定座之冷卻槽內，使得各該導流件藉由該等隔板將該主軸固定座之冷卻槽區隔出一導流通道。

由上述可知，本發明之冷卻裝置藉由該主軸固定座安裝於該主軸之後，根據該主軸的溫度分布讓該冷卻流體進入其中至少一個冷卻槽內，在該冷卻流體進入前述冷卻槽之後，藉由該導流件所形成之導流通道來增加該冷卻流體的流動距離，以延長該冷卻流體通過前述冷卻槽的時間，並且可以根據該主軸之溫度變化而進一步配合其他元件(如控制閥及二次冷卻器)對個別冷卻槽內冷卻流體的流量大小及入口溫度進行調整，如此即可使該主軸快速達到熱平衡及保持熱穩定的效果。

更佳地，各該導流件之該等隔板為上下並排且間隔排列而為一上隔板與一下隔板，該上隔板具有一上抵靠端與一上導引端，該下隔板具有一下抵靠端與一下導引端，該上隔板之上抵靠端對應於該下隔板之下導引端，該上隔板之上導引端對應於該下隔板之下抵靠端，而且，該上隔板之上抵靠端與該下隔板之下抵靠端抵接於一該冷卻槽之兩相對端，該上隔板之上導引端與該下隔板之下導引端跟一該冷卻槽之兩相對端保持一預定距離，使得該導流通道呈現迂迴狀延伸。

更佳地，各該導流件之上、下隔板的內、外側邊抵接於該冷卻槽之周壁，且各該導流件更具有一支撐板，該支撐板連接該上、下隔板，該支撐板之外側面齊平於該上、下隔板之外側邊，該支撐板之頂端凸出於該上隔板之頂面，讓使用者方便將該導流件放入該冷卻槽內或者從該冷卻槽內取出，該支撐板之底端凸出於該下隔板之底面且抵接於該冷卻槽之底壁，使該上、下隔板將該冷卻槽區隔出該導流通道。

更佳地，該主軸固定座具有二相互對接之弧形蓋板與二相互對接之弧形座體，該二弧形蓋板分別設於一該弧形座體之一側面且具有該等進水口，該二弧形座體共同圍繞出該主軸固定槽，該二弧形座體具有該等冷卻槽與該等出水口。藉此，該主軸固定座可以方便組裝於該主軸或者從該主軸拆卸下來。

請先參閱第1至3圖，本發明之冷卻裝置10包含有一個主軸固定座20及多個導流件40。

如第1及2圖所示，主軸固定座20具有兩個弧形座體21與兩個弧形蓋板26。每一個弧形座體21具有兩個位於頂面之固定孔22與三個向上開放且互不相通之冷卻槽23，每一個弧形蓋板26具有兩個穿孔27，每一個弧形蓋板26利用兩個固定件29(如圖所示之螺絲)固定於一個弧形座體21之頂面，前述固定件29以一對一的方式穿經弧形蓋板26之穿孔27且鎖設於弧形座體21之固定孔22，使得兩個弧形蓋板26將所有冷卻槽23給遮蓋住，而且，兩個弧形座體21在相互對接之後會圍繞出一個被六個冷卻槽23以兩兩相對的方式所環繞之主軸固定槽12，主軸固定槽12主要是用來套設於一主軸14。

另一方面，如第3圖所示，每一個弧形座體21之底面具有三個出水口24，每一個弧形蓋板26之具有三個進水口28，進水口28、出水口24與冷卻槽23之間以一對一的方式相互連通。此外，每一個弧形座體21之頂面具有三個凹槽25，每一個凹槽25環繞於一個冷卻槽23之周圍，而且，如第4圖所示，每一個凹槽25內設有一個防水條30，如此可以進一步提升主軸固定座20的防水效果。

導流件40以一對一的方式跟冷卻槽23相互搭配，因此在數量方面為六個。如第3及5圖所示，導流件40具有一個上隔板41與一個下隔板44，上、下隔板41、44為上下並排且等間隔地設置，上隔板41具有一個上抵靠端42與一個上導引端43，下隔板44具有一個下抵靠端45與一個下導引端46，上隔板41之上抵靠端42對應於下隔板44之下導引端46，上隔板41之上導引端43對應於下隔板44之下抵靠端45。

此外，如第3圖所示，導流件40更具有至少一個支撐板47，支撐板47的數量可以根據實際需要而加以調整。舉例來說，若導流件40所對應到的冷卻槽23並非位於轉角處，支撐板47只要一個即可，此時的支撐板47連接於上、下隔板41、44之中間位置，但是如果導流件40所對應到的冷卻槽23剛好位於轉角處，為了增加組裝後的結構穩定性，支撐板47則是增加為兩個，在此情況下，兩個支撐板47連接於上、下隔板44之兩相對端，然而不論是一個或兩個支撐板47，支撐板47之外側面齊平於上、下隔板41、44之外側邊，且支撐板47之頂端凸出於上隔板41之頂面，且支撐板47之底端凸出於下隔板44之底面。

在導流件40組裝於冷卻槽23時，用手指抓住支撐板47之頂端，接著將所有導流件40一一放入冷卻槽23內，使支撐板47之底端確實抵接於冷卻槽23之底壁232，此時的導流件40藉由上、下隔板41、44將冷卻槽23區隔出一導流通道16(如第5圖所示)。在組裝完成之後，如第4及5圖所示，上、下隔板41、44之內、外側邊分別抵接於冷卻槽23之周壁234的兩相對側面，且上隔板41之上抵靠端42與下隔板44的下抵靠端45抵接於冷卻槽23之周壁234的兩相對端，且上隔板41之上導引端43與下隔板44之下導引端46分別跟冷卻槽23之周壁234的兩相對端保持一預定距離，使得導流通道16以迂迴延伸的方式呈現，最後再將弧形蓋板26鎖上，以確保冷卻槽23呈現密閉狀態。相反地，若要將導流件40取出時，先將弧形蓋板26拆下，使冷卻槽23呈現開放狀態之後，再用手指抓住導流件40之支撐板47的頂端，如此即可輕易地將導流件40從冷卻槽23內取出。

以上為本發明之冷卻裝置10的詳細結構，以下再就使用本發明之冷卻裝置10對主軸14進行冷卻之方法進行說明：

步驟a)：將主軸固定座20安裝於主軸14。在此一步驟當中，主軸固定座20藉由兩個弧形座體21將主軸14給夾持固定住，使主軸14位於主軸固定槽12內。

步驟b)：根據主軸14之溫度分布將冷卻循環機50所輸出之一冷卻流體18經由其中至少一個進水口28導入與其相連通之冷卻槽23內，在冷卻流體18進入冷卻槽23之後，如第7圖所示，藉由導流通道16增加冷卻流體18的流動距離，以延長冷卻流體18通過冷卻槽23的時間，接著冷卻流體18沿著導流通道16流至出水口24之後，冷卻流體18從出水口24流出冷卻槽23，進而再回到冷卻循環機50進行降溫，如此重複循環即可讓主軸14達到散熱效果。

在此一步驟當中，主軸14之溫度是利用多個安裝在不同位置的溫度感測器進行感測，並依據感測結果使用主控制閥52將冷卻流體18導入一個或多個冷卻槽23內，若高溫範圍僅侷限在一小部分，冷卻流體18只要通過相對應位置的一個冷卻槽23即可，若高溫範圍超過一個冷卻槽23所能涵蓋的區域時，冷卻流體18則是需要通過相對應位置的兩個或兩個以上的冷卻槽23。

步驟c)：根據主軸14之溫度變化調整冷卻流體18之流量大小及入口溫度。在此一步驟當中，由於主軸14在運作時的溫度分布通常是不均勻，也就是某些位置的溫度特別高，而某些位置的溫度稍微低一些，所以在主軸14的運作過程中，同樣利用前述溫度感測器進行感測，並依據感測結果使用主控制閥52對冷卻流體18的流量大小進行即時調整，對於溫度特別高的地方可以增加冷卻流體18的流量，對於溫度較低的地方可以減少冷卻流體18的流量，使通過不同冷卻槽23內之冷卻流體18具有不同的流量大小，進而使主軸14的溫度分布能夠達到均勻的效果。此外，在冷卻流體18進入冷卻槽23之前，可以選擇性使用二次冷卻器54微調冷卻流體18的溫度，方法為使用二次冷卻控制閥53調配通過二次冷卻器54之冷卻流體18的比例，然後再重新混合，以調節進入個別冷卻槽23的入口溫度。舉例來說，如第8圖所示，假設冷卻流體18的出口溫度為20度，總流量為30ccm，冷卻流體18被主控制閥52導入其中兩個冷卻槽23，主控制閥52分配給第一個冷卻槽23的流量為20ccm，另外10ccm則預備流進第二個冷卻槽23，但此時的流體溫度都是20度。如果第一個冷卻槽23的溫度需要降低，則啟動二次冷卻控制閥53，將分配給第一個冷卻槽23之冷卻流體18的其中15ccm流進溫度設定為10度的二次冷卻器54，剩下的5ccm不經過二次冷卻，兩者在二次冷卻器54的出口處進行混合，混合後的流體溫度會介於10~20度之間，如此即達成調配比例的效果。藉此，一方面可以因應主軸14之溫度變化與溫度分佈，微幅調整進入個別冷卻槽23的冷卻流體18溫度，另一方面可以避免冷卻流體18在輸送過程當中因受到其他熱能的影響而導致實際進入冷卻槽23的溫度跟最初從冷卻循環機50所輸出的溫度有太大的差異。

綜上所陳， 本發明之冷卻裝置10不僅具有易於組裝拆卸的特色，而且在冷卻管路中可以提供分段、分區的冷卻能力，並不需要改變現有加工機的結構設計即可動態調整主軸14的溫度分布，使主軸14在不同轉速之下皆能快速達到熱平衡及保持熱穩定的效果，進而提升加工精度及延長使用壽命。

10‧‧‧冷卻裝置

12‧‧‧主軸固定槽

14‧‧‧主軸

16‧‧‧導流通道

18‧‧‧冷卻流體

20‧‧‧主軸固定座

21‧‧‧弧形座體

22‧‧‧固定孔

23‧‧‧冷卻槽

232‧‧‧底壁

234‧‧‧周壁

24‧‧‧出水口

25‧‧‧凹槽

26‧‧‧弧形蓋板

27‧‧‧穿孔

28‧‧‧進水口

29‧‧‧固定件

30‧‧‧防水條

40‧‧‧導流件

41‧‧‧上隔板

42‧‧‧上抵靠端

43‧‧‧上導引端

44‧‧‧下隔板

45‧‧‧下抵靠端

46‧‧‧下導引端

47‧‧‧支撐板

50‧‧‧冷卻循環機

52‧‧‧控制閥

53‧‧‧二次冷卻控制閥

54‧‧‧二次冷卻器

第1圖為本發明之冷卻裝置的外觀立體圖。 第2圖為本發明之冷卻裝置在另一視角的外觀立體圖。 第3圖為本發明之冷卻裝置的立體分解圖。 第4圖為本發明之冷卻裝置的局部外觀立體圖，主要顯示導流件安裝於冷卻槽。 第5圖為本發明之冷卻裝置的局部剖視圖，主要顯示導流件將冷卻槽區隔出導流通道。 第6圖為本發明之冷卻裝置安裝於主軸的平面示意圖。 第7圖為本發明之冷卻裝置的局部剖視圖，主要顯示冷卻流體沿著導流通道流動。 第8圖為本發明之冷卻裝置的流程示意圖。

Claims (10)

1. 一種冷卻裝置，包含有：一主軸固定座，具有一主軸固定槽、多個進水口、多個出水口及多個冷卻槽，該等冷卻槽環繞於該主軸固定槽之周圍且彼此之間互不相通，該等冷卻槽分別連通一該進水口與一該出水口；以及多個導流件，分別具有多個隔板，各該導流件可拆卸地設於該主軸固定座之一該冷卻槽內，使得各該導流件藉由該等隔板將該主軸固定座之一該冷卻槽區隔出一導流通道。
2. 如請求項1所述之冷卻裝置，其中各該導流件之該等隔板為上下並排且間隔地設置。
3. 如請求項2所述之冷卻裝置，其中各該導引件之該等隔板為一上隔板與一下隔板，該上隔板具有一上抵靠端與一上導引端，該下隔板具有一下抵靠端與一下導引端，該上隔板之上抵靠端對應於該下隔板之下導引端，該上隔板之上導引端對應於該下隔板之下抵靠端，該上隔板之上抵靠端與該下隔板之下抵靠端抵接於一該冷卻槽之兩相對端，該上隔板之上導引端與該下隔板之下導引端分別跟一該冷卻槽之兩相對端保持一預定距離。
4. 如請求項3所述之冷卻裝置，其中各該冷卻槽具有一底壁與一周壁，該周壁連接於該底壁之周緣，各該導流件之上、下隔板的內、外側邊抵接於該周壁之兩相對側面，各該導流件更具有一支撐板，該支撐板連接該上、下隔板，該支撐板之外側面齊 平於該上、下隔板之外側邊，該支撐板之頂端凸出於該上隔板之頂面，該支撐板之底端凸出於該下隔板之底面且抵接於一該冷卻槽之底壁。
5. 如請求項1至4任一項所述之冷卻裝置，其中該等冷卻槽兩兩相對地環繞於該主軸固定槽之周圍。
6. 如請求項1至4任一項所述之冷卻裝置，其中該主軸固定座具有二相互對接之弧形蓋板與二相互對接之弧形座體，該二弧形蓋板分別設於一該弧形座體之一側面且具有該等進水口，該二弧形座體共同圍繞出該主軸固定槽且具有該等冷卻槽與該等出水口。
7. 如請求項6所述之冷卻裝置，其中該等冷卻槽兩兩相對地環繞於該主軸固定槽之周圍。
8. 一種使用如請求項1所述之冷卻裝置對主軸進行冷卻之方法，包含有下列步驟：a)：將該主軸固定座安裝於一主軸；以及b)：將一冷卻流體導入其中至少一該冷卻槽內，使該冷卻流體沿著該導流通道流動。
9. 如請求項8所述之方法，更包含有一步驟c)，使用一主控制閥調整該冷卻流體之流量大小，並使用一二次冷卻器調整該冷卻流體之入口溫度。
10. 如請求項9所述之方法，其中在步驟c)更使用一二次冷卻控制閥調配通過該二次冷卻器之冷卻流體的比例。