CN107617751B - 一种基于改进型旋转热管轴心冷却的电主轴 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于改进型旋转热管轴心冷却的电主轴，包括转轴芯轴及转轴套筒，转轴套筒的前端和后端均与转轴芯轴过盈配合，转轴套筒的中部与转轴芯轴之间形成旋转热管冷却结构，且转轴芯轴的后端中心处开设有轴向孔，后端径向开设有与旋转热管冷却结构和轴向孔连通的径向孔；该电主轴转轴设置在两端开口的电主轴壳体内，电主轴转轴的前端固定在前轴承组件上，后端固定在后轴承组件上，前轴承组件与电主轴壳体前端连接，且前轴承组件端部通过前端盖密封，电主轴壳体内部与电机定子和后轴承组件连接，电主轴壳体后端与后端盖连接，且后轴承组件、电主轴壳体以及后端盖形成冷却油喷淋腔室，电主轴转轴后端与后端盖活动连接，且轴向孔伸出至后端盖外。

Description

一种基于改进型旋转热管轴心冷却的电主轴

技术领域

本发明涉及狭小封闭空间内高速高精度机械旋转部件的冷却领域，具体涉及一种基于改进型旋转热管轴心冷却的电主轴。

背景技术

电主轴作为现代机床的核心部件，直接决定着数控机床的加工精度。但是由于电主轴结构紧凑且电机内置，外壳封闭，致使电主轴内部的冷却难度较大。现有减少机床热误差的方法概括起来有两种，即：热误差补偿法和热误差预防法。

其中，热误差补偿法：即通过人为地制造出一种新的误差去抵消当前原始问题误差，该方法操作方便，成本低廉。但是由于间隙、摩擦、预紧等因素所导致的热滞现象及接触面复杂热应力所引起的形变，致使热误差具备时滞、时变、多方向耦合及综合非线性等特征，导致用数学模型描述热误差的难道高、误差补偿的不确定度大，补偿范围和有效性具有一定的限制。热误差预防法：即从提高热刚度、减小温升入手，实现“主动热控制”，从根本上减小主轴的热变形，在提高加工精度方面有着“立竿见影”的效果。但是由于电主轴结构紧凑且电机内置，外壳封闭，致使电主轴内部的冷却难度较大。轴承和电机作为电主轴的主要热源，通过几十年的发展，目前轴承以及电机定子所产生的热量，已有多种措施进行冷却，对于轴承，新型润滑方式，如油-气(雾)润滑，可在实现润滑的同时可进行冷却；而新型支承形式，如气(液)浮轴承，可大大减少热量的产生；对于电机定子，通过在电机定子外侧的电主轴壳体上布置螺旋冷却水套，可达到良好的冷却效果。但是电机转子，由于受到“高压动密封问题”的限制，将冷却液体直接通入转轴的难度大，且需配备额外的过滤、动力及密封***，使得冷却***复杂，成本高昂，且可靠性低。

因此，仍无普遍应用的电主轴的轴心冷却技术，致使电主轴形成“外冷内热”的温度分布格局，使得轴心成为电主轴***的热薄弱环节。

发明内容

本发明的目的是为了解决位于狭小密封空间且处于高速旋转状态的电主轴轴心的冷却问题，提供了一种基于改进型旋转热管轴心冷却的电主轴。本发明利用旋转热管高效的导热特性，将电主轴轴心热量传递至电主轴外部进而对其进行冷却。该发明可有效控制电主轴轴心的温度，减小热变形。同时，本发明并未将冷却液直接通入电主轴转轴内部，因此并不存在“高压动密封”问题，使冷却***简洁、降低了冷却成本，提高了***可靠性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种基于改进型旋转热管轴心冷却的电主轴，该电主轴转轴包括转轴芯轴及转轴套筒，转轴套筒的前端和后端均与转轴芯轴过盈配合，转轴套筒的中部与转轴芯轴之间形成旋转热管冷却结构，且转轴芯轴的后端中心处开设有轴向孔，后端径向开设有与旋转热管冷却结构和轴向孔连通的径向孔；

该电主轴转轴设置在两端开口的电主轴壳体内，电主轴转轴的前端固定在前轴承组件上，后端固定在后轴承组件上，前轴承组件与电主轴壳体前端连接，且前轴承组件端部通过前端盖密封，电主轴壳体内部与电机定子和后轴承组件连接，电主轴壳体后端与后端盖连接，且后轴承组件、电主轴壳体以及后端盖形成冷却油喷淋腔室，电主轴转轴后端与后端盖活动连接，且轴向孔伸出至后端盖外。

本发明进一步的改进在于，冷却油喷淋腔室上还设置有冷却油喷嘴和冷却油出口。

本发明进一步的改进在于，前轴承组件包括前轴承和前轴承固定组件，后轴承组件包括后轴承和后轴承固定组件。

本发明进一步的改进在于，该电主轴转轴上还套装有与电机定子相配套的电机转子。

本发明进一步的改进在于，该电主轴转轴的转轴套筒内表面沿轴向加工有锯齿状凹凸槽，转轴芯轴中部外轮廓为对称梅花形，与转轴套筒装配后形成的空腔，且两者之间的间隙大小不同。

本发明进一步的改进在于，转轴芯轴外表面与转轴套筒内表面带有锥度，锥度为1:50～1：10的锥度，且锥度的前端大于后端。

本发明进一步的改进在于，转轴芯轴的轴向孔处设置有微型单向阀，用于排除旋转热管冷却结构内部不可凝结性气体后，向其内部注入液体传热工质，且充液率为5～40％。

本发明进一步的改进在于，液体传热工质为正戊烷或R600a制冷剂。

本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的一种基于改进型旋转热管轴心冷却的电主轴，该电主轴转轴包括两部分，分别为转轴芯轴及转轴套筒，两者之间利用过盈配合结合为整体，转轴套筒的中部与转轴芯轴之间形成旋转热管冷却结构。电主轴转轴上固定有前端盖，前轴承，以及后轴承。前轴承及后轴承分别利用前轴承固定组件和后轴承固定组件进行轴向固定，前轴承固定组件及后轴承固定组件利用电主轴壳体进行支撑，电主轴壳体中部及尾部分别安装有电机定子及后端盖，电机转子与电机定子配套安装，在后端盖的上部及下部分别布置有冷却油喷嘴及冷却油出口，后端盖、后轴承固定组件及电主轴壳体的一部分共同组成冷却油喷淋腔室。本发明利用旋转热管传热效率高、无需外部动力等特征，将电主轴转轴芯部的热量，迅速沿轴向传递至电主轴转轴尾端，之后在相对开放的转轴尾端对其进行喷淋冷却，无需将冷却液直接通入转轴内部，从而从原理上避免了“高压动密封问题”的困扰，无需额外配备动力、密封及过滤***，降低了冷却成本，提高了***的可靠性。与专利CN 105598477A中结构相比，该结构可使当量换热面积增大2～4倍，传热能力提高30％～50％，同时，其振动量降低10～40％。

进一步，在转轴套筒的内表面，沿轴向加工锯齿状凹凸槽，此凹凸槽在大幅增加换热面积的同时，增加左右两端液位高度差值，提高旋转热管的传热性能。将转轴芯轴的外轮廓加工成对称梅花形，使转轴芯轴与转轴套筒之间的间隙大小不同，可确保间隙处产生的气泡迅速逸出，使改进型旋转热管冷却结构4内的工质分布更加均匀。

进一步，在转轴芯轴外与转轴套筒的之间存在非均匀间隙且成1:50～1：10的锥度，此非均匀间隙可使旋转状态下液体在分布均匀，避免振动的产生。而锥度的存在可加速改进型热虹吸管内部的工质回流，提高该热虹吸管的传热效率。

进一步，旋转热管内部注入工质以低沸点易液化工质为宜，如正戊烷、R600a等冷媒，充液率为8～40％。

附图说明

图1是旋转热管工作原理示意图。

图2是本发明的电主轴总体结构示意图。

图3是图2中电主轴转轴A-A截面示意图。

图中：1、前端盖；2、前轴承固定组件；3、前轴承；4、旋转热管冷却结构；5、电机定子；6、电机转子；7、转轴套筒；8、电主轴壳体；9、转轴芯轴；10、后轴承；11、后轴承固定组件；12、径向孔；13、冷却油喷嘴；14、后端盖；15、轴向孔；16、冷却油出口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述

参照图1，旋转热管的工作原理为在以密闭真空管道内，注入部分液体工质后，在旋转状态下液体沿壁面均匀分布。当对其一端(加热段)加热时，液体汽化，压力增大，高温蒸汽向另一侧运动；对其另一侧(冷凝段)进行冷却，则高温蒸汽液化。由于蒸发段液体不断减少，冷凝段液体不断增多，在蒸发段与冷凝段之间沿轴向形成离心力梯度，在此离心力梯度的作用下，驱动液体从冷凝段回流至加热段，从而完成热量从蒸发段向冷凝段的高效传递过程，且整个过程无需外部提供任何动力。

参照图2，本发明提供的一种基于改进型旋转热管轴心冷却的电主轴，其转轴包括两部分，分别为转轴芯轴9及转轴套筒7，两者之间利用过盈配合结合为整体，构成电主轴转轴。电主轴转轴上固定有电主轴前端盖1，前轴承3，以及后轴承10。前轴承3及后轴承10分别利用前轴承固定组件2和后轴承固定组件11进行轴向固定，前轴承固定组件2及后轴承固定组件11利用电主轴壳体8进行支撑，电主轴壳体8的中部及尾部分别安装有电机定子5及后端盖14，电机转子6与电机定子5配套安装，在后端盖14的上部及下部分别布置有冷却油喷嘴13及冷却油出口16，后端盖13、后轴承固定组件11及电主轴壳体8的一部分共同组成冷却油喷淋腔室。在电主轴芯轴9中部表面加工出数根轴向流道4，在轴向流道4的一端，加工径向孔12及轴向孔15，以方便工质的注入及微型单向阀的安装。

参照图2，针对电主轴结构紧凑，内部换热面积较小的问题，在转轴套筒7的内表面沿轴向加工锯齿状凹凸槽，此凹凸槽可增加换热面积的同时，增加左右两端液位高度差值，提高旋转热管的传热性能。转轴芯轴9的外轮廓为对称非圆形，使之与转轴套筒7之间的间隙大小不同，以便产生蒸汽的迅速逸出，使液分布更加均匀。

所述基于热旋转热管轴心冷却的高速高精度电主轴，在排除流道内部不可凝结性气体后，向其内部注入部分液体传热工质；工质以低沸点液体为宜，如正戊烷、R600a制冷剂及其他冷媒，充液率在5～40％之间。

本发明的工作原理为：

所述基于改进型旋转热管的电主轴轴心冷却结构，其工作原理与旋转热管相似。在电主轴工作过程中，电主轴转轴处于高速旋转状态，在高离心力的作用下，改进型旋转热管冷却结构4内的液体紧贴转轴套筒7的表面呈环状分布。电机转子6所产生的热量，通过转轴套筒7进而对工质进行加热，导致工质汽化，压力增大，进而高温蒸汽向电主轴转轴尾部运动。在由电主轴壳体8、后端盖14及后轴承固定组件11所组成的冷却油喷淋腔室内，冷却油从冷却油喷嘴13进入，对电主轴转轴尾部进行喷淋冷却，致使此处的高温蒸汽液化凝结，由于电机转子6部分的液体不断减少，电主轴转轴尾部的液体不断增多，于是在旋转热管冷却结构4的左右两端形成较大液位差，在离心力梯度的作用下液体由转轴尾部回流至电机转子附近，从而完成汽液相变循环流动，将热量迅速引出。其中，转轴套筒7内表面锥度的及锯齿状凹凸太的存在，可大大加换热面积及左右两端液位高度差值，使该结构的传热效果大幅提升。

Claims (5)

1.一种基于改进型旋转热管轴心冷却的电主轴，其特征在于，电主轴转轴包括转轴芯轴(9)及转轴套筒(7)，转轴套筒(7)的前端和后端均与转轴芯轴(9)过盈配合，转轴套筒(7)的中部与转轴芯轴(9)之间形成旋转热管冷却结构(4)，且转轴芯轴(9)的后端中心处开设有轴向孔(15)，后端径向开设有与旋转热管冷却结构(4)和轴向孔(15)连通的径向孔(12)；

该电主轴转轴设置在两端开口的电主轴壳体(8)内，电主轴转轴的前端固定在前轴承组件上，后端固定在后轴承组件上，前轴承组件与电主轴壳体(8)前端连接，且前轴承组件端部通过前端盖(1)密封，电主轴壳体(8)内部与电机定子(5)和后轴承组件连接，电主轴壳体(8)后端与后端盖(14)连接，且后轴承组件、电主轴壳体(8)以及后端盖(14)形成冷却油喷淋腔室，电主轴转轴后端与后端盖(14)活动连接，且轴向孔(15)伸出至后端盖(14)外；

冷却油喷淋腔室上还设置有冷却油喷嘴(13)和冷却油出口(16)；

该电主轴转轴的转轴套筒(7)内表面沿轴向加工有锯齿状凹凸槽，转轴芯轴(9)中部外轮廓为对称梅花形，与转轴套筒(7)装配后形成空腔，且两者之间的间隙大小不同，且转轴芯轴(9)外表面与转轴套筒(7)内表面带有锥度，锥度为1:50～1：10的锥度，且转轴芯轴(9)和转轴套筒(7)的前端大于后端。

2.根据权利要求1所述的一种基于改进型旋转热管轴心冷却的电主轴，其特征在于，前轴承组件包括前轴承(3)和前轴承固定组件(2)，后轴承组件包括后轴承(10)和后轴承固定组件(11)。

3.根据权利要求1所述的一种基于改进型旋转热管轴心冷却的电主轴，其特征在于，该电主轴转轴上还套装有与电机定子(5)相配套的电机转子(6)。

4.根据权利要求1所述的一种基于改进型旋转热管轴心冷却的电主轴，其特征在于，转轴芯轴(9)的轴向孔(15)处设置有微型单向阀，用于排除旋转热管冷却结构(4)内部不可凝结性气体后，向其内部注入液体传热工质，且充液率为5％～40％。

5.根据权利要求4所述的一种基于改进型旋转热管轴心冷却的电主轴，其特征在于，液体传热工质为正戊烷或R600a制冷剂。