CN117905803A - 一种电主轴前、后轴承室的散热结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种电主轴前、后轴承室的散热结构及其制备方法，属于超精密加工技术领域，具体方案如下：一种电主轴前、后轴承室的散热结构，在电主轴前轴承室内侧壁上和后轴承室内侧壁上均设置有阵列排布的棱柱体微结构，所述棱柱体的横截面积为菱形，所述菱形的锐角为55‑65°，钝角为115‑125°。本发明的结构增大了传热面积、表面粗糙度，同时也提高了表面的辐射发射率，从而增大了电主轴主要生热部位前、后轴承的散热效果，从而降低电主轴的热误差。
Description
技术领域
本发明属于超精密加工技术领域，具体涉及一种电主轴前、后轴承室的散热结构及其制备方法。
背景技术
伴随着机械加工制造业的飞速发展，超精密加工技术的发展水平往往代表了国家的发展水平。超精密加工是尖端技术发展中不可缺少的关键加工手段，不论是军事工业，还是民用工业，都需要这种先进的加工技术。另外，超精密加工技术的发展也促进了机械、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。从某种意义上说，超精密加工担负着支持最新科学技术进步的重要使命，也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志。影响超精密加工精度的因素很多，而由电主轴所引起的误差约占总误差的40-70％，因此对电主轴进行深度的研究是十分重要的。而前轴承作为高速电主轴在工作时的主要生热部位，控制它的温升对降低高速电主轴的热误差和提高加工精度显得尤为重要。
发明内容
为了减少高速电主轴在工作时由于生热而对加工精度造成影响，本发明提供一种电主轴前、后轴承室的散热结构及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种电主轴前、后轴承室的散热结构，在电主轴前轴承室内侧壁上和后轴承室内侧壁上均设置有阵列排布的棱柱体微结构，所述棱柱体的横截面积为菱形，所述菱形的锐角为55-65°，钝角为115-125°。
进一步的，所述菱形微结构的边长为190-200μm。
进一步的，相邻两棱柱体微结构的间距为190-200μm之间
进一步的，所述电主轴前轴承室内侧壁和后轴承室内侧壁均为与轴承接触的侧壁。
一种所述的电主轴前、后轴承室的散热结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、采用电火花线切割技术对电主轴前、后轴承室的侧壁加工出阵列排布的棱柱体微结构；
步骤二、将加工后的产品放置在硬脂酸乙醇溶液中浸泡，然后干燥处理制备得到具有散热结构的电主轴前、后轴承室。
进一步的，步骤一中，电火花线切割加工的制备参数包括：开路电压为110V，走丝速度为4m/min，峰值电流为12A，脉冲宽度为24/μs。
进一步的，步骤二中，所述硬脂酸乙醇溶液中硬脂酸的质量分数为2-3％。
进一步的，步骤二中，浸泡时间为4-6h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种电主轴前、后轴承室的散热结构及其制备方法，在前、后轴承室与轴承连接处加工出菱形微结构，此结构增大了传热面积、表面粗糙度，同时也提高了表面的辐射发射率，从而增大了电主轴主要生热部位前、后轴承的散热效果，从而降低电主轴的热误差。本发明提出的微型散热结构传热性能仿真模型与热源温度、微型散热器尺寸参数之间的数学方程均具有较高的准确性。相较于传统的方柱形散热结构，本发明所提出的菱形结构具有更高的散热效率，可以更好地应用在电主轴中降低电主轴的热误差。
附图说明
图1为电火花线切割后的工件表面微观形貌图；
图2为电主轴前、后轴承室的散热结构制备流程图；
图3为轴承室的菱形微型散热器模型图；
图4为前后轴承室结构改进前后仿真对比云图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
1.实验中所用试剂包括：无水乙醇，硬脂酸。
2.设备为DK7632型高速电火花线切割机床，该机床拥有全自动化的数控***。在切割走丝之前，通过编写走丝路径程序，机床即可完成自主切割加工，通过改变机床控制面板上的放电参数，实现加工条件的设置。
3.电火花线切割制备阵列微结构实验参数设置：本实验设计了形状为棱柱体的阵列微结构，如图3所示。所制备的横截面积为菱形的棱柱体的长度、宽度和柱高分别为：200μm，200μm，400μm；两临边最大夹角为125°；所加工出来的阵列微结构表面形貌如图1所示，这些错综复杂的凹坑-凸起复合结构在低表面能处理过程中能够很好的与硬脂酸相结合，从而降低所加工表面的自由能，提高其表面的疏水性能。电火花线切割制备阵列微结构的具体参数如表1所示。
表1
| 名称 | 参数 |
| 阵列微结构长度 | 200μm |
| 阵列微结构宽度 | 200μm |
| 阵列微结构深度 | 400μm |
| 单边的放电间隙 | 55.5μm |
| 开路电压 | 110V |
| 走丝速度 | 4m/min |
| 峰值电流 | 12A |
| 脉冲宽度 | 24/μs |
4.将切割后的样本放置在质量分数为2％的硬脂酸乙醇溶液中浸泡4-6小时，浸泡完成之后，取出浸泡完毕的样本放入电加热干燥箱中干燥2h。
通过上述步骤，在硬脂酸乙醇溶液中材料的加工表面被化学氧化，由于氧化层的钝化，氧化反应非常缓慢。然而，溶于乙醇溶液中的硬脂酸为材料的氧化提供了弱酸环境，从而催化氧化反应过程并释放铁离子，溶液中的铁离子被硬脂酸分子迅速捕获，并发生化学反应形成羧酸盐，然后在基质上形成自组装膜。制备流程如图2所示。
5.菱形棱柱状的微结构增加了传热面积，增强了对流传热的效果，结构上的微纳米复合结构增大了表面粗糙度，表面辐射的发射率与表面粗糙度有关，随着表面粗糙度的增大而增大。因此菱形柱上的微纳米复合结构增强了辐射传热效果，所以将本发明应用在电主轴的前、后轴承室与轴承接触处可以增加与前、后轴承室相接触的前后轴承的散热效果。
6.为了验证散热效果，本发明利用solidworks软件建立一种与轴承连接处的前、后轴承室内侧壁上加工出最大角度为125°的菱形棱柱状微结构模型用来仿真验证其散热性能。建立的轴承室的菱形微型散热器模型如图3所示
7.为了验证本发明的微结构相较于传统方柱形微结构的优势，本发明采用仿真分析的方法进行对比验证，分别对采用菱形棱柱状微结构、方柱形结构以及不采用微型散热结构的主轴进行仿真分析。在comsol软件上进行边界条件设置。电主轴仿真模型包括固体与流体传热模块、层流流动模块以及两个模块耦合的非等温流动模块。所述固体与流体传热模块边界条件设置：将计算域内的微型散热结构设置为固体，冷却水设置为流体。所述层流流动模块边界条件设置：冷却水入口速度为1m/s。为了更加清晰的看出前后轴承的仿真温度，本发明将仿真结果中的前后轴承部位单独表示出，仿真结果如图4所示。
具体边界条件如表2。
表2
8.网格划分：网格划分采用极细化，对于计算的结果较为准确，采用物理场控制网格(仿真软件中有两类网格划分方式，一类是手动，一类是物理场控制)。
9.仿真结果分析：结果如图4所示，在没有改进前，前轴承处的温度最高为50℃，应用方柱体微型散热结构后，前轴承温度最高为40℃，降低了10℃，应用本发明的菱形棱柱体微型散热结构后，前轴承处温度变为34℃，相较于没有改进的和应用方柱体微型散热器的分别降低了16℃以及6℃。在没有改进前，后轴承处的温度最高为45℃，应用方柱形微型散热结构后，后轴承温度最高为36℃，降低了9℃，应用本发明的菱形棱柱体微型散热结构后，后轴承处温度变为30℃，相较于没有改进的和应用方柱体微型散热结构的分别降低了15℃以及6℃。本发明相较于传统的方柱体微型散热结构大大降低了前、后轴承的温度从而降低热误差对电主轴在工作时造成的影响，菱形棱柱状微结构具有较高的冷却效率，有效抑制电主轴的热误差。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种电主轴前、后轴承室的散热结构，其特征在于：在电主轴前轴承室内侧壁上和后轴承室内侧壁上均设置有阵列排布的棱柱体微结构，所述棱柱体的横截面积为菱形，所述菱形的锐角为55-65°，钝角为115-125°。
2.根据权利要求1所述的一种电主轴前、后轴承室的散热结构，其特征在于：所述菱形微结构的边长为190-200μm。
3.根据权利要求1所述的一种电主轴前、后轴承室的散热结构，其特征在于：相邻两棱柱体微结构的间距为190-200μm之间。
4.根据权利要求1所述的一种电主轴前、后轴承室的散热结构，其特征在于：所述电主轴前轴承室内侧壁和后轴承室内侧壁均为与轴承接触的侧壁。
5.一种权利要求1-4任一权利要求所述的电主轴前、后轴承室的散热结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、采用电火花线切割技术对电主轴前、后轴承室的侧壁加工出阵列排布的棱柱体微结构；
步骤二、将加工后的产品放置在硬脂酸乙醇溶液中浸泡，然后干燥处理制备得到具有散热结构的电主轴前、后轴承室。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤一中，电火花线切割加工的制备参数包括：开路电压为110V，走丝速度为4m/min，峰值电流为12A，脉冲宽度为24/μs。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述硬脂酸乙醇溶液中硬脂酸的质量分数为2-3％。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤二中，浸泡时间为4-6h。
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