[发明专利]基于导热通道的精密机床主轴冷却系统及集中散热方法

权利要求书

1.基于导热通道的精密机床主轴冷却系统，其特征在于，包括导热通道(1)、冷却管道(2)、阀门(3)和散热装置(4)；导热通道(1)根据机械主轴两端轴承处温度场分布沿径向构筑，构筑基本原则是：机械主轴两端温度最高的地方构筑导热通道(1)；导热通道(1)均与冷却管道(2)相连，冷却管道(2)上设置有阀门(3)，冷却管道(2)内冷却流体的流通由阀门(3)控制，冷却管道(2)连接有散热装置(4)；导热通道(1)与冷却管道(2)内的流体直接接触，流体吸收导热通道(1)的热量后由冷却管道(2)输送至散热装置(4)处进行冷却，从而实现主轴系统的循环冷却；其中，导热通道(1)内填充高导热材料。

2.根据权利要求1所述的一种基于导热通道的精密机床主轴冷却系统，其特征在于，导热通道(1)的数量与轴承处的温度高低成正比。

3.根据权利要求1所述的一种基于导热通道的精密机床主轴冷却系统，其特征在于，导热通道(1)的具体排布形式的确定依据为：

(1)增加导热通道后，主轴系统的最高温度和平均温度最小；

(2)增加导热通道后，主轴系统任意一点处的温度梯度绝对值均为最小；

(3)增加导热通道后，符合原有刚度要求。

4.基于导热通道的精密机床主轴的集中散热方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用热阻网络法确定精密机床主轴温升特性：

以精密机床机械主轴和电主轴为对象，首先进行主轴系统几何模型的简化，其次进行热网格划分，并布置若干节点，节点之间用热阻连接，根据式(1)和(2)计算相应热阻值，最终建立等效热网络模型，以等效热网络模型为基础，计算相应热源的发热量与边界条件，确定主轴系统温度场分布和温升特性；

式中：δ——导热结构特征长度；λ——热导率；A——导热或对流换热面积；h——对流换热系数；R_c为导热热阻，R_v为对流热阻；

(2)构造导热通道：

针对轴承和电机两种热源，根据主轴系统温度场分布和温升特性，在主轴轴承座和主轴壳体上沿主轴径向方向构造导热通道(1)，并填充高导热材料，导热通道(1)将主轴内部热量传导到主轴外；

(3)确定导热通道布局：

确定导热通道沿轴向方向的组数和沿周向的排布形式，导热通道排布形式为：沿主轴轴向排布i列导热通道，且第i列与第i+1列间的距离为d_i；沿周向排布j行导热通道，且第j与第j+1行间的距离为h_j；其中，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n；

通过以下原则，确定导热通道布局：

(1)增加导热通道后，主轴系统的最高温度和平均温度最小；

(2)增加导热通道后，主轴系统任意一点处的温度梯度绝对值均为最小；

(3)增加导热通道后，符合原有刚度要求。

5.根据权利要求4所述的基于导热通道的精密机床主轴的集中散热方法，其特征在于，步骤(1)中，主轴系统几何模型的简化过程为：删除螺钉、螺钉孔与油管，忽略倒角与圆角；利用圆环代替轴承，利用圆柱体代替阶梯轴；删除高度10mm的凸台或凹槽；在保证整体结构不变的情况下，修改调整各模型尺寸，保证各零部件的装配。

6.根据权利要求4所述的基于导热通道的精密机床主轴的集中散热方法，其特征在于，步骤(1)中，节点为30～60个。

7.根据权利要求4所述的基于导热通道的精密机床主轴的集中散热方法，其特征在于，步骤(2)中，假设主轴轴承座和主轴壳体横截面为圆环形平板结构，建立其二维等效导热模型，步骤(2)中，在二维等效导热模型中，热源产生的热流密度q_in加载至圆环内边界，圆环外边界有热流密度大小为q_out的热量流出；圆环形平板结构原导热系数为k₀，导热通道(1)的导热系数为k_p。