本發(fā)明屬于機(jī)床電主軸冷卻，涉及高速精密機(jī)床電主軸的冷卻結(jié)構(gòu)及控溫，尤其涉及一種采用多螺旋流道和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增強(qiáng)換熱及支撐功能的高速精密機(jī)床電主軸外殼冷卻結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、制造及主動(dòng)控溫方法。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展，市場對高效率、高精度、高可靠性的加工設(shè)備需求不斷增加。高速精密機(jī)床因其能夠在短時(shí)間內(nèi)完成高精度加工任務(wù)，成為諸如航空航天、汽車制造、醫(yī)療器械、模具制造等領(lǐng)域的重要設(shè)備。而高速電主軸(high-speed?electricspindle)是其核心部件，直接關(guān)系到高速精密裝備的加工精度、工作性能及使用壽命。

2、高速電主軸在運(yùn)行中產(chǎn)生熱變形的主要原因是電機(jī)損耗、電磁效應(yīng)和軸承摩擦。電主軸因其相對封閉結(jié)構(gòu)，在工作過程中，因其內(nèi)部熱源的存在，會(huì)在主軸內(nèi)積聚大量的熱能，這些熱能得不到及時(shí)的釋放，就會(huì)引起主軸內(nèi)溫度不均，引起熱變形。熱變形不僅降低了機(jī)床的加工精度，還可能加速主軸及其相關(guān)部件的磨損，最終縮短電主軸及整個(gè)機(jī)床的使用壽命。所以，對電主軸進(jìn)行冷卻是非常有必要的，這樣才能減少熱變形對加工精度的影響，從而提高電主軸的使用壽命和加工精度。

3、為了解決電主軸的熱變形問題，冷卻技術(shù)顯得尤為重要?，F(xiàn)有的電主軸冷卻方式主要有被動(dòng)冷卻和主動(dòng)冷卻方式。其中，被動(dòng)冷卻主要依賴自然散熱或機(jī)械導(dǎo)熱等方式，盡管其結(jié)構(gòu)簡單，成本相對較低，但冷卻效果往往不夠理想。主動(dòng)冷卻相對被動(dòng)冷卻具有冷卻效率高、可以精確控制溫度等優(yōu)點(diǎn)，因此在高速精密機(jī)床主軸軸承冷卻一般采用主動(dòng)冷卻方式。

4、主動(dòng)冷卻技術(shù)通過在電機(jī)外殼設(shè)置冷卻流道，通入冷卻劑，將熱量帶走。這種冷卻方式通常結(jié)合外部控制系統(tǒng)，可以根據(jù)主軸的溫度變化實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)，從而有效控制電主軸的溫度。目前，針對電主軸的主動(dòng)冷卻研究多集中于流道形式、流道截面形狀、尺寸等方面，以期通過優(yōu)化設(shè)計(jì)提高散熱能力。然而，盡管主動(dòng)冷卻技術(shù)在電主軸冷卻方面表現(xiàn)出了顯著的效果，但其仍然存在一些亟待解決的問題。例如，電主軸的軸向溫度分布不均問題在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在，使得不同位置的冷卻效果存在差異。此外，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下，現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)有時(shí)無法充分帶走電主軸內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致主軸的溫度波動(dòng)較大。溫度的波動(dòng)不僅會(huì)影響加工精度，還可能使主軸內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力加劇。

5、綜上所述，雖然現(xiàn)有電主軸冷卻技術(shù)在一定程度上緩解了主軸熱變形問題，但仍存在冷卻效率不高、軸向溫度不均勻等問題。因此，如何進(jìn)一步優(yōu)化電主軸冷卻結(jié)構(gòu)，提高冷卻效率，改善軸向溫度均勻性，特別是結(jié)合主動(dòng)控溫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對主軸溫度的精確控制，從而減少熱變形對加工精度的影響，是亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、(一)發(fā)明目的

2、針對目前電主軸冷卻方式存在的軸向溫度不均勻、冷卻效率待提高等缺陷和不足，為解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述以及其他方面的至少一種技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供一種高速精密機(jī)床電主軸外殼冷卻結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、制造及主動(dòng)控溫方法，通過在電主軸外殼中設(shè)計(jì)多條螺旋流道，內(nèi)部分段填充點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)冷卻劑與壁面間的換熱。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不僅有效增強(qiáng)了流道的承載能力，還使得電主軸外殼的壁厚得以減薄，降低了整體重量。此外，通過調(diào)節(jié)不同流道的流量可以更加準(zhǔn)確的控制主軸不同部位的溫度，實(shí)現(xiàn)更好的溫度均勻性，避免由于溫度不均勻而導(dǎo)致的加工誤差和設(shè)備性能下降，進(jìn)而提高設(shè)備的整體性能、加工精度與使用壽命。

3、(二)技術(shù)方案

4、本發(fā)明提出了一種高速精密機(jī)床電主軸外殼冷卻結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、制造及主動(dòng)控溫方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

5、本發(fā)明的第1個(gè)發(fā)明目的在于提供一種高速精密機(jī)床電主軸外殼冷卻結(jié)構(gòu)，用于提高電主軸在高速運(yùn)行過程中的冷卻效率、改善溫度分布均勻性、增強(qiáng)外殼承載能力并降低整體重量，至少包括一電主軸外殼，具體而言：

6、所述電主軸外殼整體為一沿軸向延伸的筒狀結(jié)構(gòu)體，其筒狀側(cè)壁內(nèi)加工設(shè)置有若干條相互獨(dú)立并均由所述電主軸外殼的軸向第一端螺旋延伸至軸向第二端的螺旋冷卻流道，用于在冷卻劑流動(dòng)時(shí)通過各相互獨(dú)立的螺旋冷卻流道進(jìn)行換熱以降低電主軸的溫度；

7、每一所述螺旋冷卻流道的兩端分別設(shè)有一冷卻劑入口和一冷卻劑出口，所述冷卻劑入口設(shè)置于所述電主軸外殼的軸向第一端，且各所述冷卻劑入口沿周向均勻分布于所述電主軸外殼的軸向第一端，所述冷卻劑出口設(shè)置于所述電主軸外殼的軸向第二端，且各所述冷卻劑出口沿周向均勻分布于所述電主軸外殼的軸向第二端；

8、每一所述螺旋冷卻流道內(nèi)均填充設(shè)置有一點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)段，所述點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)段用于增強(qiáng)流道內(nèi)冷卻劑與電主軸外殼內(nèi)壁之間的換熱并對流道進(jìn)行支撐，且各所述點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)段的軸向長度均小于其所在螺旋冷卻流道的軸向長度，并且各所述點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)段在軸向上分布設(shè)置在所述電主軸外殼的不同軸向位置，使得其整體沿所述電主軸外殼的軸向呈分段布置；

9、每一所述螺旋冷卻流道的冷卻劑入口通過管路與外部冷源的冷卻劑排出口連通、冷卻劑出口通過管路與外部冷源的冷卻劑回流口連通，使得每一所述螺旋冷卻流道與外部冷源之間均形成一獨(dú)立的冷卻劑循環(huán)流通回路，從而在冷卻劑循環(huán)流動(dòng)過程中，通過對各所述冷卻劑循環(huán)流通回路的獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)電主軸溫度分布的均勻性。

10、本發(fā)明的第2個(gè)發(fā)明目的在于提供一種上述高速精密機(jī)床電主軸外殼冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，所述設(shè)計(jì)方法至少包括如下步驟：

11、ss1.根據(jù)電主軸的尺寸要求，確定電主軸外殼的整體外形尺寸，至少包括其長度及直徑，以確保其與電主軸其他部件相匹配并滿足安裝要求；

12、ss2.基于電主軸外殼在運(yùn)行過程中的載荷承受情況，確定電主軸外殼的壁厚，以保證其在工作過程中的強(qiáng)度和剛度，防止因過載而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效；

13、ss3.依據(jù)電主軸外殼的軸向長度和徑向壁厚，設(shè)計(jì)螺旋冷卻流道的幾何參數(shù)，包括流道截面形狀、高度、寬度和螺距，同時(shí)考慮流體動(dòng)力學(xué)特性，優(yōu)化流道設(shè)計(jì)以降低流動(dòng)阻力并提高換熱效率；

14、ss4.根據(jù)電主軸外殼的軸向長度，將冷卻區(qū)沿軸向劃分為多個(gè)區(qū)段，冷卻區(qū)段的數(shù)量與螺旋冷卻流道的數(shù)量相適配，并分別在各螺旋冷卻流道內(nèi)設(shè)計(jì)一點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)段并確定點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的類型、尺寸和分布密度，總的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)段數(shù)量與冷卻區(qū)段的數(shù)量保持一致且與各冷卻區(qū)段在軸向上一一對應(yīng)；

15、ss5.結(jié)合增材制造技術(shù)，根據(jù)制造工藝的極限成型能力，設(shè)計(jì)螺旋冷卻流道的自支撐截面，確保在制造過程中無需額外支撐結(jié)構(gòu)，即可順利完成螺旋冷卻流道及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的加工；

16、ss6.在電主軸外殼兩端的軸承室內(nèi)，設(shè)計(jì)每條螺旋冷卻流道的進(jìn)出口位置，保證每條流道有獨(dú)立的冷卻劑進(jìn)出口，以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的冷卻劑循環(huán)回路；

17、ss7.對所設(shè)計(jì)的電主軸外殼進(jìn)行強(qiáng)度和換熱性能的校核分析，確保其在實(shí)際使用中滿足機(jī)械強(qiáng)度和散熱性能的要求，若不滿足要求，重復(fù)優(yōu)化步驟ss2至ss6進(jìn)行迭代優(yōu)化，若滿足要求，則完成設(shè)計(jì)過程，輸出最終的電主軸外殼冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

18、本發(fā)明的第3個(gè)發(fā)明目的在于提供一種上述高速精密機(jī)床電主軸外殼冷卻結(jié)構(gòu)的制造方法，所述制造方法至少包括如下步驟：

19、ss1.根據(jù)增材制造工藝的要求，以添加工藝支撐最少為原則對電主軸外殼冷卻結(jié)構(gòu)的三維模型進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，確保增材制造過程中支撐結(jié)構(gòu)的最小化，然后對模型進(jìn)行分層切片，設(shè)置加工路徑及工藝參數(shù)，通過激光選區(qū)融化技術(shù)進(jìn)行增材成形，以形成電主軸外殼及其內(nèi)部螺旋冷卻流道和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；

20、ss2.在電主軸外殼冷卻結(jié)構(gòu)完成增材制造后，連同基板一起進(jìn)行熱處理，以去除制造過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，之后采用線切割工藝將電主軸外殼從基板分離并去除增材過程中形成的支撐結(jié)構(gòu)，確保結(jié)構(gòu)完整無缺陷；

21、ss3.對電主軸外殼的外表面進(jìn)行處理，通過噴砂和/或人工打磨的方式去除粘附在外表面的粉末殘留；同時(shí)對電主軸外殼的內(nèi)壁進(jìn)行精細(xì)處理，采用磨粒流加工或電化學(xué)拋光的方式，去除內(nèi)壁的粉末粘附，確保冷卻流道內(nèi)部光滑，減少流體阻力并提高流道的換熱效率；

22、ss4.對電主軸外殼的冷卻劑進(jìn)出口進(jìn)行精密加工，確保其尺寸和形狀符合設(shè)計(jì)要求，并進(jìn)行密封性能測試，通過測漏檢驗(yàn)確保所有冷卻劑進(jìn)出口的密封性能良好，避免冷卻劑泄漏現(xiàn)象的發(fā)生。

23、本發(fā)明的第4個(gè)發(fā)明目的在于提供一種基于上述高速精密機(jī)床電主軸外殼冷卻結(jié)構(gòu)的主動(dòng)控溫方法，所述控溫方法至少包括如下步驟：

24、ss1.在電主軸外殼內(nèi)壁和/或電機(jī)定子上布置多個(gè)溫度傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測電主軸不同位置的溫度數(shù)據(jù)，所述溫度傳感器均勻分布于電主軸的關(guān)鍵熱區(qū)和冷區(qū)，確保準(zhǔn)確監(jiān)測溫度分布；

25、ss2.根據(jù)所述溫度傳感器反饋的溫度數(shù)據(jù)，識別電主軸外殼內(nèi)的高溫區(qū)域，通過自動(dòng)化控溫系統(tǒng)調(diào)節(jié)相應(yīng)冷卻流道的冷卻劑流量，使冷卻劑優(yōu)先流向溫度較高的區(qū)域以進(jìn)行冷卻，進(jìn)而降低高溫區(qū)域的溫度；

26、ss3.重復(fù)執(zhí)行所述溫度監(jiān)測和冷卻劑流量調(diào)節(jié)步驟，使得電主軸在整個(gè)運(yùn)行過程中各部位溫度保持均勻，避免因溫度差異導(dǎo)致的熱變形及加工誤差，從而提升電主軸的加工精度和使用壽命。

27、(三)技術(shù)效果

28、同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的高速精密機(jī)床電主軸外殼冷卻結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、制造及主動(dòng)控溫方法，具有以下有益且顯著的技術(shù)效果：

29、(1)本發(fā)明的高速精密機(jī)床電主軸外殼冷卻結(jié)構(gòu)采用多螺旋冷卻流道，且流道內(nèi)部填充點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)冷卻劑與壁面的換熱，提高電主軸冷卻效率。通過這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，冷卻劑在螺旋流道內(nèi)流動(dòng)時(shí)能夠與壁面進(jìn)行充分的熱交換，迅速帶走主軸運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的熱量，有效減少了因溫度升高而引發(fā)的熱變形問題。

30、(2)本發(fā)明的各螺旋冷卻流道內(nèi)部填充點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，不僅增強(qiáng)了換熱效果，還提供了對流道的支撐作用，從而可以提高電主軸外殼的承載能力，通過點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)與分段布置，外殼壁厚得以減薄，從而降低電主軸重量。這種輕量化設(shè)計(jì)不僅減少了主軸運(yùn)行的負(fù)載，同時(shí)在保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，提高了設(shè)備的整體工作效率和機(jī)械性能。

31、(3)本發(fā)明采用多條螺旋冷卻流道以及分段布置的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，并結(jié)合主動(dòng)控溫方法，根據(jù)實(shí)際需要分別調(diào)節(jié)不同流道內(nèi)的冷卻劑流量的方法可以實(shí)現(xiàn)電主軸更好的溫度均勻性。這種設(shè)計(jì)避免了電主軸溫度不均勻帶來的加工誤差，提升了機(jī)床的加工精度和穩(wěn)定性，從而確保了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

32、(4)本發(fā)明的高速精密機(jī)床電主軸外殼冷卻結(jié)構(gòu)采用增材制造方式加工，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)流道及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的一體成形，這種制造方法簡化了結(jié)構(gòu)，降低了傳統(tǒng)加工過程中可能出現(xiàn)的冷卻劑泄露風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)降低了生產(chǎn)過程中的復(fù)雜性和成本，提高了生產(chǎn)效率，并確保冷卻系統(tǒng)的可靠性和長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。