一种机床主轴冷却装置和机床

技术领域

本发明用于机床领域，特别是涉及一种机床的附件，具体为一种机床主轴冷却装置和机床。

背景技术

为提高高速运转下的主轴轴承的寿命和主轴切削稳定性，就要使轴承在最佳的有效游隙状态下工作，游隙是指轴承的滚动体与轴承内外圈壳体之间的间隙，轴承中存在游隙是为了保证轴承得以灵活无阻的运转，但同时也要求能保证轴承运转平稳，最佳的有效游隙会使承担载荷的滚动体数目尽可能的多。因此，轴承游隙对轴承动态性能，回转精度，使用寿命，承载力都有很大的影响，而主轴装配后的初始游隙并非有效游隙，即并不是工作状态下的游隙，而工作状态下的有效游隙，是在一定的载荷作用下，达到一定温升的稳定运转状态下存在的，因此，能否控制轴承工作温度是其能否在最佳状态下工作的重要指标。常见的主轴冷却装置，冷却液从主轴整个主轴箱体表面流通或喷淋进行降温，由于现有的主轴冷却装置采用水冷，或油冷，冷却效率低，且无法快速实现对轴承的降温、控温。对于主轴由于承受不同的加工负载所产生的不同的温度不能快速反应、控制，长期以往，高速运转的轴承，不能在稳定的状态下运转，会加速轴承的疲劳损坏。主轴在加工时，精度会下降，且造成主轴的震动、异响，频繁的温度变化使轴承使用寿命降低甚至损坏。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种机床主轴冷却装置和机床。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一方面，一种机床主轴冷却装置，包括：

主轴组件，包括主轴箱体和轴芯，所述轴芯通过轴承支承于所述主轴箱体；

冷却系统，包括压缩机、冷凝器、节流部件和冷却环，所述冷却环内部设有冷媒流道，所述压缩机、冷凝器、节流部件和冷却环通过冷媒管线连接形成回路，所述冷却环安装于所述主轴箱体，并位于所述轴承的外周。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述轴承包括前轴承和后轴承，所述冷却环包括设在所述前轴承外周的第一冷却环和设在所述后轴承外周的第二冷却环。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述主轴箱体的前端面开设环绕所述前轴承的第一环槽，所述第一冷却环沿轴向套装于所述第一环槽。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述第一冷却环通过耐高温硅胶覆盖并限定于所述第一环槽中。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述主轴箱体的后端的外周面开设环绕所述后轴承的第二环槽，所述第二冷却环包括第二冷却环A和第二冷却环B，所述第二冷却环A和第二冷却环B均呈半圆环形，所述第二冷却环A和第二冷却环B具有独立的冷媒流道，所述第二冷却环A和第二冷却环B沿周向布置于所述第二环槽。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述第二冷却环A和第二冷却环B通过耐高温硅胶覆盖并限定于所述第二环槽中。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，还包括：

温度传感器，安装于所述主轴箱体，并位于所述前轴承和后轴承的外周；

温度控制器，所述温度传感器、压缩机均与所述温度控制器连接。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述第一冷却环的轴向宽度小于或等于所述前轴承的轴向尺寸，所述第二冷却环的轴向宽度小于或等于所述后轴承的轴向尺寸。

第二方面，一种机床，包括第一方面中任一实现方式所述的机床主轴冷却装置。

上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：

含有压缩机、冷凝器、节流部件和冷却环的冷却系统，通过设计在主轴箱体中的冷却环，可以迅速有效对工作状态下的轴承温度进行控制，使其工作温度无限接近最佳有效游隙温度，使主轴实时处于最佳有效游隙的稳定工作状态，常规的冷却系统只能实现需要大量的冷却液，且对轴承的冷却效率低，降温速度慢，而本装置将冷媒直接引入轴承的外周，通过冷媒的汽-液转换，迅速制冷，达到快速控制轴承温度的目的，很好的解决了主轴在不同加工工序中产生的不稳定温升进行控制，使得主轴轴承始终在最佳状态运行，因此，能有效提高主轴的使用寿命、加工精度以及稳定性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明机床主轴冷却装置的一个实施例结构示意图；

图2是图1所示的一个实施例第一冷却环结构示意图；

图3是图1所示的一个实施例第二冷却环结构示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

其中，图1给出了本发明实施例的参考方向坐标系，以下结合图1所示的方向，对本发明的实施例进行说明。

参见图1，本发明的实施例提供了一种机床主轴冷却装置，包括主轴组件1和冷却系统2，主轴组件1包括主轴箱体11和轴芯12，轴芯12通过轴承支承于主轴箱体11。在主轴运行连续加工不同工序工件时，轴承温升波动大，如果无法及时对温度进行冷却控制，会加剧轴承的磨损，影响加工精度，甚至灼伤轴承，损坏主轴。

本装置采用含有制冷剂的冷却系统2有效的对主轴轴承进行迅速冷却，大大提高了冷却效率，通过温度控制系统达到自动调节温度的目的，从而使轴承在可控的恒温下工作，增加主轴轴承的使用寿命，提高加工精度与加工稳定性。具体的，参见图1，冷却系统2包括压缩机、冷凝器21、节流部件和冷却环，冷却环内部设有冷媒流道，冷媒流道在冷却环上形成管线接头24，用于供冷媒流入和流出。压缩机、冷凝器21、节流部件和冷却环通过冷媒管线连接形成回路，压缩机、冷凝器21、节流部件和冷却环组成热泵制冷系统，冷却环在热泵制冷系统中作为蒸发器。冷却环安装于主轴箱体11，并位于轴承的外周。本装置将低温的冷媒直接引入轴承的外周，通过冷媒的汽-液转换，迅速制冷，达到快速控制轴承温度的目的，很好的解决了主轴在不同加工工序中产生的不稳定温升进行控制，使得主轴轴承始终在最佳状态运行，因此，能有效提高主轴的使用寿命、加工精度以及稳定性。

参见图1，轴承包括前轴承13和后轴承14，前轴承13和后轴承14分别支承于轴芯12的前后两端。对应的，冷却环包括设在前轴承13外周的第一冷却环22和设在后轴承14外周的第二冷却环23，第一冷却环22用于将低温冷媒引入前轴承13的外圈外周，并通过低温冷媒快速实现前轴承13的冷却降温。第二冷却环23用于将低温冷媒引入后轴承14的外圈外周，并通过低温冷媒快速实现后轴承14的冷却降温。其中，第一冷却环22和第二冷却环23可以并联于冷媒管线回路，共用一套热泵制冷系统，也可以分别单独配置一套热泵制冷系统，以保证冷却能力。

进一步的，参见图1，主轴箱体11的前端面开设环绕前轴承13的第一环槽15，第一冷却环22沿轴向套装于第一环槽15，前轴承13和第一冷却环22透过中间的主轴箱体11夹层实现换热。第一冷却环22呈圆环状，与前轴承13的轴承外圈形状对应，以实现充分换热。工作时，第一冷却环22内部的冷媒流道流动低温冷媒，第一冷却环22环绕前轴承13，从而对前轴承13实现快速、充分、均匀的冷却。此外，呈圆环状的第一冷却环22结构相对于分体结构更加简单，方便冷却系统2中冷媒管线的连接，以及第一冷却环22在主轴箱体11上的装配。

进一步的，参见图1，第一冷却环22通过耐高温硅胶覆盖并限定于第一环槽15中，耐高温硅胶实现第一冷却环22固定的同时，也能够避免第一冷却环22的冷量向外界散失，提升轴承冷却效果。

在一些实施例中，由于主轴箱体11末端的结构限制，例如需要布置法兰，第二冷却环23无法采用轴向套装的装配方式。参见图1，主轴箱体11的后端的外周面开设环绕后轴承14的第二环槽16，第二冷却环23包括第二冷却环A和第二冷却环B，第二冷却环A和第二冷却环B分体设置，第二冷却环A和第二冷却环B均呈半圆环形，第二冷却环A和第二冷却环B具有独立的冷媒流道，第二冷却环A和第二冷却环B沿周向布置于第二环槽16，第二冷却环A和第二冷却环B在第二环槽16中形成完整的环形。分体式的第二冷却环A和第二冷却环B既解决了第二冷却环23的装配问题，又满足了对于后轴承14的冷却问题，使后轴承14能够获得与前轴承13同样的冷却效果。

进一步的，参见图1，第二冷却环A和第二冷却环B通过耐高温硅胶覆盖并限定于第二环槽16中。耐高温硅胶实现第二冷却环23固定的同时，也能够避免第二冷却环23的冷量向外界散失，提升轴承冷却效果。

在一些实施例中，参见图1，为了实现主轴轴承温度快速自动调节，机床主轴冷却装置还包括温度传感器3和温度控制器4，温度传感器3安装于主轴箱体11，并位于前轴承13和后轴承14的外周，用于实时检测前轴承13和后轴承14的温度，温度传感器3、压缩机均与温度控制器4连接，压缩机采用变频压缩机。

实现主轴轴承温度快速自动调节的主要过程：主轴高速转动启动，达到工作转速后，在主轴开始加工零件时，轴承温度上升，本控制系统开始工作：通过温度传感器3，将采集的数据传入温度控制器4，温度控制器4分析温升数据，根据温度上升速率，结合主轴空载状态下温升数据，计算确定主轴当前最佳工作温度，将计算温度指令马上反馈给压缩机并开始压缩制冷剂同时传输到第一冷却环、第二冷却环A、第二冷却环B，使安装在轴承位置的冷却环温度迅速变化，使轴承达到最佳工作温度后，立即停止制冷。当工件加工完毕或切换另一种工序时，主轴负载发生变化，主轴轴承温度开始波动，高灵敏度的温度传感器3检测到波动后，温度控制器4迅速反应，针对温度波动进行调整，实现实时全自动温控的目的。

结合图1、图2、图3，冷却环用于对轴承进行精确冷却，冷却环具有一定的宽度，其尺寸限于对应轴承的轴向尺寸，换言之，第一冷却环22的轴向宽度小于或等于前轴承13的轴向尺寸，第二冷却环23的轴向宽度小于或等于后轴承14的轴向尺寸，这样可以有效提升轴承温度调节的精确性和有效性，避免主轴其它结构的温升影响轴承温度的调节。

该装置完全考虑了主轴在实际工作中的轴承运转状态，能实现高速运转状态下，主轴轴承温升不论随加工负载如何变化，都可以精准快速的进行控制，常规的冷却系统2只能实现需要大量的冷却液，且对轴承的冷却效率低，降温速度慢，无法对轴承工作温度做实时调整，而本装置很好的解决了主轴在不同加工工序中产生的不稳定温升进行控制，使得主轴轴承始终在最佳状态运行：

1.大大提高了主轴的加稳定性，影响机床主轴的稳定性的因素中，轴承能保持稳定运转，是关键因素，主轴在使用过程中轴承承受不同的承载力温度变化较大，温度变化是引起轴承不稳定运转的重要因素，此装置的发明很好的解决了主轴在运行中的实时动态温度快速自动调节，使得轴承始终以最佳状态运行，所以大大的提高了主轴的稳定性。

2.提高了主轴的使用寿命，主轴轴承的磨损速度决定了主轴的使用寿命。而主轴轴承实时在恒温状态下工作，能使其工作状态的有效游隙保持恒定，使轴承内部更多的滚子均匀受力，滚子的磨损均衡降低了轴承的磨损速度，进而提高了主轴的使用寿命。

本发明的实施例还提供一种机床，包括以上任一实施例中的机床主轴冷却装置。

在本说明书的描述中，参考术语“示例”、“实施例”或“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。