一种真空芯轴旋转式超低温介质内喷式电主轴

本发明属于数控机床技术领域，具体涉及一种真空芯轴旋转式超低温介质内喷式电主轴。

背景技术：

超低温加工是一种绿色加工工艺，在加工过程中能够实现极低的冷却温度＜-153℃，对钛合金、高温合金、钴铬合金等难加工金属材料的加工有着不可比拟的优势。其中，内喷式冷却方式具有冷却精准、冷却效率高的优点，其相关加工装备的研制有重要的意义。

超低温内喷式电主轴是超低温加工机床高质、高效运行的重要组成部件。在工作过程中，超低温介质经由主轴内部管路、中空刀柄、中空刀具，直接从刀具刀尖位置喷射并对工件直接进行冷却。以液氮-196℃为代表的超低温介质液冷却能力较强，可大幅降低切削温度、提高加工质量、延长刀具寿命，但极易受热汽化，对传输过程有着更高的要求。传统内冷式电主轴内部隔热能力较弱，在介质传输过程中极易发生热量传递，从而导致主轴结构严重冷缩甚至冻结，内部电机、轴承等零部件也极易发生配合失效、润滑失效等问题。因此，上述问题对适用于高速运转的超低温介质内喷式电主轴内部隔热、密封机构设计提出了更高的要求。

目前，国内外机构研制出了多种超低温内喷式电主轴结构。2012年，美国克雷雷有限公司在发明专利cn102427912a中公开了“用于通过机床向主轴输送低温流体的装置”，该装置将低温流体沿主轴内部旋转轴线上的真空隔热管路输送到刀具刀尖处，实现低温流体内喷式冷却。但位于主轴中后部用于实现自动换刀的驱动力的致动结构轴向尺寸较大，集成性较差且相对复杂，故障率相对较高且维修成本较大。美国5me公司taolu在第十五届可持续制造全球会议上发表了文章cryogenicmachiningthroughthespindleandtoolforimprovedmachiningprocessperformanceandsustainability，介绍了一种液氮内喷式主轴，将液氮通过绝热流体通道经由主轴及刀柄输送至加工区域，实现超低温冷却加工。但该主轴的绝热流体通道为软管，径向尺寸较小且强度较低，无法承载自动松拉刀的拉力和推力，因此该主轴只能通过手动装卸刀具。大连理工大学在专利201410182721.9中公开了“液氮内喷式数控钻铣床主轴装置”，该装置通过主轴内部液氮绝热管组件，保证液氮介质在主轴内部的低损传输。但该装置在绝热管件与刀柄拉钉连接处易发生液氮的泄露及扩散。同时，该主轴为机械传动主轴，未涉及内部电机定子、转子及自动换刀等相关结构设计。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的以上缺陷或改进需求，提出了一种真空芯轴旋转式超低温介质内喷式电主轴，实现了超低温介质在主轴内部的可靠输送，避免了因超低温介质在主轴内部热量传递导致的主轴结构冷缩冻结，以及电机、轴承等零部件发生配合失效、润滑失效等问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种真空芯轴旋转式超低温介质内喷式电主轴，包括主轴主体结构、超低温介质供给及隔热输送结构；主轴主体结构主要由中空主轴1.1、中空刀柄1.3、主轴外壳体1.4、空心轴电机转子磁极1.8、空心轴电机定子铁芯及绕组1.9、中空环形液压缸1.12组成；超低温介质供给及隔热输送结构包括真空绝热芯轴1.2与超低温旋转接头1.6；

所述中空主轴1.1，为主轴旋转的主体结构，在内部加工出的中空通道为真空绝热芯轴1.2提供安装空间；中空主轴前部外端面2.1及中空主轴尾部外端面2.2为中空主轴1.1的定位面；前部轴承组1.14与后部轴承组1.15起到支撑中空主轴1.1及其内部零部件旋转的作用；中空刀柄1.3的外锥面与中空主轴前端内锥面2.3相贴合，起到定位及夹紧的作用；

所述真空绝热芯轴1.2，是超低温介质的输送通道，用于遏止超低温介质与主轴材料及内部零部件的热量交换；真空绝热芯轴1.2同时承受碟簧1.7拉力与液压缸1.12推力，实现自动换刀时真空绝热芯轴1.2的轴向移动；真空绝热芯轴前端外壁面2.5与真空绝热芯轴后部外壁面2.8为真空绝热芯轴1.2的定位面，真空绝热芯轴中部外端面2.6表面加工出键槽，实现与碟簧1.7的固定；

所述中空刀柄1.3，在内部加工出中空通道，使真空绝热芯轴1.2通过其内部并直通至刀柄最前端，避免超低温介质在中空刀柄1.3内部的泄漏，在中空刀柄1.3内部加工出的中空刀柄内弧面2.4为拉爪1.10张开后的限位面；

所述真空芯轴旋转式超低温介质内喷式电主轴在装配时，将拉爪1.10及拉刀顶杆机构1.11以过盈方式顺真空绝热芯轴1.2前端装入；将碟簧1.7从中空主轴1.1尾部开口处垂直装入；将真空绝热芯轴1.2从中空主轴1.1尾部开口处装入，直至真空绝热芯轴前端外壁面2.5与拉刀顶杆机构1.11紧密贴合；将端盖1.5从主轴尾部顺真空绝热芯轴1.2套入，直至真空绝热芯轴前端外壁面2.5与拉刀顶杆机构1.11最右端相贴合；将端盖1.5顺真空绝热芯轴1.2尾部装入，直至与中空主轴尾部外壁面2.7相贴合，并用力矩扳手向中空主轴及端盖螺纹孔1.a中拧入螺栓并紧固；将空心轴电机转子磁极1.8从真空主轴1.1尾部套入中空主轴中部外端面2.9并完全贴合；将空心轴电机定子铁芯及绕组1.9套入中空主轴1.1中并保证两者同心；将中空环形液压缸1.12顺真空绝热芯轴1.2尾部套入，直至其与端盖1.5相贴合；将尾盖1.13顺真空绝热芯轴1.2尾部套入，直至与中空环形液压缸1.12右端面相贴合，并用力矩扳手向外壳体及尾盖螺纹孔1.c拧入螺栓紧固；将前部轴承组1.14顺中空主轴前部外端面2.1装入并用力贴紧；将后部轴承组1.15顺中空主轴后部外端面2.2装入并用力贴紧；将装配好轴承组及内部结构的中空主轴1.1从主轴外壳体1.4前端装入，并在外壳体前部螺纹孔1.b中拧入螺栓；最后，将超低温旋转接头1.6与真空绝热芯轴1.2尾部接头相连接；

所述真空芯轴旋转式超低温介质内喷式电主轴工作时，将中空刀柄1.3从主轴前端装入真空主轴1.1，保证刀柄外锥面与中空主轴前端内锥面2.3相贴合；打开外部的主轴调控装置使主轴开始旋转，保持转速在5000rpm，再将外部超低温供给系统开启，此时超低温介质从外部强制输入至超低温旋转接头1.6，并由真空绝热芯轴1.2输送到中空刀柄1.3最前端；保持主轴旋转及超低温介质喷射10-12min，完成整体调试及预冷。

本发明的有益效果是当电主轴高速运转时，通过采用真空多层绝热材料组成的内部真空绝热输送芯轴，使超低温介质在主轴内部传输的过程中，整体结构不会发生冷缩甚至冻结，避免内部电机、轴承等零部件发生各类低温失效的问题。

附图说明

图1为超低温介质内喷式电主轴结构示意图；

图2为装配真空绝热芯轴的中空主轴结构；

图中：1.1-中空主轴；1.2-真空绝热芯轴；1.3-中空刀柄；1.4-主轴外壳体；1.5-端盖；1.6-超低温旋转接头；1.7-碟簧；1.8-空心轴电机转子磁极；1.9-空心轴电机定子铁芯及绕组；1.10-拉爪；1.11-拉刀顶杆机构；1.12-中空环形液压缸；1.13-尾盖；1.14-前部轴承组；1.15-后部轴承组；1.a-中空主轴及端盖螺纹孔；1.b-外壳体前部螺纹孔；1.c-外壳体及尾盖螺纹孔；2.1-中空主轴前部外端面；2.2-中空主轴尾部外端面；2.3-中空主轴前端内锥面；2.4-中空刀柄内弧面；2.5-真空绝热芯轴前端外壁面；2.6-真空绝热芯轴中部外端面；2.7-中空主轴后部外壁面；2.8-真空绝热芯轴后部外壁面；2.9-中空主轴中部外端面。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。

在本实施例中，液氮为冷却介质，真空绝热芯轴1.2以特种不锈钢金属材料为基础，最细端直径为14mm；中空刀柄1.3采用hsk-a100型号定制化加工中空通道，并在内腔面添加隔热材料；超低温旋转接头1.6内部装配超低温轴承，采用高氮不锈钢材料，在-196℃下可正常运转。

超低温介质内喷式电主轴的装配与安装过程如下：如附图1、2、所示，第一步，将拉爪1.10与拉刀顶杆机构1.11以过盈方式安装在真空绝热芯轴1.2前端并保证贴合；将拉爪1.10用扎线带扎紧并确保拉爪处于闭合状态；将真空绝热芯轴1.2较细一端顺中空主轴1.1结构后部开口处平行装入，直至真空绝热芯轴前端外壁面2.5与拉刀顶杆机构1.11尾部端面相贴合；将端盖1.5顺真空绝热芯轴1.2尾部套入，直至其左端面与中空主轴后部外壁面2.7相贴合；用力矩扳手以15n·m将四颗螺栓拧入螺纹孔1.a中；

第二步，在中空主轴外壁加工出角度为60度，深度为15mm的沟槽，并将空心轴电机转子磁极放入加热箱加热至180℃-200℃，取出后以过盈方式将其垂直装入中空主轴中部外端面2.9上的沟槽处完全贴合；将空心轴电机定子铁芯及绕组1.9套入装配好的中空主轴中，保证两者同心；将轴承组1.14、轴承组1.15在油中加热到75℃，将轴承组1.14顺中空主轴前部外端面2.1装入并用力贴紧，将轴承组1.21顺中空主轴后部外端面2.2装入并用力贴紧；将装配好轴承组及内部结构的中空主轴1.1从主轴外壳体1.4前端装入，用力矩扳以18n·m的力矩拧入外壳体前部螺纹孔1.b中；将中空环形液压缸1.12顺真空绝热芯轴1.2尾部装入，并将四颗螺栓依次拧入到外壳体尾部螺纹孔1.c中，采用力矩扳手以18n·m的力矩拧紧；

超低温介质内喷式电主轴工作时，首相将中空刀柄1.3从主轴前端装入中空主轴1.1，保证刀柄外锥面与中空主轴前端内锥面2.3相贴合；将外部的液氮供给与主轴尾部超低温旋转接头1.5相连接；打开主轴调控装置使主轴开始旋转，保持转速在5000rpm，此时中空主轴1.1、真空绝热芯轴1.2、中空刀柄1.3、超低温旋转接头1.5处于同步旋转状态；打开外部液氮供给开关，并将液氮经超低温旋转接头1.5输入，由真空绝热芯轴1.2输送至中空刀柄1.3最前端，并进行10min-12min的预冷，保证液氮射流状态达到温度状态。当执行自动松刀动作时，主轴轴停止旋转，尾部液压缸1.12压缩至极限位置，此时受液压力的作用的端盖1.5带动真空绝热液氮输送芯轴1.2及拉刀顶杆机构1.11沿轴向向主轴前端移动，此时碟簧1.7处于压缩状态，直至拉爪1.10运动至中空刀柄内弧面2.4，芯轴拉爪自动张开，此时刀柄与主轴处于分离状态，此时刀柄可被外部刀库自动换下；当执行自动拉刀动作时，在外部刀库将刀柄安装在主轴刀柄位置后，液压缸1.12恢复到压缩前的初始位置，真空绝热芯轴1.2及拉刀顶杆机构1.11受碟簧1.7拉力作用，沿轴向向主轴尾部移动，直至拉爪1.10移动至限位位置，此时刀柄与主轴处于拉紧状态。

本发明通过有效的隔热结构设计及材料选择，保证了超低温介质在主轴内部传输时主轴材料及内部电机、轴承等零部件不会发生受冷变形及失效等问题，同时大幅降低了液氮介质在主轴内部输送的损耗率，为超低温内喷式高速加工装备可靠运行奠定了基础。本发明描述较为具体和详细，但不应理解为对本发明专利的范围限制，在不脱离本发明构思的前提下做出的若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。