一种电主轴均温结构的设计方法与流程

本发明涉及精密机床热误差补偿领域，具体涉及一种电主轴均温结构的设计方法。

背景技术：

1、电主轴是数控机床中的关键功能部件，其热稳定性直接影响加工精度。在高速运转过程中，电主轴内部定子持续发热，通常需要在定子外部设置冷却结构，以降低温升并减小热变形。现有电主轴冷却结构中，较常见的是在定子外部设置螺旋流道并通入冷却液进行循环冷却。该类结构虽能够带走部分热量，但在实际应用中仍存在诸多问题：

2、其一是冷却液在沿流道流动过程中持续吸热，导致冷却液温度沿程升高，从而使得电主轴轴向不同位置处的冷却能力存在差异，易形成轴向温差；

3、其二是单头螺旋流道在部分结构形式下，可能导致同一横截面周向不同位置处的流动路径和换热条件存在差异，进而影响圆周方向温度分布的均匀性；

4、其三是现有技术中，为提高末端区域的冷却效果，常采用提高流量、减小流道截面或设置局部扰流结构等方式，但该类方式可能带来较大的压降、较高的加工复杂度，或者不利于整体结构制造；

5、其四是部分变截面流道结构在几何变化过程中容易导致相邻流道之间的隔筋厚度不均，影响结构强度和加工可行性。

6、如中国发明专利cn120516484a公开了一种应用复合型仿生微结构的电主轴冷却套及电主轴，电主轴冷却套两端的超疏水仿生鲨鱼鳞微结构通过减少冷却液在流道中的阻力，中部的超亲水仿生棘蜥微结构通过增加流体与内壁的接触面积和时间，大幅度提升了传热效率，确保电主轴在高热负载条件下的稳定运行。仿生设计的流道微结构显著降低了冷却系统所需的泵功率需求，减少了流体循环的能耗，但是该专利所使用的微结构加工复杂，显著提高了生产制造成本，同时该专利的流道设计并未涉及降低轴向与周向温差的有益效果。

7、又如中国专利cn119566352a公开了一种具有扰流结构的电主轴冷却水套，在不改变冷却液流量和温度的情况下，通过优化扰流结构，实现了换热效率的提升，避免了能耗的增加。但该技术方案只设计了单头螺旋流道，并且虽然降低了制造成本，对于周向温度分布不均的问题仍未有效解决。

8、因此，有必要提出一种新的电主轴冷却结构，以在兼顾加工可行性的前提下，改善电主轴轴向和周向的温度均匀性。

技术实现思路

1、（一）要解决的技术问题

2、本发明是针对现有技术所存在的上述缺陷，提供一种电主轴均温结构的设计方法，以改善电主轴在工作过程中产生的轴向温差和周向温差，并兼顾结构加工的可实施性。

3、（二）技术方案

4、本发明提供一种上述电主轴均温结构的设计方法，所述电主轴均温结构套设于电主轴的定子的外部，电主轴均温结构上开设有冷却流道；

5、所述冷却流道包括沿周向间隔设置的两条或多条同向螺旋槽，各所述螺旋槽均由同一轴向端进液并由另一轴向端出液；

6、所述设计方法包括以下步骤：

7、首先设定目标温度分布参数、冷却液流量参数、单条螺旋槽的目标横截面积参数以及结构尺寸约束参数；其中，定义冷却液入口端为轴向坐标原点，沿冷却液流动方向建立轴向坐标，且，为螺旋槽有效冷却长度；螺旋槽头数记为

n，冷却液总质量流量记为，当各螺旋槽并联且流量均匀分配时，单条螺旋槽质量流量满足；所述目标温度分布参数包括目标均温温度和允许温差范围；所述冷却液流量参数包括冷却液总质量流量、单条螺旋槽质量流量、冷却液入口温度以及冷却液比热容；所述结构尺寸约束参数包括冷却套筒外圆直径、定子外圆直径、螺旋槽有效冷却长度

l、单条螺旋槽恒定横截面积、局部槽深、局部槽宽、局部导热壁厚以及隔水筋厚度

t；

8、然后建立包含冷却液温升、导热壁热阻和流体对流换热热阻的耦合方程：其中，为轴向位置处的电主轴目标控制表面温度，为冷却液入口温度，为定子发热量折算至目标换热表面的等效发热热流密度，为单条螺旋槽对应的有效受热周长，为单条螺旋槽内冷却液质量流量，为冷却液比热容，为自冷却液入口端起沿轴向量取的坐标位置，为螺旋槽槽底与定子外圆之间的局部导热壁厚，为冷却套筒材料导热系数，为局部流体对流换热系数；上式中，表示冷却液沿螺旋槽流动吸热后的沿程温升项，表示局部固体导热热阻，表示局部流体对流换热热阻；

9、再根据目标温度分布参数，将电主轴目标控制表面温度取为目标均温温度，并对所述耦合方程进行整理，得到螺旋槽槽深沿轴向的隐式连续函数：其中，为轴向位置处的局部螺旋槽深，为冷却套筒外圆直径，为定子外圆直径，为单条螺旋槽沿轴向保持恒定的横截面积，为目标主轴表面均温温度，为在局部槽深和恒定横截面积确定后，由局部流道水力直径、流速和冷却液物性参数确定的局部流体对流换热系数；、、、、、和的含义同前；

10、局部导热壁厚与局部螺旋槽深之间满足：当和固定时，随着沿冷却液流动方向增大，相应减小，从而降低局部固体导热热阻。局部流体对流换热系数可根据局部流道截面形状、冷却液流速和冷却液物性参数确定，也可通过数值仿真或试验标定获得。

11、再根据横截面积约束求得槽宽沿轴向的分布函数：其中，为轴向位置x处的局部螺旋槽轴向宽度，为单条螺旋槽沿轴向保持恒定的横截面积，为局部螺旋槽深；

12、并结合隔水筋厚度约束，确定螺距沿轴向的分布函数：其中，为轴向位置x处的单槽加工螺距，为相邻螺旋槽之间隔水筋的轴向厚度，最终输出用于加工螺旋槽的轨迹参数。

13、本发明还提供一种电主轴，包括主轴、转子、定子以及上述电主轴均温结构，所述电主轴均温结构套设于定子外部，其外部设置有外部密封组件，以与螺旋槽配合形成封闭冷却通道。

14、（三）有益效果

15、与现有技术相比，本发明通过设置两条或多条同向螺旋槽，有利于改善电主轴周向温度分布的均匀性；进一步，通过使螺旋槽槽深沿流动方向逐渐增加，并使导热壁厚逐渐减小，有利于改善出液端区域的导热条件。

16、并且，通过在横截面积恒定或基本恒定的前提下使槽宽逐渐减小，有利于配合槽深变化实现流道几何参数的连续调节。同时，通过对隔水筋厚度进行约束，并采用连续变化的螺距设计，有利于兼顾结构强度和加工可行性。

17、本发明还通过建立导热与对流换热耦合的设计方法，能够为螺旋槽槽深、槽宽及螺距参数的确定提供依据。

1.一种电主轴均温结构的设计方法，其特征在于，