[发明专利]一种真空芯轴旋转式超低温介质内喷式电主轴

说明书

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；主轴主体结构包括中空主轴、中空刀柄、主轴外壳体、空心轴电机转子磁极、空心轴电机定子铁芯及绕组、液压缸；超低温介质供给及隔热输送结构包括真空绝热芯轴、超低温旋转接头；中空主轴为旋转主体结构，同时内部中空通道为真空绝热芯轴提供安装位置；真空绝热芯轴为超低温介质输送提供通路，同时起到承接碟簧拉刀力及液压缸松刀力的作用；真空绝热芯轴通过中空刀柄内部直通刀具冷却通道，避免了在刀柄内部的超低温介质泄漏及向主轴内部的介质扩散，起到更好的隔热效果。整体结构相对简单，易于装配、保养与维修，且可靠性与精度保持性较高。

技术领域

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Tao Lu在第十五届可持续制造全球会议上发表了文章Cryogenic Machining through the Spindle and Toolfor Improved Machining Process Performance and Sustainability，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。

发明内容

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；