【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于高速电主轴传热性能结构优化领域，涉及一种电主轴传热性能的结构优化方法，具体涉及一种应用超疏水结构减小电主轴热误差和冷却水流速的方法。
技术介绍
1、研究表明，精密机床的核心部件是高速电主轴。机床在长时间高速运转过程中，高速电主轴内部散热不足且缓慢，导致内部温度迅速升高，导致主轴热变形，影响机床加工精度。在精加工领域，机床主轴发热引起的加工误差占机床总误差的40～70％。因此，高速电主轴热变形导致的电主轴热误差是影响机床加工精度的主要原因。要保证机床的加工精度，就要尽量减小电主轴热误差。现阶段，减小高速电主轴热误差的方法有三种：热误差预防法、温度控制法和热误差补偿法。热误差预防法就是通过改进结构、材料或散热系统，预防热量在主轴内积聚，从而降低热误差的产生。
2、传统高速电主轴内部结构紧凑，这限制了散热器的安装或空间，而运行速度高则会导致内部机械和电气元件产生更多热量，综上所述，导致生热高但热传递困难和热分布不均匀的问题出现。超疏水微结构在运用高效的导热材料的同时使有限面积上提升了与空气接触的面积，可有效地提升电主轴内部结构的热传导性能；超疏水微结构在运用高效的导热材料的同时使有限面积上提升了与冷却液接触的面积，加之超疏水结构具有加快表面流体流速的特性，使大部分流经超疏水部分的冷却液可以更快经过，可有效地增加温差，提升电主轴内部结构的热传导性能。该结构具有制造工艺简单、制造成本低、整体尺寸小的特性，并且具有良好的传热性能。
技术实现思路
1、本专利技术的目的一
2、本专利技术的目的二是为了减少高速电主轴在工作时由于生热而对加工精度造成影响的问题，提供一种应用超疏水微柱结构增加电主轴冷却水流速的方法，电主轴内部冷却系统的布置可以有效的降低由电主轴内部生热而引起热变形，而在冷却系统的主体结构确定后，冷却液流速对冷却系统的冷却效果将会起到至关重要的效果。为验证超疏水结构具有减阻的效果，设计实验进行验证。本专利技术在主轴冷却水道内部加工超疏水微柱结构，提高水套结构中冷却液的流速，加快主轴内部高温与冷却液的热交换与冷却液的吸热效率。该方法可有效提高冷却液在冷却水道中的流速，进一步提高电主轴冷却系统的冷却性能，提高主轴的加工精度。
3、本专利技术的目的一是通过以下技术方案一实现的：
4、一种应用超疏水结构减小电主轴热误差的方法，所述方法为：
5、步骤一：根据a02型电主轴结构，在冷却水套位置设计超疏水结构；
6、步骤二：在冷却水套位置通过电火花切割技术加工超疏水结构的柱宽、柱距及柱高分别为200μm、200μm和2000μm；超疏水结构自身在具疏水性能的同时兼具疏油污的特性，在本专利技术中，超疏水微柱结构的柱宽、柱距分别选取200μm、200μm可使超疏水结构具有疏水与疏油污的基本特点，柱高选取2000μm使超疏水具有更优异的传热散热性能，从而保证主轴内外部热量分布更为均匀；由电火花线切割加工超疏水结构会使微柱结构产生微纳米结构，此微纳米结构为电火花线切割加工固有结构，会降低微柱结构的表面能，降低液体在微柱结构的吸附性，进一步优化疏水防污的性能；
7、步骤三：搭建实验平台对加装常规冷却水套的a02型电主轴热关键点进行实时的热量数据采集；
8、步骤四：根据热量采集数据计算电主轴生热、各部分间热通量以及热辐射率；
9、步骤五：运用三维软件建立加装常规冷却水套的a02型电主轴和应用超疏水结构冷却水套的a02型电主轴三维模型，作为两组实验的对比模型；
10、步骤六：运用热仿真软件基于步骤五的三维模型以及步骤三所得电主轴生热、各部分间热通量以及热辐射率建立热仿真模型；
11、步骤七：设置热仿真模型仿真模块，计算域和边界条件，环境温度，初始流速，流体流动性质；
12、步骤八：计算两组热仿真模型，分别获得加装常规冷却水套的a02型电主轴和应用超疏水结构冷却水套的a02型电主轴的仿真模型热变形图，热量分布图，对比两组实验结果。本专利技术测试使用的电主轴型号为a02型，购买自宁波天控五轴数控技术有限公司。
13、进一步地，步骤二中，超疏水微柱结构的制备方法为：
14、(1)将电主轴水套结构加工(钻削)6处弧形通孔间隙，为制备超疏水表面提供加工余量，加工前后对比如图8所示；
15、(2)用碱性清洗剂清洗水套表面以及孔隙结构，利用高速电火花线切割机床在通孔间隙中加工六面体方柱阵列微结构超疏水表面，所制备的微柱结构形貌长度、宽度、以及深度分别为：200μm、200μm、2000μm，超疏水微柱结构微观形貌示意图如图8所示；
16、(3)将加工后的水套放置在质量分数为2％的硬脂酸乙醇溶液中浸泡6小时，浸泡完成之后，取出浸泡完毕的样本放入电加热干燥箱中干燥2h，完成冷却水套超疏水结构的制备。
17、进一步地，步骤五至步骤八的验证过程具体为：
18、(1)运用solidworks建立加装常规冷却水套的a02型电主轴和应用超疏水结构冷却水套的a02型电主轴三维模型，作为两组实验的对比模型；
19、(2)搭建实验平台对加装常规冷却水套的a02型电主轴热关键点进行实时的热量数据采集；
20、(3)以(2)中采集的热关键点实时数据作为参考温度运用comsolmultiphysics6.0建立加装常规冷却水套的a02型电主轴和应用超疏水结构冷却水套的a02型电主轴两种热仿真模型；(3)是(1)的延续，(1)为三维建模，(3)是利用(1)的三维模型进行热流固耦合仿真(仿真模型)，(2)是给(3)的仿真模型提供数据使仿真模型更为精确；
21、(4)仿真模型的计算域及边界条件设置，计算域为整个a02型电主轴模型，加装常规冷却水套的a02型电主轴传热性能仿真模型包括固体与流体传热模块、层流流动模块以及两个模块耦合的非等温流动模块；
22、(5)固体与流体传热模块边界条件设置，将计算域内除冷却液以外的结构设置为固体，冷却液设置为流体，初始温度均设置为20℃，设置热源为主轴前后轴承以及定转子结构，热通量设置为定转子间、前后轴承间、定子水套间以及主轴外壳部分，设置流入流出以及2m/s的流速，层流设置流体的出入口，非等温流动模块设置流动流体为层流，设置传热为固体和流体传热；
23、(6)应用超疏水结构冷却水套的a02型电主轴在上述仿真模型的计算域及边界条件设置的基础上添加水套微结构和轴承室通孔的热通量，超疏水微结构表面对环境辐射；...
【技术保护点】
1.一种应用超疏水结构减小电主轴热误差的方法，其特征在于：所述方法为：
2.根据权利要求1所述的一种应用超疏水结构减小电主轴热误差的方法，其特征在于：步骤二中，超疏水微柱结构的制备方法为：
3.根据权利要求1所述的一种应用超疏水结构减小电主轴热误差的方法，其特征在于：步骤五至步骤八的验证过程具体为：
4.根据权利要求1所述的一种应用超疏水结构减小电主轴热误差的方法，其特征在于：步骤五中，各部分热传导，热对流的计算中，水套超疏水结构的计算内容如下：
5.一种应用超疏水结构增加电主轴冷却水流速的方法，其特征在于：所述方法为：
6.根据权利要求5所述的一种应用超疏水结构增加电主轴冷却水流速的方法，其特征在于：步骤二中，超疏水微柱结构的制备方法为：
7.根据权利要求5所述的一种应用超疏水微柱结构增加电主轴冷却水流速的方法，其特征在于：步骤二中，对超疏水结构减阻性能的验证过程具体为：
8.根据权利要求5所述的一种应用超疏水微柱结构增加电主轴冷却水流速的方法，其特征在于：步骤五至步骤八的验证过程具体为：>
9.根据权利要求5所述的一种应用超疏水微柱结构增加电主轴冷却水流速的方法，其特征在于：所述步骤八具体为：
...【技术特征摘要】
1.一种应用超疏水结构减小电主轴热误差的方法，其特征在于：所述方法为：
2.根据权利要求1所述的一种应用超疏水结构减小电主轴热误差的方法，其特征在于：步骤二中，超疏水微柱结构的制备方法为：
3.根据权利要求1所述的一种应用超疏水结构减小电主轴热误差的方法，其特征在于：步骤五至步骤八的验证过程具体为：
4.根据权利要求1所述的一种应用超疏水结构减小电主轴热误差的方法，其特征在于：步骤五中，各部分热传导，热对流的计算中，水套超疏水结构的计算内容如下：
5.一种应用超疏水结构增加电主轴冷却水流速的方法，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：李兆龙，杜峻名，刘广东，孙本超，祝文明，王宝东，王庆海，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：
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