CN100436009C

CN100436009C - 一种热等静压氮化硅全陶瓷电主轴及其制造方法

Info

Publication number: CN100436009C
Application number: CNB2006101341174A
Authority: CN
Inventors: 吴玉厚; 李颂华
Original assignee: Shenyang Jianzhu University
Current assignee: Shenyang Construction University factory
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2026-11-02
Also published as: CN1947904A

Abstract

一种热等静压氮化硅全陶瓷电主轴及其制造方法，涉及一种机械装配部件及其制造方法，该电主轴包括陶瓷主轴、陶瓷套圈、陶瓷轴承、预紧弹簧、套筒、转子线圈、定子，电主轴的陶瓷套圈固定在电主轴套筒的轴承座内，定子固定在套筒上，而转子线圈则通过过盈配合固定在陶瓷制成的陶瓷主轴上；陶瓷轴承通过预紧弹簧进行预紧。该电主轴的陶瓷主轴的磨削加工过程可分为粗磨、半精磨、精磨、抛光四个阶段来完成。本发明采用热压氮化硅陶瓷材料制成，减轻了主轴旋转部分的重量，提高了旋转速度，降低转动惯量，适用于安装在高精度、高转速、高档数控机床和加工中心上使用。

Description

一种热等静压氮化硅全陶瓷电主轴及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种机械装配部件及其制造方法，特别是涉及一种高速高精度热压氮化硅陶瓷电主轴及其制造方法。

背景技术

主轴单元作为机床最关键的核心功能部件，是决定机床高速化和高精度的关键部分，始终是机床技术发展的基础。要实现超高速加工，主轴的D_m·n值至少应达到1×10⁶以上，并且有大功率、宽调速范围的特性。最适合超高速运转的主轴形式是电主轴。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，可实现机床主轴系统的“零传动”，已在机械、电子、航空航天、冶金和化工等领域内显示旺盛的生命力。

电主轴的工作转速极高，这就对其结构设计、制造和控制提出了非常严格的要求，并带来了一系列技术难题。在高速运转条件下，电主轴单元的静、动特性和热特性至关重要，已成为进一步提高切削速度和加工精度的主要制约因素。主轴系统的静、动态特性主要受主轴的弯曲强度和惯性矩影响。影响主轴前端的静、动态挠度的主要因素是轴的弯曲变形，而主轴的转动惯量直接影响主轴的升速时间长短。高速高精度主轴系统必须满足高刚度和快速升速的要求。对主轴单元热态特性和机床加工精度影响最大的是其温度场分布情况。在各类误差中，热变形引起的误差比其他误差更为突出。高速旋转状态下主轴多个支撑轴承和电机转子是电主轴多区段的主要热源，会直接导致主轴热变形，影响主轴的加工精度，严重的甚至烧毁轴承，导致主轴损坏。

目前，国外先进国家生产的数控机床和加工中心用高速电主轴均采用混合陶瓷球轴承，最高转速达45000r/min，功率达20kW。我国生产的数控机床用电主轴与国外先进国家相比还存在很大差距，高转速、高精度数控机床和加工中心所用的电主轴，主要还是从国外进口。

氮化硅陶瓷具有比重轻、耐磨、耐高温、高弹性模量、高抗压强度及韧性、无磁性、绝缘等优良的综合特性，特别适于制造陶瓷球轴承和陶瓷主轴等高速机床陶瓷部件，并在机械、电子、航空航天、化工等领域广泛应用。电主轴单元是数控机床的核心部件，其性能好坏在很大程度上决定了整台机床的加工精度和生产效率。随着实际应用的需要和机床技术的进步，对数控机床用电主轴提出了越来越高的要求，具有向高速、超高速和大功率、大扭矩方向发展的总体趋势。

随着实际应用的需要和机床技术的进步，对数控机床用电主轴提出了越来越高的要求。因此，采用高性能氮化硅陶瓷作为主轴轴承及转轴材料，设计制造全陶瓷电主轴，将能从根本上解决影响电主轴性能和质量的关键技术问题，提高各种国产数控机床用电主轴的整体技术水平，缩短与国外先进国家之间的差距，逐步实现陶瓷电主轴制造的专业化和产业化，从而提高国产加工中心等数控机床在国际市场上的竞争力，使我国在该领域的研究和应用达到世界领先水平。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高速高精度热压氮化硅全陶瓷电主轴及其制造方法。本发明采用热压氮化硅为材料，减轻了主轴旋转部分的重量，提高了旋转速度，降低转动惯量，而且温度对轴承的影响比钢轴承小，加工精度高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种热等静压氮化硅全陶瓷电主轴，包括陶瓷主轴、陶瓷套圈、陶瓷轴承、直线轴承、预紧弹簧、套筒、转子线圈、定子及冷却装置，陶瓷主轴采用氮化硅粉末材料通过热等静压烧结制成，陶瓷套圈固定在电主轴套筒的轴承座内，定子固定在套筒上，而转子线圈则通过过盈配合固定在陶瓷制成的陶瓷主轴上；陶瓷轴承采用可装配式，通过预紧弹簧进行预紧，直线轴承配合预紧弹簧对陶瓷轴承进行预紧。

如上所述的一种热等静压氮化硅全陶瓷电主轴，其刀具与陶瓷主轴通过锥孔连接。

如上所述的一种热等静压氮化硅全陶瓷电主轴，其陶瓷电主轴两侧设有出水口和进水口，电主轴的冷却装置采用水冷却方式。

一种热等静压氮化硅全陶瓷电主轴制造方法，该电主轴的陶瓷主轴的磨削加工过程可分为粗磨、半精磨、精磨、抛光四个阶段来完成，每个阶段用不同粒度的金刚石砂轮进行高速精密磨削，磨削过程中采用水基磨削液；该电主轴的陶瓷轴承中的陶瓷球的制造采用锥形研磨法进行研磨制造，内外套圈上沟道的磨削则采用高速精密的磨床，用金刚石定型砂轮进行磨削加工，保持架采用聚醚乙酮材料制造，并制成外圈引导式。

本发明的优点与效果是：

1.本发明采用热压氮化硅为材料，减轻了主轴旋转部分的重量，提高了旋转速度，降低转动惯量，而且温度对轴承的影响比钢轴承小，加工精度高。

2.本发明润滑简单，其轴承采用油脂润滑，可达到普通钢轴承在油气润滑条件下的转速。

3.本发明为全陶瓷球轴承和陶瓷主轴，其轴承设有小而密的陶瓷球，提高了轴承的寿命。

附图说明

图1为本发明陶瓷电主轴结构示意图；

图2为本发明陶瓷轴结构示意图；

图3为本发明陶瓷球研磨机构示意图；

图4为本发明陶瓷轴承结构示意图；

图5为本发明保持架结构主视图；

图6为本发明保持架结构左视图。

图中标号为：1.锥孔，2.陶瓷球，3.陶瓷套圈，4.定子，5.转子线圈，6.陶瓷主轴，7.直线轴承，8.预紧弹簧，9.出水口，10.进水口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图所示，本发明的全陶瓷电主轴包括有陶瓷主轴6、陶瓷套圈3、陶瓷球2、定子4、转子线圈5、预紧弹簧8、直线轴承7、套筒、冷却系统、前、后端盖、管接头、垫圈和密封环，本发明采用热压氮化硅材料制成主轴、滚动轴承，其中，滚动轴承中的滚动体也是由热压氮化硅陶瓷材料制成，为可装配式的角接触陶瓷球轴承，其中陶瓷套圈3固定在电主轴套筒的轴承座内，定子固定在套筒上，当通过变频器来的电流进入定子内，回产生一个交变磁场，来驱动转子线圈5转动，通过转子与定子之间磁极的相互作用来实现主轴的高速旋转，其转速通过变频器进行变频控制，转子线圈5通过过盈配合装配在陶瓷主轴6上，所以陶瓷主轴6也随着转子线圈在高速的旋转，又带动陶瓷轴承高速的旋转，而陶瓷轴承的内圈也是和陶瓷主轴6过盈配合，所以陶瓷球2也在旋转。陶瓷轴承在电主轴内的主要作用就是在陶瓷轴高速的旋转下，用来支撑陶瓷轴，减少摩擦，使其保持较高的精度。本发明的陶瓷电主轴两侧设有出水口9和进水口10，电主轴的冷却系统采用水冷却，以保持定子和转子的温度。本发明的轴承采用油脂润滑，可达到普通钢轴承在油气润滑条件下的转速。

电主轴在工作过程中会产生轴向和径向的载荷，故陶瓷电主轴内的角接触轴承需要预紧，以保持主轴在高速旋转条件下的精度。陶瓷轴承采用可装配式，通过预紧弹簧8进行预紧。而直线轴承7也是配合预紧弹簧8进行工作来保证陶瓷轴承能正确准确的进行预紧。

对于陶瓷球的制造采用锥形研磨法进行研磨制造，而内外套圈上沟道的磨削则采用高速精密的磨床，用金刚石定型砂轮进行磨削加工，采用小而密的球来保证轴承的寿命。保持架采用聚醚乙酮(PEEK)材料制造，并制成外圈引导式。

本发明中电主轴的陶瓷主轴是整个电主轴制造的关键部件，所以在加工装配时都要分步骤进行。其精密的磨削加工过程可分为粗磨、半精磨、精磨、抛光四个阶段来完成。每个阶段用不同粒度的金刚石砂轮进行高速精密磨削，磨削过程中采用水基磨削液。

Claims

1.一种热等静压氮化硅全陶瓷电主轴制造方法，其特征在于该电主轴的陶瓷主轴的磨削加工过程可分为粗磨、半精磨、精磨、抛光四个阶段来完成，每个阶段用不同粒度的金刚石砂轮进行高速精密磨削，磨削过程中采用水基磨削液；该电主轴的陶瓷轴承中的陶瓷球的制造采用锥形研磨法进行研磨制造，内外套圈上沟道的磨削则采用高速精密的磨床，用金刚石定型砂轮进行磨削加工，保持架采用聚醚乙酮材料制造，并制成外圈引导式。