CN101873033A - 基于多孔金属的保证高速精密电主轴轴承热稳定的结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多孔金属的保证高速精密电主轴轴承热稳定的结构。在原有的高速精密电主轴的套筒侧面开设的套筒前、后进气口分别与多孔金属轴承座侧面的环形槽连通，多孔金属轴承座内端面与定子两侧之间的套筒侧面开设套筒前、后出气口；气源经过滤器和压力阀后分为两路，每路经套筒前、后进气口、两个多孔金属轴承座的环形槽和多孔金属轴承座的轴向通孔后与套筒前、后出气口连通；另一路经套筒前进气口、多孔金属轴承座的环形槽和多孔金属轴承座的轴向通孔后与套筒前出气口连通。压缩冷空气带走来自轴承的热量，进入空气回路。本发明保证电主轴轴承在高速旋转时处在恒温状态，避免因发热引起的变形、失效和损坏，确保主轴旋转精度和寿命。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床高速精密电主轴的热稳定结构，特别是涉及一种基于多孔金属的保证高速精密电主轴轴承热稳定的结构。
背景技术
电主轴是“高频主轴”(High Frequency Spindle)的简称，是内装式电机主轴单元。它把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”，具有结构紧凑、机械效率高、回转速度和回转精度高、噪声低、振动小等优点。电主轴的应用大大提高了加工效率和加工质量，降低了产品成本，是现代高速高精机床的最重要的功能部件之一。然而，随着电主轴转速的提高，轴承的摩擦发热不可避免，已成为主轴的主要热源。高速精密电主轴轴承的发热导致的误差、变形甚至失效，已成为机床进一步提高精度和转速的主要制约因素。
电主轴轴承冷却方式按冷却介质的性质可以分为液体介质(水或油等)冷却和气体介质(空气或其它气体)冷却两大类。已有的冷却方案有如下几种：1.在主轴中布置油路进行冷却，其代表专利为“Apparatus for cooling a spindlebearing of a machine”US005192139A，该方法被很多研究人员采用。2.采用开放式空气冷却结构，其代表专利为“一种高温泵的轴承风冷却装置”，ZL200710190069.5。3.采用封闭式空气冷却以降低轴承发热，其代表专利为“机床内置轴式主轴电动机的冷却设备”ZL 200410082159.9。
方法1使用液体介质虽然比热容较大，冷却效果较好，但是存在冷却液从回路中泄漏的危险。一旦回路发生液体泄漏，将腐蚀破坏绝缘层，损毁电机，造成重大事故。气体介质冷却虽然比热容较低，但是不会出现破坏绝缘的危险，是现代电主轴冷却的研究方向。方法2在电主轴转子上扇叶在机壳内回转时形成流动气流带走部件上的热量。这种方法结构简单，成本较低，但是冷却效果太差。这是因为，首先，该方法使用的是环境空气，其自身温度较高，冷却性能不佳；其次，空气介质与轴承接触面积小，不能充分带走轴承的热量。方法3虽然也使用了冷却空气回路，但是其流道为普通钢材制作，接触面积有限，仍不能满足高速精密电主轴轴承冷却的要求。
多孔金属是最近几年发展起来的新型材料，具有重量轻、比表面积大、热传导性能佳、减震等特点，又集结构材料和功能材料的优点于一身，在各工程领域应用广泛。在本发明中使用多孔金属制作高速轴承的轴承座，主要是利用其巨大的比表面积和导流通道，增加与冷却空气的接触面积和时间，使之充分吸收并带走轴承高速旋转时产生的热量。此外，利用多孔金属良好的能量吸收和减振性能，保证轴承径向跳动小，回转稳定，实现电主轴高精度旋转。
空气无毒无害，可自由获得，即使从回路流出也不会对设备和环境造成危害，是理想的制冷剂，但空气制冷的缺点是其热容小，带走的热量少。与方法2不同，本发明中使用冷却气体是压缩冷空气。近年来随着高速透平机械和高效紧凑换热器的发展，长期制约压缩空气制冷的效率低等问题得到解决，使空气制冷应用于工矿企业现场、飞机列车客厢、精密仪器恒温、住宅家居调温等多个领域。为了进一步提高热交换率，在发热量最大的轴承座部分采用多孔金属结构，是其热量可以迅速的被压缩冷空气散发出去。
发明内容
为了防止电主轴高速旋转时急剧升温，避免热变形和失效，本发明的目的在于提供一种基于多孔金属的保证高速精密电主轴轴承热稳定的结构。该结构不仅能使电主轴保持恒温，由于轴承座由多孔金属制造，还可以吸收主轴运行时所产生的振动，提高加工精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
在套筒孔的中部装有定子，中部装有转子的主轴穿过定子后，主轴上的转子与套筒孔中的定子为间隙配合，主轴的两端分别支承在各自的轴承中，两端的轴承分别固定在套筒内开有等分分布轴向通孔的多孔金属轴承座中，套筒的主轴前端盖和主轴后端盖将主轴封装。
套筒侧面开设的套筒后进气口与第一多孔金属轴承座周面的环形槽连通，第一多孔金属轴承座内端面与定子一侧之间的套筒侧面开设套筒后出气口；套筒侧面开设的套筒前进气口与第二多孔金属轴承座周面的环形槽连通，第二多孔金属轴承座内端面与定子另一侧之间的套筒侧面开设套筒前出气口。
气源经过滤器和压力阀后分为两路，一路经套筒后进气口、第一多孔金属轴承座的环形槽和第一多孔金属轴承座的轴向通孔后与套筒后出气口连通；另一路经套筒前进气口、第二多孔金属轴承座的环形槽和第二多孔金属轴承座的轴向通孔后与套筒前出气口连通。
所述的两个多孔金属轴承座中部的轴承座环形槽的槽底开有两个以上周向等分分布的径向孔，在每个径向孔的孔壁上开有一个以上朝向定子的轴向通孔，环形槽、径向孔与轴向通孔三者连通。
本发明具有的有益的效果是：
本发明能够使高速精密电主轴在运行时，轴承产生的大量热量及时被带走，从而避免热聚积引起的变形、失效和损坏等一系列加工问题。同时由于多孔金属良好的能量吸收和减振性能，保证轴承径向跳动小，回转稳定，保证电主轴的旋转精度。较常用的油路冷却方法而言，可以避免冷却液渗漏，破坏绝缘，损毁电机，污染环境等重大事故。和利用环境空气的开放式空冷方法比起来，本方法采用压缩冷空气，吸收热量能力更强，效率更高。与普通钢材制造的冷却流道相比，本方法采用的多孔金属不仅有巨大的比表面积，与冷空气接触更充分，冷却效果更佳；而且利用多孔金属的减振性能，还可以保证电主轴的高精度旋转。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图。
图2是多孔金属轴承座的剖视图。
图3是图2的A-A剖视图。
图中：1.主轴前端盖，2.多孔金属轴承座，3.套筒前进气口，4.套筒前出气口，5.气源，6.压力计，7.压力阀，8.过滤器，9.套筒后出气口，10.套筒后进气口，11.主轴后端盖，12.轴承，13.套筒，14.转子，15.定子，16.主轴，17.环形槽，18.轴向通孔，19.径向孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括在套筒13孔的中部装有定子15，中部装有转子14的主轴16穿过定子15后，主轴16上的转子14与套筒13孔中的定子15为间隙配合，主轴16的两端分别支承在各自的轴承12中，两端的轴承12分别固定在套筒13内开有等分分布轴向通孔的多孔金属轴承座2中，套筒的主轴前端盖1和主轴后端盖12将主轴19封装，起到保护和电磁隔离的作用。
套筒侧面开设的套筒后进气口10与第一多孔金属轴承座周面的环形槽17连通，第一多孔金属轴承座内端面与定子15一侧之间的套筒侧面开设套筒后出气口9；套筒侧面开设的套筒前进气口3与第二多孔金属轴承座周面的环形槽17连通，第二多孔金属轴承座内端面与定子15另一侧之间的套筒侧面开设套筒前出气口4。
气源5经过滤器8和压力阀7后分为两路，一路经套筒后进气口10、第一多孔金属轴承座的环形槽17和第一多孔金属轴承座的轴向通孔18后与套筒后
出气口9连通；另一路经套筒前进气口3、第二多孔金属轴承座的环形槽17和第二多孔金属轴承座的轴向通孔18后与套筒前出气口4连通。
如图1、图2所示，所述的两个多孔金属轴承座中部的轴承座环形槽17的槽底开有两个以上周向均布的径向孔19，在每个径向孔的孔壁上开有一个以上朝向定子的轴向通孔18，环形槽、径向孔与轴向通孔三者连通。本发明采用16个周向均布的径向孔，每个径向孔连通两个轴向通孔。
本发明的一个典型实施实例如下：
1)在数控立式铣床中使用配备有压缩冷空气回路的该种电主轴，接通机床电源开始正常的切削加工。气源5输出压缩冷空气，通过过滤器8净化空气，防止灰尘颗粒堵塞气路和多孔金属轴承座2的轴向通孔18，并通过压力阀7调整至适当的压力，可以从压力计6中观察。
2)冷空气分成两路，一路从套筒前进气口3进入电主轴内部，通过多孔金属轴承座2的环形槽17流入径向孔19。然后，空气从多孔金属轴承座2的轴向通孔18流过，带走来自轴承12的热量，最后从套筒前出气口4排出。另外一路从套筒后进气口10进入电主轴内部，通过多孔金属轴承座2的环形槽17流入径向孔19。然后，空气从多孔金属轴承座2的轴向通孔18流过，带走来自轴承12的热量，最后从套筒后出气口9排出。
因为轴向通孔18的存在，轴承座热量传递的热阻很小，结合压缩冷空气较强的吸热能力，使得运行过程中轴承高速旋转所产生的热量能够迅速地被冷空气吸收，通过空气回路散发到外部的环境中。采用本装置可以控制轴承温升，从而从根本上避免了因轴承的发热产生的变形、失效和损毁。
Claims (2)
1.一种基于多孔金属的保证高速精密电主轴轴承热稳定的结构，在套筒(13)孔的中部装有定子(15)，中部装有转子(14)的主轴(16)穿过定子(15)后，主轴(16)上的转子(14)与套筒(13)孔中的定子(15)为间隙配合，主轴(16)的两端分别支承在各自的轴承(12)中，两端的轴承(12)分别固定在套筒(13)内开有等分分布轴向通孔的多孔金属轴承座(2)中，套筒的主轴前端盖(1)和主轴后端盖(12)将主轴(19)封装；其特征在于：
套筒侧面开设的套筒后进气口(10)与第一多孔金属轴承座周面的环形槽连通，第一多孔金属轴承座内端面与定子(15)一侧之间的套筒侧面开设套筒后出气口(9)；套筒侧面开设的套筒前进气口(3)与第二多孔金属轴承座周面的环形槽连通，第二多孔金属轴承座内端面与定子(15)另一侧之间的套筒侧面开设套筒前出气口(4)；
气源(5)经过滤器(8)和压力阀(7)后分为两路，一路经套筒后进气口(10)、第一多孔金属轴承座的环形槽和第一多孔金属轴承座的轴向通孔后与套筒后出气口(9)连通；另一路经套筒前进气口(3)、第二多孔金属轴承座的环形槽和第二多孔金属轴承座的轴向通孔后与套筒前出气口(4)连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于多孔金属的保证高速精密电主轴轴承热稳定的结构，其特征在于：所述的两个多孔金属轴承座中部的轴承座环形槽的槽底开有两个以上周向等分分布的径向孔(19)，在每个径向孔的孔壁上开有一个以上朝向定子的轴向通孔(18)，环形槽、径向孔与轴向通孔三者连通。
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