CN101941152A - 高速车铣复合加工动力电主轴装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

高速车铣复合加工动力电主轴装置及其制造方法，装备在高速五轴车铣复合加工机床上，并有配套的电气、液压、控制部分与机床上的系统对应结合，其特征在于主轴箱内部同心由外至内安装有水套、内置电机和主轴，主轴内孔安装有拉刀机构，拉刀机构前端安装拉刀套，拉刀机构后端连接连接套及卸刀机构；主轴两端外壁安装的前、后轴承分别构成轴承变预紧结构；三齿盘机构安装在拉刀套外周，由套筒形成卸刀油缸，主轴后端的卸载油缸和卸刀油缸、打刀油缸通过后端盖、大法兰安装在主轴箱上，进、出油口分别与机床的液压系统相连接。可实现高刚性车削加工和高转速铣削等复合加工。

Description

高速车铣复合加工动力电主轴装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及机械制造设备。

背景技术

车铣复合加工中心具有车、铣、钻、镗、攻丝、深孔加工、车铣内外螺纹等功能，这些功能主要依靠车铣复合加工动力主轴装置来实现，因此要求此类装置除能够安装旋转刀具进行铣削加工外，还可以安装车削刀具，实现车铣复合加工。车铣复合加工动力电主轴技术作为车铣复合加工中心的核心技术一直被国外垄断，大大增加了国内厂商设备引进成本、设备维修维护费用，制约了我国汽车、军工、航空、能源等行业的快速发展。故需设计一款高速车铣复合加工动力电主轴装置，打破同类机床国外厂商垄断的局面，使我国机床制造业在高技术设备领域里取得进一步的发展，缩短我国机床制造业与国外竞争对手的差距，提高我国高端数控产品的国际竞争力。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速车铣复合加工动力电主轴装置及其制造方法，装备在高速五轴车铣复合加工中心上，可实现高刚性车削加工和高转速铣削等复合加工。

高速车铣复合加工动力电主轴装置，装备在高速五轴车铣复合加工机床上，并有配套的电气、液压、控制部分与机床上的系统对应结合，其特征在于主轴箱内部同心由外至内安装有水套、内置电机和主轴，主轴内孔安装有拉刀机构，拉刀机构前端安装拉刀套，拉刀机构后端连接连接套及卸刀机构；主轴两端外壁安装的前、后轴承构成轴承变预紧结构；三齿盘机构安装在拉刀套外周，由套筒形成卸刀油缸，主轴后端的卸载油缸和卸刀油缸、打刀油缸通过后端盖、大法兰安装在主轴箱上，进、出油口分别与机床的液压系统相连接。

制造高速车铣复合加工动力电主轴装置的方法，其特征在于法兰与主轴箱采用基孔制配合，并用螺钉固定，用圆锥销定位；后轴承套安装时先调整后轴承套的内孔与前法兰内孔的同轴度，同轴精度在φ0.01mm以内，再向后法兰内孔与后轴承套外圆之间的缝隙内注入填料胶；主轴前后轴承安装处的外圆尺寸与前、后轴承的配合间隙在-0.002mm～+0.003mm之间；配磨调整垫使定齿盘比动齿盘在轴向上低0.005mm；在满足低速车削扭矩在5000Nm以上的同时，该装置的最高转速可以达到15000r/min。

本设计装备在高速五轴车铣复合加工中心上，实现机床的高速、高精、复合化加工，解决了三个关键技术问题，即高转速、高精度、高刚性铣削加工的实现方式，高刚性车削加工的实现方式，高可靠性的实现方式。

在本发明中，动力主轴的驱动依靠安装在主轴上的内装电机来完成，外环配有水套，实现电机的循环冷却，控制电主轴温升。在主轴前端应用三齿盘结构实现车削加工时的高刚性，通过结构创新保证齿盘锁紧时，主轴轴承实现卸载，减少对主轴轴承的附加载荷；通过热和振动传感器反馈主轴系统的运行状态，保证主轴系统的工作可靠性；主轴后端配有高精度、高转速直联反馈光栅，保证动力主轴的高动态特性。主轴中心装配拉刀机构，可实现中心通水和吹气。

主轴的转速和刚性是一对矛盾体，转速过高则刚性就相对较低，刚性过高则转速就相对较低。本发明的创造性在于应用了轴承变预紧技术，保证高转速时较少的发热量和低速加工时主轴的高刚性，通过热和振动传感器反馈主轴系统的运行状态，保证动力主轴的工作可靠性。拉刀机构配有无级行程开关，实现带刀拉刀、无刀拉刀和打刀三个位置的检测。拉刀机构打刀时，利用前端的三齿盘结构实现对打刀力的平衡，避免打刀时对主轴轴承的冲击载荷。

附图说明：

图1是高速动力电主轴剖视图；

图2是液压系统原理示意图；

图3是气动系统原理示意图。

具体实施方式

高速车铣复合加工动力电主轴装置，装在高速五轴车铣复合加工机床上，并有配套的电气、液压、控制部分与机床上的系统对应结合，见图1，其特征在于主轴箱31内部同心由外至内安装有水套12、内置电机11和主轴32，主轴32内孔安装有拉刀机构10，拉刀机构10前端安装拉刀套2，拉刀机构10后端连接连接套30及卸刀机构；主轴32两端外壁安装的前轴承37、后轴承15分别构成轴承变预紧结构；主轴32后端的锁紧螺母27上安装圆光栅16；三齿盘机构安装在拉刀套2的外周，由套筒3、浮动齿盘4和前端盖39形成松开油缸6，由浮动齿盘和前端盖39构成锁紧油缸5；连接套30的后端安装密封套装置24，最后端安装有无级开关20；主轴32后端的卸载油缸18和卸刀油缸19通过后端盖21、大法兰26安装在主轴箱31上，进、出油口分别与机床的液压系统相连接。轴承变预紧结构：前轴承37通过前法兰36安装在主轴箱31上，前轴承37左侧安置拉刀套2，右侧安置套筒33和小端盖34，前轴承37内环安装在主轴32外周上，外环由前法兰36支撑，前法兰36内安装有热和振动传感器9，与拉刀套2、套筒33及小端盖34构成前预紧结构；主轴后轴承15右侧安置螺母27，内环安装在主轴32外周上，外环靠后轴承套28支撑，同心安装在后轴承15外周的后轴承套28左端面有6个直径10mm、深9mm的孔，孔内安装有压电件14，后轴承套28与后法兰13之间形成预紧油缸29，通过螺母27实现预紧。

前轴承卸载油缸结构：见图2，图3，安装在后法兰13右侧的大法兰26和与连接套30端同轴固定的小法兰22构成前轴承卸载油缸18，在大法兰26内环安装缸套17，缸套17在大法兰26和小法兰22之间作为油缸活塞；缸套17左端的推进安装在主轴32上螺母25。

卸刀油缸及卸刀力平衡结构：小法兰22、后端盖21和打刀缸套23构成卸刀油缸19，打刀缸套23同心安置在小法兰22和后端盖21之间作为油缸活塞，打刀缸套23前端伸入主轴中心孔内。定齿盘8和前法兰36内安置开关触杆38，与位于主轴箱31壁内的限位开关35相通。

三齿盘机构：安装在主轴32前端的拉刀套2上安装有三齿盘机构的动齿盘7，定齿盘8固定在前法兰36内，浮动齿盘4安置在前端盖39内，通过调整垫1调整定齿盘8的高度；三齿盘的松开油缸6位于浮动齿盘4和套筒3之间，锁紧油缸5位于前端盖39和浮动齿盘4之间，前端盖39与拉刀套2之间安置迷宫套41，前端盖39上还有冷却喷嘴40。

动力主轴采用高速、高精陶瓷滚动体复合轴承，通过压电陶瓷或比例伺服液压实现轴承预紧力的动态调节，保证高转速时较少的发热量和低速加工时主轴的高刚性。

上述机械部分保证了技术性能改进：

1.高转速、高精度、高刚性铣削加工的实现方式

如图1所示，铣削加工前，主轴32前端的三齿盘机构的松开油缸6进油，浮动齿盘4与动齿盘7和定齿盘8脱开，开关触杆38前伸，限位开关35发信号确认浮动齿盘4完全脱开；安装在主轴32上的内装电机11开始供电，实现无间隙直接驱动刀具主轴32高速旋转。电机11外环配有水套12，实现电机11的循环冷却，控制电主轴温升。主轴32的前轴承37和后轴承15均采用高速、高精陶瓷滚动体复合轴承，保证了主轴32的旋转精度。前轴承37处安装有热和振动传感器9，反馈主轴系统的运行状态，当振动超出标准值时，压电材料14增加脉冲或预紧油缸29增加油压，产生的轴向力通过推动后轴承套28带动后轴承15、锁紧螺母27、主轴32、拉刀套2向后移动，从而实现增加前轴承38的轴承预紧力，提高电主轴装置的刚性；当温升过高时，压电材料14减少脉冲或预紧油缸29降低油压，按相反动作实现减少前轴承37预紧力，降低系统温升。通过上述方法，保证了电主轴装置高转速时较少的发热量和低速加工时主轴的高刚性，满足不同的铣削加工要求。主轴后端配有高精度、高转速直联反馈圆光栅14，保证动力主轴的高动态特性。

2.高刚性车削加工的实现方式

如图1所示，车削加工前，主轴32前端的三齿盘机构的锁紧油缸6进油，浮动齿盘4与动齿盘7和定齿盘8啮合锁紧，开关触杆38后伸，限位开关35发信号确认浮动齿盘4啮合到位，然后主轴32后端的卸载油缸18供油，通过缸套17推动螺母25、主轴32、套筒33、前轴承37、拉刀套2，最终将平衡力作用到动齿盘7上，使动齿盘7前移，保证三齿盘可靠啮合，在这个过程中，前轴承37的内环前移，使轴承不承受切削载荷，提高了前轴承37的使用寿命。综上所述，三齿盘机构的前置和卸载油缸的应用保证了高刚性切削加工的实现。

3.高可靠性的实现方式

如图1所示，主要通过以下几种结构保证主轴系统的可靠性：

a)热和振动传感器9安装在前轴承37的外侧，反馈前轴承37的动行状态，保证主轴系统的工作可靠性；

b)内装电机11外环配有水套12，实现电机11的循环冷却，控制电主轴温升，保证电机11的工作可靠性；

c)车削加工时，主轴32后端的卸载油缸18给油，将主轴前轴承37卸载，提高轴承使用寿命的同时，保证三齿盘机构锁紧的可靠性；

d)自动安装刀具时，依靠拉刀机构10中的弹簧将刀具拉紧。自动卸下刀具时，卸刀油缸19进高压油，通过打刀缸套23打击连接套30和拉刀机构10，将刀具卸下。为了避免在卸刀时对主轴后轴承13的冲击，卸刀前，主轴32前端的三齿盘机构锁紧，与拉刀机构作用到主轴上的冲击力平衡，避免卸刀时对主轴后轴承15的冲击载荷，提高后轴承15的使用寿命，保证主轴系统工作的可靠性；

e)主轴拉刀机构10后端配有无级行程开关20，连接套30后端设计成细长轴，轴端为锥形，与无级行程开关20配合，实现带刀拉刀、无刀拉刀和打刀三个位置的检测；另外在连接套30的后端设计有密封套装置24，实现刀具内部通水和吹气，保证切削加工时的可靠性；

f)后轴承套28采用灌胶进行安装，保证后轴承15与前轴承37较高的同轴度要求；如主轴32前端迷宫套41等旋转件避免螺钉的应用，采用螺纹直接安装的方式，减少主轴32高速旋转时的不平衡因素。

液压部分：如图2所示，为确保电主轴装置各个动作顺利实施，在三齿盘锁紧松开油缸42和卸刀油缸47配置了两个必要的液压回路。P口为高压油入口，T口为回油口。P口和T口分别与液压站上的P口和T口连接。为可靠执行三齿盘机构的锁紧和松开，三齿盘锁紧松开油缸42的液压回路中将电磁换向阀46、减压阀45、单向节流阀44及压力继电器43成组安装在一起，其液压入口和回油口分别与三齿盘锁紧松开油缸42的出入口相通。电磁换向阀46作锁紧、松开功能的切换，通过减压阀45调整机构压力值到合适的大小，单向节流阀44负责调整浮动齿盘的执行速度，通过数字压力继电器43可有效监控系统的压力状态，确保三齿盘机构工作可靠，卸刀油缸47与电磁换向阀51的液压回路中也安装与三齿盘锁紧松开油缸42类似的减压阀50、单向节流阀49、数字压力继电器48作为液压液压执行部件，来保证装刀、卸刀动作的顺利完成。

气动部分：如图3所示，该装置配有主轴中心吹气56和主轴头气密封58。该装置为高精密装置，对空气的要求比较高，因此配备了气动处理单元52，过滤掉空气中的杂质，气动处理单元由过滤器、保护开关、电磁阀、消音器组成，各执行元件分别与电气系统连接，自动控制其工作状态。过滤器53进一步过滤掉空气中的水份，获得清洁、干燥的气源。减压阀54根据电主轴装置工作情况调整气源压力。因为主轴中心只有在换刀时吹气，因此设计有一个电磁阀55，控制气源的开关，而主轴头气密封在机床供电情况下要一直供气，所以只有一个减压阀57。

冷却部分：如图1所示，刀具上的短锥刀柄和动力主轴连接后，切削时所用的冷却液，可通过拉刀机构中心孔到达短锥刀柄，进入刀杆直喷切削部位，实现刀具的内部冷却；而刀具的外部冷却经过电主轴装置主轴箱31、前法兰36、前端盖39中的通道，最终由喷嘴40喷出。电机的冷却经过电主轴装置的主轴箱31，由水套12的进水口流入，循环一周后由出水口流出水套12，完成对电机11的冷却。

电器部分：为实现机床加工中心对本装置的自动控制，在液压、气动、冷却系统中都按设备自动化操作技术需要配置了电器：从图2和图3中可见，液压和气动管路中应用了电磁阀换向阀、数字压力继电器等执行元件，并通过PLC接口与控制系统实现电路连接。

制造方法，其特征在于前法兰36和后法兰13分别与主轴箱31采用基孔制配合，同时用12个M8的螺钉分别将前法兰36和后法兰13固定在主轴箱31上，并分别用两个圆锥销定位；后轴承套28在安装过程中，首先调整后轴承套28的内孔与前法兰36内孔的同轴度，保证两者的同轴精度在φ0.01mm以内，精度调整好后，通过后法兰13的注胶孔向后法兰13内孔与后轴承套28外圆之间的缝隙内注入填料胶。主轴32前后轴承安装处的外圆尺寸分别与前轴承37和后轴承15配合，保证主轴与前、后轴承的配合间隙在-0.002mm～+0.003mm之间；配磨调整垫1保证定齿盘8比动齿盘7在轴向上低0.005mm。通过上述方法，在满足低速车削扭矩在5000Nm以上的同时，该装置的最高转速可以达到15000r/min，真正实现了高速加工。

Claims (9)

1.高速车铣复合加工动力电主轴装置，装备在高速五轴车铣复合加工机床上，可实现高刚性车削加工和高转速铣削等复合加工，并有配套的电气、液压、控制部分与机床上的系统对应结合，其特征在于主轴箱(31)内部同心由外至内安装有水套(12)、内置电机(11)和主轴(32)，主轴(32)内孔安装有拉刀机构(10)，拉刀机构(10)前端安装拉刀套(2)，拉刀机构(10)后端连接连接套(30)及卸刀机构；主轴(32)两端外壁安装的前轴承(37)、后轴承(15)分别构成轴承变预紧结构；主轴(32)后端的锁紧螺母(27)上安装圆光栅(16)；三齿盘机构安装在拉刀套(2)的外周，由套筒(3)、浮动齿盘(4)和前端盖(39)形成松开油缸(6)，由浮动齿盘和前端盖(39)构成锁紧油缸(5)；连接套(30)的后端安装密封套装置(24)，最后端安装有无级开关(20)；主轴(32)后端的卸载油缸和卸刀油缸、打刀油缸通过后端盖(21)、大法兰(26)安装在主轴箱(31)上，进、出油口分别与机床的液压系统相连接。

2.根据权利要求1所述的高速车铣复合加工动力电主轴装置，其特征在于轴承变预紧结构：前轴承(37)通过前法兰(36)安装在主轴箱(31)上，前轴承(37)左侧安置拉刀套(2)，右侧安置套筒(33)和小端盖(34)，前轴承(37)内环安装在主轴(32)外周上，外环由前法兰(36)支撑，前法兰(36)内安装有热和振动传感器(9)，与拉刀套(2)、套筒(33)及小端盖(34)构成前预紧结构；主轴后轴承(15)右侧安置螺母(27)，内环安装在主轴(32)外周上，外环靠后轴承套(28)支撑，同心安装在后轴承(15)外周的后轴承套(28)左端面有6个直径10mm、深9mm的孔，孔内安装有压电件(14)，后轴承套(28)与后法兰(13)之间形成预紧油缸(29)，通过螺母(27)实现预紧。

3.根据权利要求1所述的高速车铣复合加工动力电主轴装置，其特征在于前轴承卸载油缸结构：安装在后法兰(13)右侧的大法兰(26)和与连接套(30)端同轴固定的小法兰(22)构成前轴承卸载油缸(18)，在大法兰(26)内环安装缸套(17)，缸套(17)在大法兰(26)和小法兰(22)之间作为油缸活塞；缸套(17)左端的推进安装在主轴(32)上螺母(25)。

4.根据权利要求1所述的高速车铣复合加工动力电主轴装置，其特征在于卸刀油缸及卸刀力平衡结构：小法兰(22)、后端盖(21)和打刀缸套(23)构成卸刀油缸(19)，打刀缸套(23)同心安置在小法兰(22)和后端盖(21)之间作为油缸活塞，打刀缸套(23)前端伸入主轴中心孔内，定齿盘(8)和前法兰(36)内安置开关触杆(38)，与位于主轴箱(31)壁内的限位开关(35)相通。

5.根据权利要求1所述的高速车铣复合加工动力电主轴装置，其特征在于三齿盘机构：安装在主轴(32)前端的拉刀套(2)上安装有三齿盘机构的动齿盘(7)，定齿盘(8)固定在前法兰(36)内，浮动齿盘(4)安置在前端盖(39)内，通过调整垫(1)调整定齿盘(8)的高度；三齿盘的松开油缸(6)位于浮动齿盘(4)和套筒(3)之间，锁紧油缸(5)位于前端盖(39)和浮动齿盘(4)之间，前端盖(39)与拉刀套(2)之间安置迷宫套(41)，前端盖(39)上还有冷却喷嘴(40)。

6.根据权利要求1所述的高速车铣复合加工动力电主轴装置，其特征在于液压部分：电主轴的高压油入口P口和回油口T口分别与液压站上的P口和T口连接，三齿盘锁紧松开油缸(42)的液压回路中配置电器执行件成组安装了锁紧、松开功能切换的电磁换向阀(46)、调整机构压力值的减压阀(45)、调整浮动齿盘(4)的执行速度的单向节流阀(44)、监控系统的压力状态数字压力继电器(43)，液压入口和回油口分别与三齿盘锁紧松开油缸(42)的出入口相通；卸刀油缸(47)的液压配置与三齿盘锁紧松开油缸(42)相似，也是在卸刀油缸(47)液压回路中配置电磁换向阀(51)、减压阀(50)、单向节流阀(49)、数字压力继电器(48)作为液压执行件。

7.根据权利要求1所述的高速车铣复合加工动力电主轴装置，其特征在于冷却部分：

i.刀具的内部冷却：刀具上的短锥刀柄和拉刀套(2)连接后，切削时所用的冷却液，可通过拉刀机构10中心孔到达短锥刀柄，进入刀杆直喷切削部位；

ii.刀具的外部冷却：冷却液经过主轴箱(31)、前法兰(36)、前端盖(39)中的通道，最终由喷嘴(40)喷出；

c.电机的冷却经过电主轴装置的主轴箱(31)，由水套(12)的进水口流入，循环一周后由出水口流出水套(12)，完成对电机(11)的冷却。

8.根据权利要求1所述的高速车铣复合加工动力电主轴装置的制造方法，其特征在于前法兰(36)和后法兰(13)分别与主轴箱(31)采用基孔制配合，同时用螺钉分别将前法兰(36)和后法兰(13)固定在主轴箱(31)上，并分别用两个圆锥销定位；后轴承套(28)在安装过程中，首先调整后轴承套(28)的内孔与前法兰(36)内孔的同轴度，保证两者的同轴精度在φ0.01mm以内，精度调整好后，通过后法兰(13)的注胶孔向后法兰(13)内孔与后轴承套(28)外圆之间的缝隙内注入填料胶；主轴(32)前后轴承安装处的外圆尺寸分别与前轴承(37)和后轴承(15)配合，保证主轴与前、后轴承的配合间隙在-0.002mm～+0.003mm之间；配磨调整垫(1)保证定齿盘(8)比动齿盘(7)在轴向上低0.005mm；通过上述方法，在满足低速车削扭矩在5000Nm以上的同时，该装置的最高转速可以达到15000r/min，真正实现了高速加工。

9.根据权利要求8所述的高速车铣复合加工动力电主轴装置的制造方法，其特征在于部件制造精度：

i.后轴承套(28)的内孔与前法兰(36)内孔的同轴度，同轴精度在φ0.01mm以内；

ii.主轴(32)前、后轴承安装处的外圆尺寸分别与前轴承(37)和后轴承(15)配作，保证主轴与前、后轴承的配合间隙在-0.002mm～+0.003mm之间；

iii.配磨调整垫1保证定齿盘(8)比动齿盘(7)在轴向上低0.005mm。

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