CN102513553A - 一种锥孔可自动锁紧的高速主轴 - Google Patents

Abstract

一种锥孔可自动锁紧的高速主轴，包括主轴、膨胀壁、液压缸和油路，其特征是：主轴轴端内孔通过过盈装配固定联接有带锥孔的膨胀壁，在膨胀壁的外表面上开有两个油腔，油腔内充有液态介质，在主轴上关于主轴轴线对称布置有两套由缸体组件和活塞组成的液压缸，缸体组件与油腔通过油路连通，活塞底部设有弹簧。其优点是：本发明对刀柄锥面与主轴锥孔的配合过盈量进行自动补偿，且补偿量随转速提高而增大，保证了刀柄和主轴在任何转速下的联接刚度和定位精度，提高刀柄的极限转速。膨胀壁产生的变形同轴度很高，能保证良好的径向定位精度。液态介质能提供更大的阻尼，活塞与弹簧构成动力减振器，二者对主轴具有减振作用。

Description

一种锥孔可自动锁紧的高速主轴

技术领域

本发明涉及机床主轴领域，特别涉及一种带锥孔联接刀柄的高速主轴。

背景技术

高速主轴是实现高速加工的关键部件，主轴锥孔的基本功能是保证刀柄在机床主轴中的定位精度，并在高速加工时保持不变，同时传递加工中所需的运动和动力。传统刀柄为实心结构，锥度为7:24，利用锥面单面定位。在高转速时主轴锥孔因离心力作用会发生“喇叭口”状膨胀，与刀柄锥面之间产生间隙，无法满足高速加工的要求。为满足高速加工需要，从上世纪八十年代末期开始在国外相继出现了几种高速刀柄，典型的如HSK刀柄和KM刀柄，刀柄锥面锥度为1:10，利用端面与锥面双面定位，其均以增大刀柄锥体整体柔度为设计思想，通过空心短锥结构增大刀柄锥面与主轴锥孔的配合过盈量，从而提高刀柄的极限转速。以普通高速主轴联接HSK刀柄为例，刀柄被拉杆拉紧后其端面和锥面与主轴保持接触状态，刀柄锥面与主轴锥孔存在配合过盈量，刀柄锥面发生弹性变形，定位刀柄并传递扭矩。随着主轴转速的提高，刀柄释放过盈量从而保证与主轴的接触状态。对现有的HSK刀柄与主轴而言，联接刚度与转速之间的矛盾是无法解决的问题：增大刀柄与主轴的配合过盈量有利于提高转速，但是大的过盈量会使刀柄的拉紧困难，使拉杆的拉力增大，导致刀柄锥面的磨损加剧；在刀柄拉紧后，大的过盈量还会使主轴端部发生径向膨胀，主轴膨胀使主轴前轴承内圈膨胀，导致轴承过大预紧量而使寿命明显降低；同时大的过盈量使传递到刀柄端面的夹紧力减小，使刀柄与主轴的径向联接刚度降低。采用较小的过盈量有利于提高径向刚度，但较小的过盈量会使刀柄锥面与主轴在高速加工过程中更容易产生间隙，使刀柄的定位精度丧失，限制了刀柄的极限转速。综上所述，空心结构使刀柄锥面的柔度增加有限，过盈量无法随转速变化进行补偿。随着转速的增加，锥面配合过盈量逐渐减小直至产生间隙，径向定位作用丧失，无法进行加工，现有机床主轴能够产生很高的转速，而且现代加工技术向高速和超高速方向发展，刀柄的极限转速已经成为限制高速加工转速提高的主要因素。因此，发明一种随转速提高能自动进行过盈量补偿而夹紧刀柄的主轴。

发明内容

本发明的目的是对因主轴离心膨胀所致的主轴锥孔与刀柄锥面的配合过盈量减小进行自动补偿，使刀柄和主轴在更高转速时仍能保证足够的联接刚度和定位精度，提供一种锥孔可自动锁紧刀柄的高速主轴。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明主要包括主轴、膨胀壁、液压缸和油路。在主轴轴端内孔通过过盈装配固定联接有带锥孔的膨胀壁，在膨胀壁外表面上开有两个环形油腔，该油腔内充有液态介质（如液压油）。主轴上开有两个径向盲孔用于安装液压缸，二盲孔关于主轴轴线对称分布，盲孔直径很小，不影响主轴的强度和刚度。主轴端面上沿轴向开有两个轴向油路，分别与上述两个对称盲孔连通，该油路在主轴端面上的开口是密封的。主轴上设有径向油路，用于连通轴向油路和膨胀壁油腔，径向油路在主轴外表面上的开口是密封的。上述两个盲孔中各安装一套由缸体组件和活塞组成的液压缸，其中活塞安装于缸体组件内，在上述盲孔底部设有压缩弹簧支撑活塞，液压缸和油路关于主轴轴线对称布置有利于保持主轴平衡。缸体组件为圆柱形，与主轴采用螺纹连接，螺纹以上部分为圆柱面用于定位，在该缸体组件下端设有弹簧垫圈，用于对螺纹连接的锁紧以免松动。上述缸体组件的缸壁上设有两个油孔，在该缸体组件外壁上设有环形沟槽与油孔及轴向油路连通，同时还设有两个O型密封圈，实现缸体与盲孔壁的密封。上述活塞可以是中空的圆柱体结构，同样质量下长度稍大，有利于在获得合适离心力的前提下保证良好的导向性，也可以为阶梯圆柱体，同样离心力条件下可以提高液压。活塞随主轴旋转产生的离心力作为液压缸的动力源，活塞产生的压力通过液态介质传递给膨胀壁，使膨胀壁向内侧产生弹性变形，保证主轴锥孔与刀柄的过盈配合而夹紧刀柄。随着转速的提高，活塞的离心力变大使油压提高，故补偿量加大。

液态介质能提供更大的阻尼，对主轴具有减振作用。对于两侧油路互通的主轴结构，活塞与弹簧会构成动力减振器，通过选择合适的弹簧刚度系数和活塞质量，能增强减振效果；对于两侧油路不通的主轴结构，不具有动力减振效果，但结构简单，易于对主轴进行动平衡。

本发明的优点是：1.结构简单，易于实现，成本较低，不需特殊维护，与传统主轴及刀柄兼容。2.能够对刀柄锥面与主轴锥孔的配合过盈量进行自动补偿，且补偿量随转速提高而增大，保证了刀柄和主轴在任何转速下的联接刚度和定位精度，提高了刀柄的极限转速（对于HSK E-50刀柄，极限转速可提高22.4%），膨胀壁变形后同轴度很高，能保证刀柄具有高的径向定位精度。3.由于过盈补偿量能随转速的提高而增大，所以设计刀柄时可选用较小的初始配合过盈量，有利于更大的夹紧力传递到刀柄端面，提高刀柄与主轴的联接刚度。4.小的过盈量有利于减小拉杆的拉力，更容易实现刀柄的拉紧。小的过盈量有利于减小刀柄频繁装卸对刀柄锥面及主轴锥孔的磨损。小的过盈量有利于减小主轴端部的径向膨胀，提高轴承的寿命。5.液态介质能提供更大的阻尼，活塞与弹簧构成动力减振器，二者对主轴具有减振作用。

附图说明

图1 是本发明的结构示意图；

图2 是本发明缸体组件的结构示意图；

图3 是本发明活塞的结构示意图；

图4 是本发明活塞的结构示意图。

图中：1. 主轴，2. 膨胀壁，3. 油腔，4. 轴向油路，5. 径向油路，6. 缸体组件，7. 活塞，8. 弹簧，9. 螺纹，10. 弹簧垫圈，11. 油孔，12. 环形沟槽，13. O型密封圈，14. T型特康格来圈，15. 导向环。 

具体实施方式

实施例1

在图1所示的锥孔可自动锁紧的高速主轴结构示意图中，在主轴1的轴端内孔通过过盈装配固定联接有带锥孔的膨胀壁2，膨胀壁锥孔的锥度为1:10，在膨胀壁外表面上开有两个环形油腔3，该油腔内充有液态介质（如液压油）。主轴外表面上开有两个径向液压缸安装盲孔，二盲孔关于主轴轴线对称分布。在主轴端面上沿轴向开有两个轴向油路4，分别与上述两个对称盲孔连通，该油路在主轴端面上的开口是密封的。主轴上设有径向油路5，用于连通轴向油路和膨胀壁油腔，径向油路在主轴外表面上的开口是密封的。上述两个盲孔中各安装一套由缸体组件6和活塞7组成的液压缸，其中活塞安装于缸体组件内，在盲孔底部设有压缩弹簧8支撑活塞，液压缸和油路关于主轴轴线对称布置有利于保持主轴平衡。缸体组件为圆柱形，与主轴采用螺纹9连接，螺纹以上部分为圆柱面用于定位。在缸体组件下端设有弹簧垫圈10，用于对螺纹联接的锁紧以免松动。如图2所示，在缸体组件的缸壁上设有两个油孔11，两油孔关于缸体组件轴线对称布置，在缸体组件外壁上设有环形沟槽12与油孔及轴向油路连通，同时还设有两个O型密封圈13。活塞为中空的圆柱体结构，在活塞上设有T型特康格来圈14和导向环15。当主轴旋转时，活塞会在离心力的作用下对液态介质产生压力，压力由油路传给油腔。主轴每侧的径向油路同时与两个油腔接通,主轴两侧的油路是互通的。

实施例2

其结构同实施例1，而活塞为阶梯圆柱体，如图4所示。 

主轴每侧的油路通过各自的径向油路各接通一个油腔，主轴两侧的油路是不连通的。

Claims (4)

1.一种锥孔可自动锁紧的高速主轴，其特征是：在主轴轴端内孔通过过盈装配固定联接有带锥孔的膨胀壁，膨胀壁外表面上开有两个环形油腔，该油腔内充有液态介质，在主轴外表面上开有两个径向液压缸安装盲孔，二盲孔关于主轴轴线对称布置，在主轴端面上沿轴向开有两个分别与两个盲孔连通的轴向油路，该油路在主轴端面上的开口是密封的，主轴上设有径向油路，用于连通轴向油路和膨胀壁油腔，径向油路在主轴外表面上的开口是密封的，上述两个径向油路分别与一个膨胀壁油腔连通或同时与两个膨胀壁油腔连通，两个盲孔中各安装一套由缸体组件和活塞组成的液压缸，其中活塞安装于缸体组件内，在活塞上设有T型特康格来圈和两个导向环，在上述盲孔底部设有压缩弹簧，缸体组件为圆柱形，其与主轴采用螺纹连接，该缸体组件下端设有弹簧垫圈，在上述缸体组件外壁上设有环形沟槽与油孔及轴向油路连通，同时还设有两个O型密封圈。

2.根据权利要求1所述的锥孔可自动锁紧的高速主轴，其特征是：缸体组件缸壁上的油孔有两个，关于缸体组件的轴线对称布置。

3.根据权利要求1所述的锥孔可自动锁紧的高速主轴，其特征是：活塞的结构为中空的圆柱体。

4.根据权利要求1所述的锥孔可自动锁紧的高速主轴，其特征是：活塞的结构为阶梯圆柱体。

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