CN102794469B - 一种高精度高速电主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度高速电主轴，包括轴壳，以及安装在轴壳内的主轴，主轴的两端分别套设有轴承，主轴的中间套有转子，轴壳内还设有与转子相对应的定子，油雾管一端连接在轴承上，另一端与设置在轴壳上的油雾入口相连；所述高速电主轴的轴壳内还设有冷却系统；所述轴承为角接触陶瓷球轴承，可减少高速下的摩擦发热，以提高轴承的高速性能。所述轴承还设有恒位置预紧和恒力预紧切换机构，使高速电主轴既能适应低速重载加工，又能适应超高速运转。

Description

一种高精度高速电主轴

技术领域

本发明涉及一种电主轴，特别是涉及一种高精度高速电主轴。

背景技术

高速主轴单元是高速加工机床最为关键的部件。高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴。不同类型输出功率相差较大，高速加工机床主轴需在极短的时间内实现升降速，并在指定位置快速准停。这就要求主轴有很高的角减速度和角加速度。如果通过皮带等中间环节，不仅会在高速状态打滑、产生振动和噪音，而且增加转动惯量，给机床快速准停造成很大困难。目前，多数高速机床主轴采用内装式主轴电机一体化的主轴单元，即所谓内装式电机主轴（Build-in MotorSpindle），简称“电主轴”。它采用无外壳电机，将带有冷却套的电机定子装配在电主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围完全由变频交流电机控制，使变频电机和机床主轴合二为一。

高速电主轴的核心支承部件是高速精密轴承。因电主轴的最高转速取决于轴承的大小、布置和润滑方法，所以这种轴承必须具有高速性能好、动负荷承载能力高、润滑性能好、发热量小等优点。目前，用在高速主轴上的轴承主要有角接触球轴承、磁悬浮轴承、水基动静压轴承、空气动静压轴承等。磁悬浮轴承由于价格昂贵，控制系统复杂，发热问题难以解决，因而还无法在高速主轴单元上推广应用。水基静压轴承是利用水具有热容量较大、轴承温升较小的特点，部分解决了普通动、静压轴承发热严重的问题，主要用在低速重载场合。空气动静压轴承高速性能好，但径向刚度低并有冲击。角接触球轴承dn值在2.0×10⁶以下的高速主轴单元中应用，无论是速度极限、承载能力、刚度、精度等各方面均能很好地满足要求，但普通的全钢滚珠的角接触器轴承，在高速作用下，全钢滚珠上的离心力和陀螺力矩增大，离心力增大会增加滚珠和滚道间的摩擦，而陀螺力矩增大则会使滚珠和滚道间产生滑动摩擦，使轴承摩擦发热加剧，因而降低轴承的寿命。

此外，为了提高轴承的刚度，抑制振动及高速回转时滚珠公转和自转的滑动，提高轴的回转精度等，在主轴上使用的滚动轴承均需预紧。预紧的方式主要有恒位置预紧和恒力预紧。

恒位置预紧是将轴承内外圈在轴向固定，以初始预紧量确定其相对位置，运转过程中预紧量不能自动调节。随着转速的提高，轴承滚子发热膨胀、内外圈温差增大、滚子受离心力及轴承座的变形等因素影响，使轴承预紧力急剧增加，这是超高速主轴轴承破坏的主要原因，一般应用在dn值小于2.0×10⁶的高速主轴上。恒力预紧是一种利用弹簧或者液压系统对轴承实现预紧的方式。在高速运转中，弹簧或液压系统能吸收引起轴承预紧力增加的过盈量，以保持轴承预紧力不变，这对超高速主轴特别有利。但在低速重切削条件下，由于预紧结构的变形会影响主轴的刚性，所以恒力预紧一般只能用在超高速、载荷较轻的电主轴上。

有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种高精度高速电主轴，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种轴承使用寿命长、回转精度高的高速电主轴。

为了实现上述目的，本发明的解决方案是：

一种高精度高速电主轴，包括轴壳，以及安装在轴壳内的主轴，主轴的两端分别套设有轴承，主轴的中间套有转子，轴壳内还设有与转子相对应的定子，油雾管一端连接在轴承上，另一端与设置在轴壳上的油雾入口相连；所述高速电主轴的轴壳内还设有冷却系统，冷却系统包括冷却套，冷却套安装在定子外侧，冷却套外侧环设有螺旋水槽，螺旋水槽连接冷却管，冷却管与安装在轴壳的底端和顶端的冷却液入口和冷却液出口相连；上述轴承为角接触陶瓷球轴承；所述轴承还设有恒位置预紧和恒力预紧切换机构。

所述轴承的轴承滚珠采用陶瓷(Si3N4)材料。

所述轴承的滚道上涂有TiAlN涂层，TiAlN涂层具有较大承载能力、粘合力和较高硬度，对滚道涂层可减小滚道的滚动摩擦，从而减少高速下的摩擦发热，以提高轴承的高速性能。

上述TiAlN涂层温度为160℃。

所述定子由具有高磁导率的矽钢片迭压而成，定子内腔带有冲制嵌线槽。

所述高速电主轴采用油雾润滑，油雾润滑具有润滑和冷却双重作用，它以压缩空气为动力，通过油雾器将油液雾化并混入空气流中，然后通过油雾入口和油雾管输送到轴承需要润滑的地方。当电主轴高速旋转时，油雾可在轴承沟道内形成流体动力润滑油膜。

本发明的冷却液为水，水从冷却液入口进入，通过冷却管，流入冷却套上的螺旋水槽，再从冷却管和冷却液出口流出，用循环冷却液体吸收和带走电机产生的热量，保持电主轴单元壳体均匀的温度分布。

上述高速电主轴工作原理：高速电主轴电机的绕组相位互差120°，通以三相交流电后，三相绕组各自形成一个正弦交变磁场，这三个对称的交变磁场互相迭加，合成一个强度不变，磁极朝一定方向恒速旋转的磁场，磁场转速就是电主轴的同步转速．异步电动机的同步转速n由输入电机定子绕组电流的频率f和电机定子的极对数P决定（n=60f/p）。电主轴就是利用变换输入电动机定子绕组的电流的频率和激磁电压来获得各种转速。在加速和制动过程中，通过改变频率进行加减速，以免电机温升过高．由于电机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相序，故改变电主轴输入电流的相序，便可改变电主轴的旋转方向。

采用上述角接触陶瓷球轴承，因为Si3N4陶瓷材料的密度仅为轴承钢的40%，因而这种轴承的高速性能明显高于全钢轴承，此外，TiAlN涂层具有较大承载能力、粘合力和较高硬度，对滚道涂层可减小滚道的滚动摩擦，从而减少高速下的摩擦发热，以提高轴承的高速性能。

采用恒位置预紧和恒力预紧切换机构，使高速电主轴既能适应低速重载加工，又能适应超高速运转，在低速重切削时，轴承在恒位置预紧下工作；当高速轻切削时，系统可自动切换成恒力预紧方式，以防止预紧力增大，使轴承的高速性能得到发挥。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1 为本实施例的高速电主轴结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种高精度高速电主轴，包括轴壳1，以及安装在轴壳1内的主轴2，主轴2的两端分别套设有轴承5，主轴2的中间套有转子4，轴壳1内还设有与转子4相对应的定子3，油雾管7一端连接在轴承5上，另一端与设置在轴壳1上的油雾入口71相连；所述高速电主轴的轴壳1内还设有冷却系统6，冷却系统6包括冷却套61，冷却套61安装在定子3外侧，冷却套61外侧环设有螺旋水槽62，螺旋水槽62连接冷却管63，冷却管63与安装在轴壳1底端和顶端的冷却液入口64和冷却液出口65相连；所述轴承5为角接触陶瓷球轴承；所述轴承5还设有恒位置预紧和恒力预紧切换机构。

所述轴承5的轴承滚珠51采用陶瓷(Si3N4)材料。

所述轴承5的滚道上涂有TiAlN涂层，TiAlN涂层具有较大承载能力、粘合力和较高硬度，对滚道涂层可减小滚道的滚动摩擦，从而减少高速下的摩擦发热，以提高轴承的高速性能。

上述TiAlN涂层温度为160℃。

所述定子3由具有高磁导率的矽钢片迭压而成，定子3内腔带有冲制嵌线槽。

所述高速电主轴采用油雾润滑，油雾润滑具有润滑和冷却双重作用，它以压缩空气为动力，通过油雾器将油液雾化并混入空气流中，然后通过油雾入口71和油雾管7输送到轴承5需要润滑的地方。当电主轴高速旋转时，油雾可在轴承沟道内形成流体动力润滑油膜。

本实施例的冷却系统6的冷却液为水，水从冷却液入口64进入，通过冷却管63，流入冷却套61上的螺旋水槽62，再从冷却管63和冷却液出口65流出，用循环冷却液体吸收和带走电机产生的热量，保持电主轴单元壳体均匀的温度分布。为加强冷却效果，冷却水的入口温度应严格控制，并有一定的压力和流量。冷却系统6也可以采用其他冷却液，只要能起到冷却效果就行。

上述高速电主轴工作原理：高速电主轴电机的绕组相位互差120°，通以三相交流电后，三相绕组各自形成一个正弦交变磁场，这三个对称的交变磁场互相迭加，合成一个强度不变，磁极朝一定方向恒速旋转的磁场，磁场转速就是电主轴的同步转速．异步电动机的同步转速n由输入电机定子绕组电流的频率f和电机定子的极对数P决定（n=60f/p）。电主轴就是利用变换输入电动机定子绕组的电流的频率和激磁电压来获得各种转速。在加速和制动过程中，通过改变频率进行加减速，以免电机温升过高．由于电机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相序，故改变电主轴输入电流的相序，便可改变电主轴的旋转方向。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (2)

1.一种高精度高速电主轴，其特征在于：包括轴壳，以及安装在轴壳内的主轴，主轴的两端分别套设有轴承，主轴的中间套有转子，轴壳内还设有与转子相对应的定子，油雾管一端连接在轴承上，另一端与设置在轴壳上的油雾入口相连；所述高速电主轴的轴壳内还设有冷却系统，冷却系统包括冷却套，冷却套安装在定子外侧，冷却套外侧环设有螺旋水槽，螺旋水槽连接冷却管，冷却管与安装在轴壳的底端和顶端的冷却液入口和冷却液出口相连；所述冷却系统的冷却液为水，水从冷却液入口进入，通过冷却管，流入冷却套上的螺旋水槽，再从冷却管和冷却液出口流出；上述轴承为角接触陶瓷球轴承，所述轴承的轴承滚珠采用Si3N4陶瓷材料，所述轴承的滚道上涂有TiAlN涂层；所述轴承还设有恒位置预紧和恒力预紧切换机构；所述高速电主轴采用油雾润滑；所述定子由具有高磁导率的矽钢片迭压而成，定子内腔带有冲制嵌线槽。 

2.如权利要求1所述的一种高精度高速电主轴，其特征在于：所述TiAlN涂层温度为160℃。