CN103286678B - 一种用于高效高速精密机床的多功能内置式动静压电主轴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高效高速精密机床的多功能内置式动静压电主轴，包括体壳、主轴、轴承、封油盖、电机转子、定子等，前轴承置于体壳右端，它与主轴组成静压推力轴承，它的内表面中还设有静压油腔，而内表面大直径部分与预紧活塞相配；后轴承装在后轴承座中；电机转子置于前、后两轴承之间，电机定子的外圆柱面与水套紧配，水套与体壳中部的孔相配，水套与体壳连接，后轴承的密封采用气密封环，前轴承密封通过封油盖和后端的气密封孔实现；电机定子两端设有热屏蔽装置，根据使用情况不同，在主轴上还可安装不同装置。本发明可用于精密车床、车铣中心或磨床的砂轮主轴或工件主轴上，具有高精度、高刚度、长寿命、制造工艺性好、密封效果佳等优点。

Description

一种用于高效高速精密机床的多功能内置式动静压电主轴

技术领域

本发明属机床领域，特别是涉及一种用于高效高速精密机床的多功能内置式动静压电主轴。

背景技术

随着科学技术飞速发展，对机械制造业的要求日益提高，要求机床向高精度、高效率、高速方向发展。对机床主轴作为高精度、高效机床的核心动能部件的要求日益提高。为了满足高速度的要求，将主轴直接装上转子的电主轴已逐步取代皮带传动的主轴而取得越来越多的应用。

作为决定主轴运动精度的轴承按摩擦类型分为滚动轴承和滑动轴承两大类，滑动轴承又分为动压轴承、静压轴承及动静压轴承。

滚动轴承的缺陷是抗振性差，精度受限制且容易磨损，动压轴承优点是高速时承载力大而缺点是启动和停车时有接触而易磨损，静压轴承的特点是油膜将相对滑动面完全隔开，有高精度、高承载力、高抗振性及长寿命的优点而在机床制造业中得到广泛应用，动静压轴承作为静压轴承发展综合动压和静压轴承的优点而具有更高性能和能源节约而更有发展前途。

目前应用的电主轴以滚动轴承作为支撑的比较普遍，但由于上述缺点在高精度机床上不能满足要求，开发静压、动静压电主轴是机床制造业的一大重要课题。

电主轴按电机转子的位置分为外置式和内置式两类，外置式又称悬臂式是电机转子置于主轴的两轴承的外端，内置式是将转子置于两轴承之间，外置式的特点是结构简单工艺性好，缺点是轴向尺寸太大，高速旋转时轴上外悬质量大，对振动影响及轴承的负载大，内置式的特点是主轴尺寸小、轴承的负载小、抗振性好，但结构复杂、散热差。

最早的动压电主轴是应用于平面磨床的砂轮主轴，其转速固定，后来发展用变频器，现在电主轴多用伺服控制。

用于高档机床的电主轴虽然也出现用静压、动静压轴承作支撑的，但其结构大都是纯粹将滚动轴承改为静压或动静压轴承的基本形式，对于外置式的情况只是在原静压主轴的基础上用电机转子代替皮带轮，对于内置式结构在原静压主轴的基础上将电机安装在两径向轴承之间，止推轴承为对置的平面轴承放在主轴的一端，密封形式也停留于间隙密封或骨架密封。

对于上述结构的动静压主轴存在的普遍缺点是：端面止推轴承的性能差，由于零件加工和装配的精度影响而不能达到高要求，高速时的离心力使止推轴承油腔压力不能很好保持，对于冷却液及油液的密封不能保证。对于有法兰的主轴如车床或带内置式动平衡仪的磨床主轴，如用这种结构势必将止推轴承尺寸做的很大在结构上很难实现，除此对于车铣中心或磨床工件头架需要主轴停在某一位置上进行加工的情况其刹车装置往往是个难点，为了解决上述问题，在高档数控课题中我们开发了新型电主轴，他能应用于车床、车铣中心、磨床的主轴及工件轴的多功能内置式动静压电主轴。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于高效高速精密机床的多功能内置式动静压电主轴，以改善主轴精度、承载力、转速范围以及密封性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种多功能电机内置式动静压电主轴，包括箱体、封油盖、主轴、平衡头、砂轮、前轴承、预紧活塞、前热屏蔽环、锁紧螺母、电机定子、电机转子、水套、定子固定环、后热屏蔽环、第一气密封环、后轴承座、后轴承、第二气密封环、旋转编码器、动平衡接收器、护罩，所述的箱体设有一水平贯通的内腔，内腔里的前、中、后段分别安装有前轴承、水套、后轴承座，水套通过两端的定子固定环与箱体定位，水套内径上过盈配合有电机定子，水套内径两端装有O型圈，电机定子内径上安装有电机转子，后轴承座内安装有后轴承，前轴承、电机转子和后轴承共同形成的腔体里安装有主轴，后轴承两端还分别装有第一气密封环和第二气密封环，主轴前端头上有法兰，法兰的外径从前往后呈递减的阶梯形状，从前往后的每级阶梯上分别与预紧活塞、前热屏蔽环、锁紧螺母、电机转子和后热屏蔽环配合安装。

所述的箱体顶部设供气通道A、供压力油给径向轴承和活塞腔通道B、前端止推轴承可控压力油通道C、电机定子水套冷却水进口D、电机定子水套冷却水出口E和润滑油回油通道F，各进、出口均经管路连接至机床外部。

所述的内腔里的前、中、后段分别通过配合孔及各固定螺丝孔安装前轴承、水套、后轴承座。

所述的主轴前端头外套有封油盖，主轴的后端头外套有旋转编码器，主轴的后端头外侧的箱体上安装有护罩。

所述的主轴内部安装有动平衡接收器。

所述的前轴承具有阶梯形内表面，前轴承的前端内圆柱面与主轴相配，前轴承后端面内圆柱面与预紧活塞相配，两圆柱交界内台肩面与预紧活塞端面有空隙。

有益效果

本发明的结构与现有技术相比具有如下优点：

本发明采用轴向单面静压止推轴承和活塞预紧的方式可以有效的提高轴向运动精度，这是由于静压对置推力轴承的运动精度对主轴而言取决于两个止推面与主轴的垂直度和两者的平行度，对轴承而言也要求两个止推面与轴孔的垂直度和互相的平行度。这四个面的平行度在生产实践中是很难保证的，导致止推轴承往往不能在要求的液阻比下工作，液阻比是一个重要参数，对于给定的节流器有一个最佳值。另一方面对于双面对置止推静压轴承要求与节流阻力相应的油膜厚度，由于受制造和装配精度的影响实际的误差很大，这些都影响止推轴承的运动精度和承载力。单面止推和活塞预紧的组合由于活塞端不影响精度实际上只需将轴肩上的止推面垂直度与轴承上一个止推面保证精度就能达到高精度和高承载力，同时按照力平衡的原理只要合理设计止推轴承有效面积与活塞端的面积就能保证静压止推轴承最佳匹配，即主轴轴向性能处于最佳状态，由于活塞端面空隙较大对制造装配的要求都带来很大的方便。在高速旋转时即使由于离心力作用流量损失增加，也能通过预紧活塞的作用自动调节油膜厚度而保证性能不变。

气密封结构能有效防止外介杂质的进入和油液流出，尤其在高速时往往形成油雾状颗粒越过间隙密封容易进入电机定转子。

径向轴承的动静压油腔设计成双向型的，可用于高的转速范围和改变旋转方向。

电机定子两端的热屏蔽器可以大大减少电机产生的热量辐射到静压轴承上。

本发明的另一特点是结构的多用途，这避免了传统液体静压轴系中将止推轴承置于前轴承外侧而限制了具有大端法兰的车床主轴等的应用。同时可通过控制单面静压止推轴承的压力将主轴刹车应用于车铣中心和磨床工件头架的情况。

此外本发明还有良好的结构工艺，不但对止推轴承的加工装配的良好工艺性，而且将后轴承置于后轴承座中，轴承座与箱体有良好的定位基准，便于定子的安装。

本发明应用于高档度数控机床首选大型精密车床，主轴直径φ160mm，电机功率80kw，转速5000rpm，其主轴运动精度0.5μm以内，无漏油现象，达到攻关要求。

附图说明

图1为本发明结构图

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

如图1所示，一种多功能电机内置式动静压电主轴，由箱体1、封油盖2、主轴3、平衡头4、砂轮5、前轴承6、预紧活塞7、前热屏蔽环8、锁紧螺母9、电机定子10、电机转子11、水套12、定子固定环13、后热屏蔽环14、第一气密封环15、后轴承座16、后轴承17、第二气密封环18、旋转编码器19、动平衡接收器20、护罩21、供气通道A、供压力油给径向轴承和活塞腔通道B、前端止推轴承可控压力油通道C、电机定子水套冷却水进口D、电机定子水套冷却水出口E和润滑油回油通道F等组成。

所诉前轴承6通过前端法兰用螺丝安装在箱体1前端，所述后轴承17通过其法兰固定在后轴承座16中。所述主轴3上装有平衡头4、砂轮5、预紧活塞7、锁紧螺母9及过盈配合的电机转子11。所述电机转子11过盈配合装在水套12内孔中，依靠前端的内台肩定位，水套12安装在箱体1中，两端装有O型密封圈，依靠箱体1内的阶梯孔作轴向定位，并由定子固定环13将其固定在箱体1内。

所述箱体1的内腔由从前向后的各阶梯孔组成，其上有孔通轴承润滑液，用于冷却的水道和压缩空气的进出孔。所述前轴承6内部由阶梯孔组成，小端为动静压轴承工作区，开有若干个双向动压区和静压供油区组成的油腔，大端孔与轴上的预紧活塞7外圆为间隙配合，阶梯的交界面与预紧活塞7端面留有0.2～0.3mm空隙，其内有润滑油供油孔。

前轴承6的前端面上开有环形静压腔，节流器开设在其外圆面上并有润滑油进出孔，在其后端开有气密封环槽。

所述后轴承17其内孔开有与前轴承6同样动静压油腔，外圆柱面与后轴承座17过渡配合，其上开有节流器和润滑油通道，其两端装有气密封环15，依靠端面法兰与后轴承座16紧固。

所述的后轴承座16与箱体1的配合为0.01～0.02mm的间隙配合依靠端面法兰和箱体1连接。

各介质的供给通道为：A—供气通道，B—供压力油给径向轴承和活塞腔通道，C—前端止推轴承可控压力油通道，D—电机定子水套冷却水进口，E—电机定子水套冷却水出口，F—润滑油回油通道。

安装顺序为：

将水套12加热后把电机定子10装在内部，以内台肩定位，将装有电机定子10的水套12装入箱体1孔中，以箱体1内台肩定位，用定子固定环13端面的螺钉将水套12与箱体1轴向固定。将前轴承6装入主轴3，将预紧活塞7用锁紧螺母9固定在轴上以轴肩定位，将电机转子11加热套在轴上以轴肩定位，由此形成一个组件。将后轴承17装在后轴承座16内用螺钉固定将后轴承座16装在箱体1后端孔内并固定，并装上气密封环15和气密封环18。将装有主轴3及其上个零件的前轴承6依靠主轴1后端与后轴承17的配合面做导向将前轴承装在箱体1前端孔，用螺钉做轴向固定。

电主轴在工作时首先供给各轴承和预紧活塞润滑流体，同时供水套的冷却水及气密封的压缩空气，使主轴3悬浮在轴承的间隙中形成纯液体润滑，根据设计的良好性能实现高速、高效、高精度运转。在工作中润滑油及冷却水通过进出通道实现循环带走产生的热量。

压缩空气通过气密封环均匀地在旋转的零件外表面形成具有压力的屏障，一方面阻止润滑油及其油雾外漏，一方面阻止外界的杂质进入轴承及其管道中。

当用于具有刹车功能的电主轴(例车铣中心或磨床工件头架)时可省去砂轮动平衡仪，需将供给止推轴承的油路上设开关即可，当需要刹车时将其油压关闭，在活塞推力的作用下将主轴向后拉紧，使止推轴承的两个面紧紧贴住，其摩擦力足以克服切削力，由于两者无相对滑动不会损坏推力面，实现多功途。

显然本发明结构简洁，工艺性好，径向轴承及止推轴承的性能良好，具有高速、高精度、长寿命的优点，能应用于多种高档数控机床的主轴。

Claims (4)

1.一种多功能电机内置式动静压电主轴，包括箱体(1)、轴承和主轴(3)，其特征是：所述的箱体(1)设有一水平贯通的内腔，内腔里的前、中、后段分别安装有前轴承(6)、水套(12)、后轴承座(16)，水套(12)通过两端的定子固定环(13)与箱体(1)定位，水套(12)内径上过盈配合有电机定子(10)，水套(12)内径两端装有O型圈，电机定子(10)内径上安装有电机转子(11)，后轴承座(16)内安装有后轴承(17)，前轴承(6)、电机转子(11)和后轴承(17)共同形成的腔体里安装有主轴(3)，后轴承(17)两端还分别装有第一气密封环(15)和第二气密封环(18)，主轴(3)前端头上有法兰，法兰的外径从前往后呈递减的阶梯形状，从前往后的每级阶梯上分别与预紧活塞(7)、前热屏蔽环(8)、锁紧螺母(9)、电机转子(11)和后热屏蔽环(14)配合安装；所述的箱体(1)顶部设供气通道(A)、供压力油给径向轴承和活塞腔通道(B)、前端止推轴承可控压力油通道(C)、电机定子水套冷却水进口(D)、电机定子水套冷却水出口(E)和润滑油回油通道(F)，各进、出口均经管路连接至机床外部；所述的内腔里的前、中、后段分别通过配合孔及各固定螺丝孔安装前轴承(6)、水套(12)、后轴承座(16)。

2.根据权利要求1所述的一种多功能电机内置式动静压电主轴，其特征是：所述的主轴(3)前端头外安装有砂轮(5)，主轴(3)前端头端面上有平衡头(4)，主轴(3)前端头外的箱体(1)上安装套有封油盖(2)，主轴(3)的后端头外套有旋转编码器(19)，主轴(3)的后端头外侧的箱体(1)上安装有护罩(21)。

3.根据权利要求1所述的一种多功能电机内置式动静压电主轴，其特征是：所述的主轴(3)内部安装有动平衡接收器(20)。

4.根据权利要求1所述的一种多功能电机内置式动静压电主轴，其特征是：所述的前轴承(6)具有阶梯形内表面，前轴承(6)的前端内圆柱面与主轴(3)相配，前轴承(6)后端面内圆柱面与预紧活塞(7)相配，两圆柱交界内台肩面与预紧活塞(7)端面有空隙。