CN103394711A - 数控车床大规格精密直驱主轴结构 - Google Patents

Abstract

一种机械工程技术领域的数控车床中大规格高速、精密直驱式主轴结构，本发明包括：液体动静压技术与电主轴技术有机结合的主轴结构，可以实现大规格、液体动静压轴承、内装电机的高速、精密直驱式数控车床主轴单元。电动机装于前、后静压轴承之间，这种直驱式结构，加大了主轴轴承跨距，电动机驱动主轴旋转时，由于没有了中间传动环节的外力作用，主轴不承受径向驱动力，只承受周向旋转力矩，主轴高速运行没有中间传动冲击而更为平稳，加工零件精度更高。圆周均布型多点出气的密封结构，气压压力均匀，密封效果好。采用大规格高速精密直驱式主轴结构，转速高、精度高，刚度大、噪音低、寿命长，工作稳定性好、可靠性高，可用于精密加工机械及高速、高精度设备的主轴。

Description

数控车床大规格精密直驱主轴结构

技术领域

本发明涉及的是一种机械工程技术领域的可应用于全功能数控车床上的较大规格高速精密直驱式主轴结构。

背景技术

数控机床是机床工业的主流产品，高速精密数控机床是国内外装备制造业的技术基础和发展趋势，是装备制造业的战略性产业。高速精密数控机床的工作性能，取决于其关键部件之一主轴的性能，高速精密主轴系统是数控机床关键技术之一。

目前，在国内外数控车床中，高速精密主轴单元中主要应用的是滚动轴承，但这些轴承与动静压轴承相比承载能力小，精度低，使用寿命短。虽有部分使用液体动静压轴承、气体动静压轴承和磁悬浮轴承的外置式或内置式动静压电主轴结构，但此类结构在设计及制造或实际应用中存在许多问题。对于外置式结构，轴向尺寸大，容易造成负荷偏载，导致主轴受力情况差，不利于提高回转速度和精度；对于内置式结构，冷却或密封效果不好，容易造成电主轴的温升过高或污染，亦不利于提高回转速度。它们的共同特点只是将传统的动静压主轴和内置电机简单组合，但并不能满足全功能数控车床车削零件的要求。对于数控车床，主轴单元要求比磨床苛刻得多，它要求速度范围广，可以正反转，前端设有大直径的主轴头结构，因此需要合理设计动静压轴承的结构和轴系的布局，并且解决冷却和密封问题。

为了提高主轴速度和工作精度，动静压轴承内装式电主轴单元就成为数控车床主轴系统的最好选择之一。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利公开号CN101060262，该发明名称为：电机内装式动静压电主轴。该专利的部分自述内容为：“一种电机内装式动静压电主轴，前轴承装设于壳体前端内，后轴承座与壳体后端相连，后轴承装设于后轴承座中，主轴的两端分别支承于前轴承和后轴承中，电机定子和电机转子装设于主轴的中部，后轴承后端装设止推轴承，止推轴承通过锁紧螺母固定于主轴上，止推轴承后端设有后端盖，后端盖固定于后轴承座上，止推轴承前端与后轴承之间设有前端间隙，止推轴承后端与后端盖之间设有后端间隙，前端间隙与后端间隙内充满有流体介质。该电机内装式动静压电主轴可实现机床高速精密加工，它具有装配维修工艺性好、制造成本低、使用寿命长、结构合理、冷却效果好等显著优点。”该专利将止推轴承设置于后轴承后端，止推面与主轴分体制造，虽然便于维修，但这种结构不易保证止推面与主轴的垂直度，且热变形时主轴只能向前伸长，进而影响主轴的工作精度。因此，这种专利的主轴结构对于车床等主轴轴向精度要求较高的数控机床是不能应用的。另一方面，该专利的动静压轴承密封结构为沟槽式自然回流密封，此结构在较大规格动静压轴承高速回转时很难密封或回收油雾油气。中国专利公开号CN201303269Y，该发明名称为：电主轴油雾/油气全密封回收装置。该专利的部分自述内容为：“在现有电主轴的结构基础上，在电主轴的端部设置端盖，该端盖与主轴的连接部位为密封气环，在端盖上设有压缩气体气道和环形气槽，压缩气体气道经进气气道与外部气源连通，其出气端分别与环型气道和密封气环连通。本实用新型采用环型气槽气堵法将油雾／油气密封在主轴内部，在保证电主轴的高速运转性能的同时可回收油雾／油气，消除了污染，避免浪费。”该专利气密封结构为一个进气孔进入环型沟槽的密封型式，此结构在圆周上气压压力是不均匀的，密封效果较差。

在进一步的文献检索中，尚未发现与本发明主题“大规格精密直驱主轴结构”相同或者类似的报道。

发明内容

本发明的目的在于设计一种数控车床大规格精密直驱主轴结构，将液体动静压轴承技术与电主轴技术两者有机结合，应用气密封结构，将止推轴承结构设置于主轴前部，解决了动静压轴承电机内装式主轴技术上的不足，实现了数控车床较大规格高速精密主轴结构，不仅可确保主轴很高的回转精度、刚度和转速，而且结构简单，零件数量少，可大大降低主轴箱体轴承或轴承座安装孔的机械加工难度，降低加工成本，提高整体结构的使用寿命和实踐应用的可操作性。

具体地说，一种数控车床大规格精密直驱主轴结构，包括主轴箱体、主轴、前静压轴承、后轴承座、后静压轴承、电动机转子、电动机定子；前静压轴承外径与主轴箱体的孔配合，其内径与主轴外径配合；后静压轴承外径与后轴承座内孔配合，其内径与主轴外径配合；电动机转子、电动机定子装于前、后静压轴承之间，定子通过电主轴定子法兰与主轴箱体固连，其外径与主轴箱体孔配合；在前静压轴承与主轴之间设有止推环和锁紧螺母使得前静压轴承前端与主轴大肩面之间形成静压油腔作为单面静压止推轴承；锁紧螺母、止推环和前静压轴承后部及主轴形成一个预紧机构；主轴圆周外装有密封环，且密封环采用圆周均布型多点出气的密封结构，所述密封结构包含进气孔、圆周均布型多点进气孔、内环和外环气槽，内环和外环气槽包括主轴箱体与密封环之间气槽和主轴与密封环之间气槽。

本发明主要涵盖以下技术内容：

1)液体动静压轴承技术与内装式电主轴技术及结构；

2)在液体动静压轴承技术中，设置于主轴前部的止推轴承结构；

3)放射型多点出气式气密封结构。

本发明的技术方案特点为：前静压轴承外径与主轴箱体孔配合、内径与主轴外径配合；前静压轴承与主轴之间设有止推环；后静压轴承外径与后轴承座内孔配合、内径与主轴外径配合；电动机布局于前、后静压轴承之间；主轴箱体中的各相应孔，作为静压轴承的进、出油口和气密封进气孔，电主轴冷却液进、出液口。

电动机转子与主轴外径配合，装于前、后静压轴承之间，定子通过电主轴定子法兰与主轴箱体固连，其外径与主轴箱体孔配合。这种直驱式结构加大了主轴轴承跨距，机械结构更为简单，转动惯量小，因而快速响应性好。电动机驱动主轴旋转时，由于没有了中间传动环节的外力作用，主轴不承受径向驱动力，只承受周向旋转力，没有负荷偏载，主轴高速运行没有中间传动冲击而更为平稳，回转精度更高。

净化空气从主轴箱体进气口进入，通过相应的气路和密封环等结构，实现了静压轴承液压油与内装电机和冷却液之间的有效隔离，以及液压油的泄漏和回收处的有效密封。主轴箱体液压油出口处外接抽油管路，主轴高速回转时产生的油雾及泄漏油可及时的回抽至液压站，箱体内部亦不会产生负压。

前静压轴承前端与主轴大肩面之间形成静压油腔，是单面静压止推轴承；锁紧螺母、止推环和前静压轴承后部及主轴形成一个预紧机构，它的预紧力与转速无关，始终与止推轴承的压力平衡，有效克服离心力的作用，很大的提高止推轴承的运动精度，使主轴在承受径向力的同时可以承受轴向力。

动静压轴承为整体式结构，轴承与箱体孔接触面积大，为刚性连接，使油膜刚度得到充分的发挥利用；主轴高速旋转时，轴承油腔内由于阶梯效应自然形成动静压承载油膜，轴承成为具有静压压力场的动压滑动轴承，油膜刚度是轴承静态刚度与动态刚度的叠加，使主轴有很强的径向和轴向承载能力；压力油膜的“均化”作用可使主轴回转精度高于轴颈的加工精度和表面粗糙度，提高机床主轴的回转精度，并可多年连续使用而不需要维修。

本发明的有益效果是：

1.电动机装于前、后静压轴承之间，主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”，布局合理、结构紧凑；

2.采用液体动静压技术，精度高、刚度大、噪音低、寿命长、吸振性能好，工作稳定性和可靠性高，可用于精密加工机械及高速、高精度设备的主轴。

3.该主轴结构已应用于实际生产，实现了数控车床用较大规格高速精密直驱主轴单元，其液体静压轴承直径φ160 mm、内装电机功率67.4 Kw，最高转速5000 r/min，主轴径向跳动0.0005 mm、轴向跳动0.001 mm。

附图说明

图1是本发明的结构简图。

图2为图1中II部分放大图。

图中各件为：1.主轴箱体，2.主轴，3.前静压轴承，4.后轴承座，5.后静压轴承，6.电动机转子，7.止推环，8.锁紧螺母，9.电动机定子，10.前法兰，11.密封环，12.电主轴定子法兰。A-液压油进口、B-液压油出口、C-液压油泄漏口。

图3是本发明的气密封结构简图。

图4为图3的侧视图。

附图标记：D-进气口、E-多点进气口、F-气槽。

具体实施方式

如图1-4给出了本发明具体实施方式。

在结构简图1-2中，主轴箱体1为主结构液压油进油口进入前、后静压轴承的静压腔，形成静压油膜，主轴箱体底部内腔为支承件，主轴2与前静压轴承3、后静压轴承5之间形成静压腔，液压油通过主轴箱体上液压油泄漏腔，通过其液压油出口流出泄漏油液。电动机为动力驱动系统，置于前、后静压轴承之间，驱动主轴2旋转而工作。其特征在于：采用该大规格精密直驱主轴，结构简单、布局合理，实踐应用的可操作性强，工作稳定性好、可靠性高，转速高、精度高、噪音低，可以制造液体动静压轴承、主轴结构较大的高速精密直驱式主轴单元。

电动机装于前、后静压轴承之间的直驱式结构，由于没有了中间传动环节的外力作用，主轴旋转时不承受径向驱动力，只承受周向旋转力矩，高速运行没有中间传动冲击而更为平稳，加工零件精度更高。

图3-4是本发明的气密封结构简图。图中，净化气体从主轴箱体进气口进入，通过相应的气路和前、后静压轴承上的密封环等结构，其中密封环结构为圆周均布型多点出气和内环、外环气槽结构（并非通常的一个进气孔进入环形沟槽的密封结构），此结构在圆周上气压压力均匀，密封效果好，实现了静压轴承液压油与内装电机和冷却液之间的有效隔离，以及液压油的泄漏和回收处的有效密封。

Claims (1)

1.大规格高速精密直驱主轴结构，其特征是包括主轴箱体（1）、主轴（2）、前静压轴承（3）、后轴承座（4）、后静压轴承（5）、电动机转子（6）、电动机定子（9）；前静压轴承（3）外径与主轴箱体（1）的孔配合，其内径与主轴（2）外径配合；后静压轴承（5）外径与后轴承座（4）内孔配合，其内径与主轴（2）外径配合；电动机转子（6）、电动机定子（9）装于前、后静压轴承之间，定子通过电主轴定子法兰与主轴箱体固连，其外径与主轴箱体孔配合；在前静压轴承（3）与主轴（2）之间设有止推环（7）和锁紧螺母（8）使得前静压轴承前端与主轴大肩面之间形成静压油腔作为单面静压止推轴承；锁紧螺母、止推环和前静压轴承后部及主轴形成一个预紧机构；主轴（2）圆周外装有密封环（11），且密封环（11）采用圆周均布型多点出气的密封结构，所述密封结构包含进气孔D、圆周均布型多点进气孔（E）、内环和外环气槽（F），内环和外环气槽（F)包括主轴箱体（1）与密封环（11）之间气槽和主轴（2）与密封环（11）之间气槽。

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