CN103586759B - 一种超高速磨削装备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高速磨削装备，包括立柱支撑、砂轮以及工作台，在立柱支撑上设有主轴电机和主轴系统，主轴电机的输出端连接一大带轮，主轴系统前端连接一小带轮，大带轮和小带轮之间通过平带传动，在主轴系统的后端连接砂轮，工作台位于砂轮的下端，主轴系统包括主轴、轴壳以及设置在主轴和轴承之间的前端支撑和后端支撑，前端支撑和后端支撑分别包括两个背对背安装的角接触球轴承，在背对背安装的两个角接触球轴承之间设置有油气喷嘴。本发明磨削设备大程度上提高了主轴系统的动平衡精度，在前端轴承处设有沿周向均布的弹簧阵列进行主轴轴向动态力预紧。

Description

一种超高速磨削装备

技术领域：

本发明涉及超高速磨削领域，具体涉及一种超高速磨削装备。

背景技术：

超高速磨削是机械加工领域中先进制造技术的重要组成部分，是通过提高砂轮线速度（即磨削速度）来达到提高金属磨除率和工件加工质量的工艺方法，在本领域，一般认为砂轮线速度大于150m/s即为超高速。应用高效率、高精度、高自动化、高柔性的磨削设备，能最大限度地提高工件加工效率，加工精度和加工表面质量。随着能源、汽车、航空航天等高端产业对零件的加工精度与效率越来越高的要求，国际上许多发达国家均把超高速磨削工艺与装备的研究作为机械制造领域的重要课题列入研究范围。

目前，超高速磨削试验装备主轴系统主要为电主轴。由于电主轴结构比较特殊，电机置于主轴内部，通过驱动电源直接驱动主轴进行工作，实现了电机、主轴的一体化功能；电主轴结构紧凑，从而避免了由于有中间传动环节而带来的装配误差和传动误差，传动精度高，动态响应快；但另一方面，由于电机转子和定子内置于主轴中，故其运转过程中发热比较严重，需额外增加水冷机进行强制水冷，电主轴结构需考虑循环水冷却，从而使得电主轴将结构变得复杂；同样，内置于主轴中的电机受空间体积限制，电机功率都很有限，一般磨削用电主轴最高转速为30000rpm到40000rpm，但对应最大功率仅有10Kw到30Kw，从而使得磨削用电主轴在超高速磨削过程中的使用受到很大限制；更有，一般超高速磨削用电主轴价格昂贵，大大的增加了试验装备和研究成本。

在磨削技术和工艺的研究中，带传动系统即通过电机驱动带传动连接方式，一般用于砂轮安全回转试验使用，至今未见报道有将其用于超高速磨削试验装备主轴系统。通常地，该连接方式为普通三相异步电机连接大带轮，通过皮带连接小带轮，小带轮带动主轴转动，主轴常用前后各一组或两组轴承支承。该连接方式中，三相异步电机最高转速略低于3000rpm，一般常用功率也不高，这样使得主轴转速一般最高为9000rpm到15000rpm左右，很难再有提高；且轴承发热严重，基本没有冷却，一般也只是用液体油或者油脂润滑，轴承转速受到限制且冷却效果不是很令人满意。

发明内容：

发明目的：

针对以上存在的问题，本发明的目的在于提供一种适合超高速磨削用的装备，可以满足超高速磨削所要求的主轴高转速、高功率、高动平衡精度且轴承充分润滑冷却等条件，且成本相对较低。

技术方案：

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种超高速磨削装备，包括立柱支撑、砂轮以及工作台，其特征在于：在所述立柱支撑上设有主轴电机和主轴系统，所述主轴电机的输出端连接一大带轮，所述的主轴系统前端连接一小带轮，所述的大带轮和小带轮之间通过平带传动，在主轴系统的后端连接所述的砂轮，所述工作台位于砂轮的下端，所述的主轴系统包括主轴、轴壳以及设置在主轴和轴承之间的前端支撑和后端支撑，所述的前端支撑和后端支撑分别包括两个背对背安装的角接触球轴承，在背对背安装的两个角接触球轴承之间设置有油气喷嘴，在所述前端支撑的后端与轴壳之间还设置有沿轴壳周向布置的弹簧阵列，在所述的主轴上设置有两个沿径向对称布置的键槽，所述的小带轮与主轴之间通过设置在两个键槽内的双键连接。

在所述的轴壳的内部设置有一弹簧支撑，所述的弹簧位于所述前端支撑的后端与弹簧阵列支撑之间。

在所述的轴壳内设置有一油气通道，该油气通道与所述前端支撑和后端支撑的油气喷嘴相连。

在前端轴承处设有沿周向均布的弹簧阵列进行主轴轴向动态力预紧，提高主轴系统轴向动态刚度。

工作台通过常用的三维运动机构驱动实现，即三个方向分别用伺服电机驱动滚珠丝杠继而驱动工作台的结构方式，由于该方式普遍通用，这里不再详述。

有益效果：

1、本发明超高速磨削试验装备小带轮与主轴系统之间通过双键连接，在轴壳与主轴的前端支撑和后端支撑分别设置背对背的角接触球轴承，这样可以很大程度上提高了主轴系统的动平衡精度，在前端轴承处设有沿周向均布的弹簧阵列进行主轴轴向动态力预紧。因此可采用主动电机驱动主轴系统进行高速磨削，在主轴电机与主轴系统之间通过高速带传动驱动方式，其性能可以达到超高速磨削要求，并大大节约了装备成本。

2、本发明超高速磨削试验装备采用高速主轴电机，其最高转速一般可达10000rpm以上，且功率亦可达到使用要求；电机输出轴与大带轮之间通过胀紧套传递扭矩。

3、本发明超高速磨削试验装备中轴承采用油气润滑，即通过设置在双列轴承中间的油气喷嘴对轴承进行油气润滑，降低了轴承的发热量，可以提高轴承寿命。

附图说明：

图1是本发明超高速磨削装备总体示意图；

图2是主轴系统在立柱支撑中结构示意图；

图3是主轴系统示意图；

图4是主轴系统右视图。

图中：1、主轴电机；2、立柱支撑；3、大带轮；4、张紧机构；5、高速平带；6、胀紧套；7、砂轮；8、防护罩；9、工件：10、工作台；11、主轴系统；12、小带轮；13、主轴；14、锁紧螺母；15、圆头平键；16、前密封迷宫；17、前法兰端盖；18、螺钉；19、角接触球轴承；20、油气喷嘴；21、轴承内挡圈；22、轴承外挡圈；23、弹簧；24、弹簧支撑；25、轴壳；26、后轴承挡圈；27、油气入口；28、后法兰端盖；29、油气出口

具体实施方式：

下面结合附图和具体实例对本发明进一步说明：

图1所示为本发明超高速磨削装备总体示意图，图2是主轴系统在立柱支撑中结构示意图。主轴电机1安装固定在立柱支撑2上，由于主轴电机一般最高转速可达到10000rpm以上，故而考虑动平衡特性其输出轴一般不带有键槽，为此主轴电机1输出轴端通过胀紧套6连接大带轮3，大带轮3通过高速平带5连接小带轮12继而带动主轴系统11高速旋转，并在带轮一侧设有张紧机构4对高速平带5进行张紧，主轴系统11内置于立柱支撑2中，通过其外圆和法兰端面进行定位，其输出端安装砂轮7，并设有防护罩8，工件9安放于工作台10上，考虑高速主轴系统进给运动会导致结合面刚性不足，故而采用主轴系统固定不动，工作台沿X、Y、Z三个方向进给以使得工件逼近砂轮进行磨削加工，工作台通过常用的三维运动机构实现，由于不是本发明重点，这里不再详述。

图3是主轴系统示意图。小带轮12通过安装在主轴13输入端位置两个锁紧螺母14进行固定，其与主轴13之间通过两个圆头平键进行连接，该方式主要考虑主轴对称位置开两个键槽可以保持较高的动平衡特性。主轴13输入端和输出端处均设置两列背对背安装形式的角接触球轴承19以便可以承受轴向力和径向力，更主要是可以承受极高的转速要求。两列角接触球轴承19中间设置有油气喷嘴20，通过4个油气入口27通入的油气混合体对轴承19进行油气润滑从而可以降低轴承发热量并进行润滑，提高轴承寿命，并最终从油气出口29（图4所示）流出。在主轴系统高速运转和磨削加工过程中，主轴承受微小轴向力，通过预先进行压缩的弹簧23弹性伸长作用可以抵消，同时，弹簧压缩轴承外圈，从而提高整个主轴系统轴向动态刚度。

作为一个实施例，选用主轴电机1最高转速达到15000rpm，最大功率28Kw，带传动比为1:3，从而主轴系统理论转速最高可达到45000rpm，所用砂轮7基体材料为45钢，直径240mm，质量约3Kg，主轴中部直径45mm，轴端跳动3μm，安装砂轮后，高速平带5在25000rpm左右打滑，故而此时使用最大线速度可达到300m/s，若砂轮基体材料换成钛合金或铝合金或CFRP等复合材料，则最大线速度应该可以更高。

本发明超高速磨削试验装备采用高速主轴电机驱动高速带传动方式，其性能可以达到超高速磨削要求，并大大节约了装备成本，可以应用到超高速磨削试验研究中。

Claims (1)

1.一种超高速磨削装备，包括立柱支撑、砂轮以及工作台，其特征在于：在所述立柱支撑上设有主轴电机和主轴系统，所述主轴电机的输出端通过胀紧套连接一大带轮，所述的主轴系统前端连接一小带轮，所述的大带轮和小带轮之间通过高速平带传动，在主轴系统的后端连接所述的砂轮，所述工作台位于砂轮的下端，所述的主轴系统包括主轴、轴壳以及设置在主轴和轴承之间的前端支撑和后端支撑，所述的前端支撑和后端支撑分别包括两个背对背安装的角接触球轴承，在背对背安装的两个角接触球轴承之间设置有油气喷嘴，在所述前端支撑的后端与轴壳之间还设置有沿轴壳周向布置的弹簧阵列，在所述的主轴上设置有两个沿径向对称布置的键槽，所述的小带轮与主轴之间通过设置在两个键槽内的双键连接；在所述的轴壳的内部设置有一弹簧支撑，所述的弹簧阵列位于所述前端支撑的后端与弹簧支撑之间；在所述的轴壳内设置有一油气通道，该油气通道与所述前端支撑和后端支撑的油气喷嘴相连。