CN103658691B - 一种滚珠高速电主轴 - Google Patents

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Abstract

一种滚珠高速电主轴，其包括设置有第一收容腔的机体、铝水套、轴承座、转子轴芯、电机、换刀系统及风冷系统。机体与轴承座围设形成第二收容腔，轴承座与铝水套围设形成第三收容腔。转子轴芯贯穿于第一收容腔、第二收容腔与第三收容腔之间。风冷系统包括风扇及冷却风通道，冷却风通道包括若干进风口、若干出风口以及第一通风道。风扇位于第三收容腔内并在电机的驱动下随转子轴芯一同旋转。本发明中转子轴芯上设置有一起高速旋转的风扇，以带走电机产生的热量。此种散热方式结构简单、节约能源且减少污染。滚珠高速电主轴内设置有气封系统，其可对下轴承组件进行冷却的同时防止切削液、油污等杂质进入机体内部，从而延长下轴承组件的使用寿命。

Description

一种滚珠高速电主轴
技术领域
本发明涉及一种滚珠高速电主轴，特别涉及一种带有风冷系统的滚珠高速电主轴。
背景技术
电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。由于电主轴将电机集成于主轴单元中，且转速很高，运转时会产生大量热量，引起电主轴温升，使电主轴的热态特性和动态特性变差，从而影响电主轴的正常工作。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的旨在于提供一种带有风冷系统的滚珠高速电主轴。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种滚珠高速电主轴，其包括设置有第一收容腔的机体、铝水套、设置于机体与铝水套之间的轴承座、转子轴芯、电机、用于夹持刀具进行加工操作的换刀系统以及风冷系统。机体与轴承座共同围设形成第二收容腔，轴承座与铝水套围设形成第三收容腔。转子轴芯贯穿于第一收容腔、第二收容腔以及第三收容腔之间。电机设置于第二收容腔内用于驱动转子轴芯转动。风冷系统包括设置于转子轴芯上的风扇及冷却风通道，冷却风通道包括设置于铝水套上与第三收容腔连通的若干进风口、设置于轴承座上的若干出风口以及连通于若干进风口与出风口之间的第一通风道。风扇位于第三收容腔内并在电机的驱动下随转子轴芯一同旋转，以将外部空气由若干进风口引入第三收容腔内并经第一通风道将电机产生的热量由若干出风口排出。
冷却风通道包括设置于轴承座表面挡风件，若干出风口遮挡于挡风件内，该挡风件与轴承座表面形成供由若干出风口流出的气流经过的第二通风道。
第二通风道为设置于轴承座表面由铝合金制成的若干散热筋。
转子轴芯沿第一收容腔指向第三收容腔方向依次设置有三排下轴承组件、中轴承组件以及上轴承组件，该下轴承组件设置于第一收容腔内，该中轴承组件设置于第一收容腔与第二收容腔之间，该上轴承组件设置于第二收容腔与第三收容腔之间。
上轴承组件、中轴承组件以及下轴承组件均为陶瓷球轴承。
上轴承组件包括两个陶瓷球轴承，中轴承组件包括一个陶瓷球轴承，下轴承组件包括两个陶瓷球轴承。
一种滚珠高速电主轴还包括气封系统，该气封系统包括设置于机体上与第一收容腔连通的进气口、气流通道、气流槽以及出气口，气流通道连通于进气口与下轴承组件远离第一收容腔底部的一端之间，气流槽连通于下轴承组件相对的两端之间，该出气口连通于机体与气流槽之间。
气流槽为设置连通于下轴承组件相对两端的环形气流槽。
换刀系统包括气缸组件、推杆、弹性件、轴霸、碟簧以及用于夹持刀具的夹头；该推杆贯穿于转子轴芯内并可在气缸组件的作用下沿转子轴芯的轴向移动；弹性件设置于气缸组件与推杆之间，用以提供恢复力；轴霸设置于转子轴芯内且位于推杆与夹头之间，碟簧抵接于轴霸与夹头之间并可在推杆抵顶轴霸时发生形变，夹头设置于转子轴芯与推杆相对的末端并可随转子轴芯作高速旋转。
电机为交流同步电机，转子轴芯与电机均采用永磁体制造而成。
本发明中滚珠高速电主轴，转子轴芯的上端部设置有随其一起做高速旋转运动的风扇。风扇产生的空气流带走电机工作产生的热量，达到风冷电机的作用。此种散热方式结构简单、节约能源且减少污染。另外，滚珠高速电主轴内设置有气封系统，其可以在对下轴承组件进行冷却的同时亦可防止切削液、油污等杂质进入机体内部损坏下轴承组件，从而保护和延长下轴承组件的使用寿命。
附图说明
图1为本发明滚珠高速电主轴的结构示意图。
主要元件符号说明
100、滚珠高速电主轴；99、刀具；10、机体；11、第一收容腔；20、轴承座；21、第二收容腔；30、铝水套；31、第三收容腔；40、轴芯组件；41、转子轴芯；410、下轴承组件；412、中轴承组件；414、上轴承组件；42、电机；43、转子；45、定子；50、换刀系统；51、气缸组件；53、推杆；54、弹性件；55、轴霸；58、碟簧；59、夹头；60、风冷系统；61、风扇；63、冷却风通道；631、进风口；632、第一通风道；633、出风口；634、挡风件；635、第二通风道；70、气封系统；71、进气口；72、气流通道；73、气流槽；74、出气口。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
请参见图1，本发明涉及一种滚珠高速电主轴100，其包括机体10、轴承座20、铝水套30、轴芯组件40、用于更换刀具99的换刀系统50、风冷系统60以及气封系统70。机体10大体呈T字形，其中部向内凹陷形成第一收容腔11。轴承座20设置于机体10与铝水套30之间，并与机体10的一端共同围设形成第二收容腔21。铝水套30设置于轴承座20上，并与轴承座20远离机体10的一端共同围设形成第三收容腔31。其中，第一收容腔11、第二收容腔21以及第三收容腔31相互连通。
轴芯组件40包括转子轴芯41及用于驱动转子轴芯41的电机42。电机42包括设置于转子轴芯41上的转子43以及与转子43配合的定子45。转子43与定子45设置于第二收容腔21内。工作时，向定子45输入符合要求的三相交流变频电压时，转子43在定子45的驱动下带动转子轴芯41作高速旋转运动。转子轴芯41贯穿于第一收容腔11、第二收容腔21以及第三收容腔31之间。转子轴芯41自第一收容腔11至第三收容腔31方向依次套设有下轴承组件410、中轴承组件412以及上轴承组件414三排球轴承。下轴承组件410设置于第一收容腔11的底部。中轴承组件412设置于第一收容腔11与第二收容腔21之间。上轴承组件414设置于第二收容腔21与第三收容腔31之间。在本实施例中，电机42为交流同步电机。转子轴芯41与电机42均采用永磁体制造而成，从而有利于提高电磁转换效率、降低电磁损耗。下轴承组件410、中轴承组件412以及上轴承组件414均为陶瓷球轴承。其中，下轴承组件410的数量为两个，中轴承组件412数量为一个，上轴承组件414的数量为一个。如此，保证滚珠高速电主轴100在高速运转时轴向与径向具有足够的刚度，确保滚珠高速电主轴100加工质量和使用寿命。
换刀系统50通过铝水套30安装于轴承座20上，其包括气缸组件51、推杆53、弹性件54、轴霸55、碟簧58以及夹头59。推杆53与气缸组件51连接，且其沿第三收容腔31指向第一收容腔11的方向贯穿于转子轴芯41内。弹性件54设置气缸组件51与推杆53之间，用以提供恢复力。轴霸55设置于转子轴芯41内并与推杆53相对。碟簧58抵接于轴霸55与夹头59之间，并可在轴霸55的挤压下发生形变。夹头59与转子轴芯41的末端连接并可随转子轴芯41作高速旋转。夹头59与碟簧58相对的一端外露于转子轴芯41外，用以夹持刀具99。
风冷系统60包括风扇61与冷却风通道63。风扇61设置于转子轴芯41的顶端且位于由轴承座20与铝水套30围成的第三收容腔31内，其可随转子轴芯41一同做高速旋转运动，使得周围的空气形成气流并带走由电机42产生的热量。其中，风扇61的转动大小与转子轴芯41的转动速度大小相同。冷却风通道63包括设置于铝水套30表面的若干进风口631、若干第一通风道632、若干出风口633以及挡风件634。若干进风口631间隔且分散的设置于铝水套30的表面并与第三收容腔31连通。若干第一通风道632环绕设置于轴承座20表面并与若干出风口633连通。其中，本实施例中，设置于轴承座20的若干第一通风道632是由铝合金制造而成的若干散热筋，气流在通过这些散热筋时可带走电机42产生的大部分热量并通过若干出风口633流出。挡风件634大体呈L形状，其一端安装于轴承座20的表面，另一端与轴承座20之间保持一定间隔并形成环绕于轴承座20表面的第二通风道635。若干出风口633被遮挡于挡风件634内，当气流由若干出风口633流出经过第二通风道635时对位于第二收容腔21内的电机42进行进一步散热。
气封系统70包括设置于机体10上与第一收容腔11连通的进气口71、气流通道72、气流槽73以及出气口74。进气口71设置于机体10远离下轴承组件410的一端，并通过外部气源进行供气。气流通道72连通于进气口71与下轴承组件410远离第一收容腔11底部的一端之间。气流槽73连通于下轴承组件410相对的两端之间。出气口74与气流槽73连通。在本实施例中，气流槽73为环绕于下轴承组件410两端之间的环形气流槽。出气口74亦未额外设置，而由机体10与夹头59之间的缝隙形成。下轴承组件410包括两个陶瓷球轴承。通入的压力空气由气流通道72进入下轴承组件410顶部的轴承内，再通过气流槽73进入下轴承组件410底部的轴承内，最后通过机体10与夹头59之间的缝隙流出机体10外。可以理解地，在其它一些实施例中，气流槽73的形状以及出气口74的设置形状与位置均可根据用户需求而定，在此不做限制。
在工作时，电机42的定子45输入符合要求的三相交流变频电压驱动转子轴芯41作高速旋转运动，从而使得安装在转子轴芯41的夹头59夹持所需的刀具99进行高效率、高精度的雕刻、铣削加工。其中，操作者可根据实际加工需求，通过调节输入三相交流变频电压的大小控制电主轴的转速高低。其中，最高转速可达3万转每分钟。在此过程中，风扇61随着转子轴芯41一同高速旋转，外部冷风沿箭头A所指方向由若干进风口631流入第三收容腔31内并携带第三收容腔31内的热空气经若干第一通风道632由若干出风口633排出。排出的气流再经第二通风道635带走轴承座20表面热量，以对位于第二收容腔21内的电机42进行进一步散热。同时，工作中由进气口71通入符合要求的压力空气，压力空气通过气流通道72进入下轴承组件410的一端，再通过气流槽73进入下轴承组件410的另一端，最后从出气口74（机体10与夹头59之间的缝隙）流出机体10外。如此，可带走下轴承组件410在运转过程中摩擦产生的热量，使机体10内部保持畅通，防止切削液、油污等杂质进入机体10内部损坏下轴承组件410，从而保护和延长下轴承组件410的使用寿命。
当需要换刀时，电机42停止工作，转子轴芯41处于完全停止运动的状态。从气缸组件51的顶盖（未标号）处通入符合要求的压力空气，压力空气推动气缸组件51内部的活塞（未标号）及推杆53一起向下运动。推杆53端面接触轴霸55后继续推动轴霸55向下运动，通过压缩碟簧58使夹头59外表面与转子轴芯41内锥孔面分离。此时，夹头59张开，刀具99被释放，即可更换所需的刀具99。刀具99更换完毕后，关闭压力空气，弹性件54带动推杆53与活塞一起向上运动。此时，推杆53端面与轴霸55分离，碟簧58复位且带动夹头59与刀具99向上运动，夹头59收紧，刀具99被夹持信，整个换刀操作完成。
本发明中滚珠高速电主轴100，转子轴芯41的上端部设置有随其一起做高速旋转运动的风扇61，风扇61产生的空气流带走电机42工作产生的热量，达到风冷电机42的作用。此种散热方式结构简单、节约能源且减少污染。另外，滚珠高速电主轴100内设置有气封系统70，其可以在对下轴承组件410进行冷却的同时亦可防止切削液、油污等杂质进入机体10内部损坏下轴承组件410，从而保护和延长下轴承组件410的使用寿命。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种滚珠高速电主轴，其特征在于：包括设置有第一收容腔的机体、铝水套、设置于机体与铝水套之间的轴承座、转子轴芯、电机、用于夹持刀具进行加工操作的换刀系统以及风冷系统；机体与轴承座共同围设形成第二收容腔，轴承座与铝水套围设形成第三收容腔；转子轴芯贯穿于第一收容腔、第二收容腔以及第三收容腔之间，电机设置于第二收容腔内用于驱动转子轴芯转动；风冷系统包括设置于转子轴芯上的风扇及冷却风通道，冷却风通道包括设置于铝水套上与第三收容腔连通的若干进风口、设置于轴承座上的若干出风口以及连通于若干进风口与出风口之间的第一通风道；风扇位于第三收容腔内并在电机的驱动下随转子轴芯一同旋转，以将外部空气由若干进风口引入第三收容腔内并经第一通风道将电机产生的热量由若干出风口排出。
2.如权利要求1所述的滚珠高速电主轴，其特征在于：该冷却风通道包括设置于轴承座表面挡风件，若干出风口遮挡于挡风件内，该挡风件与轴承座表面形成供由若干出风口流出的气流经过的第二通风道。
3.如权利要求2所述的滚珠高速电主轴，其特征在于：该第二通风道为设置于轴承座表面由铝合金制成的若干散热筋。
4.如权利要求1所述的滚珠高速电主轴，其特征在于：转子轴芯沿第一收容腔指向第三收容腔方向依次设置有下轴承组件、中轴承组件以及上轴承组件，该下轴承组件设置于第一收容腔内，该中轴承组件设置于第一收容腔与第二收容腔之间，该上轴承组件设置于第二收容腔与第三收容腔之间。
5.如权利要求4所述的滚珠高速电主轴，其特征在于：上轴承组件、中轴承组件以及下轴承组件均为陶瓷球轴承。
6.如权利要求4所述的滚珠高速电主轴，其特征在于：上轴承组件包括两个陶瓷球轴承，中轴承组件包括一个陶瓷球轴承，下轴承组件包括两个陶瓷球轴承。
7.如权利要求4所述的滚珠高速电主轴，其特征在于：还包括气封系统，该气封系统包括设置于机体上与第一收容腔连通的进气口、气流通道、气流槽以及出气口，气流通道连通于进气口与下轴承组件远离第一收容腔底部的一端之间，气流槽连通于下轴承组件相对的两端之间，该出气口连通于机体与气流槽之间。
8.如权利要求7所述的滚珠高速电主轴，其特征在于：该气流槽为设置连通于下轴承组件相对两端的环形气流槽。
9.如权利要求1所述的滚珠高速电主轴，其特征在于：该换刀系统包括气缸组件、推杆、弹性件、轴霸、碟簧以及用于夹持刀具的夹头；该推杆贯穿于转子轴芯内并可在气缸组件的作用下沿转子轴芯的轴向移动；弹性件设置于气缸组件与推杆之间，用以提供恢复力；轴霸设置于转子轴芯内且位于推杆与夹头之间，碟簧抵接于轴霸与夹头之间并可在推杆抵顶轴霸时发生形变，夹头设置于转子轴芯与推杆相对的末端并可随转子轴芯作高速旋转。
10.如权利要求1所述的滚珠高速电主轴，其特征在于：电机为交流同步电机，转子轴芯与电机均采用永磁体制造而成。
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