CN104551027A - 一种用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴 - Google Patents

Abstract

一种用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴，涉及机械加工的电主轴。包括轴体、前轴承组件、后轴承组件、定子、转子、水气路组件、气缸组件、防尘盖及前盖；转子包括呈筒状的转子主体，在转子主体的前端内插装夹持刀柄的夹头，夹头与转子主体的前端呈筒状锥面配合；轴体内靠后端配置作为开闭刀行程传感器的近接开关、测速及方位编码盘，作为开闭刀行程传感器的近接开关及测速传感器实现相应的反馈保护，方位编码盘在PLC控制下能实现转子实时位置反馈和瞬间准停功能；防尘盖及前盖配装冷却水管路，以冷却刀具，冷却水从水气路组件流经轴体、防尘盖，直到前盖。采用高速内置筒夹(夹头),其内锥面全跳动可达≤0.001mm的精度,轴端静态偏摆≤0.002mm,振动≤1.0mm/s，能够满足高精度加工要求。

Description

一种用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴

技术领域

本发明涉及机械加工的电主轴，尤指一种用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴。主要应用于玻璃面板加工机、各类轻型加工精密雕刻机、精密内孔研磨及轻型加工中心等。

背景技术

目前，用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴存在以下不足：

其一，如图1及2所示，现有电主轴采用拉刀爪+ISO(或BT)刀柄，然后再装上ER缩咀的形式完成夹刀，这样的夹持方式会导致电主轴的不均衡量偏大，进而产生振动偏大,动态偏摆大的负面影响，因此难以满足高精度成型加工的要求，同时结构复杂，更换刀具不方便。

其二，使用矢量控制型变频器驱动，其驱动控制方式为V-F曲线驱动，在额定转速范围内输出功率和转速基本成正比，此类驱动方式无法完成实时位置反馈，无法完成瞬间准停的定位功能。

其三，工作时，为了提高刀具铣削、钻削的使用性能及使用寿命，必须借助单独的冷却管路来冷却切削刀具，但独立的管路冷却联动性不佳，冷却效果不理想。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，克服现有技术的上述不足，提供一种用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴。该电主轴能满足夹持不同规格刀具的加工需求，具有实时位置反馈和瞬间准停等功能，可以实现对刀具多角度、全方位的冷却效果。

为了实现上述任务，本发明一种用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴采用下述技术方案。

一种用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴，包括轴体、前轴承组件、后轴承组件、定子、转子、水气路组件、气缸组件、防尘盖及前盖，轴体呈筒状，在轴体内从前往后依次安装前轴承组件、定子及后轴承组件，转子穿设于前轴承组件、定子及后轴承组件；水气路组件配装于轴体的后端，气缸组件配装于水气路组件的后端；防尘盖盖设于轴体的前端，前盖与防尘盖贴设；

转子包括呈筒状的转子主体，在转子主体的前端内插装夹持刀柄的夹头，夹头与转子主体的前端呈筒状锥面配合，并通过在转子主体的前端旋接的前端螺母锁紧；

轴体内靠后端配置作为开闭刀行程传感器的近接开关、测速传感器及方位编码盘，通过近接开关及测速传感器实现相应的反馈保护，方位编码盘在PLC控制下能实现转子实时位置反馈和瞬间准停功能；

防尘盖及前盖配装冷却水管路，以冷却刀具，冷却水从水气路组件流经轴体、防尘盖，直到前盖。

对上述技术方案进一步阐述：

转子主体后端内插装轴芯，轴芯的后端制有一端头帽，端头帽呈帽盖状成型于所述轴芯的后端并伸于转子主体外；转子主体后端外壁具有一颈部，在该颈部套设盘形弹簧及感速环，感速环的后端及前端分别与盘形弹簧及轴芯的端头帽接触；转子主体后端靠近所述颈部的部位配装后螺母及拆刀垫环。

转子主体中段配装磁力件，磁力件的位置与定子对应并形成磁场力驱使转子转动的配合。

定子包括呈筒状的定子铁芯及在定子铁芯两端制作的绕组，绕组与电源线导电连接，并通过电源线将绕组与三相交流电源导电连接。

轴体的筒壁内制有通气道，通气道的后端为轴体后端轴向通气道，通气道的前端相继折向径向及轴向，形成轴体前端径向通气道和轴体前端轴向通气道，轴体前端轴向通气道通向防尘盖；轴体的筒壁内制有通水道，通水道的后端为轴体后端轴向通水道，通水道的前端相继折向径向和轴向，形成轴体前端径向通水道和轴体前端轴向通水道，轴体前端轴向通水道通向防尘盖。

气缸组件包括汽缸体，汽缸体设置多个前后叠设的缸室，在各缸室内配装第一类型活塞，形成从后往前依次配装的第一类型活塞结构，最前端的第一类型活塞沿轴向推动第二类型活塞，从而形成多个第一类型活塞同时推动第二类型活塞的联合推动方式；第二类型活塞位于汽缸体外，第二类型活塞的活塞杆顶推所述轴芯的端头帽。

水气路组件包括水气路主体，在水气路主体安装进水接头及制有水气路主体轴向通水道，水气路主体轴向通水道的后端与进水接头连通； 水气路主体还安装作为开闭刀行程传感器的近接开关，水气路主体内还安装测速传感器。

后轴承组件包括后轴承座、后轴承、后轴承垫圈、调节弹片及调节弹片垫环，调节弹片、后轴承及后轴承垫圈自前而后依次设置，调节弹片垫环与调节弹片呈径向配装；后轴承座制有后轴承座轴向通水道，后轴承座轴向通水道的后端与水气路主体轴向通水道的前端接通，后轴承座轴向通水道的前端与轴体后端轴向通气道接通；后轴承座还制有后轴承座轴向通气道。

防尘盖从后往前相继制有相连通的防尘盖轴向通气道和防尘盖径向通气道，防尘盖轴向通气道与轴体前端轴向通气道接通，气流经轴体前端轴向通气道流进、再经防尘盖轴向通气道及防尘盖径向通气道，进入位于防尘盖中心的防尘盖镶件，达到排尘的效果；防尘盖还制有防尘盖通水道，防尘盖通水道与轴体前端轴向通水道接通，冷却水经防尘盖通水道流向前盖。

前盖制有前盖通水道和多个喷水孔，多个喷水孔布列成一圈，前盖通水道与防尘盖通水道接通，冷却水从前盖通水道流入前盖经多个喷水孔多方位喷向刀柄；各喷水孔从前盖通水道向前盖中心倾斜。

同现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明电主轴采用高速内置筒夹(夹头),其内锥面全跳动可达≤0.001mm的精度,轴端静态偏摆≤0.002mm,振动≤1.0mm/s，能够满足高精度加工要求，并可以采用变径套的方式灵活快速调整筒夹的夹持规格，以满足夹持不同规格刀具的加工需求。

2、本发明电主轴后置方位编码盘及传感器，通过PLC(可编程逻辑控制器)控制，从而实现实时位置反馈和瞬间准停等功能。因此可以满足对铜、铝质等材料的攻丝加工作业需求。

3、本发明电主轴前端设置有冷却水喷口，主轴在工作时，可以实现多角度、全方位的冷却效果，且联动性强，从而确保的刀具的使用性能及使用寿命。

附图说明

图1为现有电主轴夹持刀柄装置分解示意图；

图2为图1的夹持刀柄装置装配后的剖视图；

图3是本发明的电主轴剖面结构图；

图4是本发明的气缸组件剖面结构图；

图5是本发明的水气路套组件剖面结构图；

图6是本发明的后轴承组件结构图；

图7是本发明的轴体剖面结构图；

图8是本发明的转子组件剖面结构图；

图9是本发明的定子组件剖面结构图；

图10是本发明的防尘盖组件剖面结构图；

图11是本发明的前盖主视结构图；

图12是本发明的前盖剖面结构图；

图13编码盘及传感器安装位置示意图；

图14编码盘示意图。

图1及图2中：100、拉刀爪；200、拉钉；300、ISO20刀柄；400、ER 16螺帽；500、ER16缩咀；600、刀具。

图3至图11中：

1、气缸组件；11、第一类型活塞；12、第二类型活塞；13、汽缸体；14、缸前盖；15、缸后盖；16、螺丝；17、螺丝；18、进气接头；19、进气孔；191、气孔；

2、水气路组件；21、水气路主体，22、进水接头；23、水气路主体轴向通水道； 24、近接开关；25、安装测速传感器位置；

3、后轴承组件；31、后轴承座；32、后轴承；33、后轴承垫圈；34、调节弹片；35、调节弹片垫环；36、后轴承座轴向通水道，37、后轴承座轴向通气道；

4、转子；41、转子主体；42、轴芯；421、端头帽，43、盘形弹簧；44、感速环；45、后螺母；46、拆刀垫环；47、磁力件；48、前端螺母； 49、夹头；491、刀柄；

5、定子；51、绕组；52、定子铁芯；53、电源线；

6、前轴承组件；61、前轴承；62、前轴承内垫圈；63、前轴承外垫圈；

7、防尘盖；71、防尘盖轴向通气道；72、防尘盖径向通气道；73、防尘盖镶件；74、防尘盖通水道；

8、前盖；81、前盖通水道；82、喷水孔；

9、方位编码盘；91、传感器；

10、轴体；101、轴体后端轴向通气道；102、轴体前端径向通气道；103、轴体前端轴向通气道；104、轴体后端轴向通水道；105、轴体前端径向通水道；106、轴体前端轴向通水道。

具体实施方式

下面结合附图介绍本发明的具体实施方式。

在具体介绍之前，对本申请技术方案和实施方式中所提到的前及后作一下说明，以转子安装夹头的一端为前端，远离转子安装夹头的一端为后端，前后以此为参照。

如图3所示，一种用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴，包括轴体10、前轴承组件6、后轴承组件3、定子5、转子4、水气路组件2、气缸组件1、防尘盖7及前盖8，轴体10呈筒状，在轴体10内从前往后依次安装前轴承组件6、定子5及后轴承组件3，转子4穿设于前轴承组件6、定子5及后轴承组件3；水气路组件2配装于轴体10的后端，气缸组件1配装于水气路组件2的后端；防尘盖7盖设于轴体10的前端，前盖8与防尘盖7贴设。水气路组件2为铝质件。

如图8所示，转子4包括呈筒状的转子主体41，在转子主体41的前端内插装夹持刀柄的夹头49，夹头49与转子主体4的前端呈筒状锥面配合，并通过在转子主体41的前端旋接的前端螺母48锁紧。

如图13所示，轴体10内靠后端配置作为开闭刀行程传感器的近接开关、测速传感器（传感器91）及方位编码盘9，通过近接开关及测速传感器实现相应的反馈保护，方位编码盘9在PLC控制下能实现转子实时位置反馈和瞬间准停功能。

如图10-12所示，防尘盖及前盖配装冷却水管路，以冷却刀具。

如图8所示，转子主体41后端内插装轴芯42，轴芯42的后端制有一端头帽421，端头帽421呈帽盖状成型于所述轴芯42的后端并伸于转子主体41外；转子主体41后端外壁具有一颈部，在该颈部套设盘形弹簧43及感速环44，感速环44的后端及前端分别与盘形弹簧43及轴芯42的端头帽421接触；转子主体41后端靠近所述颈部的部位配装后螺母45及拆刀垫环46。

如图8所示，转子主体41中段配装磁力件47，磁力件47的位置与定子5对应并形成磁场力驱使转子4转动的配合。

如图9所示，定子5包括呈筒状的定子铁芯52及在定子铁芯52两端制作的绕组51，绕组51与电源线53导电连接，并通过电源线53将绕组51与三相交流电源导电连接。

如图7所示，轴体10的筒壁内制有通气道，通气道的后端为轴体后端轴向通气道101，通气道的前端相继折向径向及轴向，形成轴体前端径向通气道102和轴体前端轴向通气道103，轴体前端轴向通气道通103向防尘盖7；轴体10的筒壁内制有通水道，通水道的后端为轴体后端轴向通水道104，通水道的前端相继折向径向和轴向，形成轴体前端径向通水道105和轴体前端轴向通水道106，轴体前端轴向通水道通106向防尘盖7。

如图4所示，气缸组件包括汽缸体13，汽缸体13设置多个前后叠设的缸室，在各缸室内配装第一类型活塞11，形成从后往前依次配装的第一类型活塞11结构，最前端的第一类型活塞11沿轴向推动第二类型活塞12，从而形成多个第一类型活塞11同时推动第二类型活塞12的联合推动方式；第二类型活塞12位于汽缸体13外，第二类型活塞12的活塞杆顶推所述轴芯42的端头帽421。具体结构中，汽缸体13包括缸前盖14和缸后盖15，螺丝16将汽缸体13连接在一起，螺丝17与水气路组件2固定连接，缸后盖15上配装进气接头18，配装进气孔19接通进气接头18，进气孔19与各第一类型活塞11连通，同时推动各第一类型活塞11，形成同时向下联动。

如图5所示，水气路组件2包括水气路主体21，在水气路主体21安装进水接头22及制有水气路主体轴向通水道23，水气路主体轴向通水道23的后端与进水接头22连通； 水气路主体21还安装近接开关24，水气路主体内在安装测速传感器位置25处还安装测速传感器。

如图6所示，后轴承组件3包括后轴承座31、后轴承32、后轴承垫圈33、调节弹片34及调节弹片垫环35，调节弹片34、后轴承32及后轴承垫圈33自前而后依次设置，调节弹片垫环35与调节弹片34呈径向配装；后轴承座31制有后轴承座轴向通水道36，后轴承座轴向通水道36的后端与水气路主体轴向通水道23的前端接通，后轴承座轴向通水道36的前端与轴体后端轴向通气道104接通；后轴承座31还制有后轴承座轴向通气道37。

如图10所示，防尘盖7从后往前相继制有相连通的防尘盖轴向通气道71和防尘盖径向通气道72，防尘盖轴向通气道71与轴体前端轴向通气道104接通，气流经轴体前端轴向通气道104流进、再经防尘盖轴向通气道71及防尘盖径向通气道72，进入位于防尘盖中心的防尘盖镶件73，达到排尘的效果；防尘盖7还制有防尘盖通水道74，防尘盖通水道74与轴体前端轴向通水道106接通，冷却水经防尘盖通水道74流向前盖8。

如图11及12所示，前盖8制有前盖通水道81和多个喷水孔82，多个喷水孔82布列成一圈，前盖通水道81与防尘盖通水道74接通，冷却水从前盖通水道82流入前盖经多个喷水孔81多方位喷向刀柄491；各喷水孔82从前盖通水道81向前盖中心倾斜，

本发明的工作原理是：

1、主轴开始工作时由额定电压达到380V的三相交流电源驱动，主轴开始做加速运动，直至加速到额定工作转速，在此过程中主轴经过2个加速阶段。第一阶段为恒定加速度加速阶段，第二阶段为恒定功率加速阶段。其中在恒定加速度的加速阶段，主轴转矩为定值（根据主轴用途不同、驱动变频器不同，转矩也有所区别）；在恒定功率的加速阶段,主轴转矩随速度提高不断减小，直至达到最高转速40000rpm，此时主轴不适于作高转矩铣削作业，且不可长时间在此转速范围内工作，否则会影响主轴寿命。

2、当需要更换新刀具时，在气缸顶部接入一定的压力空气，气缸推动轴芯下移后夹头张开，可进行换刀操作，换好刀后再通过机器自带的气缸控制开关停止向气缸顶部通入空气，同时向拉刀接口处通入一定压力的空气来使气缸回位。

3、从水气路套组件接入冷却水流向轴体，后轴承座，进行循环排出热量。若安装在自动化机床上进行控制，便可进行高速、高效的加工作业，主轴中装有作为开闭刀行程传感器的近接开关和测速传感器可进行相应的反馈保护。

4、主轴从水路套组件接入的冷却水流向后轴承座，轴体，防尘盖，直到前盖，再通过喷水孔喷出水使切削点冷却。

5、全新主轴或者长时间没有使用的主轴必须进行预热磨合，从低速开始运行，按额定转速的20%开始，每15分钟递增20%，直至额定转速。运行中应实时检查主轴的温度。如温度过高可降低转速磨合或停机15分钟再继续运转，在停机时应保持冷却水继续冷却。

6、冷却水可以是其它冷却液。

本发明的实施例只是说明其具体实施方式，不在于限制其技术方案。本行业的技术人员在本实施例的启发下可以作出某些修改，故凡依照本发明专利范围所做的等效变化或修饰，均属于本发明专利权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴，包括轴体、前轴承组件、后轴承组件、定子、转子、水气路组件、气缸组件、防尘盖及前盖，轴体呈筒状，在轴体内从前往后依次安装前轴承组件、定子及后轴承组件，转子穿设于前轴承组件、定子及后轴承组件；水气路组件配装于轴体的后端，气缸组件配装于水气路组件的后端；防尘盖盖设于轴体的前端，前盖与防尘盖贴设；其特征在于：

转子包括呈筒状的转子主体，在转子主体的前端内插装夹持刀柄的夹头，夹头与转子主体的前端呈筒状锥面配合，并通过在转子主体的前端旋接的前端螺母锁紧；

轴体内靠后端配置作为开闭刀行程传感器的近接开关、测速传感器及方位编码盘，通过近接开关及测速传感器实现相应的反馈保护，方位编码盘在PLC控制下能实现转子实时位置反馈和瞬间准停功能；

防尘盖及前盖配装冷却水管路，以冷却刀具，冷却水从水气路组件流经轴体、防尘盖，直到前盖。

2.根据权利要求1所述的一种用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴，其特征在于：转子主体后端内插装轴芯，轴芯的后端制有一端头帽，端头帽呈帽盖状成型于所述轴芯的后端并伸于转子主体外；转子主体后端外壁具有一颈部，在该颈部套设盘形弹簧及感速环，感速环的后端及前端分别与盘形弹簧及轴芯的端头帽接触；转子主体后端靠近所述颈部的部位配装后螺母及拆刀垫环。

3.根据权利要求2所述的一种用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴，其特征在于：转子主体中段配装磁力件，磁力件的位置与定子对应并形成磁场力驱使转子转动的配合。

4.根据权利要求2所述的一种用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴，其特征在于：定子包括呈筒状的定子铁芯及在定子铁芯两端制作的绕组，绕组与电源线导电连接，并通过电源线将绕组与三相交流电源导电连接。

5.根据权利要求2所述的一种用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴，其特征在于：轴体的筒壁内制有通气道，通气道的后端为轴体后端轴向通气道，通气道的前端相继折向径向及轴向，形成轴体前端径向通气道和轴体前端轴向通气道，轴体前端轴向通气道通向防尘盖；轴体的筒壁内制有通水道，通水道的后端为轴体后端轴向通水道，通水道的前端相继折向径向和轴向，形成轴体前端径向通水道和轴体前端轴向通水道，轴体前端轴向通水道通向防尘盖。

6.根据权利要求5所述的一种用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴，其特征在于：气缸组件包括汽缸体，汽缸体设置多个前后叠设的缸室，在各缸室内配装第一类型活塞，形成从后往前依次配装的第一类型活塞结构，最前端的第一类型活塞沿轴向推动第二类型活塞，从而形成多个第一类型活塞同时推动第二类型活塞的联合推动方式；第二类型活塞位于汽缸体外，第二类型活塞的活塞杆顶推所述轴芯的端头帽。

7.根据权利要求6所述的一种用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴，其特征在于：水气路组件包括水气路主体，在水气路主体安装进水接头及制有水气路主体轴向通水道，水气路主体轴向通水道的后端与进水接头连通； 水气路主体还安装作为开闭刀行程传感器的近接开关，水气路主体内还安装测速传感器。

8.根据权利要求7所述的一种用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴，其特征在于：后轴承组件包括后轴承座、后轴承、后轴承垫圈、调节弹片及调节弹片垫环，调节弹片、后轴承及后轴承垫圈自前而后依次设置，调节弹片垫环与调节弹片呈径向配装；后轴承座制有后轴承座轴向通水道，后轴承座轴向通水道的后端与水气路主体轴向通水道的前端接通，后轴承座轴向通水道的前端与轴体后端轴向通气道接通；后轴承座还制有后轴承座轴向通气道。

9.根据权利要求8所述的一种用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴，其特征在于：防尘盖从后往前相继制有相连通的防尘盖轴向通气道和防尘盖径向通气道，防尘盖轴向通气道与轴体前端轴向通气道接通，气流经轴体前端轴向通气道流进、再经防尘盖轴向通气道及防尘盖径向通气道，进入位于防尘盖中心的防尘盖镶件，达到排尘的效果；防尘盖还制有防尘盖通水道，防尘盖通水道与轴体前端轴向通水道接通，冷却水经防尘盖通水道流向前盖。

10.根据权利要求9所述的一种用于高速铣削及钻削的内藏式电主轴，其特征在于：前盖制有前盖通水道和多个喷水孔，多个喷水孔布列成一圈，前盖通水道与防尘盖通水道接通，冷却水从前盖通水道流入前盖经多个喷水孔多方位喷向刀柄；各喷水孔从前盖通水道向前盖中心倾斜。