CN107282950A - 一种高速永磁同步钻攻中心电主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速永磁同步钻攻中心电主轴，包括机体、固定在机体内部的定子、安装于机体上的上轴承外套、支撑于上轴承外套上且可沿轴向浮动的上轴承座、上轴承座盖板、机体下盖、铝水套；还包括轴芯组件、打刀缸组件、拉杆组件和拉爪组件；打刀缸组件包括缸体、活塞和套设于活塞上的弹簧；拉杆组件包括可沿轴芯的轴向上下活动的拉杆和弹性元件；拉杆向下运动并推动拉爪组件向下运动以使拉爪组件自动张开从而将工件松开；弹性元件用于促使拉杆向上复位并带动拉爪组件闭合从而将工件夹紧。本发明的电主轴的功率高，扭矩大，功率因数高，响应快，换刀时间短，加工效率及加工质量均大幅提高。

Description

一种高速永磁同步钻攻中心电主轴

技术领域

本发明涉及一种电主轴，具体涉及一种高速永磁同步钻攻中心电主轴。

背景技术

3C行业产品更新换代速度越来越快，市场对精密零部件的加工效率及质量要求越来越高，客户对机床主轴加减速时间、换刀时间提出了更快速的要求。目前，国内加工中心、钻攻中心机床主轴主要分为外驱直连式主轴及内藏式电主轴两类。外驱直连主轴因电机外置，散热性好，同等条件下主轴功率及扭矩普遍较高，但因电机及主轴间需要通过联轴器连接驱动，两者同轴度难以控制，加工效果一般，主要用于对零部件开粗加工，精加工效果不佳。内藏式电主轴取消了诸如齿轮、联轴器等中间传动环节，实现了机床的零传动，主轴动态精度高，零件精加工效果好。传统内藏式电主轴一般采用感应电机，电机置于主轴中部，由于散热空间及主轴跨距限制，电主轴电机体积设计受限，主轴功率与扭矩难以提高加大。永磁同步电机具有结构紧凑、体积小、功率密度大、响应速度快、功率因数高等特点，其在3C加工行业得到了越来越广泛的应用，内藏式电主轴也开始逐步应用永磁同步电机。

目前，外驱直连主轴普遍采用机械式凸轮松刀系统，其直接将凸轮动力传递到主轴的拉刀机构，响应快，换刀时间(刀对刀)短，最短甚至可小于1.5秒。而内藏式电主轴一般采用活塞缸式松刀系统，主要有气缸式、油缸式等，其响应慢，换刀时间(刀对刀)较长，一般约3-5秒。电主轴应用凸轮式松刀系统案例较少，其加工效率较低，限制了其在钻攻中心机床的应用范围。此外传统凸轮式松刀系统结构复杂，采用多根弹簧形式复位结构，弹簧无密封保护，直接暴露于恶劣加工环境下，容易夹杂异物，导致弹簧局部产生高应力以致折损。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高速永磁同步钻攻中心电主轴，其功率高，扭矩大，功率因数高，响应快，换刀时间短，加工效率及加工质量均大幅提高。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种高速永磁同步钻攻中心电主轴，包括机体、固定在机体内部的定子、安装于机体上的上轴承外套、支撑于上轴承外套上且可沿轴向浮动的上轴承座、连接于上轴承座上部的上轴承座盖板、连接于机体下部的机体下盖、安装于轴承座上部的铝水套；其特征在于，还包括轴芯组件、打刀缸组件、拉杆组件和拉爪组件；

所述轴芯组件包括穿接于机体内部的呈中空状的轴芯、安装在轴芯外部与定子匹配的转子，轴芯的上端部通过上轴承与上轴承座枢接、下端部通过下轴承与机体枢接；

所述打刀缸组件包括安装于铝水套上部的缸体、安装在缸体内用于向下顶压拉杆的活塞和套设于活塞上的弹簧；

所述拉杆组件包括穿接于轴芯内部并可沿轴芯的轴向上下活动的拉杆和弹性元件；

所述拉爪组件套接于拉杆的下端，所述拉杆向下运动并推动拉爪组件向下运动以使拉爪组件自动张开从而将工件松开；所述弹性元件安装在所述拉杆与轴芯之间，该弹性元件用于促使拉杆向上复位并带动拉爪组件闭合从而将工件夹紧。

进一步地，还包括吹尘通道，所述吹尘通道包括设置在铝水套上的第一进气通道、设置在缸体侧壁上的第二进气通道、设置在活塞上的第三进气通道以及设置在轴芯上的第四进气通道；活塞下端面与拉杆上端面贴合时，第一进气通道、第二进气通道、第三进气通道以及第四进气通道依次连通。

进一步地，所述第一进气通道包括设置在铝水套上的相互连通的竖向进气孔和横向进气孔；所述第二进气通道包括设置在缸体上的相互连通的环槽及斜孔；所述第三进气通道包括设置在活塞上的相互连通的活塞径向进气孔及活塞轴向通孔；所述第四进气通道包括沿轴向贯穿所述拉杆的拉杆中心孔。

进一步地，所述活塞上过盈安装有一防尘盖，防尘盖与缸体之间为间隙配合；所述活塞与缸体之间还设有密封圈。

进一步地，所述缸体的侧壁上设有排气孔；所述缸体的顶部设有防转销，所述活塞上设有插接孔，所述防转销插接于所述插接孔内；所述活塞的顶部侧壁上设有拆卸工装孔。

进一步地，所述转子由硅钢片叠压而成，其侧壁内部开设有若干个沿圆周方向均匀分布的凹槽，每个凹槽中镶嵌有一个永磁体；所述转子由多块凸缘围合而成，所述凸缘的中间厚、两端逐渐变薄；对应每个凸缘处嵌入的永磁体两两组成V形结构。

进一步地，所述转子的中间位置通过铆钉铆紧，其两端通过端环压紧。

进一步地，所述转子与所述轴芯之间为过盈连接，所述转子的端部还设有用于轴向定位的轴肩套，所述轴肩套位于所述端环与所述上轴承之间，所述轴肩套与所述端环之间留有间隙。

进一步地，所述弹性元件包括碟簧及设置在碟簧底部的碟簧压盖，所述碟簧压盖的外圆设有一锥面，所述轴芯的内壁上对应碟簧压盖的位置设有同锥度的锥面，所述碟簧压盖与所述轴芯的内壁之间形成锥面配合；碟簧压盖的内孔与拉杆之间为间隙配合。

进一步地，所述拉爪为弹性常开拉爪，所述轴芯内部对应拉爪的位置设有阶梯状的容纳腔，该容纳腔的直径从上往下逐渐增大，该容纳腔包括限制拉爪保持在闭合状态的小容纳空间和能够满足拉爪处于展开状态的大容纳空间。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明包括机体组件、轴芯组件、打刀缸组件、拉杆组件和拉爪组件，其功率高，扭矩大，功率因数高，响应快，换刀时间短，加工效率及加工质量均大幅提高。本发明成功地将高速永磁电机技术应用到钻攻中心电主轴领域，将优化后的凸轮松刀系统(即打刀缸组件)引入到电主轴，客户可直接将本主轴替换原有的直连主轴，无需大幅更改机台即可完成机台升级改造。主轴的功率及扭矩提升了36％，主轴加减速时间降低了50％，主轴换刀时间降低了65％，零部件的加工效率提升了40％，加工质量得到了明显提升。优化后的凸轮松刀系统寿命得到了大幅提高，可正常换刀百万次不损坏，大幅降低了故障率，具有极高的经济效益。

附图说明

图1为实施例1的高速永磁同步钻攻中心电主轴的剖示图；

图2为实施例1的打刀缸组件的结构示意图；

图3为实施例1的轴芯、转子的结构示意图；

图4为图3中的A-A向剖示图；

图5为实施例1的转子的结构示意图；

图6为实施例1中的A部放大图；

图7为实施例1中的B部放大图。

图中：11、机体；12、定子；13、上轴承外套；14、上轴承座；15、上轴承座盖板；16、机体下盖；17、铝水套；21、轴芯；211、小容纳空间；212、大容纳空间；22、转子；221、凹槽；222、永磁体；223、端环；224、轴肩套；23、上轴承；24、下轴承；31、缸体；32、活塞；33、弹簧；34、防尘盖；35、密封圈；36、排气孔；37、防转销；38、插接孔；39、拆卸工装孔；41、拉杆；42、弹性元件；421、碟簧；422、碟簧压盖；51、拉爪座；52、拉爪；61、编码盘；71、刀柄。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。本实施例中所采用到的材料均可从市场购得。

实施例1：

参照图1-7，一种高速永磁同步钻攻中心电主轴，包括机体11、固定在机体11内部的定子12、安装于机体11上的上轴承外套13、支撑于上轴承外套13上且可沿轴向浮动的上轴承座14、连接于上轴承座14上部的上轴承座盖板15、连接于机体11下部的机体下盖16、安装于轴承座上部的铝水套17；上轴承外套13与上轴承座14之间设有钢珠套，以利于上轴承座上下浮动。

轴芯组件包括穿接于机体11内部的呈中空状的轴芯21、安装在轴芯21外部与定子12匹配的转子22，轴芯21的上端部通过上轴承23与上轴承座14枢接、下端部通过轴承24与机体枢接；

打刀缸组件包括安装于铝水套17上部的缸体31、安装在缸体31内用于向下顶压拉杆的活塞32和套设于活塞上的弹簧33；

拉杆组件包括穿接于轴芯21内部并可沿轴芯21的轴向上下活动的拉杆41和弹性元件42；

拉爪组件包括拉爪座51、拉爪52；拉爪座51套接于拉杆41的下端，拉爪安装于拉爪座51的下端；拉杆41向下运动并推动拉爪组件向下运动以使拉爪52自动张开从而将工件松开；弹性元件42安装在拉杆41与轴芯21之间，该弹性元件42用于促使拉杆41向上复位并带动拉爪52闭合从而将工件夹紧。

作为优选的实施方式，活塞32上过盈安装有一防尘盖34，防尘盖34与缸体31之间为间隙配合。活塞32与缸体31之间还设有密封圈35。

作为优选的实施方式，还包括吹尘通道，吹尘通道包括设置在铝水套17上的第一进气通道、设置在缸体31侧壁上的第二进气通道、设置在活塞32上的第三进气通道以及设置在轴芯21上的第四进气通道；活塞32下端面与拉杆41上端面贴合时，第一进气通道、第二进气通道、第三进气通道以及第四进气通道依次连通。第一进气通道包括设置在铝水套17上的相互连通的竖向进气孔和横向进气孔；第二进气通道包括设置在缸体31上的相互连通的环槽及斜孔；第三进气通道包括设置在活塞32上的相互连通的活塞径向进气孔及活塞轴向通孔；第四进气通道包括沿轴向贯穿拉杆41的拉杆中心孔。卸刀时，活塞下端面与拉杆上端面贴合，拉杆中心孔与活塞轴向通孔连通，同时活塞径向进气孔对齐缸体31的斜孔，高压气体从铝水套17上的竖向进气孔通入缸体31，经由缸体31外圆上的一道环槽及斜孔，通入活塞径向进气孔，再通入拉杆中心孔，进而吹向轴芯21及刀柄71锥面，对锥面做出气幕保护。

作为优选的实施方式，缸体31的侧壁上设有排气孔36。缸体31的顶部设有防转销37，活塞32上设有插接孔38，防转销37插接于插接孔38内。活塞32的顶部侧壁上设有拆卸工装孔39。

传统凸轮式松刀系统结构复杂，采用多根弹簧形式复位结构，弹簧无密封保护，直接暴露于恶劣加工环境下，容易夹杂异物，导致弹簧局部产生高应力以致折损。本发明的打刀缸组件中设计有单根弹簧用于对打刀缸复位，结构简单紧凑，同时设计有多重密封结构对弹簧33做出保护。活塞32上过盈安装有一防尘盖，防尘盖与缸体31间为小间隙配合，防止切削等进入打刀缸体31内部损坏弹簧33。此外，活塞32与缸体31间设计有密封圈35用于进一步密封水气等进入缸体31内部。缸体31的法兰下端内孔及外圆各开有两道环槽，用于安装密封圈密封中心吹尘气不致进入主轴内部。此外，缸体的法兰下端外圆的两个密封圈还可防止外部杂质进入主轴内部。为了保证卸刀时，排出密闭缸体31空间内空气，设计有排气孔用以排气。为了防止主轴换刀时，活塞沿圆周旋转，设计有防转销钉避免活塞旋转。为了方便拆卸时拔出活塞，设计有拆卸工装孔39用于安装夹具拔出活塞。为了防止凸轮打刀块卸刀行程过大，活塞32与缸体31上表面距离设为安全阈值h，保证活塞32最大下行位移量为安全值h。此凸轮打刀机构采用单根弹簧结构设计，结构简单，配以多重密封设计，主轴换刀寿命大幅提高，可靠性得到大幅提升。

作为优选的实施方式，转子22由硅钢片叠压而成，其侧壁内部开设有八个沿圆周方向均匀分布的凹槽221，每个凹槽221中镶嵌有一个永磁体222；为了减少永磁体222的漏磁，设计独特的多瓣弧形转子22，转子22由四块凸缘围合而成，凸缘的中间厚、两端逐渐变薄；对应每个凸缘处嵌入的永磁体222两两组成V形结构。转子22的中间位置通过铆钉铆紧，其两端通过端环223压紧。防止端面的硅钢片铆紧时翘边，保证两端平整。转子22与轴芯21之间为过盈连接，转子22的端部还设有用于轴向定位的轴肩套224，轴肩套224位于端环223与上轴承23之间，轴肩套224与端环223之间留有间隙。为了保证高速时转子22与轴芯21不致因离心脱离，并仍能传递足够的扭矩，转子22与轴芯21采用大过盈连接，端部用轴肩套224进行轴向定位。为了保证电机发热时转子22热伸长有足够空间，轴肩套224与端环223间留有一小间隙ε。

传统钻攻电主轴一般设计有螺钉、或者浮动拉刀机构等用于调节卸刀时轴芯21轴向位移，防止轴芯21位移过大损坏轴承。通过螺钉调整轴芯21轴向位移时，螺钉难以精确调整轴向位移，且多颗紧定螺钉难以调至端面齐平，致使轴承各个方向受力不均。长久卸刀后，螺钉容易松动，致使轴承损坏。通过浮动拉刀机构等用于调节轴芯21轴向位移时，由于浮动拉刀结构复杂，以致主轴结构复杂，成本高昂，同时主轴密封效果差。本发明中，可以先通过添加垫片，或者配磨好上轴承座盖板15端面台阶高度后，将上轴承座盖板15装配到上轴承座上成为一体，此时上轴承座盖板15的台阶和上轴承座外套之间间隙为一恒定值δ。卸刀时，轴芯21下移，带动上轴承座盖板15往下移动，直到上轴承座盖板15台阶顶住上轴承座外套，轴芯21顶死不动，拉杆便相对轴芯21下移完成刀柄更换。此种设计保证轴芯21轴向位移值δ精准可控，保证卸刀时轴承沿圆周方向受力均匀，有效避免轴承因位移大受损。此外，长久使用时，上轴承盖板也不会松动，轴芯21卸刀时轴向位移值恒为δ，主轴运转可靠性大大提高。

作为优选的实施方式，弹性元件42包括碟簧421及设置在碟簧421底部的碟簧压盖422，碟簧压盖422的外圆设有一锥面，轴芯21的内壁上对应碟簧压盖422的位置设有同锥度的锥面，碟簧压盖422与轴芯21的内壁之间形成锥面配合，两者紧密配合，保证有较高的同轴度；碟簧压盖422的内孔与拉杆之间为间隙配合，间接保证了拉杆与轴芯21较高的同轴度。为了保证主轴高速旋转时，主轴振动值依然足够稳定，需要保证拉杆与轴芯21具有很高的同轴度。为此将两者的配合设计为锥面配合，锥面配合具有同轴度好，定心精度高，配合紧密的优点。

拉爪为弹性常开拉爪，轴芯21内部对应拉爪的位置设有阶梯状的容纳腔，该容纳腔的直径从上往下逐渐增大，该容纳腔包括限制拉爪保持在闭合状态的小容纳空间211和能够满足拉爪处于展开状态的大容纳空间212。

作为优选的实施方式，轴芯21的顶部还安装有编码盘61。

高速永磁同步钻攻中心电主轴主要用于有色金属、3C产业、铝基板等钻孔、攻牙工序，并可实现高速铣削、镗削，其主要工作原理如下：

(一)打刀缸组件复位原理：

机床卸刀时，凸轮打刀块作用于活塞上端面，活塞克服弹簧作用力下行，与活塞相连的锁紧盖板也向下移动并作用于拉杆组件。拉杆受力往下移动再推动拉爪座及拉爪下移。拉爪下移到一外径增大的容纳腔时便自由张开，当拉杆继续下移到某一合适位移时，拉爪座顶出刀柄，完成卸刀动作。

机床拉刀时，凸轮打刀块上移，活塞受到弹簧复位力上行，拉杆紧随其一起上移，拉爪向上进入一直径变小的内孔时缩紧，拉住刀柄上移，直到刀柄与轴芯锥面完全贴合到位，拉杆停止上移。此时，活塞和锁紧盖板继续向上移动直到锁紧盖板顶住缸体，由于缸体与机体通过缸体上的法兰固结不动，活塞便停止上行，活塞回复至卸刀前高度。

(二)永磁电主轴高速旋转原理：

定子与轴芯组成三相永磁同步电机，由外部设备向定子绕组通入高频交变三相电流，定子产生一个以同步转速推移的旋转磁场。此外，嵌有永磁体的转子也产生正弦分布的气隙磁场。稳态情况下，转子产生的主极磁场随着旋转磁场同步转动，定子旋转磁场恒与永磁体建立的主极磁场保持相对静止，它们之间相互作用并产生电磁转矩，驱动轴芯旋转并进行能量转换。

(三)卸刀时轴芯位移精准控制原理：

电主轴在卸刀时，活塞对拉杆瞬间施加一打刀力，轴芯受力后下移，上轴承瞬间受到冲击并带动上轴承座向下移动，与轴承座相连的上轴承座盖板也向下移动一小位移δ，直到上轴承座盖板凸缘顶住轴承座外套，以使轴芯固定不动，由此实现拉杆相对轴芯下移顶出刀柄，实现刀具的更换。通过合理控制位移值δ，可以精确控制轴芯打刀时位移量，有效避免轴承因位移大受损。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种高速永磁同步钻攻中心电主轴，包括机体、固定在机体内部的定子、安装于机体上的上轴承外套、支撑于上轴承外套上且可沿轴向浮动的上轴承座、连接于上轴承座上部的上轴承座盖板、连接于机体下部的机体下盖、安装于轴承座上部的铝水套；其特征在于，还包括轴芯组件、打刀缸组件、拉杆组件和拉爪组件；

所述轴芯组件包括穿接于机体内部的呈中空状的轴芯、安装在轴芯外部与定子匹配的转子，轴芯的上端部通过上轴承与上轴承座枢接、下端部通过下轴承与机体枢接；

所述打刀缸组件包括安装于铝水套上部的缸体、安装在缸体内用于向下顶压拉杆的活塞和套设于活塞上的弹簧；

所述拉杆组件包括穿接于轴芯内部并可沿轴芯的轴向上下活动的拉杆和弹性元件；

所述拉爪组件套接于拉杆的下端，所述拉杆向下运动并推动拉爪组件向下运动以使拉爪组件自动张开从而将工件松开；所述弹性元件安装在所述拉杆与轴芯之间，该弹性元件用于促使拉杆向上复位并带动拉爪组件闭合从而将工件夹紧。

2.如权利要求1所述的高速永磁同步钻攻中心电主轴，其特征在于，还包括吹尘通道，所述吹尘通道包括设置在铝水套上的第一进气通道、设置在缸体侧壁上的第二进气通道、设置在活塞上的第三进气通道以及设置在轴芯上的第四进气通道；活塞下端面与拉杆上端面贴合时，第一进气通道、第二进气通道、第三进气通道以及第四进气通道依次连通。

3.如权利要求2所述的高速永磁同步钻攻中心电主轴，其特征在于，所述第一进气通道包括设置在铝水套上的相互连通的竖向进气孔和横向进气孔；所述第二进气通道包括设置在缸体上的相互连通的环槽及斜孔；所述第三进气通道包括设置在活塞上的相互连通的活塞径向进气孔及活塞轴向通孔；所述第四进气通道包括沿轴向贯穿所述拉杆的拉杆中心孔。

4.如权利要求1所述的高速永磁同步钻攻中心电主轴，其特征在于，所述活塞上过盈安装有一防尘盖，防尘盖与缸体之间为间隙配合；所述活塞与缸体之间还设有密封圈。

5.如权利要求1所述的高速永磁同步钻攻中心电主轴，其特征在于，所述缸体的侧壁上设有排气孔；所述缸体的顶部设有防转销，所述活塞上设有插接孔，所述防转销插接于所述插接孔内；所述活塞的顶部侧壁上设有拆卸工装孔。

6.如权利要求1所述的高速永磁同步钻攻中心电主轴，其特征在于，所述转子由硅钢片叠压而成，其侧壁内部开设有若干个沿圆周方向均匀分布的凹槽，每个凹槽中镶嵌有一个永磁体；所述转子由多块凸缘围合而成，所述凸缘的中间厚、两端逐渐变薄；对应每个凸缘处嵌入的永磁体两两组成V形结构。

7.如权利要求6所述的高速永磁同步钻攻中心电主轴，其特征在于，所述转子的中间位置通过铆钉铆紧，其两端通过端环压紧。

8.如权利要求7所述的高速永磁同步钻攻中心电主轴，其特征在于，所述转子与所述轴芯之间为过盈连接，所述转子的端部还设有用于轴向定位的轴肩套，所述轴肩套位于所述端环与所述上轴承之间，所述轴肩套与所述端环之间留有间隙。

9.如权利要求1所述的高速永磁同步钻攻中心电主轴，其特征在于，所述弹性元件包括碟簧及设置在碟簧底部的碟簧压盖，所述碟簧压盖的外圆设有一锥面，所述轴芯的内壁上对应碟簧压盖的位置设有同锥度的锥面，所述碟簧压盖与所述轴芯的内壁之间形成锥面配合；碟簧压盖的内孔与拉杆之间为间隙配合。

10.如权利要求1所述的高速永磁同步钻攻中心电主轴，其特征在于，所述拉爪为弹性常开拉爪，所述轴芯内部对应拉爪的位置设有阶梯状的容纳腔，该容纳腔的直径从上往下逐渐增大，该容纳腔包括限制拉爪保持在闭合状态的小容纳空间和能够满足拉爪处于展开状态的大容纳空间。