CN110732909B - 电主轴轴承预紧装置、电主轴和机床 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电主轴轴承预紧装置、电主轴和机床。电主轴轴承预紧装置包括固定件、预紧件、螺旋线圈和线圈控制器，线圈控制器与螺旋线圈电连接；预紧件可沿固定件的轴向相对于固定件移动，在固定件的轴向上，预紧件具有背向固定件的轴承抵接面；在固定件的轴向上，螺旋线圈设置于固定件与预紧件之间，螺旋线圈的延伸方向垂直于固定件的轴向。电主轴包括电主轴轴承预紧装置。机床包括电主轴。螺旋线圈通电后将沿径向扩张，螺旋线管的径向两端分别抵接在固定件与预紧件上，螺旋线圈的径向扩张引起对预紧件抵接力的变化，进而引起对轴承外圈的预紧力的变化。预紧力大小与螺旋线圈通入电流量成正比，预紧力控制精度高，从而有效保护电主轴。

Description

电主轴轴承预紧装置、电主轴和机床

技术领域

本发明涉及机床设备技术领域，具体涉及一种电主轴轴承预紧装置、电主轴和机床。

背景技术

加工设备如机床中具有电主轴，电主轴内部具有主轴体和位于主轴体外周的角接触轴承。在电主轴高速转动工作时，角接触轴承受离心力作用而向外周挤压，轴承内圈膨胀导致主轴体整体刚度降低而更容易发生弯曲变形，故需要对轴承外圈施加轴向预紧力抵抗轴承形变以保护轴承和减小主轴体弯曲形变。

公告号为CN207857874U的发明专利中公开一种电主轴轴承刚度调控系统及电主轴，电主轴轴承刚度调控系统包括电磁线圈座、电磁线圈绕组、线圈控制器、弹簧和压板，电主轴轴承刚度调控系统设置在电主轴上，电磁线圈绕组安装在电磁线圈座内，压板在弹簧作用力下抵接在角接触轴承的轴承外圈，线圈控制器可控制电磁线圈绕组的驱动电流并产生作用于压板的磁吸力，磁吸力和弹簧作用力结合成为作用于角接触轴承的轴承外圈的预紧力。

现有的该种电主轴轴承刚度调控系统存在的问题是，弹簧作用力的变化较不稳定而导致预紧力的控制精度较差，对电主轴保护效果较差。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种准确控制轴承预紧力的电主轴轴承预紧装置。

本发明的第二目的在于提供一种准确控制轴承预紧力的电主轴。

本发明的第三目的在于提供一种准确控制轴承预紧力的机床。

本发明第一目的提供的电主轴轴承预紧装置包括固定件、预紧件、螺旋线圈和线圈控制器，线圈控制器与螺旋线圈电连接；预紧件可沿固定件的轴向相对于固定件移动，在固定件的轴向上，预紧件具有背向固定件的轴承抵接面；在固定件的轴向上，螺旋线圈抵接于固定件与预紧件之间，且螺旋线圈的径向两端分别抵接在固定件和预紧件上。

由上述方案可见，螺旋线圈通电后将沿径向扩张，径向扩张量与通入电流量成正比；螺旋线圈的延伸方向垂直于固定件的轴向即螺旋线管的径向两端分别抵接在固定件与预紧件上，因此螺旋线圈的径向扩张引起对预紧件抵接力的变化，进而引起对轴承外圈的预紧力的变化。预紧力大小与螺旋线圈通入电流量成正比，预紧力控制精度高，从而有效保护电主轴。

进一步的方案是，螺旋线圈沿固定件的周向延伸成环状。

由上可见，此设置使螺旋线圈的作用力均匀作用于预紧件的周向各处，预紧件对轴承外圈的预紧效果更好。

进一步的方案是，固定件在朝向预紧件的一侧设有第一凹槽，螺旋线圈位于第一凹槽内，和/或，预紧件在朝向固定件的一侧设有第二凹槽，螺旋线圈位于第二凹槽内。

由上可见，此设置使螺旋线圈更稳定地置于固定件与预紧件之间，保证电主轴轴承预紧装置稳定工作。

进一步的方案是，在固定件的径向投影上，第一凹槽的轮廓和第二凹槽的轮廓均呈半圆形。

由上可见，此设置使第一凹槽和第二凹槽的槽面与螺旋线圈的外表面匹配，固定件、螺旋线圈和预紧件之间的力学状态更稳定，从而提高轴承预紧力的控制效果。

进一步的方案是，第一凹槽的延伸轨迹与螺旋线圈的延伸轨迹匹配，和/或第二凹槽的延伸轨迹与螺旋线圈的延伸轨迹匹配。

由上可见，此设置使螺旋线圈更稳定地置于固定件与预紧件之间，进一步保证电主轴轴承预紧装置稳定工作。

进一步的方案是，螺旋线圈外覆盖有绝缘材料层。

由上可见，此设置可避免在螺旋线圈通电后电流之间相互影响，保证螺旋线圈径向外扩时的稳定性。

进一步的方案是，预紧件为环体，轴承抵接面为圆环面。

由上可见，此设置便于预紧件的安装，同时保证轴承抵接面与轴承外圈周向各处抵接，保证预紧力的均匀性，预紧件对轴承外圈的预紧效果更好。

进一步的方案是，固定件的外周壁套装在预紧件的外周，且外周壁的内周面与预紧件的外周面间隙配合。

由上可见，此设置使固定件与预紧件之间保持相互移动的前提下装配更简单。

进一步的方案是，电主轴轴承预紧装置还包括铁芯，铁芯穿插于螺旋线圈中。

由上可见，此设置能提高螺旋线圈产生的磁场，从而提高线圈径向尺寸的变化量范围，即提高预紧力的范围，从而提高电主轴轴承预紧装置的适用范围。

本发明第二目的提供的电主轴包括电主轴轴承预紧装置；电主轴轴承预紧装置采用上述的电主轴轴承预紧装置。

进一步的方案是，电主轴还包括轴承座、第一角接触轴承和主轴体；第一角接触轴承套装在主轴体外并安装于轴承座上，固定件安装于轴承座上，预紧件位于主轴体的外周；在轴承座的轴向上，预紧件位于固定件与第一角接触轴承之间，轴承抵接面抵接于第一角接触轴承的轴承外圈。

进一步的方案是，电主轴还包括安装在主轴体上的速度传感器。

由上可见，控制系统获取速度传感器的实时检测数据后，根据主轴体的实时转速去设定线圈控制器对螺旋线圈的通入电流量，从而实现预紧力的实时调控。

进一步的方案是，电主轴还包括第一隔环，第一隔环套装在主轴体上，第一隔环位于预紧件的内周，第一隔环与预紧件之间具有间隔。

由上可见，设置第一隔环保证预紧件与主轴体之间的配合安全性，另外，速度传感器可设置在第一隔环上，更便于电主轴的组装。

本发明第三目的提供的机床包括电主轴，电主轴采用上述的电主轴。

附图说明

图1为本发明电主轴第一实施例部分组件的剖视图。

图2为本发明电主轴第一实施例中螺旋线圈和铁芯的结构图。

图3为本发明电主轴第一实施例的工作原理图。

图4为本发明电主轴第二实施例中固定件和螺旋线圈的结构示意图。

具体实施方式

电主轴第一实施例

参见图1，图1为本发明电主轴第一实施例部分组件的剖视图。本发明提供的机床为数控机床或非数控机床，机床具有电主轴，电主轴包括主轴体1、轴承座2、第一隔环31、第二隔环32、锁紧螺母33、第一角接触轴承41、第二角接触轴承42、端环5、预紧套6、螺旋线圈81、铁芯82以及线圈控制器(图中未示出)。端环5、预紧套6、螺旋线圈81、铁芯82以及线圈控制器组成本发明的电主轴轴承预紧装置。

主轴体1上具有轴肩11，第二隔环32、第二角接触轴承42、第一角接触轴承41、第一隔环31沿x轴正向依次套装到主轴体1外，第二隔环32为小隔环，第二隔环32与轴肩11抵接，随后锁紧螺母33锁紧到主轴体1上并与第一隔环31抵接。锁紧螺母33体积大于第二隔环32，第一隔环31的外周固定安装有速度传感器7。优选的是，在主轴体1的轴向上，第二角接触轴承42和第一角接触轴承41可增设套装在主轴体1外的锁紧螺母33。

轴承座2中部具有贯穿于轴承座2的轴向两端之间的主轴安装孔20，主轴安装孔20的内周面上沿轴向依次形成第一台阶位21、第二台阶位22和第三台阶位23，轴承座2在第一台阶位21、第二台阶位22和第三台阶位23处的内径依次增大。轴承座2上，朝向x轴负向的轴向端面上具有螺孔。

本实施例中，端环5作为固定件，预紧套6作为预紧件。端环5在朝向x轴正向的轴向端面上设有第一凹槽51，第一凹槽51沿端环5的周向延伸成环状，在端环5的径向截面上(图1示)，第一凹槽51的轮廓呈半圆形。端环5的外周具有从第一凹槽51所在端面沿轴向凸起的外周壁52，端环5具有沿轴向贯穿外周壁52的通孔。

预紧套6为环体，预紧套6的截面呈L型，预紧套6具有沿轴向延伸的预紧部601和沿径向向外延伸的抵接部602，抵接部602在背向与预紧部601的轴向端面上设有第二凹槽61，第二凹槽61沿预紧套6的周向延伸成环状，在预紧套6的径向截面上(图1示)，第二凹槽61的轮廓呈半圆形。抵接部602的内周在远离预紧部601的一端设置有第四台阶位63。预紧套6上背向抵接部602的轴向端面为轴承抵接面62，轴承抵接面62为环形面。

结合图2，图2为本发明电主轴第一实施例中螺旋线圈和铁芯的结构图。铁芯82呈圆环状，且铁芯82的截面为圆形，螺旋线圈81螺旋缠绕在铁芯82外，且螺旋线圈81随铁芯82的延伸轨迹，即螺旋线圈81沿圆周轨迹延伸成圆环状。螺旋线圈81外覆盖有绝缘层，绝缘层为塑料层。螺旋线圈81的延伸两端连接到线圈控制器的控制电路上，线圈控制器主要对螺旋线圈81的输入电流大小进行调控。从楞次定律可知，空心的螺旋线圈81在通电后将出现在径向上的扩张变化，螺旋线圈81径向上的扩张变化量与输入电流大小呈正比。

参见图1，电主轴安装完成后，主轴体1穿插在主轴安装孔20中，第二角接触轴承42和第一角接触轴承41位于第一台阶位21处，第二角接触轴承42的轴承外圈和第一角接触轴承41的轴承外圈413与轴承座2内周面固定配合，轴承座2的肩台从x轴正向限制第二角接触轴承42。

端环5位于主轴体1外周，固定螺栓穿过端环5上外周壁52的通孔后锁紧到轴承座2端面上的螺孔，此时预紧套6位于端环5与轴承座2之间；预紧部601位于第二台阶位22，抵接部602位于第三台阶位23中，抵接部602的外周面与外周壁52的内周面间隙配合，且抵接部602的外周面与轴承座2上第三台阶位23处的内周面间隙配合。抵接部602的内周面与第一隔环31的外周具有间隙，且速度传感器7位于第四台阶位63处。

抵接部602与端环5之间，截面呈半圆形的第一凹槽51和第二凹槽61相互配合成截面为圆形的环状放置位，环状放置位沿端环5的周向延伸成环状，其延伸轨迹与螺旋线圈81的延伸轨迹一致；螺旋线圈81和铁芯82放置在环状放置位中，且螺旋线圈81的延伸方向垂直于端环5的轴向。在x轴方向上，即轴向上，预紧部601的轴承抵接面62抵接在轴承外圈413上。

结合图1和图3，图3为本发明电主轴第一实施例的工作原理图。当电主轴工作后，主轴体1高速转动，第一角接触轴承41受离心力作用后预紧力发生变化，此时速度传感器7检测主轴体1的实时转速数据，控制系统通过实时转速数据计算生成实时的离心力数据，同时生成第一角接触轴承41所需要的预紧力数据。此时控制系统则根据生成的预紧力数据控制线圈控制器以调整接入螺旋线圈81中的输入电流。

电流接入螺旋线圈81后，螺旋线圈81具有沿径向扩张变化的趋势，由于螺旋线圈81固定于抵接部602与端环5之间，又由于端环5被固定，螺旋线圈81的轴向扩张形变转化为轴向作用力集中于具有轴向移动自由度的预紧套6上，预紧套6再将轴向作用力作为预紧力作用于轴承外圈413的轴向端面上，从而实现对第一角接触轴承41预紧力的实时调控。预紧力大小与螺旋线圈81通入电流量成正比，且仅与螺旋线圈81的接入电流有关，需调控参数少，因此预紧力调控难度小，预紧力控制精度高，从而有效保护电主轴和提高加工质量。

电主轴第二实施例

参见图4，图4为本发明电主轴第二实施例中固定件和螺旋线圈的结构示意图。本实施例中，螺旋线圈92沿直线延伸，四个螺旋线圈92均布在端环91上，且端环91上用于容纳螺旋线圈92的第一凹槽911沿直线延伸。

其他实施例中，固定件端环或端盖以外的部件，固定件与轴承座固定连接；其他实施例中，预紧件为预紧块，一块或多块预紧块布置在主轴体的外周；其他实施例中，螺旋线圈中部不具有铁芯。

其他实施例中，螺旋线圈可通过支撑架体固定并抵接在固定件的轴向表面与预紧件的轴向表面之间；其他实施例中，仅在固定件上设置足以容纳螺旋线圈的第一凹槽，或仅在预紧件上设置足以容纳螺旋线圈的第二凹槽。

最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.电主轴轴承预紧装置，包括固定件；

其特征在于：

所述电主轴轴承预紧装置还包括预紧件、螺旋线圈和线圈控制器，所述线圈控制器与所述螺旋线圈电连接；

所述预紧件可沿所述固定件的轴向相对于所述固定件移动，在所述固定件的轴向上，所述预紧件具有背向所述固定件的轴承抵接面；

在所述固定件的轴向上，所述螺旋线圈抵接于所述固定件与所述预紧件之间，且所述螺旋线圈的径向两端分别抵接在所述固定件和所述预紧件上。

2.根据权利要求1所述的电主轴轴承预紧装置，其特征在于：

所述螺旋线圈沿所述固定件的周向延伸成环状。

3.根据权利要求1或2所述的电主轴轴承预紧装置，其特征在于：

所述固定件在朝向所述预紧件的一侧设有第一凹槽，所述螺旋线圈位于所述第一凹槽内，

和/或，

所述预紧件在朝向所述固定件的一侧设有第二凹槽，所述螺旋线圈位于所述第二凹槽内。

4.根据权利要求3所述的电主轴轴承预紧装置，其特征在于：

在所述固定件的径向投影上，所述第一凹槽的轮廓和所述第二凹槽的轮廓均呈半圆形。

5.根据权利要求3所述的电主轴轴承预紧装置，其特征在于：

所述第一凹槽和所述第二凹槽的延伸轨迹与所述螺旋线圈的延伸轨迹匹配。

6.根据权利要求1或2所述的电主轴轴承预紧装置，其特征在于：

所述螺旋线圈外覆盖有绝缘材料层。

7.根据权利要求1或2所述的电主轴轴承预紧装置，其特征在于：

所述预紧件为环体，所述轴承抵接面为圆环面。

8.根据权利要求1或2所述的电主轴轴承预紧装置，其特征在于：

所述固定件的外周壁套装在所述预紧件的外周，且所述外周壁的内周面与所述预紧件的外周面间隙配合。

9.根据权利要求1或2所述的电主轴轴承预紧装置，其特征在于：

所述电主轴轴承预紧装置还包括铁芯，所述铁芯穿插于所述螺旋线圈中。

10.电主轴，包括电主轴轴承预紧装置；

其特征在于：

所述电主轴轴承预紧装置采用上述权利要求1至9任一项所述的电主轴轴承预紧装置。

11.根据权利要求10所述的电主轴，其特征在于：

所述电主轴还包括轴承座、第一角接触轴承和主轴体；

所述第一角接触轴承套装在所述主轴体外并安装于所述轴承座上，所述固定件安装于所述轴承座上，所述预紧件位于所述主轴体的外周；

在所述轴承座的轴向上，所述预紧件位于所述固定件与所述第一角接触轴承之间，所述轴承抵接面抵接于所述第一角接触轴承的轴承外圈。

12.根据权利要求11所述的电主轴，其特征在于：

所述电主轴还包括安装在所述主轴体上的速度传感器。

13.根据权利要求11或12所述的电主轴，其特征在于：

所述电主轴还包括第一隔环，所述第一隔环套装在主轴体上，所述第一隔环位于所述预紧件的内周，所述第一隔环与所述预紧件之间具有间隙。

14.机床，包括电主轴，其特征在于：

所述电主轴采用上述权利要求10至13任一项所述的电主轴。

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