CN111347288B - 电主轴冷却润滑结构、电主轴、数控机床 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电主轴冷却润滑结构、电主轴、数控机床。电主轴冷却润滑结构包括芯轴、轴承座、外轴套，外轴套内构造有冷却介质引入流道，轴承座的轴承室壁体上构造有第一分流槽及第一卸压槽，第一分流槽、第一卸压槽分别与冷却介质引入流道贯通，第一分流槽与第一卸压槽之间具有第一间隔壁，第一间隔壁与芯轴的外周壁之间具有第一过流缝隙，第一分流槽与第一卸压槽通过第一过流缝隙连通，第一卸压槽与冷却介质引入流道的流通路径上设置有减压调压部件。根据本发明的一种电主轴冷却润滑结构、电主轴、数控机床，能够通过调整泄压槽中冷却介质压力的方式有效降低轴承端部冷却介质的泄露量，并同时实现对芯轴高效冷却，极大地降低电主轴的设计难度。

Description

电主轴冷却润滑结构、电主轴、数控机床

技术领域

本发明属于电主轴散热润滑技术领域，具体涉及一种电主轴冷却润滑结构、电主轴、数控机床。

背景技术

目前在电主轴（也成电机内藏式主轴）的冷却及润滑结构设计方面，由于润滑与冷却在介质、压力及流量上的差异，普遍分成两个冷却流道及润滑流道两个流道分别实现。具体的，例如冷却多采用冷却介质流经热源轴套部位方式带走热量，润滑则多普遍采用脂润滑或者设计油气流道对轴承进行润滑，两个系统独立运行。这种分别独立实现的方式具有较好的冷却效率及润滑效果，但是却会使电主轴的结构构造更加复杂，结构紧凑化程度不高。现有技术中为了克服前述不足，已有部分厂家对前述的润滑流道、冷却流道进行了集成，也即统一采用冷却介质对电主轴进行冷却及对轴承进行润滑，这种方式能够使所述电主轴的结构更为简单、紧凑，但是由于冷却用的流道内介质压力需求（要求高压）与润滑用的流道内介质压力需求（要求低压）相差极大，因此往往是为了满足对电主轴冷却时，轴承部位由于润滑用冷却介质压力过高，冷却介质渗漏现象严重，为了满足对轴承的润滑效果减小泄漏量时，冷却用冷却介质压力偏低，冷却效率较差，而现有技术中的这种冷却效果与泄露量的控制因素在于如何使轴承座与芯轴之间的间隙设计的合适，间隙过大，缝隙降压小导致轴承泄露量大，间隙过小可以保证泄漏量小且冷却效果相对较好，但同时却极易由此引发电主轴的震颤问题，也明显不利于提升机床的加工精度，如何提供一种设计能够在整合润滑流道与冷却流道的结构的同时还能够保证对电主轴的冷却效率及冷却介质在相应轴承润滑处的低泄漏量显得尤其关键，基于此提出本发明。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种电主轴冷却润滑结构、电主轴、数控机床，能够通过调整泄压槽中冷却介质压力的方式有效降低轴承端部冷却介质的泄露量，并同时实现对芯轴高效冷却，极大地降低电主轴的设计难度。

为了解决上述问题，本发明提供一种电主轴冷却润滑结构，包括芯轴、轴承座、外轴套，所述芯轴的两端分别通过轴承架设于所述轴承座上，所述外轴套套装于所述芯轴的外周侧，所述外轴套内构造有冷却介质引入流道，所述轴承座的轴承室壁体上构造有第一分流槽及第一卸压槽，所述第一分流槽、第一卸压槽分别与所述冷却介质引入流道贯通，所述第一分流槽与所述第一卸压槽之间具有第一间隔壁，所述第一间隔壁与所述芯轴的外周壁之间具有第一过流缝隙，所述第一分流槽与所述第一卸压槽通过所述第一过流缝隙连通，所述第一分流槽还与所述芯轴上的芯轴冷却流道连通，所述第一卸压槽与所述冷却介质引入流道的流通路径上设置有减压调压部件。

优选地，所述冷却介质引入流道的冷却介质入口处设有过滤装置。

优选地，所述芯轴冷却流道包括轴向流道及周向流道，所述轴向流道具有两段且分别处于所述周向流道的两端并与所述周向流道连通，所述周向流道设置于所述芯轴套装电机转子的区域，所述轴向流道还与所述第一分流槽连通。

优选地，所述轴向流道具有多个，多个所述轴向流道沿所述芯轴的周向均匀间隔设置；和/或，所述轴向流道处于所述芯轴的外周壁内；和/或，所述周向流道为构造于所述芯轴的外周壁上的凹槽，所述芯轴的外侧过盈套装有转子轴套。

优选地，所述轴承座的轴承室壁体上还构造有第二卸压槽，在所述轴承座的轴向上，所述第一卸压槽与所述第二卸压槽分别处于所述第一分流槽的两侧，所述第一分流槽、第二卸压槽分别与所述冷却介质引入流道贯通，所述第一分流槽与所述第二卸压槽之间具有第二间隔壁，所述第二间隔壁与所述芯轴的外周壁之间具有第二过流缝隙，所述第一分流槽与所述第二卸压槽通过所述第二过流缝隙连通，所述第一分流槽中的冷却介质压力高于所述第二卸压槽中的冷却介质压力。

优选地，所述减压调压部件还设置于所述第二卸压槽与所述冷却介质引入流道之间的流通路径上。

优选地，所述轴承座的外侧周壁上还设有与所述第一间隔壁位置对应的第三间隔壁、与所述第二间隔壁位置对应的第四间隔壁，所述第三间隔壁及所述第四间隔壁与所述外轴套的内周壁之间密封连接。

优选地，所述外轴套内设有电机定子，所述电机定子通过定子轴套与所述外轴套的内侧周壁过盈连接，所述定子轴套上构造有定子冷却流道，所述定子冷却流道与所述冷却介质引入流道连通。

优选地，所述外轴套内还构造有冷却介质引出流道，所述冷却介质引出流道与所述芯轴冷却流道的管程末端和/或定子冷却流道的管程末端连通。

本发明还提供一种电主轴，包括冷却润滑结构，所述冷却润滑结构为上述的电主轴冷却润滑结构。

本发明还提供一种数控机床，包括上述的电主轴。

本发明提供的一种电主轴冷却润滑结构、电主轴、数控机床，所述减压调压部件的设置将使所述第一卸压槽中冷却介质的压力低于所述第一分流槽中的压力，由此，所述第一分流槽中的冷却介质经由所述第一过流缝隙后进入所述第一卸压槽中后沿着所述轴承与所述第一卸压槽远离所述第一间隔壁一侧的第五间隔壁之间形成的径向过流缝隙最终进入所述轴承内对滚子进行润滑，这样可以通过调整所述第一卸压槽中的冷却介质的压力高低调整所述电主轴冷却润滑结构的润滑用冷却介质在轴承处的泄漏量，也即有利于对轴承端部冷却介质的有效控制，也即，该技术方案中不再如现有技术中将泄漏量的控制关注点集中于前述第一过流缝隙的尺寸大小上，从而在实际设计过程中对第一过流缝隙的尺寸设计保证对芯轴的无震颤即可，对润滑用冷却介质的泄露量通过调整第一卸压槽中的冷却介质压力来予以保证，极大地降低了电主轴的设计难度，同时，这种方式还能够有效降低对所述芯轴的轴端紧固密封组件中的密封件的密封等级的要求，降低电主轴的设计制造成本。

附图说明

图1为本发明实施例的电主轴冷却润滑结构的剖面结构示意图；

图2为图1中A处的局部放大图；

图3为图1中芯轴的立体结构示意图；

图4为图1中轴承座的立体结构示意图；

图5为图4的剖面图。

附图标记表示为：

1、芯轴；11、轴向流道；12、周向流道；13、电机转子；131、转子轴套；2、轴承座；21、第一分流槽；22、第一卸压槽；23、第一间隔壁；24、第二卸压槽；25、第二间隔壁；26、第三间隔壁；27、第四间隔壁；28、第五间隔壁；29、第六间隔壁；3、外轴套；31、冷却介质引入流道；32、冷却介质引出流道；4、轴端紧固密封组件； 6、电机定子；61、定子轴套；62、定子冷却流道；7、轴承。

具体实施方式

结合参见图1至图5所示，根据本发明的实施例，具体如图1所示，提供一种电主轴冷却润滑结构，包括芯轴1、轴承座2、外轴套3，所述芯轴1的两端分别通过轴承7架设于所述轴承座2上，也即本发明中的轴承座2具有两个，所述外轴套3套装于所述芯轴1的外周侧，以在其内部形成电机定子6、电机转子13的装配空间，所述外轴套3内构造有冷却介质引入流道31，所述轴承座2的轴承室壁体上构造有第一分流槽21及第一卸压槽22，所述第一分流槽21、第一卸压槽22分别与所述冷却介质引入流道31贯通，所述第一分流槽21与所述第一卸压槽22之间具有第一间隔壁23，所述第一间隔壁23与所述芯轴1的外周壁之间具有第一过流缝隙，所述第一分流槽21与所述第一卸压槽22通过所述第一过流缝隙连通，所述第一分流槽21中的冷却介质压力高于所述第一卸压槽22中的冷却介质压力，所述第一分流槽21还与所述芯轴1上的芯轴冷却流道连通，所述第一卸压槽22与所述冷却介质引入流道31的流通路径上设置有减压调压部件，所述减压调压部件的设置目的在于保证所述第一分流槽21中的冷却介质压力高于所述第一卸压槽22中的冷却介质压力。该技术方案中，所述减压调压部件的设置将使所述第一卸压槽22中冷却介质的压力低于所述第一分流槽21中的压力，由此，所述第一分流槽21中的冷却介质经由所述第一过流缝隙后进入所述第一卸压槽22中后沿着所述轴承7与所述第一卸压槽22远离所述第一间隔壁23一侧的第五间隔壁28之间形成的径向过流缝隙最终进入所述轴承7内对滚子进行润滑，这样可以通过调整所述第一卸压槽22中的冷却介质的压力高低调整所述电主轴冷却润滑结构的润滑用冷却介质在轴承处的泄漏量，也即有利于对轴承端部冷却介质的有效控制，也即，该技术方案中不再如现有技术中将泄漏量的控制关注点集中于前述第一过流缝隙的尺寸大小上，从而在实际设计过程中对第一过流缝隙的尺寸设计保证对芯轴1的无震颤即可，对润滑用冷却介质的泄露量通过调整第一卸压槽22中的冷却介质压力来予以保证，极大地降低了电主轴的设计难度，同时，这种方式还能够有效降低对所述芯轴1的轴端紧固密封组件4中的密封件的密封等级的要求，降低电主轴的设计制造成本。前述可以理解的，所述冷却介质引入流道31的入口及与外部冷却装置（例如油压冷却机）连接，对应的其具有的冷却介质引出流道32的出口也与所述外部冷却装置（例如油压冷却机）连接，从而形成一个大的冷却循环。

具体的，结合图2所示出的各个尺寸对其降低泄漏量的控制进行理论分析，假定所述第一分流槽21中的冷却介质压力为P1，所述第一卸压槽22中的冷却介质压力为P2，进入所述轴承7的滚子部位的冷却介质压力为P3，前述的第一过流缝隙的宽度（径向宽度）为δ1，第一过流缝隙的平均直径为dm1，第一过流缝隙的长度（轴向长度）为L，第三过流缝隙的宽度（轴向宽度）为δ2，第三过流缝隙的高度（径向高度）为H，第三过流缝隙的平均直径为dm2，同时假定冷却介质的流体动力粘度为μ，则根据泄漏量计算公式可知：

由所述第一分流槽21泄露至所述第一卸压槽22的泄漏量Va为：

；

由所述第一卸压槽22泄露至所述轴承7的滚子处的泄漏量Vr为：

由以上两个公知可以看出，在所述电主轴的结构尺寸及冷却介质已经确定后，也即上述公式中的δ1、δ2、H、L、dm1、dm2便成为常量，此时Va及Vr将直接受P2高低调整的影响，因此，利用本发明提出的结构，可以通过调整P2的大小实现对轴承7的端头处的冷却介质的泄漏量的控制。

基于上述的理论，发明人还进行了实际试验对其进行了确认：

普通油压冷却机出口压力（其与所述第一分流槽21直接贯通，在压力上基本保持一致）P1为0.5~1 MPa（取0.7 MPa），P2为第一卸压槽22流体压力，其由卸压液压阀（也即上述的减压调压部件）控制，可取范围P3~P1，P3为滚珠部位流体压力。以某型电主轴为例，δ1=δ1=0.5mm，dm1=35.25mm，dm2=38.52mm，L=8.5mm，H=6.04mm，μ=0.253Pa·s。

经计算，在不考虑流体在其它流道的压力损失情况下，所述第一卸压槽22中冷却介质流量变化范围0~19.31 L/min，滚珠部位的流量变化范围0~29.7 L/min，轴承供油量与轴承内径、滚珠材料有关。经查SKF样本图表，轴承供油量约700mm³/h=1.167×10^-5 L/min。理论上，在卸压阀压力接近滚珠部位压力时，到达滚珠部位的流量可满足润滑量的要求，此时将所述卸压阀压力调整为接近P3即可，而可以理解的，在实际应用中，所述减压调压部件的调整压力的大小根据轴段密封件处的泄露实际情况控制即可。

所述冷却介质引入流道31的冷却介质入口处设有过滤装置，以对所述外部冷却装置的冷却介质进行必要的过滤，防止内部流道可能的堵塞现象发生。

所述芯轴冷却流道包括轴向流道11及周向流道12，所述轴向流道11具有两段且分别处于所述周向流道12的两端并与所述周向流道12连通，所述周向流道12设置于所述芯轴1套装电机转子13的区域，所述轴向流道11还与所述第一分流槽21连通。该技术方案中给出了一种所述芯轴冷却流道在所述芯轴1中的具体构造形式，其中部与电机转子13相配合的区域采用周向流道12的方式能够增大冷却介质的流通区域，进而提高在此区域的换热量，有效降低此处温升过大所带来的轴向尺寸的偏离。

进一步地，所述轴向流道11具有多个，多个所述轴向流道11沿所述芯轴1的周向均匀间隔设置，最好的，所述轴向流道11处于所述芯轴1的外周壁内，也即所述轴向流道11采用埋入式沟槽结构，这样有利于在芯轴1的端头支撑配合部件的连接、安装；进一步地，所述周向流道12则为构造于所述芯轴1的外周壁上的凹槽，所述芯轴1的外侧过盈套装有转子轴套131，也即，所述转子轴套131一方面作为所述电机转子13的安装载体，另一方面则作为所述周向流道12的封闭罩体，这种方式既能够充分保证所述周向流道12中的冷却介质对所述电机转子13的冷却作用，还能够便利所述电机转子13与所述芯轴1的拆装过程。所述周向流道12例如可以为沿着所述芯轴1的轴向螺旋延伸的螺旋槽，最好的，所述周向流道12包括沿着所述芯轴1的轴向依次间隔均匀设置的多个环槽，任何环槽之间的壁体皆通过过流孔连通，所述过流孔的数量及设计位置则与所述多个轴向流道11的数量及设计位置相对应，具体的，在所述芯轴1的任一径向平面上投影，多个轴向流道11与所述多个过流孔的投影完全重合，且围绕所述芯轴1的轴心均匀间隔排列，此次设计的好处是能够极大程度的简化所述周向流道12的加工过程，所述过流孔可与与其对应的轴向流道11在一次穿孔工艺中加工形成。

进一步地，所述轴承座2的轴承室壁体上还构造有第二卸压槽24，在所述轴承座2的轴向上，所述第一卸压槽22与所述第二卸压槽24分别处于所述第一分流槽21的两侧，所述第一分流槽21、第二卸压槽24分别与所述冷却介质引入流道31贯通，所述第一分流槽21与所述第二卸压槽24之间具有第二间隔壁25，所述第二间隔壁25与所述芯轴1的外周壁之间具有第二过流缝隙，所述第一分流槽21与所述第二卸压槽24通过所述第二过流缝隙连通，所述第一分流槽21中的冷却介质压力高于所述第二卸压槽24中的冷却介质压力。该技术方案适应所述轴承座2具有两个轴承室的结构型式，使两个轴承室中的轴承7皆能够得到高效润滑，而可以理解的，所述减压调压部件还设置于所述第二卸压槽24与所述冷却介质引入流道31之间的流通路径上，其对于所述轴承端部的冷却介质泄露量的控制原理同于前述，此处不再赘述。另外，与所述第五间隔壁28对应的，所述第二卸压槽24远离所述第二间隔壁25一侧具有第六间隔壁29，轴承7与所述第六间隔壁29之间形成的相应径向过流缝隙。

所述轴承座2的外侧周壁上还设有与所述第一间隔壁23位置对应的第三间隔壁26、与所述第二间隔壁25位置对应的第四间隔壁27，所述第三间隔壁26及所述第四间隔壁27与所述外轴套3的内周壁之间密封连接，可以理解的是，前述的第一间隔壁23、第二间隔壁25及第三间隔壁26、第四间隔壁27皆设计为与所述轴承座2同轴的环壁结构，以对所述轴承座2在轴向上形成多个不同的环槽，由于所述第三间隔壁26及第四间隔壁27与所述外轴套3的内周壁密封连接，从而在所述轴承座2的外周侧形成分别对应于所述第一分流槽21、第一卸压槽22、第二卸压槽24相对应的独立的环槽，而这些环槽则通过对应的连通孔与第一分流槽21、第一卸压槽22、第二卸压槽24对应连通。进一步地，所述第三间隔壁26、第四间隔壁27朝向所述外轴套3的内周壁一侧设置有密封槽，密封槽中设置密封件例如O型圈形成所述密封连接。

所述外轴套3内设有电机定子6，所述电机定子6通过定子轴套61与所述外轴套3的内侧周壁过盈连接，所述定子轴套61上构造有定子冷却流道62，所述定子冷却流道62与所述冷却介质引入流道31连通。进一步地，所述外轴套3内还构造有冷却介质引出流道32，所述冷却介质引出流道32与所述芯轴冷却流道的管程末端和/或定子冷却流道62的管程末端连通。

根据本发明的实施例，还提供一种电主轴，包括冷却润滑结构，所述冷却润滑结构为上述的电主轴冷却润滑结构。

根据本发明的实施例，还提供一种数控机床，包括上述的电主轴。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种电主轴冷却润滑结构，其特征在于，包括芯轴（1）、轴承座（2）、外轴套（3），所述芯轴（1）的两端分别通过轴承（7）架设于所述轴承座（2）上，所述外轴套（3）套装于所述芯轴（1）的外周侧，所述外轴套（3）内构造有冷却介质引入流道（31），所述轴承座（2）的轴承室壁体上构造有第一分流槽（21）及第一卸压槽（22），所述第一分流槽（21）、第一卸压槽（22）分别与所述冷却介质引入流道（31）贯通，所述第一分流槽（21）与所述第一卸压槽（22）之间具有第一间隔壁（23），所述第一间隔壁（23）与所述芯轴（1）的外周壁之间具有第一过流缝隙，所述第一分流槽（21）与所述第一卸压槽（22）通过所述第一过流缝隙连通，所述第一分流槽（21）还与所述芯轴（1）上的芯轴冷却流道连通，所述第一卸压槽（22）与所述冷却介质引入流道（31）的流通路径上设置有减压调压部件。

2.根据权利要求1所述的冷却润滑结构，其特征在于，所述冷却介质引入流道（31）的冷却介质入口处设有过滤装置。

3.根据权利要求1所述的冷却润滑结构，其特征在于，所述芯轴冷却流道包括轴向流道（11）及周向流道（12），所述轴向流道（11）具有两段且分别处于所述周向流道（12）的两端并与所述周向流道（12）连通，所述周向流道（12）设置于所述芯轴（1）套装电机转子（13）的区域，所述轴向流道（11）还与所述第一分流槽（21）连通。

4.根据权利要求3所述的冷却润滑结构，其特征在于，所述轴向流道（11）具有多个，多个所述轴向流道（11）沿所述芯轴（1）的周向均匀间隔设置；和/或，所述轴向流道（11）处于所述芯轴（1）的外周壁内；和/或，所述周向流道（12）为构造于所述芯轴（1）的外周壁上的凹槽，所述芯轴（1）的外侧过盈套装有转子轴套（131）。

5.根据权利要求1所述的冷却润滑结构，其特征在于，所述轴承座（2）的轴承室壁体上还构造有第二卸压槽（24），在所述轴承座（2）的轴向上，所述第一卸压槽（22）与所述第二卸压槽（24）分别处于所述第一分流槽（21）的两侧，所述第一分流槽（21）、第二卸压槽（24）分别与所述冷却介质引入流道（31）贯通，所述第一分流槽（21）与所述第二卸压槽（24）之间具有第二间隔壁（25），所述第二间隔壁（25）与所述芯轴（1）的外周壁之间具有第二过流缝隙，所述第一分流槽（21）与所述第二卸压槽（24）通过所述第二过流缝隙连通，所述第一分流槽（21）中的冷却介质压力高于所述第二卸压槽（24）中的冷却介质压力。

6.根据权利要求5所述的冷却润滑结构，其特征在于，所述减压调压部件还设置于所述第二卸压槽（24）与所述冷却介质引入流道（31）之间的流通路径上。

7.根据权利要求5所述的冷却润滑结构，其特征在于，所述轴承座（2）的外侧周壁上还设有与所述第一间隔壁（23）位置对应的第三间隔壁（26）、与所述第二间隔壁（25）位置对应的第四间隔壁（27），所述第三间隔壁（26）及所述第四间隔壁（27）与所述外轴套（3）的内周壁之间密封连接。

8.根据权利要求1所述的冷却润滑结构，其特征在于，所述外轴套（3）内设有电机定子（6），所述电机定子（6）通过定子轴套（61）与所述外轴套（3）的内侧周壁过盈连接，所述定子轴套（61）上构造有定子冷却流道（62），所述定子冷却流道（62）与所述冷却介质引入流道（31）连通。

9.根据权利要求8所述的冷却润滑结构，其特征在于，所述外轴套（3）内还构造有冷却介质引出流道（32），所述冷却介质引出流道（32）与所述芯轴冷却流道的管程末端和/或定子冷却流道（62）的管程末端连通。

10.一种电主轴，包括冷却润滑结构，其特征在于，所述冷却润滑结构为权利要求1至9中任一项所述的电主轴冷却润滑结构。

11.一种数控机床，其特征在于，包括如权利要求10所述的电主轴。

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