CN111360285A - 高速电主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速电主轴，包括换刀组件和主轴组件，所述主轴组件包括主轴本体、轴芯和拉刀机构，所述主轴本体和所述轴芯之间设有轴承组，其特征在于，所述换刀组件包括推动所述拉刀机构滑移的推动件、固定/松开所述轴芯的拉紧件，所述拉紧件固定所述轴芯时的施力方向与所述推动件对所述拉刀机构的施力方向相反。本发明设有自动更换刀具的换刀组件，换刀时采用拉紧件对轴芯拉紧能够在换刀时消除大部分因拉刀机构滑移对轴承产生的轴向作用力，换刀方便、快速，而且延长了电主轴的使用寿命。

Description

高速电主轴

技术领域

本发明涉及智能高速复合加工技术领域，尤其涉及高速电主轴。

背景技术

电主轴是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，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，把高速加工技术推向了一个新时代。具体的，电主轴是一套组件，它一般包括电主轴本身及其附件，主要有：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，而且由于取代了传统的利用传动带的传动结构，极大的提高了主轴的转速，在今天的市场上越来越受到欢迎。

申请人一直致力于高速电主轴的研发工作，如申请人的申请号为201820319554.1、专利名称为《一种高速滚珠轴承电主轴》的中国专利文件中记载了一种高速电主轴，主要由气缸组件、气缸座组件、后轴承座组件、本体组件、前轴承座组件、转子组件、前轴承压板组件以及拉刀机构组成，电机内置，具有结构紧凑、质量轻、惯性小、振动小、噪音低等特点，所以可以实现高转速、高精度及高运转稳定性。

但是随着产业升级和技术的发展，技术研发的方向不仅仅在于如何实现高速转动，也有更多人把眼光放在了加工中心的换刀方式上，因为换刀机械手是加工中心稳定可靠运行的关键功能部件。它的快速、准确的换刀程序是影响加工中心发挥高效、可靠的加工性能的重要因素。没有换刀机械手，就不可能有集中工序进行加工的加工中心。

目前自动换刀装置大都采用有机械手换刀方式，因为有机械手换刀装置在刀库的配置、与主轴的相对位置及刀具数量确定上都比较灵活，机械手数量和换刀形式比较随意，换刀时间比较短，应用广泛，在国外BT40的换刀时间已达到0.9秒，BT50的换刀时间也达到了1.5秒左右，国内也出现了立、卧两用凸轮式换刀机械手和用于五轴联动的换刀机械手的研究。与之相应的，电主轴内部的换刀机构是否能够跟上机械手换刀的发展步伐也是一个重要问题。

在另一篇申请号为201721064815 .1、专利名称为《一种高速复合雕铣中心出水气动换刀电主轴》的中国专利中也公开了一种高速电主轴，包括机体、位于所述机体内的旋转轴组件、定子组件、预紧机构以及位于所述旋转轴组件两端的前轴承和后轴承，还包括位于所述旋转轴组件内的换刀机构、位于所述机体后端上的连接体、与所述连接体连接的气缸组件、中心出水机构以及密封机构，其采用气缸与换刀机构相配合，实现对刀柄的抓取和松开，配合机械手完成换刀的整个过程。

在上述方案的换刀过程中，具体操作为“向所述卸刀进气口T0注入0 .6MPa的压缩空气推动所述前活塞24前移使所述碟簧组件14压缩以及所述拉爪9前移并自行张开进行换刀”，

但是在驱动拉爪和拉杆前移时，拉杆对轴芯必然会产生较大的轴向作用力（7000N~10000N），而此作用力均由套设在轴芯外部两端的轴承分担，容易造成轴承内部滚珠滚落脱离，而一旦在力的传导过程中存在振动或偏差，对轴承均会产生极大的冲击作用，造成轴承的损伤。

发明内容

为了解决现有技术中卸刀时容易造成轴承损伤的缺陷，本发明提出一种高速电主轴。

本发明采用的技术方案是，一种高速电主轴，包括换刀组件和主轴组件，所述主轴组件包括主轴本体、轴芯和拉刀机构，所述主轴本体和所述轴芯之间设有轴承组，其特征在于，所述换刀组件包括推动所述拉刀机构轴向滑移的推动件、拉紧/松开所述轴芯的拉紧件，所述拉紧件固定所述轴芯时的施力方向与所述推动件对所述拉刀机构的施力方向相反。

优选的，所述推动件为油缸推杆，所述拉紧件为卸荷瓣爪，所述油缸推杆和所述卸荷瓣爪受同一个动力源作用且受力方向相反。

优选的，所述换刀组件还包括盖体和油缸外座，所述盖体包括油缸后盖、油缸前盖和固定连接于所述油缸外座上的油缸外壳，所述油缸后盖上开设有进油口，所述油缸后盖与所述油缸前盖固定连接，所述油缸前盖与所述卸荷瓣爪扣合抵接；

所述油缸后盖、油缸推杆、油缸前盖的外缘均套设有密封圈并滑动抵接于所述油缸外壳的内壁上，进油口进油时，所述油缸推杆和所述油缸后盖同时受压并反向运动。

优选的，所述拉刀机构包括刀柄、拉爪瓣爪、滑动穿设于所述轴芯内部的拉杆、套设于所述拉杆上的蝶形弹簧组，所述拉杆的一端与所述油缸推杆抵接，所述拉杆的另一端通过滑移抵接/远离所述拉爪瓣爪，并驱动所述拉爪瓣爪松开/抱紧所述刀柄。

优选的，所述轴芯靠近所述油缸推杆的一端固定套设有轴芯卸荷环，所述卸荷瓣爪一端扣合抵接于所述油缸前盖且另一端扣合抵接于所述轴芯卸荷环上。

优选的，所述换刀组件还包括旋转接头、旋转接头连接杆，所述旋转接头内部开设有正多棱边空腔，所述旋转接头连接杆为正多棱杆并与所述旋转接头内部空腔插接适配，所述旋转接头连接杆远离所述旋转接头的另一端与所述拉刀机构固定连接。

优选的，所述旋转接头的外壁开设有连通内部空腔的进水口和泄压口，所述旋转接头连接杆、拉杆和刀柄内部均开设有贯通的通孔，在电主轴工作时从进水口处注入切削液即可依次穿过旋转接头连接杆、拉杆、刀柄直至刀具的中心孔并出水。

优选的，所述换刀组件和所述主轴组件之间还设有气缸座组件，所述气缸座组件包括气缸座和多个接头，所述气缸座的一侧与所述换刀组件固定连接，所述气缸座的另一侧固定连接有编码器组件。

优选的，所述轴承组包括前端轴承和后端轴承，所述前端轴承和后端轴承处均设有冷却水路，所述主轴本体和所述前端轴承之间也设有冷却水路。

优选的，所述前端轴承和后端轴承均为陶瓷球轴承。

与现有技术相比，本发明将具有以下有益效果：

1、在油缸推杆推动拉刀机构进行卸刀时，由于卸荷瓣爪将轴芯抵住拉紧，从而将拉刀机构施加的轴向作用力从轴承上卸除并转移至换刀组件上，降低了对轴承的作用力，有利于提升轴承和电主轴的使用寿命；

2、整个电主轴采用循环水路能够及时将主轴本体工作时产生的热量散出，维持良好的工作环境，同时对于轴承也专门设计有冷却水路更加有利于延长电主轴的使用寿命；

3、电主轴在工作时具有中心出水功能，可以及时地冷却刀具与工件的接触部位，延长了刀具的使用寿命，提高了产品的加工效率；

4、主轴采用的陶瓷球轴承摩擦性能非常好，能降低材料与润滑剂的应力，可在轴承的使用寿命周期内实现终生润滑，使用简单、方便，陶瓷的弹性模量较高，可以提高轴承的刚性。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是本实施例的电主轴剖面图；

图2是本实施例的换刀组件部分结构示意图。

3、刀柄；4、前盖；6、前轴承座压板；8、前轴承座；17、轴用钢丝挡圈；18、拉杆铁环；19、拉杆；21、线圈；22、主轴本体；25、后轴承座盖板；26、弹簧挡片；30、编码器底板；32、编码器；37、油缸前盖；40、油缸推杆；43、油缸外壳；45、旋转接头连接杆；59、卸荷瓣爪；60、轴芯卸荷环；62、后轴承座；63、预紧弹簧；64、鼠笼压环；65、碟形弹簧组；66、拉杆碟簧隔圈；67、鼠笼；68、轴芯；70、拉爪；72、拉爪弹簧机构；73、拉爪瓣爪；77、轴承座外壳；78、前轴承垫环；83、油缸后盖；85、旋转接头；86、进水口；87、泄压口；94、气缸座；97、油缸外座。

具体实施方式

一种高速电主轴，如图1所示，包括换刀组件、气缸座组件和主轴组件，主轴组件包括有后轴承座组件、主轴本体22、前轴承座组件、转子组件、编码器组件以及拉刀机构。

如图1所示，拉刀机构包括拉杆19、碟形弹簧组65、拉杆碟簧隔圈66、拉杆铁环18、轴用钢丝挡圈17、BT40刀柄3、移动胀套、拉爪瓣爪73、拉爪70以及拉爪弹簧机构72，拉杆19滑动穿设于轴芯68的内部，而蝶形弹簧组65则位于轴芯68和拉杆19之间并套设在拉杆19上。在另一个实施例中刀柄3也可以采用其它型号，具体型号可以根据实际需要进行选定，本实施例采用BT40拉刀机构，通过BT独有的锥度定位，在整个转速范围内，动态精度好，相较其他拉刀机构具有更大的动、静径向刚度和良好的切削性能。

拉杆19的法兰和拉杆碟簧隔圈66的外圆上有三条油槽，组装时涂上适量的润滑油，可在拉杆19外圆与轴芯68内壁形成油膜，从而保证电主轴在换刀和松刀时拉杆19能在轴芯68中滑动顺畅。轴用钢丝挡圈17的作用是使拉刀机构的碟形弹簧组65在组装时具有一定的预紧力，更容易组装。整个拉刀机构结构紧凑，可给电主轴提供10000N的拉刀力，其中蝶形弹簧组65也可以采用矩形弹簧或双螺旋弹簧等来替代。

拉杆19外套设有转子组件，转子组件主要包括轴芯68、鼠笼67以及鼠笼压环64，轴芯68滑动套设在拉杆19上，鼠笼67和鼠笼压环64则包覆在轴芯68上，且鼠笼67、鼠笼压环64与轴芯68均采用过盈连接，过盈量0.01-0.02mm。转子组件作为整个旋转体的核心部件，轴芯68中间凸起的法兰和鼠笼压环64的法兰上均有调节动平衡的螺纹孔，组装测试时可以通过“加重法”调整转子组件的平衡。轴芯68内孔采用标准的BT40接口，通用性强，可以使市面上各种BT40刀柄3通用，当然也可以根据实际需要设计成其它接口型号，如A63、ISO40等接口。

如图1所示，鼠笼67外部则包覆有线圈21，线圈21外包覆有主轴本体22，主轴本体22为整个电主轴与外部连接的核心部分，同时也是整个电主轴核心配件的装配主体。主轴本体22为直筒结构，此结构加工简单且耗费材料较少，主轴本体22内部有八条循环的冷却水路，保证线圈21在工作时保持恒温状态，两端循环水过渡处均采用O型圈密封，不仅经济实惠更是安装方便。线圈21通过主轴本体22侧面的线圈定位孔进行轴向与径向定位；主轴本体22上有两个螺丝孔用于调节轴芯68动态动平衡。本实施例中主轴本体22最高转速可达2万转每分钟，而且线圈21采用大扭矩的输出线圈，使得主轴本体22相较同类电主轴在相同的转速下，具有更高的转矩。

如图1和2所示，换刀组件包括推动拉刀机构的拉杆19在轴芯68中滑移的推动件、抵紧/松开轴芯68的拉紧件、盖体和油缸外座97，本实施例中推动件为油缸推杆40，拉紧件为卸荷瓣爪59，且卸荷瓣爪59抵紧轴芯68时的施力方向与油缸推杆40对拉刀机构的施力方向相反。盖体包括油缸后盖83、油缸前盖374和固定连接于油缸外座97上的油缸外壳43，油缸后盖83上开设有进油口，油缸后盖83与油缸前盖37通过螺栓固定连接。轴芯68靠近油缸推杆40的一端固定套设有轴芯卸荷环60，卸荷瓣爪59一端扣合抵接于油缸前盖37且另一端扣合抵接于轴芯卸荷环60上。油缸后盖83、油缸推杆40、油缸前盖37的外缘均套设有密封圈并滑动抵接于油缸外壳43的内壁上，密封圈采用格莱圈，其具有良好的密封效果，较低的摩擦系数，使得油缸在工作时损失的功率较小。油缸推杆和卸荷瓣爪受同一个动力源作用且受力方向相反，即进油口进油时，油缸推杆和油缸后盖同时受压并反向运动。本实施例中换刀组件采用油缸及其配件实现了换刀卸荷作业的效果，在另一实施例中也可以采用气缸及其配件的形式进行代替。

在电主轴需要换刀时，通过进油口注入一定油压的液压油，推动油缸推杆40前移并将压力传递至拉刀机构上，具体的，会抵接并推动拉杆19前移，但是由于蝶形弹簧组65的存在会产生一定的缓冲行程，同时由于油缸后盖83和油缸前盖37均滑动连接于油缸外壳43内，此时在液压油的反力作用下会驱使油缸后盖83向后运动，而油缸后盖83则会带动与其固定连接的油缸前盖37同步运动后移。进一步的，由于油缸前盖37与轴芯68扣合抵接，油缸前盖37在运动短暂行程后即会与轴芯68抵紧，此时油缸前盖37由于与轴芯68拉紧而停止后退运动，液压油继续注入时只会带动拉杆19前移。由于油缸前盖37与轴芯68处于拉紧状态，此时拉杆19前行对轴芯68侧壁产生的轴向作用力均转移至油缸前盖37上，从而卸除了轴承上承受的轴向作用力，有利于提升轴承和电主轴的使用寿命。

拉爪70在轴芯68内滑动设置，而拉爪瓣爪73则转动连接在轴芯68内壁上，拉杆19的一端与油缸推杆40抵接，拉杆19的另一端通过滑移可以抵接/远离拉爪瓣爪73，并驱动拉爪瓣爪73松开/抱紧刀柄3。具体的，拉杆19被油缸推杆40推动前移时端部抵接到拉爪70上，拉爪70前移松开对拉爪瓣爪73的抱紧作用，从而拉爪瓣爪73张开失去对刀柄3的抱紧效果，此时配合外部换刀机械手可以实现换刀作业。当在油缸后盖83的另一个注油口注入液压油使油缸推杆40回退时，拉杆19在蝶形弹簧组65的作用下回退复位，同时油缸后盖83也会前移复位，并带动油缸前盖37前移复位，从而解除了对轴芯68的抵紧作用，同时由于拉杆19回退复位，拉爪瓣爪73会在弹簧作用下转动复位并将刀柄3抱紧，实现对刀具的安装过程。

进一步的，如图1和2所示，换刀组件还包括旋转接头85、旋转接头连接杆45，旋转接头85内部开设有正多棱边空腔，旋转接头连接杆45为正多棱杆并与旋转接头85内部空腔插接适配，旋转接头连接杆45远离旋转接头85的另一端与拉刀机构的拉杆19螺纹固定连接。在本实施例中旋转接头85内部空腔为正八边形，而旋转接头连接头的侧边也是正八边形。

旋转接头85的外壁开设有连通内部空腔的进水口86和泄压口87，旋转接头连接杆45、拉杆19和刀柄3内部均开设有贯通的通孔，在电主轴工作时从进水口86处注入切削液即可依次穿过旋转接头连接杆45、拉杆19、移动胀套、刀柄3直至刀具的中心孔并出水，从而达到中心出水的目的，可以及时地冷却刀具与工件的接触部位，延长了刀具的使用寿命，提高了产品的加工效率。

换刀组件和主轴组件之间还设有气缸座组件，气缸座组件包括气缸座94和多个接头，气缸座94的一侧与换刀组件固定连接，气缸座94的另一侧固定连接有编码器组件。气缸座94靠油缸端具有进、出冷却水接口，在电主轴工作时，给主轴冷却水路中提供循环的冷却水，使电主轴在使用时保持恒温，从而提高电主轴的热稳定性。气缸座94靠油缸端具有吹尘气体接口，在电主轴工作时，由于加工刀具处有大量的切削液，从此处进入的吹尘气体能在电主轴前端形成气封，使切削液无法进入电主轴，从而保护轴承，延长电主轴使用寿命。气缸座94靠油缸端还具有电缆线接口、编码器线接口和信号线接口。

编码器组件主要包括编码器底板30、编码器32及锁紧螺钉。编码器底板30上有定位槽，可以将编码器32精准的安装在编码器底板30上，同时编码器底板30上也有与后轴承座62对应的定位孔，这样就保证了后轴承座62、编码器底板30、编码器32的安装精度。编码器底板30与气缸座94、后轴承座62均采用小间隙（0.005-0.01mm）配合，从而保证了电主轴的总装精度，而且采用编码器32可以实现电主轴高速低转矩、低速大转矩的效果，同时具备雕铣和攻牙功能。

后轴承座组件主要包括后轴承座62、后轴承座盖板25、预紧弹簧63、弹簧挡片26以及各种螺钉。后轴承座盖板25通过螺钉与后轴承座62连接在一起，采用分离式结构更易加工，互换性更强。后轴承座盖板25靠内侧含有40个放预紧弹簧63的孔，在每个孔中安装预紧弹簧63，然后用弹簧挡片26将弹簧压住，通过调整弹簧挡片26与后轴承座盖板25的间隙来改变轴承的预紧力。

如图1和2所示，前轴承座组件主要包括前轴承座8、轴承座外壳77以及四个切削液接头。前端轴承和后端轴承处均设有冷却水路，主轴本体22和前端轴承之间也设有冷却水路，上述轴承均采用陶瓷球轴承，其摩擦性能非常好，能降低材料与润滑剂的应力，且陶瓷的弹性模量较高，可以提高轴承的刚性。前轴承座8采用整体式结构设计，且电主轴的法兰盘、主轴本体22的水路循环均在其上，前轴承座8与主轴本体22采用精密级的间隙配合，通过螺栓锁紧。前轴承座8法兰上有四个均布的切削液接头，在电主轴加工时，可同时四个不同的方向喷射出切削液或吹气，从而可及时吹掉刀具和工件表面的废渣。

轴承座外壳77上还固定有前轴承座压板6组件，主要包括前轴承座压板6、前盖4以及前轴承垫环78。前轴承座压板6通过前轴承垫环78将轴承压在轴芯68的法兰上，使轴承在电主轴的轴向上定位。前轴承座压板6与前盖4之间形成一腔体，在电主轴工作时，通过气缸座94上的吹尘接头冲入一定气压的压缩空气，在此腔体中形成气腔，这样在电主轴加工时，前端的切削液及水雾就无法进入电主轴，从而保护了轴承，也可以向编码器底板30、后轴承座62、主轴本体22、前轴承座8、前轴承座压板6、前盖4喷出气流，使粉屑无法进入电主轴，让电主轴内部处于无尘状态，使电主轴的寿命更长。

以上所述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。

Claims (10)

1.一种高速电主轴，包括换刀组件和主轴组件，所述主轴组件包括主轴本体、轴芯和拉刀机构，所述主轴本体和所述轴芯之间设有轴承组，其特征在于，所述换刀组件包括推动所述拉刀机构轴向滑移的推动件、拉紧/松开所述轴芯的拉紧件，所述拉紧件固定所述轴芯时的施力方向与所述推动件对所述拉刀机构的施力方向相反。

2.根据权利要求1所述的高速电主轴，其特征在于，所述推动件为油缸推杆，所述拉紧件为卸荷瓣爪，所述油缸推杆和所述卸荷瓣爪受同一个动力源作用且受力方向相反。

3.根据权利要求2所述的高速电主轴，其特征在于，所述换刀组件还包括盖体和油缸外座，所述盖体包括油缸后盖、油缸前盖和固定连接于所述油缸外座上的油缸外壳，所述油缸后盖上开设有进油口，所述油缸后盖与所述油缸前盖固定连接，所述油缸前盖与所述卸荷瓣爪扣合抵接；

所述油缸后盖、油缸推杆、油缸前盖的外缘均滑动抵接于所述油缸外壳的内壁上，进油口进油时，所述油缸推杆和所述油缸后盖同时受压并反向运动。

4.根据权利要求1所述的高速电主轴，其特征在于，所述拉刀机构包括刀柄、拉爪瓣爪、滑动穿设于所述轴芯内部的拉杆、套设于所述拉杆上的蝶形弹簧组，所述拉杆的一端与所述油缸推杆抵接，所述拉杆的另一端通过滑移抵接/远离所述拉爪瓣爪，并驱动所述拉爪瓣爪松开/抱紧所述刀柄。

5.根据权利要求2所述的高速电主轴，其特征在于，所述轴芯靠近所述油缸推杆的一端固定套设有轴芯卸荷环，所述卸荷瓣爪一端扣合抵接于所述油缸前盖且另一端扣合抵接于所述轴芯卸荷环上。

6.根据权利要求1所述的高速电主轴，其特征在于，所述换刀组件还包括旋转接头、旋转接头连接杆，所述旋转接头内部开设有正多棱边空腔，所述旋转接头连接杆为正多棱杆并与所述旋转接头内部空腔插接适配，所述旋转接头连接杆远离所述旋转接头的另一端与所述拉刀机构固定连接。

7.根据权利要求6所述的高速电主轴，其特征在于，所述旋转接头的外壁开设有连通内部空腔的进水口和泄压口，所述旋转接头连接杆、拉杆和刀柄内部均开设有贯通的通孔，在电主轴工作时从进水口处注入切削液即可依次穿过旋转接头连接杆、拉杆、刀柄直至刀具的中心孔并出水。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的高速电主轴，其特征在于，所述换刀组件和所述主轴组件之间还设有气缸座组件，所述气缸座组件包括气缸座和多个接头，所述气缸座的一侧与所述换刀组件固定连接，所述气缸座的另一侧固定连接有编码器组件。

9.根据权利要求1-7任意一项所述的高速电主轴，其特征在于，所述轴承组包括前端轴承和后端轴承，所述前端轴承和后端轴承处均设有冷却水路，所述主轴本体和所述前端轴承之间也设有冷却水路。

10.根据权利要求9所述的高速电主轴，其特征在于，所述前端轴承和后端轴承均为陶瓷球轴承。

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