CN111633220A - 电主轴轴承轴向紧固力的调节组件、电主轴和加工设备 - Google Patents

电主轴轴承轴向紧固力的调节组件、电主轴和加工设备 Download PDF

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耿继青
何圳涛
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Abstract

本发明提供一种电主轴轴承轴向紧固力的调节组件、电主轴和加工设备，调节组件包括轴承座、轴承、端盖和滑动组件，轴承座开设有用于安装轴承的轴承安装槽，端盖朝向轴承座的一端设有环形槽，轴承安装槽的内周壁、轴承外圈的端壁与环形槽围成滑块活动槽，滑动组件能够在滑块活动槽内沿着轴承的轴向在压紧位置和松开位置之间移动。滑动组件位于压紧位置，滑动组件沿着轴承的轴向压紧轴承外圈；滑动组件位于松开位置，滑动组件沿着轴承的轴向远离轴承外圈。滑块活动槽内设置有油压腔，端盖上开设有注油通道，通过注油通道注入油压腔内的液压油推动滑动组件朝向轴承外圈移动至压紧位置。调节组件可减少对外圈紧固量的计算和端盖的反复拆卸配磨。

Description

电主轴轴承轴向紧固力的调节组件、电主轴和加工设备
技术领域
本发明涉及电主轴技术领域，具体地说，是涉及一种电主轴轴承轴向紧固力的调节组件、电主轴和加工设备。
背景技术
电主轴轴承装配性能的优劣直接决定电主轴的刚度、温升以及使用寿命。目前，电主轴轴承装配性能一般决于两个方面，第一方面是轴承预紧力的施加，通过预紧力的施加可对轴承内部游隙进行精确控制，从而影响电主轴刚度、温升，第二方面是合适的定位或浮动结构保证预紧力的恒定或者变化幅度，避免预紧之后的轴承内/外圈或轴承隔圈产生变形，从而造成预紧力的变化。一般情况下，轴承的定位动作在施加预紧力之后。
目前，大量的专利的发明点主要集中于轴承的预紧结构或者轴承预紧力的调节结构，涉及轴承的定位结构的专利较少，按轴承样本推荐形式，电主轴轴承的轴向定位，通常使用螺钉对端盖、轴承座进行紧固，端盖凸出部的高度与轴承外圈到轴承座端面的距离有一定差值，该差值即为紧固量。
参见图1，在电主轴装配过程中，端盖11对轴承外圈12的轴向定位都需要提前预留紧固量，即端盖凸出部111压紧轴承外圈12前，端盖端面112与轴承座端面131之间先预留一定的距离d，紧固螺钉14锁紧后端盖端面112与轴承座端面131贴紧。现有的电主轴轴承外圈轴向固定时，需要预先测量轴承的宽度w1、轴承安装部位的轴承座深度h1、端盖凸出部111的高度h2，根据不同型号规格的轴承，紧固量d在0.01毫米至0.05毫米之间进行调整，端盖凸出部111的高度h2需要先计量后求得，再进行端面磨削并磨削至所需尺寸，该过程繁琐。
同时，如果紧固量d过大或者不均匀，轴承外圈12滚道容易发生变形，且紧固螺钉14容易在轴承座孔内变形产生应力集中；紧固量d过小时，轴承外圈12在电主轴运转过程中容易打滑，紧固量d过大或过小均会导致电主轴产生振动与噪声，并影响电主轴的刚性和温升，严重的情况会引起轴承过早失效。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种减少外圈紧固量的计算和端盖紧固量的反复拆卸配磨工序，避免了由计量和装配误差造成轴承外圈压紧量的过大或不足的电主轴轴承轴向紧固力的调节组件。
本发明的第二目的是提供一种具有上述电主轴轴承轴向紧固力的调节组件的电主轴。
本发明的第三目的是提供一种具有上述电主轴的加工设备。
为实现上述第一目的，本发明提供一种电主轴轴承轴向紧固力的调节组件，包括轴承座、轴承、端盖和滑动组件，轴承座开设有轴承安装槽，轴承安装在轴承安装槽内，轴承包括沿径向布置的轴承外圈和轴承内圈，端盖固定安装在轴承座的端部，端盖朝向轴承座的一端开设有环形槽，轴承安装槽的内周壁、轴承外圈的端壁与环形槽围成滑块活动槽，滑动组件能够在滑块活动槽内沿着轴承的轴向在压紧位置和松开位置之间移动。滑动组件位于压紧位置时，滑动组件沿着轴承的轴向压紧轴承外圈；滑动组件位于松开位置时，滑动组件沿着轴承的轴向远离轴承外圈。滑块活动槽内设置有油压腔，端盖上开设有与油压腔连通的注油通道，通过注油通道注入油压腔内的液压油推动滑动组件朝向轴承外圈移动至压紧位置。
由上述方案可见，电主轴轴承外圈轴向固定时，首先将端盖与轴承座固定，然后通过注油通道向油压腔内注入液压油，液压油推动滑动组件朝向轴承外圈移动并压紧轴承外圈，从而实现电主轴轴承外圈轴向的固定。
本发明通过在端盖与轴承外圈之间增设液压滑块调节结构，减少外圈紧固量的计算和端盖紧固量的反复拆卸配磨工序，从而提高装配效率，同时避免了由计量和装配误差造成轴承外圈压紧量的过大或不足造成的轴承预紧力的改变以及电主轴振动、噪音问题。另外，可实现轴承外圈液压紧固力的调节，使轴承外圈的紧固力更加均匀，减少了对轴承预紧力的影响，使电主轴振动噪音进一步得到控制，提升了电主轴使用寿命。既能满足精密电主轴对于端盖的安装要求又能精确控制轴承的轴向紧固力，使轴承组内部的游隙保持稳定。
一个优选的方案是，滑动组件包括滑块和密封组件，密封组件设置在滑块与滑块活动槽的内壁之间。
由此可见，防止液压油从滑块与滑块活动槽之间的间隙注入轴承。
进一步的方案是，环形槽包括相对设置的第一周壁和第二周壁，第一周壁和第二周壁均沿轴向延伸。滑块呈环状，滑块与轴承共轴设置，滑块的外周壁与第一周壁邻接，滑块的内周壁与第二周壁邻接。密封组件包括第一密封件和第二密封件，第一密封件过盈配合地安装在滑块的外周壁与第一周壁之间的第一密封件安装槽内，第二密封件过盈配合地安装在滑块的内周壁与第二周壁之间的第二密封件安装槽内。
再进一步的方案是，第一密封件安装槽位于滑块上并自滑块的外周壁沿径向内凹。第二密封件安装槽位于端盖上并自第二周壁沿径向内凹。
由此可见，两个密封件安装槽分别设置在滑块和端盖上，以保证滑块的结构强度。
一个优选的方案是，滑块包括沿轴线布置的第一柱状部和第二柱状部，第一柱状部的外径大于第二柱状部的外径，第一柱状部的外周壁与第一周壁邻接，第二柱状部的外周壁与轴承安装槽的内周壁邻接。
进一步的方案是，密封组件还包括第三密封件，第三密封件过盈配合地安装在轴承安装槽的内周壁与第二柱状部的外周壁之间的第三密封件安装槽内。
一个优选的方案是，轴承座靠近端盖的一端设置有轴承座端面，轴承外圈靠近端盖的一端设置有轴承外圈端面。轴承外圈端面与轴承座端面之间的距离小于第二柱状部的高度。
由此可见，在滑动组件朝向轴承外圈移动时，可避免第一柱状部与第二柱状部之间形成的台阶与轴承座端面产生干涉，而影响滑动组件的移动，造成无法压紧轴承外圈的问题。
进一步的方案是，端盖设置有与轴承座端面相对的端盖端面，轴承座端面与端盖端面邻接，端盖朝向轴承的一端还设置有端盖凸出部，端盖凸出部与轴承外圈之间具有间隙。
由此可见，端盖凸出部无需向轴承外圈施加作用力，因此，无需对端盖凸出部的端面进行反复磨削，提高了装配效率。
一个优选的方案是，环形槽还包括底壁，底壁连接在第一周壁和第二周壁之间，第一周壁、底壁、第二周壁以及滑动组件远离轴承外圈的端壁围成油压腔。底壁上开设有连通口，注油通道通过连通口与油压腔连通。
由此可见，保证液压油进入油压腔的注油压力沿着轴承的轴向施加在滑动组件上。
一个优选的方案是，注油通道的注油口位于端盖的外周壁上。
由此可见，便于液压油从注油口注入到液压腔内。
进一步的方案是，端盖上还开设有与油压腔连通的出油通道，出油通道的出油口位于端盖的外周壁上并与注油口在端盖的径向上相对设置。
由此可见，工作时用堵头常堵出油口，特殊情况下可以打开出油口排出液压油，注油口的位置设置利于液压油从出油口排出。
一个优选的方案是，滑块的径向截面和环形槽的径向截面均呈封闭的环状。
由此可见，环形的油压腔供入液压油使轴承外圈受力更加均匀。
一个优选的方案是，滑块的径向截面和环形槽的径向截面均呈具有开口的环状。
一个优选的方案是，端盖通过多个螺钉固定在轴承座上。滑块组件的供油压力值P的计算公式如下：P＝nF/S，式中，F为单个螺钉的紧固力，单位为N；n为螺钉的数量；S为油腔的横截面积，单位为mm2。
单个螺钉的紧固力F的计算公式如下：
T＝0.5F{dp·tan(p*+β)+dw·μw}×10-3[N·m]
式中T：螺钉紧固扭矩，单位为N·m；dp：螺钉的有效直径，单位为mm；p*：螺钉接触面的摩擦角，p*＝tan-1μS；μS：螺钉接触面的摩擦系数；β：螺钉的螺旋角，β＝tan-1(螺距/3.142*dp)；dw：螺钉座面摩擦力矩有效直径，单位为mm；μw：螺钉座面的摩擦系。
为实现上述第二目的，本发明提供一种电主轴，包括上述的电主轴轴承轴向紧固力的调节组件。
为实现上述第三目的，本发明提供一种加工设备，包括上述的电主轴。
附图说明
图1是现有的电主轴轴承轴向紧固力的调节组件的结构示意图。
图2是本发明电主轴轴承轴向紧固力的调节组件的结构示意图。
图3是图2中A处的局部放大图。
图4是本发明电主轴实施例的部分部件的结构分解图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
电主轴和电主轴轴承轴向紧固力的调节组件实施例
参见图2至图4，本实施例的电主轴包括电主轴轴承轴向紧固力的调节组件。电主轴轴承轴向紧固力的调节组件包括轴承座2、轴承3、端盖4、压盖6和滑动组件5。
轴承座2开设有轴承安装槽21，轴承3安装在轴承安装槽21内，轴承3包括沿径向布置的轴承外圈31和轴承内圈32，端盖4通过螺钉固定安装在轴承座2的端部，压盖6固定安装在端盖4与轴承座2相对设置的一端。端盖4朝向轴承座2的一端开设有环形槽41，轴承安装槽21的内周壁、轴承外圈31的端壁与环形槽41围成滑块活动槽40，滑动组件5能够在滑块活动槽40内沿着轴承3的轴向在压紧位置和松开位置之间移动。滑动组件5位于压紧位置时，滑动组件5沿着轴承3的轴向压紧轴承外圈31。滑动组件5位于松开位置时，滑动组件5沿着轴承3的轴向远离轴承外圈31。
环形槽41包括底壁413以及相对设置的第一周壁411和第二周壁412，第一周壁411和第二周壁412均沿轴向延伸，底壁413连接在第一周壁411和第二周壁412之间，滑块活动槽40内设置有油压腔401，第一周壁411、底壁413、第二周壁412以及滑动组件5远离轴承外圈31的端壁510围成该油压腔401。端盖4上开设有与油压腔401连通的注油通道42，底壁413上开设有连通口4131，注油通道42通过连通口4131与油压腔401连通，注油通道42的注油口421位于端盖4的外周壁上。端盖4上还开设有与油压腔401连通的出油通道45，出油通道45的出油口451位于端盖4的外周壁上并与注油口421在端盖4的径向上相对设置。
通过注油通道42注入油压腔401内的液压油能够推动滑动组件5朝向轴承外圈31移动至压紧位置。
滑动组件5包括滑块51和密封组件，滑块51的径向截面和环形槽41的径向截面均呈封闭的环状，滑块51与轴承3共轴设置，滑块51的内周壁513与第二周壁412邻接。
滑块51包括沿轴线布置的第一柱状部511和第二柱状部512，第一柱状部511的外径大于第二柱状部512的外径，第一柱状部511的外周壁与第一周壁411邻接，第二柱状部512的外周壁与轴承安装槽21的内周壁211邻接。
密封组件包括第一密封件52、第二密封件53和第三密封件54，第一密封件52过盈配合地安装在第一柱状部511的外周壁与第一周壁411之间的第一密封件安装槽5111内，第一密封件安装槽5111位于滑块51上并自第一柱状部511的外周壁沿径向内凹。第二密封件53过盈配合地安装在滑块51的内周壁与第二周壁412之间的第二密封件安装槽4121内，第二密封件安装槽4121位于端盖4上并自第二周壁412沿径向内凹。第三密封件54过盈配合地安装在轴承安装槽21的内周壁与第二柱状部512的外周壁之间的第三密封件安装槽5121内，第三密封件安装槽5121位于滑块51上并自第二柱状部512的外周壁沿径向内凹。
轴承座2靠近端盖4的一端设置有轴承座端面22，轴承外圈31靠近端盖4的一端设置有轴承外圈端面311。轴承外圈端面311与轴承座端面22之间的距离小于第二柱状部512的高度。端盖4设置有与轴承座端面22相对的端盖端面43，轴承座端面22与端盖端面43邻接，端盖4朝向轴承3的一端还设置有端盖凸出部44，端盖凸出部44与轴承外圈31之间具有间隙d1。
电主轴轴承外圈轴向固定时，首先将端盖4通过螺钉与轴承座2固定，然后通过注油通道42的注油口421向油压腔401内注入液压油，液压油推动滑动组件5朝向轴承外圈31移动并压紧轴承外圈31，从而实现电主轴轴承外圈轴向的固定。此液压滑块调节结构可省去轴承3安装时端盖4压紧量的计算和配磨环节，节省工时，并且封闭的环形油压腔401供入液压油使轴承外圈31受力更加均匀。另外，对于轴承外圈31的压入力可通过计算公式求得，并且可通过调节不同的供油压力改变轴承外圈31紧固力的大小。例如，对于端盖4所使用的螺钉型号已知，轴承样本上有对应的轴承外圈螺钉紧固力矩参考值，本实施例中端盖4所使用的螺钉型号为M8x1.25，紧固力矩的参考值为32.8N.m，根据计算公式可求出单个螺钉紧固力F：
T＝0.5F{dp·tan(p*+β)+dw·μw}×10-3[N·m]
式中T：螺钉紧固扭矩，单位为N·m；F：单个螺钉的紧固力，单位为N；dp：螺钉的有效直径，单位为mm；p*：螺钉接触面的摩擦角，p*＝tan-1μS；μS：螺钉接触面的摩擦系数；β：螺钉的螺旋角，β＝tan-1(螺距/3.142*dp)；dw：螺钉座面摩擦力矩有效直径，单位为mm；μw：螺钉座面的摩擦系数；以上参数可查找机械手册。
由紧固力可求得滑块的供油压力值,计算公式如下：
P＝nF/S，式中，P为供油压力，单位为Mpa；S为油腔的横截面积，单位为mm2。本实施例中端盖4使用6个M8x1.25的螺钉，因此总紧固力为6F。
加工设备实施例
本实施例的加工设备包括上述电主轴实施例中的电主轴。加工设备为车床等用于机械加工的设备。
由上可见，本发明通过在端盖与轴承外圈之间增设液压滑块调节结构，减少外圈紧固量的计算和端盖紧固量的反复拆卸配磨工序，从而提高装配效率，同时避免了由计量和装配误差造成轴承外圈压紧量的过大或不足造成的轴承预紧力的改变以及电主轴振动、噪音问题。另外，可实现轴承外圈液压紧固力的调节，使轴承外圈的紧固力更加均匀，减少了对轴承预紧力的影响，使电主轴振动噪音进一步得到控制，提升了电主轴使用寿命。既能满足精密电主轴对于端盖的安装要求又能精确控制轴承的轴向紧固力，使轴承组内部的游隙保持稳定。
此外，滑块的径向截面和环形槽的径向截面也可以均呈具有开口的环状。端盖上螺钉的数量也可以根据实际需要进行变化。上述改变也能实现本发明的目的。
最后需要强调的是，以上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 (16)

1.电主轴轴承轴向紧固力的调节组件，包括轴承座、轴承和端盖，所述端盖安装在所述轴承座的端部，所述轴承座开设有轴承安装槽，所述轴承安装在所述轴承安装槽内，所述轴承包括沿径向布置的轴承外圈和轴承内圈；
其特征在于：
所述调节组件还包括滑动组件，所述端盖朝向所述轴承座的一端开设有环形槽，所述轴承安装槽的内周壁、所述轴承外圈的端壁与所述环形槽围成滑块活动槽，所述滑动组件能够在所述滑块活动槽内沿着所述轴承的轴向在压紧位置和松开位置之间移动；
所述滑动组件位于所述压紧位置时，所述滑动组件沿着所述轴承的轴向压紧所述轴承外圈；
所述滑动组件位于所述松开位置时，所述滑动组件沿着所述轴承的轴向远离所述轴承外圈；
所述滑块活动槽内设置有油压腔，所述端盖上开设有与所述油压腔连通的注油通道，通过所述注油通道注入所述油压腔内的液压油推动所述滑动组件朝向所述轴承外圈移动至所述压紧位置。
2.根据权利要求1所述的电主轴轴承轴向紧固力的调节组件，其特征在于：
所述滑动组件包括滑块和密封组件，所述密封组件设置在所述滑块与所述滑块活动槽的内壁之间。
3.根据权利要求2所述的电主轴轴承轴向紧固力的调节组件，其特征在于：
所述环形槽包括相对设置的第一周壁和第二周壁，所述第一周壁和所述第二周壁均沿轴向延伸；
所述滑块呈环状，所述滑块与所述轴承共轴设置，所述滑块的外周壁与所述第一周壁邻接，所述滑块的内周壁与所述第二周壁邻接；
所述密封组件包括第一密封件和第二密封件，所述第一密封件过盈配合地安装在所述滑块的外周壁与所述第一周壁之间的第一密封件安装槽内，所述第二密封件过盈配合地安装在所述滑块的内周壁与所述第二周壁之间的第二密封件安装槽内。
4.根据权利要求3所述的电主轴轴承轴向紧固力的调节组件，其特征在于：
所述第一密封件安装槽位于所述滑块上并自所述滑块的外周壁沿径向内凹；
所述第二密封件安装槽位于所述端盖上并自所述第二周壁沿径向内凹。
5.根据权利要求3所述的电主轴轴承轴向紧固力的调节组件，其特征在于：
所述滑块包括沿轴线布置的第一柱状部和第二柱状部，所述第一柱状部的外径大于所述第二柱状部的外径，所述第一柱状部的外周壁与第一周壁邻接，所述第二柱状部的外周壁与所述轴承安装槽的内周壁邻接。
6.根据权利要求5所述的电主轴轴承轴向紧固力的调节组件，其特征在于：
所述密封组件还包括第三密封件，所述第三密封件过盈配合地安装在所述轴承安装槽的内周壁与所述第二柱状部的外周壁之间的第三密封件安装槽内。
7.根据权利要求5所述的电主轴轴承轴向紧固力的调节组件，其特征在于：
所述轴承座靠近所述端盖的一端设置有轴承座端面，所述轴承外圈靠近所述端盖的一端设置有轴承外圈端面；
所述轴承外圈端面与所述轴承座端面之间的距离小于所述第二柱状部的高度。
8.根据权利要求7所述的电主轴轴承轴向紧固力的调节组件，其特征在于：
所述端盖设置有与所述轴承座端面相对的端盖端面，所述轴承座端面与所述端盖端面邻接，所述端盖朝向所述轴承的一端还设置有端盖凸出部，所述端盖凸出部与所述轴承外圈之间具有间隙。
9.根据权利要求3至8任一项所述的电主轴轴承轴向紧固力的调节组件，其特征在于：
所述环形槽还包括底壁，所述底壁连接在所述第一周壁和所述第二周壁之间，所述第一周壁、所述底壁、所述第二周壁以及所述滑动组件远离所述轴承外圈的端壁围成所述油压腔；
所述底壁上开设有连通口，所述注油通道通过所述连通口与所述油压腔连通。
10.根据权利要求1至8任一项所述的电主轴轴承轴向紧固力的调节组件，其特征在于：
所述注油通道的注油口位于所述端盖的外周壁上。
11.根据权利要求10所述的电主轴轴承轴向紧固力的调节组件，其特征在于：
所述端盖上还开设有与所述油压腔连通的出油通道，所述出油通道的出油口位于所述端盖的外周壁上并与所述注油口在所述端盖的径向上相对设置。
12.根据权利要求1至8任一项所述的电主轴轴承轴向紧固力的调节组件，其特征在于：
所述滑块的径向截面和所述环形槽的径向截面均呈封闭的环状。
13.根据权利要求1至8任一项所述的电主轴轴承轴向紧固力的调节组件，其特征在于：
所述滑块的径向截面和所述环形槽的径向截面均呈具有开口的环状。
14.根据权利要求1至8任一项所述的电主轴轴承轴向紧固力的调节组件，其特征在于：
所述端盖通过多个螺钉固定在所述轴承座上；
所述滑块组件的供油压力值P的计算公式如下：P＝nF/S，式中，F为单个螺钉的紧固力，单位为N；n为螺钉的数量；S为油腔的横截面积，单位为mm2；
单个螺钉的紧固力F的计算公式如下：
T＝0.5F{dp·tan(p*+β)+dw·μw}×10-3[N·m]
式中T：螺钉紧固扭矩，单位为N·m；dp：螺钉的有效直径，单位为mm；p*：螺钉接触面的摩擦角，p*＝tan-1μS；μS：螺钉接触面的摩擦系数；β：螺钉的螺旋角，β＝tan-1(螺距/3.142*dp)；dw：螺钉座面摩擦力矩有效直径，单位为mm；μw：螺钉座面的摩擦系。
15.电主轴，其特征在于，包括如权利要求1至14任一项所述的电主轴轴承轴向紧固力的调节组件。
16.加工设备，其特征在于，包括如权利要求15所述的电主轴。
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