CN113305310A - 五轴头电主轴及五轴联动数控机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五轴头电主轴及五轴联动数控机床，涉及机械制造技术领域，包括主轴、轴承以及主轴壳体，所述主轴通过轴承转动连接在主轴壳体上，主轴壳体与主轴的前端之间形成缝隙，还包括气密封机构，所述气密封机构包括开设于主轴壳体上的进气通道，所述进气通道用于向所述缝隙内输送气流并从所述缝隙的口部喷出。本发明提供的五轴头电主轴，过设计气密封机构以及割断环，能够在高压、大流量中心出水技术的应用中，并在主轴高速运转的情况下，产生高压的冷却水飞溅，出现大量的水气和水雾时，有效防止主轴周围细微水汽、水雾以及切削粉尘进入轴承内侵蚀轴承，提高了机床主轴旋转精度、主轴使用寿命。

Description

五轴头电主轴及五轴联动数控机床

技术领域

本发明涉及机械制造技术领域，具体为一种五轴头电主轴及五轴联动数控机床。

背景技术

随着五轴数控加工中心进入高速、高精、高效时期，对五轴头(A轴、C轴)主轴的回转速度、精度要求提高；主轴在正常运行下要保持高速、高精度，则主轴前端部密封尤重要。

现有技术中，高速旋转的五轴头主轴，主轴前端伸出主轴主轴壳体，主轴轴径与主轴壳体之间存在着间隙，为防止主轴壳体内的油液的渗出及外部含有粉尘和水雾的空气进入，许多机床主轴制造商采用比较成熟的动密封连接技术，这种动密封结构虽然结构简单，工艺性好，目前广泛应用，但是此结构仅适用低转速运行的主轴(12000rpm以下)。

随着主轴的回转速度、精度要求提高，现有的动密封结构在高速运行的主轴(18000rpm以上)使用中发现以下缺陷：(1)由于主轴壳体内的温升和冷却，使主轴壳体内的空气发生膨胀或收缩，在径向式气密的间隙中产生空气流动的现象；(2)目前高压、大流量中心出水技术的应用(压力20～50bar，流量30L/mi n)，并在主轴高速运行的情况下(18000rpm以上)，产生高压冷却水飞溅，出现大量的水气和水雾，因而使主轴周围空气中的粉尘(如切屑微粒、水雾、水气)通过主轴轴径与主轴壳体之间的间隙进入主轴壳体内(特别是在A轴参与联动时)并侵蚀主轴轴承，致使主轴轴承和壳体内其他零件发生严重磨损，进而导致主轴回转精度降低，影响加工中心的加工性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种五轴头电主轴及五轴联动数控机床，以解决上述现有技术中的不足之处。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种五轴头电主轴，包括主轴、轴承以及主轴壳体，所述主轴通过轴承转动连接在主轴壳体上，主轴壳体与主轴的前端之间形成缝隙，还包括气密封机构，所述气密封机构包括开设于主轴壳体上的进气通道，所述进气通道用于向所述缝隙内输送气流并从所述缝隙的口部喷出。

进一步地，所述缝隙的轴向中部连通有环形锯齿槽，所述环形锯齿槽开设在所述主轴的周侧，所述环形锯齿槽的轴向长度为缝隙轴向长度的一半。

进一步地，所述缝隙宽度为0.3～0.35mm。

进一步地，所述进气通道通入的气压为3bar。

进一步地，还包括设置于缝隙内的抽气式结构，所述抽气式结构接受所述主轴的驱动以从所述进气通道内抽气。

进一步地，所述抽气式结构包括螺旋槽，所述螺旋槽开设在主轴的周侧，所述螺旋槽的螺旋方向与主轴的旋转方向相反，所述主轴的转动使得所述螺旋槽从所述进气通道内抽气。

进一步地，所述抽气式结构包括多个扇叶，各所述扇叶呈环状阵列设置缝隙内主轴的周侧，所述主轴的转动使得各所述扇叶从所述进气通道内抽气。

进一步地，所述气密封机构还包括割断环，所述割断环包括开设于主轴的外凸端面上的凹槽，以及设置于主轴壳体上的凸环，所述凸环插入所述凹槽内。

进一步地，所述凸环的内壁面与所述凹环的对应壁面之间形成外气环，所述凸环的外壁面与所述凹环的对应壁面间形成内气环，所述内气环的间隙宽度为0.1～0.15mm，所述外气环的间隙宽度为0.2～0.25mm。

一种五轴联动数控机床，包括上述的五轴头电主轴。

在上述技术方案中，本发明提供的五轴头电主轴解决了现有技术在高压(20～50bar)、大流量(30L/mi n))中心出水技术的应用中，并在主轴高速(18000rpm以上)运转的情况下，特别是在A轴参与联动时，产生高压的冷却水飞溅，出现大量的水气和水雾，有部分细微的水汽和水雾进入主轴壳体侵蚀主轴轴承的问题，通过设计气密封机构以及割断环，能够有效防止细微水汽、水雾以及切削粉尘进入轴承内侵蚀轴承，提高了机床主轴旋转精度、主轴使用寿命。

由于上述种五轴头电主轴具有上述技术效果，包含该种五轴头电主轴的五轴联动数控机床也应具有相应的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的五轴头电主轴结构示意图；

图2为本发明实施例提供的气密封机构结构示意图；

图3为本发明实施例提供的图2中C处结构放大图；

图4为本发明实施例提供的图1中A处结构放大图；

图5为本发明实施例提供的图1中B处结构放大图。

附图标记说明：

1、主轴；2、轴承；3、主轴壳体；4、进气通道；5、环形锯齿槽；6、凹环；7、凸环；8、外气环；9、内气环；10、拉杆；11、夹持组件；11.1、拉钉；11.11、限位部；11.2、第一环形槽；11.3、球体；11.4、第二环形槽；11.5、锁紧环；11.6、连接杆；12、液压装置；13、弹性单元；14、冷却水套；14.1、环形壳体；14.3、螺旋水槽；14.4、第三环形槽；14.5、螺旋油槽；14.6、凸起；15、电机；15.1、定子；15.2、转子。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

请参阅图1-5，本发明实施例提供的一种五轴头电主轴1，包括主轴1、轴承2以及主轴壳体3，主轴1通过轴承2转动连接在主轴壳体3上，主轴壳体3与主轴1的前端之间形成缝隙，主轴1的前端指的是主轴1上用于安装刀具的一段，还包括气密封机构，气密封机构包括开设于主轴壳体3上的进气通道4，进气通道4与缝隙连通，向进气通道4内通入气流，进气通道4将气流输送至缝隙内，并从缝隙的口部喷出，缝隙的口部指的是缝隙的沿轴向远离轴承2的一端，并且缝隙的口部与外界连通。气密封机构用于在缝隙内形成一个持续向缝隙口部喷射的气流，以阻止主轴1周围的水汽、切削粉尘通过缝隙进入到轴承2内侵蚀轴承2，提升主轴1的回转精度以及轴承2的使用寿命。

作为本发明优选的技术方案，参阅图2-3，缝隙的轴向中部连通有多个环形锯齿槽5，环形锯齿槽5开设在主轴1的周侧，环形锯齿槽5的截面呈直角三角形状，环形锯齿槽5的一侧壁垂直于主轴1的轴向，另一侧壁向缝隙的口部倾斜，如此设计能够起到两个作用，其一是起到引导气流的作用，就是将从进气通道4输入到缝隙内的气流向缝隙的口部引导，其二是即使有高速的水雾或切削粉尘径直从缝隙口部进入到缝隙内部时，由于进气通道4的出气口是沿主轴1的径向朝缝隙及环形锯齿槽5内输气，水雾或切削粉尘在抵达环形锯齿槽5处对应的缝隙中时，被来自于进气通道4的气流吹入到环形锯齿槽5内，并被环形锯齿槽5的垂直于主轴1轴向的侧壁给挡住，水雾或切削粉尘在失去初始动能后被气流带出缝隙，而环形锯齿槽5的向缝隙的口部倾斜的侧壁则能够有效将气流及水雾、切削粉尘引导到缝隙口部。

作为本发明优选的技术方案，气流通道的出气口的位置在气密封环宽度之内，且气流通道进气口通入的气流气压为3bar，主轴1前端与主轴壳体3间配合缝隙保证在0.3～0.35mm之间，锯齿槽两端的缝隙的封气面长度均为缝隙轴向长度的四分之一，也就是各环形锯齿槽5的轴向总长度为缝隙轴向长度的一半，在该条件下，能够保证气密封环的气膜具有最佳的刚度，极大地将主轴1周围的水汽、切削粉尘阻挡缝隙的外部。

本发明提供的另一个实施例中，气密封机构还包括设置于缝隙内的抽气式结构，抽气式结构接受主轴1的驱动以从进气通道4内抽气，如此无需主动向进气通道4内输气，通气通道的进气口应通过导管连通至远离主轴1的外界，在导管的进气口处设置空气过滤塞，作为本实施例优选的技术方案，抽气式结构包括螺旋槽，螺旋槽开设在主轴1的周侧，螺旋槽的截面与图3中的多个并列的环形锯齿槽5的截面一致，螺旋槽的截面呈现多个连续的直角三角形状，螺旋槽的一侧壁垂直于主轴1的轴向，另一侧壁向缝隙的口部倾斜。该环形槽的设计有三个作用，第一个作用是无需主动向进气通道4内通入加压的气流，在主轴1转动时，主轴1的转动方向与螺旋槽的螺旋方向相反，主轴1带动螺旋槽转动，螺旋槽将缝隙内的气体从缝隙的口部排出，使得缝隙内部形成了负压，从而使得螺旋槽能够从进气通道4内抽气，从而在缝隙内形成一个持续向缝隙口部喷射的气流；另外两个作用与上述的环形锯齿槽5的两个作用相同。

作为本实施例另一个优选的技术方案，抽气式结构包括多个扇叶，各扇叶呈环状阵列设置缝隙内主轴1的周侧，主轴1的转动使得各扇叶从进气通道4内抽气。扇叶实质上时设置于主轴1上的倾斜的凸条，为方便布置扇叶，在主轴1的周侧开设环形凹陷，该环形凹陷位于缝隙轴向的中部，将扇叶设置于环形凹陷内即可，各扇叶跟随主轴1转动，即可将缝隙内的气体从缝隙的口部排出，并从进气通道4内抽入气体，如此也能够在缝隙内形成一个持续向缝隙口部喷射的气流，进而阻止主轴1周围的水汽、切削粉尘通过缝隙进入到轴承2内侵蚀轴承2，提升主轴1的回转精度以及轴承2的使用寿命。

本发明提供的再一个实施例中，随着高压(20～50bar)、大流量(30L/min)中心出水技术的应用，并在主轴1高速(18000rpm以上)运转(特别是在A轴参与联动时)的情况下，产生高压的冷却水飞溅，出现大量的水气和水雾，有部分水气和水雾穿过气密封环区域，因此，参阅图3，本发明还包括割断环，割断环包括开设于主轴1的外凸端面上的凹槽，以及设置于主轴壳体3上的凸环7，凸环7插入凹槽内，割断环能够对进入缝隙的水雾和水汽进行二次隔绝，避免水雾和水汽进入到轴承2内。优选的，凸环7的内壁面与凹环6的对应壁面之间形成外气环8，凸环7的外壁面与凹环6的对应壁面间形成内气环9，在设计中考虑到在主轴1高速运转的情况下内气环9上的气阻应大于外气环8上的气阻，内气环9的间隙宽度为0.1～0.15mm，外气环8的间隙宽度为0.2～0.25mm，此时具有如下技术效果：割断环处的内气环9内的气体压力大于外气环8内的气压力，如此通过压力差第二次阻挡穿过气密封环的水气和水雾，在割断环区域里在内气环9与外气环8的气压差的作用下水气和水雾无法进入轴承2内，从而解决了高转速主轴1端部密封问题。

本发明提供的再一个实施例中，还包括松夹刀机构，松夹刀机构包括拉杆10、夹持组件11、液压装置12以及弹性单元13，拉杆10滑动设置于主轴1的轴心位置，夹持组件11接受拉杆10的驱动以松刀或夹刀，液压装置12驱动拉杆10沿第一方向滑动以使夹持组件11松刀，弹性单元13恢复形变的过程驱动拉杆10沿第二方向滑动以使夹持组件11夹刀，第一方向与第二方向为相反的反向。

具体的，参阅图2，夹持组件11为拉爪组件，拉爪组件为现有技术，不赘述。作为本实施例另一个优选的技术方案，参阅图1、图4，夹持组件11包括拉钉11.1，拉钉11.1的一端与拉杆10滑动连接，且拉杆10的端部与拉钉11.1上的限位部11.11抵接配合，主轴1内壁上设置有第一环形槽11.2，第一环形槽11.2的槽口为缩口，第一环形槽11.2内活动设置有多个呈环形分布的球体11.3，球体11.3选用硬度大的钢球或合金球，球体11.3数量优选为10-16个，各球体11.3的直径大于第一环形槽11.2的槽口宽度，即球体11.3无法通过第一环形槽11.2的槽口完全脱离第一环形槽11.2，球体11.3能够在第一环形槽11.2内活动，主轴1的内壁上设置有与第一环形槽11.2的槽底连通的第二环形槽11.4，第二环形槽11.4内沿主轴1轴向滑动设置有锁紧环11.5，锁紧环11.5的内壁面由相连的柱形面和锥形面组成，锁紧环11.5与拉杆10之间通过多个连接杆11.6连接。

该夹持组件11的工作原理：拉杆10沿第二方向运动时，拉杆10通过连接杆11.6驱动锁紧环11.5沿第二方向滑动，锁紧环11.5的锥形面挤压各球体11.3，使各球体11.3同步向主轴1的轴心运动，从而使各球体11.3卡合到刀具柄部的卡槽内，从而将刀具夹紧在主轴1前端的锥孔内，即夹刀；拉杆10首先沿第一方向运动第一阶段，在第一阶段，拉杆10的端部不与拉钉11.1上的限位部11.11抵接，拉杆10仅通过连接杆11.6驱动锁紧环11.5沿第一方向滑动，锁紧环11.5的锥形面开始滑离球体11.3，使各球具备一定的活动空间，从而使各球体11.3不再夹紧刀具，此时刀具柄部的卡槽与球体11.3的卡接已经松动，即刀具与主轴1连接已经松动，但由于各球体11.3尚不能够完全进入第一环形槽11.2内，因此在球体11.3的阻碍下刀具仍会不从锥孔内掉落，接着。拉杆10继续向第一方向运动第二阶段，在第二阶段伊始，拉杆10的端部与拉钉11.1上的限位部11.11抵接，并且第一阶段刀具柄部的卡槽与球体11.3的卡接已经松动，使刀具相对球体11.3具有了活动空间，因此，拉杆10开始驱动连接杆11.6、锁紧环11.5、拉钉11.1以及刀具同步向第一方向运动，在第二阶段中：一方面，锁紧环11.5的锥形面完全滑离球体11.3，球体11.3能够完全进入第一环形槽11.2内，而锁紧环11.5的柱形面则能够对球体11.3进行限制，防止球体11.3完全进入第二环形槽11.4内；另一方面，拉钉11.1远离拉杆10的一端将刀具往主轴1锥孔的外侧推动，刀具柄部卡槽的侧壁挤压球体11.3，球体11.3被完全挤进第一环形槽11.2内，球体11.3与刀具柄部卡槽不再卡接，即球体11.3不再阻碍刀具移动，从而实现松刀，即可通过机械臂将刀具卸下。

该夹持组件11相比于现有技术中的拉爪组件的优势在于：第一，在夹刀过程中本实施例提供的夹持组件11的各球体11.3在锁紧环11.5的驱动下向刀具柄部的卡槽内运动并卡合在卡槽内，此时各球体11.3之间也产生了相互挤压、相互牵制，致使各球体11.3不会向卡槽内过度挤压，对刀具起到了保护作用；第二，拉爪组件每次夹刀时与刀具柄部的接触的爪片的部位均相同，长此以往对爪片的该部位损伤磨损较大，从而降低拉爪组件夹刀的力度与精度，而本实施例提供的夹持组件11的各球体11.3使能够自由转动的，尤其是在松刀的过程中刀具柄部的卡槽侧壁与球体11.3接触并发生相对运动的过程中促使了球体11.3的转动，从而使得在每次夹刀时，球体11.3与刀具柄部卡槽接触的球体11.3表面接触位置均有可能不相同，随着夹刀次数的增加，基本上是球体11.3外表面的各个部位轮流与刀具柄部的卡槽接触卡接，从而能够最大限度降低球体11.3的表面磨损，保证该夹持组件11夹刀的力度及精度；第三，拉爪组件一般包括多个环形阵列分布在拉钉11.1周侧的爪片，由于爪片与拉钉11.1的活动连接(近似于铰接)，考虑到爪片的活动自由度以及各爪片之间的协作能力，几乎所有的拉爪组组件的爪片数量都是设置成三个或四个，其中爪片数量为三个的居多，因此只要其中任何一个拉爪磨损或断裂，整个拉爪组件就无法再使用了，然而，本实施例提供的夹持组件11中，球体11.3的构造特性促使了球体11.3不易破裂，同时各球体11.3中如果出现个别球体11.3磨损，其他完好的球体11.3仍能够将刀具夹持住，且夹持效果几乎没有任何影响，电主轴1能够继续正常使用，只需在后续定期的检修中，将磨损的球体11.3更换掉即可，而且更换方便，无需考虑其他球体11.3，而更换拉爪组件的爪片则需要考虑该爪片与其他爪片间的连接结构。

本发明提供的再一个实施例中，参阅图1、图5，还包括用于冷却电机15的冷却水套14，电机15包括定子15.1以及转子15.2，冷却水套14包括环形壳体14.1，环形壳体14.1包覆于电机15的定子15.1的周侧，环形壳体14.1上开设有两条并列的螺旋水槽14.3，向两螺旋水槽14.3内分别通入冷却水，两螺旋水槽14.3内的冷却水螺旋流动方向相逆，如此，能够从电机15的两端开始同时对定子15.1进行散热降温，相比于现有技术中的单螺旋水槽14.3，本方案的冷却效果提高了两倍以上。进一步地，环形壳体14.1的内侧开设有第三环形槽14.4，环形壳体14.1上设置有两条并列的螺旋油槽14.5，螺旋油槽14.5与螺旋水槽14.3间隔分布，两螺旋油槽14.5与第三环形槽14.4连通，螺旋油槽14.5、第三环形槽14.4与电机15的定子15.1周侧之间形成一个导热油腔，导热油腔内灌注有导热油，导热油能够将环形壳体14.1与定子15.1周侧面之间的间隙完全填充起来，使得定子15.1的热量能够良好地传递到导热油中，再经导热油传递到环形壳体14.1上，最终被螺旋水槽14.3内的冷却水吸收带走，实现对电机15的有效冷却；螺旋油槽14.5的设置能够使导热油环绕螺旋水槽14.3约四分之三的槽壁，有利于螺旋水槽14.3内的冷却水高效率地吸收环形壳体14.1及导热油内的热量，进而提高对定子15.1的冷却效果。再进一步地，电机15的定子15.1的周侧面上设置有多个凸起14.6，凸起14.6延伸到螺旋油槽14.5内，浸没在导热油中，凸起14.6一方面能够传递热量，即将定子15.1的热量传递到导热油中，另一方面，随着电机15的运转，定子15.1会产生频率快、振幅极小的振动，这种振动会通过定子15.1自身以及凸起14.6传递给导热油，有利于提高导热油的流动性，尤其是第三环形槽14.4内的导热油与螺旋油槽14.5内的导热油的交换流动，从而提升导热油将定子15.1的热量传递给环形壳体14.1的效率，极大地提升了冷却水套14对定子15.1的冷却效果。

本发明还提供一种五轴联动数控机床，包括上述的五轴头电主轴1。由于上述五轴头电主轴1具有上述技术效果，包含该五轴头电主轴1的五轴联动数控机床也应具有相应的技术效果。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种五轴头电主轴，包括主轴、轴承以及主轴壳体，所述主轴通过轴承转动连接在主轴壳体上，主轴壳体与主轴的前端之间形成缝隙，其特征在于，还包括：

气密封机构，其包括开设于主轴壳体上的进气通道，所述进气通道用于向所述缝隙内输送气流并从所述缝隙的口部喷出。

2.根据权利要求1所述的五轴头电主轴，其特征在于，所述缝隙的轴向中部连通有环形锯齿槽，所述环形锯齿槽开设在主轴的周侧，所述环形锯齿槽的轴向长度为缝隙轴向长度的一半。

3.根据权利要求1所述的五轴头电主轴，其特征在于，所述缝隙宽度为0.3～0.35mm。

4.根据权利要求1所述的五轴头电主轴，其特征在于，进气通道通入的气压为3bar。

5.根据权利要求1所述的五轴头电主轴，其特征在于，所述气密封机构还包括设置于所述缝隙内的抽气式结构，所述抽气式结构接受主轴的驱动以从进气通道内抽气。

6.根据权利要求5所述的五轴头电主轴，其特征在于，所述抽气式结构包括螺旋槽，所述螺旋槽开设在主轴的周侧面，所述螺旋槽的螺旋方向与主轴的旋转方向相反，所述主轴的转动使得螺旋槽从所述进气通道内抽气。

7.根据权利要求5所述的五轴头电主轴，其特征在于，所述抽气式结构包括多个扇叶，各所述扇叶呈环状阵列设置缝隙内主轴的周侧，所述主轴的转动使得各扇叶从所述进气通道内抽气。

8.根据权利要求1所述的五轴头电主轴，其特征在于，还包括割断环，所述割断环包括开设于所述主轴的外凸端面上的凹槽，以及设置于所述主轴壳体上的凸环，所述凸环插入所述凹槽内。

9.根据权利要求8所述的五轴头电主轴，其特征在于，所述凸环的内壁面与凹环的对应壁面之间形成外气环，凸环的外壁面与凹环的对应壁面间形成内气环，所述内气环的间隙宽度为0.1～0.15mm，外气环的间隙宽度为0.2～0.25mm。

10.一种五轴联动数控机床，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的五轴头电主轴。

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