CN113857505A

CN113857505A - 一种打刀缸内置大扭矩高转速主轴单元结构

Info

Publication number: CN113857505A
Application number: CN202111137818.4A
Authority: CN
Inventors: 林小亮; 宋卫海; 李曰阳; 成小飞; 李震; 刘鑫
Original assignee: Shandong Agriculture and Engineering University
Current assignee: Shandong Agriculture and Engineering University
Priority date: 2021-09-27
Filing date: 2021-09-27
Publication date: 2021-12-31
Anticipated expiration: 2041-09-27
Also published as: CN113857505B

Abstract

本发明公开了一种打刀缸内置大扭矩高转速主轴单元结构，包括主轴，主轴的前端和后端各设有轴承；轴承之间的主轴段与轴套、第一弹簧、弹簧端盖配合；其中一个轴承的内圈通过锁紧螺母固定锁紧，外圈浮动；另一轴承的轴承内圈通过锁紧螺母固定锁紧，外圈通过其他部件实现预紧；在主轴内沿轴线方向设有第一通孔，主轴后部沿径向方向设有第二通孔，第二通孔内安装有打刀盘，打刀盘与主轴之间设有调整垫；打刀盘与设置在第一通孔内的拉杆相连，拉杆头部与拉爪相连，拉杆中部外圈与主轴内圈之间设有第二弹簧，第二弹簧套装在拉杆上；打刀盘由液压驱动装置驱动，拉爪下移同时张开，完成打刀动作。

Description

一种打刀缸内置大扭矩高转速主轴单元结构

技术领域

本发明涉及机床主轴单元结构技术领域，尤其涉及机床打刀缸内置于主轴单元，大扭矩高转速主轴单元结构。

背景技术

随着制造业的飞速发展，市场对数控机床及加工中心性能有了更高要求，不仅要求主轴转速高扭矩大，适应零件的高速精加工，又要适应零件的大扭矩重切削，还要控制主轴温升在合理的范围内，从而保证零件加工效率和精度。数控机床及加工中心都是通过主轴带动刀具高速旋转，实现工件加工，因而主轴单元的结构设计是机床设计的关键。

现有的主轴单元结构主要有两类，如下：

1.高转速主轴单元，该类主轴单元使用高速主轴轴承并采用o型布置，将主轴前后两端的主轴轴承刚性固定，组成o型布置的轴承转速最高达到极限转速的0.75倍，并且这类主轴加工零件时一旦切削量加大，主轴温度上升很快，并且难以控制，主轴出现伸长现象，因主轴轴承是刚性锁紧在主轴上，将导致主轴轴承内外圈挤压钢球，进而造成主轴轴承研伤失效；

2.大扭矩主轴单元，该类主轴单元一般采用双列圆柱滚子主轴轴承+双向推力角接触球主轴轴承的布置结构，双向推力角接触球主轴轴承转速较低，不能满足机床高速精加工要求。

另外，传统打刀缸布置方式有两种，一种是打刀缸+打刀杆+主轴单元的布置结构，打刀缸通过中间的打刀杆实现打刀动作，重切削机床因吃刀量较大，主轴温升较高，刀柄易受热涨紧在主轴锥孔中，打刀杆容易弯曲变形，出现打刀困难；另一种是打刀缸直接布置在主轴单元上部，占用主轴单元上部空间，造成传动零件尺寸受限，不能布置尺寸较大的传动件，所以该类型结构适用于传递扭矩较小的场合。然而，现代机床及加工中心即要求大扭矩高转速，又要求传动结构紧凑，打刀稳定性高，并且主轴单元上部留有足够空间以实现大尺寸传动零件的设计，设计一款打刀缸置于主轴单元内部，大扭矩高转速主轴单元结构势在必行。

发明内容

本发明的目的在于提供打刀缸置于主轴单元内部，大扭矩高转速主轴单元结构，旨在解决机床即实现大扭矩高转速，又实现打刀缸内置，主轴单元上部留有足够空间以实现大尺寸传动零件的设计，同时保证打刀稳定性的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种打刀缸内置大扭矩高转速主轴单元结构，包括主轴，所述主轴的前端与第一轴承配合，后端与第二轴承配合，第一轴承与第二轴承之间的主轴段与冷却套、第一弹簧、弹簧端盖配合；所述的第二轴承的内圈通过第二锁紧螺母固定锁紧，外圈浮动；第一轴承的内圈通过第一锁紧螺母固定锁紧，第一轴承的外圈依次通过第二锁紧螺母、第二轴承、弹簧盖、第一弹簧、冷却套实现预紧；

在所述主轴内沿轴线方向设有第一通孔，主轴后部沿径向方向设有第二通孔，第二通孔内安装有打刀盘，打刀盘与主轴之间设有调整垫；打刀盘与设置在第一通孔内的拉杆相连，拉杆头部与拉爪相连，拉杆中部外圈与主轴内圈之间设有第二弹簧，第二弹簧套装在拉杆上；所述的打刀盘由液压驱动装置的活塞杆驱动，活塞杆先驱动调整垫，调整垫驱动打刀盘，拉杆下移，压缩第二弹簧，拉爪下移同时张开，完成打刀动作；且活塞杆通过第三弹簧回位。

进一步的，还包括一个导向杆，所述的导向杆通过固定件固定，固定件位于主轴尾部，刀杆杆穿过打刀盘沿着拉杆轴线方向延伸。

进一步的，所述的液压驱动装置包括缸体、活塞、密封圈组成；缸体与活塞之间通过密封圈密封，所述的缸体上设置对称布置的第一泄漏孔和第二泄漏孔，密封圈损坏时液压油从泄漏孔流出。

进一步的，所述的冷却套的外圈设有冷却槽；冷却套和轴承外圈设有轴承座，轴承座的后端是弹簧座，所述的弹簧座与所述的缸体、活塞配合，弹簧座与活塞杆之间设有若干所述的第三弹簧。

进一步的，在缸体、弹簧座、轴承座上沿着主轴方向设有冷却液通道，所述的冷却液通道与冷却套外圈的冷却槽连通，实现对主轴冷却。

进一步的，所述的轴承座上还设有与冷却槽相联通的排液孔，所述的排液孔与丝堵配合。

进一步的，所述弹簧盖上安装导向环，导向环与轴承座配合接触，弹簧盖与轴承座间隙配合，弹簧盖通过导向环的导向在第一弹簧的作用下向上移动，同时后端主轴轴承外圈在弹簧盖的作用下向上移动，保证了后端主轴轴承的预紧。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用主轴轴承组o型弹性布置，主轴前端采用3个较大型号第一轴承，3个第一轴承两相邻轴承之间由内隔套和外隔套隔开，后端根据实际情况采用2套较小型号的第二轴承，前端第一轴承内圈使用锁紧螺母固定锁紧,前端第一轴承外圈依次通过后端主轴轴承小锁紧螺母、后端主轴轴承内外圈、弹簧盖、若干第一弹簧、冷却套实现预紧，后端第二轴承外圈浮动，后端第二轴承可以随主轴的伸长而向后移动。这种主轴单元o型弹性布置方式，可以使轴承转速达到其极限转速，同时满足主轴刚性要求，进而实现了大扭矩高转速主轴单元结构，最大扭矩可达7000Nm，同时最高转速可达4000rpm，通过更改主轴轴承型号扭矩可以更大，转速可以更高；

2、本发明实现了主轴单元内部实现自动放松和夹紧刀具的功能；

3、本发明通过轴承座和冷却套上螺旋槽串联实现主轴单元的冷却，保证了机床主轴的加工精度。

4、主轴单元弹簧座与第一弹簧盖之间留有0.005-0.01mm间隙，实现主轴轴承组的预紧力是通过若干第一弹簧传递，确保主轴热伸长时主轴轴承组的预紧力不变。

5.所述导向杆、打刀压盘和拉杆中心设计成中空结构，各孔连接处设置密封装置可实现刀具中心冷却。

附图说明

图1为本发明提供的主视图。

图2为本发明提供的A-A剖视结构示意图。

图3为本发明提供的B-B剖视结构示意图。

图4为本发明提供的图3中C局部放大图。

图5为本发明提供的图2中D局部放大图。

图6为本发明提供的图2中E局部放大图。

图中：1第一快插接头、2调整垫、3垫圈、4打刀缸体、5第一端面密封圈、6后端主轴轴承、7弹簧盖、8导向环、9第一弹簧、10第一小密封圈、11夹紧调整垫、12拉爪、13第二小密封圈、14冷却套、15大锁紧螺母、16轴承座、17第一大密封圈、18内隔套、19外隔套、20法兰盘、21轴承压盖、22主轴、23第二大密封圈、24前端主轴轴承、25套筒、26碟簧、27丝堵、28拉杆、29小锁紧螺母、30第三弹簧、31打刀压盘、32大挡圈、33活塞密封圈、34缸体密封圈、35小挡圈、36第二快插接头、37导向杆、38外锁紧螺母、39大丝堵、40第三快插接头、41弹簧座、42活塞、50第一缸体轴向孔、51第一弹簧座轴向孔、52第一轴承座轴向孔、53第一轴承座径向孔、54轴承座螺旋槽、55第二轴承座径向孔、56第二轴承座轴向孔、57第三轴承座径向孔、58冷却套螺旋槽、59第四轴承座径向孔、60第三轴承座轴向孔、61第二弹簧座轴向孔、62第二缸体轴向孔、63第一泄漏孔、64第二泄漏孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

在本发明的一个实施例中，如图1-图5所示，打刀缸内置能实现自动松夹刀的大扭矩高转速主轴单元结构，本发明主要包括主轴轴承弹性布置组件、主轴单元冷却组件、打刀缸组件、刀具夹紧组件四部分。

所述主轴轴承弹性布置组件由主轴22、3套前端主轴轴承24、内隔套18、外隔套19、冷却套14、大锁紧螺母15、若干第一弹簧9、弹簧盖7、导向环8、2套后端主轴轴承6、小锁紧螺母29组成；所述5套主轴轴承采用o型布置弹性预紧方式，主轴前端采用3套较大型号前端主轴轴承24，3套轴承中相邻轴承之间由内隔套18和外隔套19隔开，后端根据实际情况采用2套较小型号后端主轴轴承6，前端主轴轴承24内圈使用大锁紧螺母15固定锁紧，前端主轴轴承24外圈依次通过后端主轴轴承6上部的小锁紧螺母29、后端主轴轴承6内外圈、弹簧盖7、若干第一弹簧9、冷却套14实现预紧，后端主轴轴承6外圈浮动，后端主轴轴承6可以随主轴的伸长而向上移动。因主轴前后端主轴轴承的个数和型号不同，后端主轴轴承6实现中预紧或重预紧，前端主轴轴承24对应实现轻预紧或中预紧，正好能发挥前后端主轴轴承的极限转速。

进一步的，所述冷却套14与弹簧盖7之间留有0.005-0.01的间隙，保证预紧力全部由第一弹簧9承受，根据设计的主轴单元承受的最大扭矩和最高转速，设计计算主轴轴承需要的预紧力，从而选择合适的第一弹簧9。所述主轴22切削加工时，主轴22因温度升高而伸长，带动后端主轴轴承6内圈向上移动，所述弹簧盖7上安装导向环8，导向环8与轴承座16配合接触，弹簧盖7与轴承座16间隙配合，弹簧盖7通过导向环8的导向在第一弹簧9的作用下向上移动，同时后端主轴轴承6外圈在弹簧盖7的作用下向上移动，保证了后端主轴轴承6的预紧，因主轴22伸长量以微米为单位，所以第一弹簧9的预紧力没有实质变化，从而保证了前后端主轴轴承组的预紧不受影响。

进一步的，所述的冷却回路由第一快插接头1接入冷却液，依次通过第一缸体轴向孔50、第一弹簧座轴向孔51、第一轴承座轴向孔52和第一轴承座径向孔53进入其底部的轴承座螺旋槽54，再以次通过第二轴承座径向孔55、第二轴承座轴向孔56、第三轴承座径向孔57、冷却套螺旋槽58、第四轴承座径向孔59、第三轴承座轴向孔60、第二弹簧座轴向孔61、第二缸体轴向孔62，最后通过第二快插接头36接至冷却装置(图中未标出)，所述的径向孔和轴向孔结合打刀缸体4与弹簧座41处的4处第一端面密封圈5、冷却套14上的2处小密封圈10和小密封圈13、轴承座16上的2处大密封圈17和大密封圈23，组成完整的冷却回路，实现主轴单元的冷却。

进一步的，所述刀具的松刀机构和夹紧机构布置在主轴单元内部，所述主轴22上开有横向孔，打刀压盘31安装于横向孔内，并配合安装于拉杆28上端，所述打刀缸由打刀缸体4、活塞42、大挡圈32、活塞密封圈33、缸体密封圈34和小挡圈35组成。所述的打刀缸体4设置对称布置的第一泄漏孔63和第二泄漏孔64，密封圈损坏时液压油从泄漏孔流出。打刀时，液压油自第三快插接头40打入推动活塞42先下移空行程b，随后推动调整垫2、打刀压盘31、拉杆28下移，进一步压缩碟簧26，拉爪12下移同时张开，完成打刀动作。

进一步的，所述夹紧组件包括拉爪12、夹紧调整垫11、拉杆28、碟簧26、打刀压盘31、导向杆37组成，所述碟簧26由3片组成一组，每组以次面对面、背对背排列组成，刀具拉紧力由三片碟簧26的预压力提供，拉爪12的形程由碟簧26面对面、背对背的间隙形成。刀具夹紧时，液压油泄压，活塞42在弹簧座41上的若干第三弹簧30的作用下上移，打刀缸内的液压油被挤出，活塞42恢复到原位。所述液压油停止供油，碟簧26恢复至预紧的初始状态，打刀杆28在碟簧26的作用下上移，直至夹紧刀具(图纸未标出)，刀具夹紧程度通过调整拉爪12上端的夹紧调整垫11实现。所述导向杆37、打刀压盘31和拉杆28配合固定连接，拉爪12无刀拉紧时，导向杆37通过打刀压盘31和拉杆28在碟簧26作用下上移抵在外锁紧螺母38上，设计空行程尺寸b应大于a，以避免无刀夹紧时调整垫2与活塞42接触，同时尺寸c应满足打刀行程，打刀量的大小通过调整垫2实现。所述导向杆37、打刀压盘31和拉杆28中心孔连接处设置密封装置可实现刀具中心冷却。

最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种打刀缸内置大扭矩高转速主轴单元结构，其特征在于，包括主轴，主轴的前端与第一轴承配合，后端与第二轴承配合，第一轴承与第二轴承之间的主轴段与轴套、第一弹簧、弹簧端盖配合；第二轴承的内圈通过第二锁紧螺母固定锁紧，外圈浮动；第一轴承的轴承内圈通过第一锁紧螺母固定锁紧，第一轴承的外圈依次通过第二锁紧螺母、第二轴承、弹簧盖、第一弹簧、轴套实现预紧；所述轴套与弹簧盖之间留有间隙；

2.如权利要求1所述的打刀缸内置大扭矩高转速主轴单元结构，其特征在于，还包括一个导向杆，所述的导向杆通过固定件固定，固定件固定在主轴尾部，导向杆穿过打刀盘沿着拉杆轴线方向延伸。

3.如权利要求1所述的打刀缸内置大扭矩高转速主轴单元结构，其特征在于，所述的液压驱动装置包括缸体、活塞、密封圈组成；缸体与活塞之间通过密封圈密封，所述的缸体上设置对称布置的第一泄漏孔和第二泄漏孔，密封圈损坏时液压油从泄漏孔流出。

4.如权利要求1所述的打刀缸内置大扭矩高转速主轴单元结构，其特征在于，轴套和轴承外圈设有轴承座，轴承座的后端是弹簧座，所述的弹簧座与所述的缸体、活塞配合，弹簧座与活塞杆之间设有若干所述的第三弹簧。

5.如权利要求4所述的打刀缸内置大扭矩高转速主轴单元结构，其特征在于，在所述的轴套外圈设有冷却槽；在缸体、弹簧座、轴承座上沿着主轴方向设有冷却液通道，所述的冷却液通道与冷却套外圈的冷却槽连通，实现对主轴冷却。

6.如权利要求5所述的打刀缸内置大扭矩高转速主轴单元结构，其特征在于，所述的轴承座上还设有与冷却槽相联通的排液孔，所述的排液孔与丝堵配合。

7.如权利要求4所述的打刀缸内置大扭矩高转速主轴单元结构，其特征在于，所述弹簧盖上安装导向环，所述导向环与所述轴承座配合接触，弹簧盖与轴承座间隙配合，弹簧盖通过导向环的导向在第一弹簧的作用下向上移动，同时后端主轴轴承外圈在弹簧盖的作用下向上移动。

8.如权利要求1所述的打刀缸内置大扭矩高转速主轴单元结构，其特征在于，第一轴承设置3个，第二轴承设置2个，第一轴承的型号大于第二轴承的型号；3个相邻的第一轴承之间通过内隔套和外隔套隔开。

9.如权利要求1所述的打刀缸内置大扭矩高转速主轴单元结构，其特征在于，所述的第二弹簧为碟簧，所述碟簧由3片组成一组，每组碟簧依次以面对面、背对背排列组成。