CN204504240U - 一种高速高精高效动静压电主轴 - Google Patents

Abstract

一种高速高精高效动静压电主轴，包括壳体、安装在壳体内的主轴、定子和转子，主轴的前轴颈通过前轴承安装在壳体前端的轴承座孔内，主轴的后轴颈通过后轴承安装在后轴座的轴承座孔内，与前轴肩对应的壳体上开设有旋向为右旋的前螺旋密封槽，通过前螺旋密封槽和前轴肩配合以阻止前轴承处的润滑油进入芯轴段，与后轴肩对应的后轴座上开设有旋向为左旋的后螺旋密封槽，通过后螺旋密封槽和后轴肩配合以阻止后轴承处的润滑油进入芯轴段。本实用新型采用适宜超高速稳定运行的，以新型圆锥动静压轴承作为主轴支承的，大功率变频电机驱动的高速高精高效动静压电主轴，整体结构设计合理、紧凑、油路密封效果好、水路制冷迅速均匀,尤其适用于轴承制造行业。

Description

一种高速高精高效动静压电主轴

技术领域

本实用新型涉及精密机床先进功能部件主轴领域，尤其是涉及一种高速高精高效动静压电主轴。

背景技术

随着科技进步的飞速发展，对装备制造业转型升级的要求日益提高，对金属切削精密加工领域的技术要求更加迫切的向高切削速度、高加工精度、高进给速度方向发展，是继数控技术之后先进制造技术具有重大进步意义的高新技术。

     高速精密电主轴是适应现代高速加工技术发展起来的机电一体化 高新技术产品，应用于轴承行业已有五十余年历史。随着机械制造业加工技术向高速、高精、高效方向的不断发展，电主轴技术应用范围不断拓宽，高速磨削、铣削、车削、钻削、雕刻、加工中心等数控精密加工设备越来越多地采用精密电主轴作为核心功能部件，现已成为高档数控设备的主要标志。                                        

    高速精密电主轴的基本原理是把高速电机置于精密主轴内部，电机和主轴一体化，实现零传动，具有高转速、高精度、低噪声、低温升、体积小、安装方便等特点。关键技术主要有：高频电机技术、精密制造技术、高速轴承润滑技术、系统冷却技术、刀具接口技术、恒转矩和矢量驱动电源技术等。

    作为决定主轴回转精度的轴承按摩擦类型分为滚动轴承和滑动轴承两大类，滑动轴承又分为动压轴承、静压轴承及动静压轴承。滚动轴承的缺陷是精度受限且易磨损、抗振性差、寿命短；动压轴承的优点是高速时承载力大而启动和停车时易磨损；静压轴承的特点是油膜将相对滑动面完全隔开，有高精度、高承载力、高抗振性及长寿命的优点而在机床行业广泛应用；动静压轴承综合了静压和动压轴承的优点而具有更高的性能且节能环保而更有发展前途。

    传统电主轴普遍采用滚动轴承作为主轴支承，存在回转精度低、振动大、刚性欠佳、寿命短、维修频繁、累积维护费用高等弊端。

 目前也有少量静压、动静压主轴应用于高档机床，但多数为低速，套筒结构，皮带传动的应用，止推轴承往往为对置的平面轴承放在主轴的一端，密封形式也停留在间隙密封或骨架密封。鉴于端面止推轴承在高速时不能克服惯性离心力对油腔压力稳定性的影响，因此不适用于高速、超高速稳定运转。

实用新型内容

本实用新型的目的是为解决现有动静压轴承中采用间隙密封或骨架密封的密封形式造成的密封效果差以及端面止推轴承在高速时不能克服惯性离心力对油腔压力稳定性的影响，因此不适用于高速、超高速稳定运转的问题，提供一种高速高精高效动静压电主轴。

本实用新型为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：

一种高速高精高效动静压电主轴，包括壳体、安装在壳体内的主轴、定子和转子，主轴包括芯轴、前轴肩、后轴肩、前轴颈和后轴颈，前轴颈和后轴颈分别通过前轴肩和后轴肩连接在芯轴的两端，且芯轴、前轴肩、后轴肩、前轴颈和后轴颈为一体结构，定子安装在壳体内、转子固定在主轴的芯轴上，转子的两端还设置有平衡环，且定子与转子配合构成电机以驱动主轴转动，主轴的前轴颈和后轴颈均为圆台状结构，且前轴颈和后轴颈大直径的一端与主轴的芯轴连接，主轴的前轴颈通过前轴承安装在壳体前端的轴承座孔内，前轴承通过前压盖密封在壳体内，壳体的后端还安装有后轴座，主轴的后轴颈通过后轴承安装在后轴座的轴承座孔内，后轴承通过调整盖密封在后轴座内，并且调整盖与后轴座之间通过螺纹配合的方式连接以便于通过拧动调整盖改变轴承间隙，与前轴肩对应的壳体上开设有旋向为右旋的前螺旋密封槽，通过前螺旋密封槽和前轴肩配合以阻止前轴承处的润滑油进入芯轴段，与后轴肩对应的后轴座上开设有旋向为左旋的后螺旋密封槽，通过后螺旋密封槽和后轴肩配合以阻止后轴承处的润滑油进入芯轴段。

所述的壳体内部还设置有隔水套，隔水套与壳体之间通过过盈配合的方式连接在一起，隔水套与壳体的侧壁上设有相连通的通孔，在该通孔内设置有定位顶丝，定子安装在隔水套内并通过定位顶丝确定定子的安装位置。

与隔水套相互连接的壳体上还开设有螺旋制冷水槽，螺旋制冷水槽与隔水套配合构成电机制冷回路，所述电机制冷回路通过进水接头与水源连接，电机制冷回路还通过排水接头与排水装置连接。

所述的壳体上开设有复数个油孔，且油孔外缘设置有堵头，油孔配合堵头形成壳体内的油路，油路包括进油路和回油路。

所述的前轴承和后轴承均采用圆锥动静压轴承，圆锥动静压轴承宽径比为5:8，圆锥动静压轴承的锥孔全角为24度，圆锥动静压轴承的锥孔工作面上开设有小端闭口、大端开口的周向回油槽以实现主轴润滑油从回油路排出，减少前端处的润滑油渗出，每两个周向回油槽之间均设置有油垫，且油垫的封油边内设有浅油腔，圆锥动静压轴承上设置有小孔节流器，小孔节流器上开设有便于将小孔节流器油槽内的润滑油通入浅油腔并保持浅油腔油压的节流孔。

所述的前压盖外部还设有防尘盖，与主轴连接处的前压盖上开设有限制前轴承内的润滑油外泄的密封沟槽，壳体前端还套设有护套。

所述的调整盖后部设有调整孔，便于插入调整扳手来调整轴承径向间隙，调整盖后部还安装有锁紧顶丝以锁紧限制调整盖的自由移动。

所述的后轴座上还安装有用于将后轴承密封在壳体内的后大盖，后大盖上安装有电源座，电源座通过电源线与定子的线包连接并为定子线包供电。

本实用新型的有益效果是：本实用新型由高精度动静压主轴系统和高精度变频调速大功率电机组合而成。主轴系统采用独特的适应高速、超高速稳定运行的圆锥动静压轴承作为主轴支承，为有周向回油槽多油垫小孔节流圆锥结构，对置安放，排除了惯性离心力的影响，径向间隙调整方便。主轴依靠外部液压系统供给压力油，压力油进入轴承油腔中将轴颈浮起，保证轴颈在主轴额定转速下和预定负荷下都与轴承处于完全液体摩擦状态。主轴转速越高，动压效应越强，主轴刚性就越高，主轴动态旋转精度极高。因主轴轴颈与轴承被刚性油膜隔开，不存在金属摩擦，主轴的理论寿命是无限的，且具有承载力大、刚性强、抗振性好，回转精度超高、寿命长、精度保持性好、运行稳定、可靠性高、调整维修简便等优点。

    总体而言本实用新型结构设计精简、合理，零件少，精度高，成本低，便于批量生产，装配、调整、维修方便、快捷。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图示标记：1、主轴；101、前轴颈；102、前轴肩；103、芯轴；104、后轴肩；105、后轴颈；2、前压盖；3、防尘盖；4、护套；5、前轴承；6、壳体；7、堵头；8、平衡环；9、隔水套；10、转子；11、定子；12、后轴座；14、后轴承；15、调整盖；16、后大盖；17、电源座；18、进水接头；19、小孔节流器；20、周向回油槽；21、浅油腔；22、后螺旋密封槽；23、螺旋制冷水槽；24、定位顶丝；25、回油路；26、进油路；27、节流孔；28、密封沟槽； 29、泄油孔；30、锁紧顶丝。 

具体实施方式

图中所示，具体实施方式如下：

一种高速高精高效动静压电主轴，包括壳体6、安装在壳体内的主轴1、定子11和转子10，主轴1包括芯轴103、前轴肩102、后轴肩104、前轴颈101和后轴颈105，前轴颈101和后轴颈105分别通过前轴肩102和后轴肩104连接在芯轴103的两端，且芯轴103、前轴肩102、后轴肩104、前轴颈101和后轴颈105为一体结构，定子11安装在壳体6内、转子10固定在主轴1的芯轴103上，转子10的两端还设置有平衡环8，且定子11与转子10配合构成电机以驱动主轴1转动，主轴1的前轴颈101和后轴颈105均为圆台状结构，且前轴颈101和后轴颈105大直径的一端与主轴1的芯轴103连接，主轴1的前轴颈101通过前轴承5安装在壳体6前端的轴承座孔内，前轴承5通过前压盖2密封在壳体6内，壳体6的后端还安装有后轴座12，主轴1的后轴颈105通过后轴承14安装在后轴座12的轴承座孔内，后轴承14通过调整盖15密封在后轴座12内，并且调整盖15与后轴座12之间通过螺纹配合的方式连接以便于通过拧动调整盖15改变轴承间隙，与前轴肩102对应的壳体6上开设有旋向为右旋的前螺旋密封槽，通过前螺旋密封槽和前轴肩102配合以阻止前轴承5处的润滑油进入芯轴103段，与后轴肩104对应的后轴座12上开设有旋向为左旋的后螺旋密封槽22，通过后螺旋密封槽22和后轴肩104配合以阻止后轴承14处的润滑油进入芯轴103段，此处为了避免润滑油进入芯轴段采用的是动密封的方式，在主轴高速转动过程中，进入前螺旋密封槽和后螺旋密封槽内的润滑油由于设置的旋向，使得在转动过程中不断的被旋出重新返回轴承的润滑油油道内，无法进入芯轴段，从而起到密封的作用，同时由于润滑油具有粘附性，这样轴承的润滑油油道内的润滑油在进入前螺旋密封槽和后螺旋密封槽内时，会与前螺旋密封槽和后螺旋密封槽内被旋出的润滑油相互作用，增大了润滑油芯轴额难度从而提高密封效果，螺旋槽与轴承之间的台阶处铣有上下两个R槽，用于方便维修拆卸轴承，前后轴承锥孔大口端相对，主轴1两端的轴颈分别支承于前轴承5和后轴承14之中，前轴承5前端装有定位前压盖2，前压盖2外安装有防尘盖3，后轴承14后部装有调整盖15，可调整轴承间隙即油膜厚度，并设有锁紧顶丝30，前后轴承都采用适宜超高速稳定运行的新型圆锥动静压轴承，轴承宽径比为5:8，圆锥动静压轴承的锥孔全角24度，圆锥动静压轴承的锥孔工作面上开设有小端闭口、大端开口的周向回油槽20（以实现主轴润滑油从回油路排出，减少前端处的润滑油渗出）、油腔21（每两个周向回油槽之间均设置有油垫，且油垫的封油边内设有浅油腔），采用小孔节流器19轴承结构。主轴前后轴颈与前后轴承之间设有间隙，间隙大小可由调整盖15控制、调节，调整盖15还起密封后油路、泄油的作用，运行时轴承间隙内充满高压油液介质将主轴浮起，并由大功率变频电机驱动工作。

所述的壳体6内部还设置有隔水套9，隔水套9与壳体6之间通过过盈配合的方式连接在一起，隔水套9与壳体6的侧壁上设有相连通的通孔，在该通孔内设置有定位顶丝24，定子11安装在隔水套9内并通过定位顶丝24确定定子11的安装位置。

与隔水套9相互连接的壳体6上还开设有螺旋制冷水槽23，螺旋制冷水槽23与隔水套9配合构成电机制冷回路，所述电机制冷回路通过进水接头18与水源连接，电机制冷回路还通过排水接头与排水装置连接。

所述的壳体6上开设有复数个油孔，且油孔内设置有堵头7，油孔配合堵头7形成壳体内的油路，油路包括进油路26和回油路25。

所述的前轴承5和后轴承14均采用圆锥动静压轴承，圆锥动静压轴承宽径比为5:8，圆锥动静压轴承的锥孔全角为24度，圆锥动静压轴承的锥孔工作面上开设有小端闭口、大端开口的周向回油槽20以实现主轴润滑油从回油路排出，减少前端处的润滑油渗出，每两个周向回油槽20之间均设置有油垫，且油垫的封油边内设有浅油腔21，圆锥动静压轴承上设置有小孔节流器19，小孔节流器19上开设有便于将小孔节流器19油槽内的润滑油通入浅油腔21并保持浅油腔21油压的节流孔27。

所述的前压盖2外部还盖设有防尘盖3，与主轴1连接处的前压盖2上开设有限制前轴承5内的润滑油外泄的密封沟槽28，壳体6前端还套设有护套4。

所述的调整盖15上还安装有锁紧顶丝30以锁紧限制调整盖15的自由移动。

所述的后轴座12上还安装有用于将后轴承14密封在壳体6内的后大盖16，后大盖16上安装有电源座17，电源座17通过电源线与定子11的线包连接并为定子11线包供电。

壳体6后端设有前轴承5进油路26和回油路25；壳体6后端上的油路和水路进出口螺纹都采用ZG1/8管螺纹；壳体6 和后轴座12都在与轴颈圆柱面对应处设有非接触螺旋密封槽；前压盖2轴孔内壁设有多重密封环形沟槽；与后轴座12调整内螺纹配合，可压紧、调整后轴承调整盖的压紧环周边设有泄油孔，调整盖外径设有调整螺纹，调整位置可以调整主轴1的轴向窜动量，即轴承间隙或称油膜厚度，还可通过锁紧顶丝30定位后轴承14和封闭后轴承14的后油腔，前、后轴承锥孔大口端相对，主轴1两端的轴颈分别支承于前轴承5和后轴承14之中；主轴1悬伸于前后轴承外部的锥面小端都设有端面甩油部；工作时，油液从轴承两侧间隙和回油槽流出，经甩油端面，泄流和甩脱在轴承两侧的回油腔中，在经壳体6和后轴座12上的回油通道回流到供油装置中，上述油路构成油路系统；电机定子11安装在壳体1内中部隔水套9座内，隔水套9与壳体1之间设有定位顶丝24，电机定子11通过定位顶丝24固定于壳体1内，电机转子10安装在主轴1中部与电机定子11孔内对应位置处，电机线包引线穿过后轴座12的出线孔，与后大盖16上安装的电源座17联接，构成驱动系统。

     主轴1的前轴颈101和后轴颈105之间装有电机转子10，转子10两侧装有平衡环8；主轴1轴颈大端圆柱面与对应的螺旋密封槽起密封和运转时主动回油的作用；主轴1前、后轴颈均为全角锥度24度，且前、后轴颈锥面均为镜面级光洁度，可减少主轴1 运转时的温升；前、后轴颈小端都有甩油端面，可起到运转时主动甩油、密封、回油的作用；主轴1 前端接口既可以采用圆柱导向端面定位内螺纹锁紧结构，一般用于磨削加工；也可采用锥孔定位，外螺纹锁紧结构，一般用于铣削加工。

    轴承宽径比为5:8，轴承钢材质的带环流槽的小孔节流器19；节流孔径0.5毫米，黄铜或锡青铜材质的圆锥结构，锥孔全角24度，浅腔，多油垫，带小端闭口、大端开口的周向回油槽的动静压轴瓦；铜质轴瓦14与节流器19压合在一起，组合成为完整的动静压轴承。

    采用大功率变频电机，F级绝缘，定子11即可采用双极，也可采用四极；线包导线采用防电晕变频电磁线，双星型或延边三角形绕组，真空浸漆，环氧树脂密封；电机转子10采用压铸铝质开口笼条或采用适宜超高速运转的闭口铜质笼条。

壳体6中部内壁设有螺旋制冷水槽，与隔水套9配合构成电机制冷回路，电机定子11安装在壳体6内中部隔水套9座内，隔水套9与壳体6之间设有定位顶丝24，电机定子11通过定位顶丝24固定于壳体6内。前、后轴承两侧都设有回油油路和非接触螺旋、沟槽密封机构，壳体6上的螺旋密封槽为右旋，后轴座12的螺旋槽为左旋，螺旋槽与轴承之间的台阶处铣有上下两个R槽，用于方便维修拆卸轴承；前后轴承锥孔大口端相对，主轴1两端的轴颈分别支承于前轴承5和后轴承14之中；后轴承14后部装有调整盖15，可调整轴承间隙即油膜厚度，并设有锁紧顶丝30，前、后轴承都采用适宜超高速稳定运行的新型圆锥动静压轴承，锥孔全角24度，该轴承为小端闭口、大端开口的周向回油槽20、非对称五垫或三垫浅油腔21，带环流槽的小孔节流器19轴承结构；主轴1前、后轴颈与前、后轴承之间设有间隙，间隙大小可由调整盖15控制、调节，调整盖15还起密封后油路、泄油的作用，运行时轴承间隙内充满高压油液介质将主轴浮起，并由大功率变频电机驱动工作。

本实用新型所列举的技术方案和实施方式并非是限制，与本实用新型所列举的技术方案和实施方式等同或者效果相同方案都在本实用新型所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种高速高精高效动静压电主轴，包括壳体（6）、安装在壳体内的主轴（1）、定子（11）和转子（10），主轴（1）包括芯轴（103）、前轴肩（102）、后轴肩（104）、前轴颈（101）和后轴颈（105），前轴颈（101）和后轴颈（105）分别通过前轴肩（102）和后轴肩（104）连接在芯轴（103）的两端，且芯轴（103）、前轴肩（102）、后轴肩（104）、前轴颈（101）和后轴颈（105）为一体结构，定子（11）安装在壳体（6）内、转子（10）固定在芯轴（103）上，转子（10）的两端还设置有平衡环（8），且定子（11）与转子（10）配合构成电机以驱动主轴（1）转动，其特征在于：主轴（1）的前轴颈（101）和后轴颈（105）均为圆台状结构，且前轴颈（101）和后轴颈（105）大直径的一端与芯轴（103）连接，前轴颈（101）通过前轴承（5）安装在壳体（6）前端的轴承座孔内，前轴承（5）通过前压盖（2）密封在壳体（6）内，壳体（6）的后端还安装有后轴座（12），主轴（1）的后轴颈（105）通过后轴承（14）安装在后轴座（12）的轴承座孔内，后轴承（14）通过调整盖（15）密封在后轴座（12）内，并且调整盖（15）与后轴座（12）之间通过螺纹配合的方式连接以便于通过拧动调整盖（15）改变轴承间隙，与前轴肩（102）对应的壳体（6）上开设有旋向为右旋的前螺旋密封槽，通过前螺旋密封槽和前轴肩（102）配合以阻止前轴承（5）处的润滑油进入芯轴（103）段，与后轴肩（104）对应的后轴座（12）上开设有旋向为左旋的后螺旋密封槽（22），通过后螺旋密封槽（22）和后轴肩（104）配合以阻止后轴承（14）处的润滑油进入芯轴（103）段。

2.根据权利要求1所述的一种高速高精高效动静压电主轴，其特征在于：所述的壳体（6）内部还设置有隔水套（9），隔水套（9）与壳体（6）之间通过过盈配合的方式连接在一起，隔水套（9）与壳体（6）的侧壁上设有相连通的通孔，在该通孔内设置有定位顶丝（24），定子（11）安装在隔水套（9）内并通过定位顶丝（24）确定定子（11）的安装位置。

3.根据权利要求2所述的一种高速高精高效动静压电主轴，其特征在于：与隔水套（9）相互连接的壳体（6）上还开设有螺旋制冷水槽（23），螺旋制冷水槽（23）与隔水套（9）配合构成电机制冷回路，所述电机制冷回路通过进水接头（18）与水源连接，电机制冷回路还通过排水接头与排水装置连接。

4.根据权利要求1所述的一种高速高精高效动静压电主轴，其特征在于：所述的壳体（6）上开设有复数个油孔，且油孔内设置有堵头（7），油孔配合堵头（7）形成壳体内的油路，油路包括进油路（26）和回油路（25）。

5.根据权利要求1或4所述的一种高速高精高效动静压电主轴，其特征在于：所述的前轴承（5）和后轴承（14）均采用圆锥动静压轴承，圆锥动静压轴承宽径比为5:8，圆锥动静压轴承的锥孔全角为24度，圆锥动静压轴承的锥孔工作面上开设有小端闭口、大端开口的周向回油槽（20）以实现主轴润滑油从回油槽排出，减少前端处的润滑油渗出，每两个周向回油槽（20）之间均设置有油垫，且油垫的封油边内设有浅油腔（21），圆锥动静压轴承上设置有小孔节流器（19），小孔节流器（19）上开设有便于将小孔节流器（19）油槽内的润滑油通入浅油腔（21）并保持浅油腔（21）油压的节流孔（27）。

6.根据权利要求1所述的一种高速高精高效动静压电主轴，其特征在于：所述的前压盖（2）外部还盖设有防尘盖（3），与主轴（1）连接处的前压盖（2）上开设有限制前轴承（5）内的润滑油外泄的密封沟槽（28），壳体（6）前端还套设有护套（4）。

7.根据权利要求1所述的一种高速高精高效动静压电主轴，其特征在于：所述的调整盖（15）上还安装有锁紧顶丝（30）以锁紧限制调整盖（15）的自由移动。

8.根据权利要求1所述的一种高速高精高效动静压电主轴，其特征在于：所述的后轴座（12）上还安装有用于将后轴承（14）密封在壳体（6）内的后大盖（16），后大盖（16）上安装有电源座（17），电源座（17）通过电源线与定子（11）的线包连接并为定子（11）线包供电。