CN210648517U - 一种电主轴及加工设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及精密加工技术领域。为解决金属主轴振动大、动态性能随着速度的提高逐渐变差的问题，本实用新型公开了一种电主轴及加工设备。其中，电主轴的一种方案包括壳体；主轴，转动连接在壳体上，主轴包括支撑轴与固定连接在支撑轴上的CFRP构件；电机，固定连接在壳体上，电机的输出端与主轴固定连接。本方案的电主轴相比于应用金属主轴的电主轴能够降低重量，减少超高速运转时的振动，同时拥有较低的热膨胀系数，在超高速运转时也能够维持较好的动态性能。

Description

一种电主轴及加工设备

技术领域

本实用新型涉及精密加工技术领域，尤其是涉及一种电主轴及应用该电主轴的加工设备。

背景技术

超高速加工一般指的是切削速度高于150m/s的加工工艺，其是现代材料技术、机械技术、光学技术及电子信息技术等先进技术的发展必不可少的关键技术。超高速电机是实现超高速加工的核心之一，电主轴作为电机与主轴二合一的产物，能够简化机床的结构，缩小机床的体积，实现更高的电机转速与能量转化率。然而极高的转速也对主轴的强度与动态性能提出了更高的要求，目前常规的主轴为重量较大的金属主轴，其在超高速运转时会产生较大的振动，且金属主轴的热膨胀系数高，动刚度、动平衡，振型等动态性能将随着速度的提高逐渐变差，以上缺陷制约着电主轴在超高速加工领域的应用。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的是提供一种电主轴，相比于金属主轴能够降低主轴的重量，减少超高速运转时的振动，同时拥有较低的热膨胀系数，在超高速运转时也能够维持较好的动态性能。

本实用新型的第二个目的是提供一种加工设备，相比于利用金属主轴的加工设备能够降低主轴的重量，减少超高速运转时的振动，同时拥有较低的热膨胀系数，在超高速运转时也能够维持较好的动态性能。

本实用新型所采用的技术方案是：

第一方面，提供一种电主轴，包括：

壳体；

主轴，转动连接在壳体上，主轴包括支撑轴与固定连接在支撑轴上的CFRP构件；

电机，固定连接在壳体上，电机的输出端与主轴固定连接。

进一步地，CFRP构件固定连接在支撑轴的外侧，至少部分覆盖支撑轴的外表面；

或者，支撑轴的内部沿轴向设有第一通孔，CFRP构件固定连接在第一通孔内，至少部分覆盖支撑轴的内表面。

或者，支撑轴的内部沿轴向设有第二通孔，支撑轴的外侧以及第二通孔内部均固定连接有CFRP构件，且位于支撑轴外侧的CFRP构件至少部分覆盖支撑轴的外表面，位于第二通孔内部的CFRP构件至少部分覆盖支撑轴的内表面。

更进一步地，CFRP构件为与支撑轴同轴的套筒。

进一步地，CFRP构件的材料型号为T700或T800。

进一步地，还包括CFRP套，CFRP套固定连接在输出端的外侧。

进一步地，还包括轴向静压轴承，主轴上设有沿径向伸出的第一凸起，轴向静压轴承固定连接在壳体上，并与第一凸起的径向侧面抵持。

进一步地，还包括至少两个径向静压轴承，径向静压轴承固定连接在壳体上，并沿主轴的轴向分布，径向静压轴承与主轴的外表面抵持。

进一步地，主轴上设有第一插接段，第一插接段的外表面设有第二凸起，输出端上沿主轴的轴向设有第三通孔，第一插接段插接在第三通孔内。

进一步地，还包括螺母，输出端上固定连接有沿主轴的轴向伸出的外螺纹套筒，外螺纹套筒的筒壁上设有沿轴向延伸的槽，主轴上设有带锥度的第二插接段，螺母与外螺纹套筒螺纹连接，以对插接在外螺纹套筒内的第二插接段进行固定；

第二方面，本实用新型提供一种加工设备，包括上述的电主轴。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的一个方案通过在支撑轴上固定CFRP构件，使得该方案的电主轴相比于应用金属主轴的电主轴能够降低重量，减少超高速运转时的振动，同时拥有较低的热膨胀系数，在超高速运转时也能够维持较好的动态性能。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例的剖视图；

图2是本实用新型第一实施例的轴侧示意图；

图3是套筒与转子连接的第一实施例的立体示意图；

图4是套筒与转子连接的第二实施例的立体示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型的较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，从而能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

在本实用新型的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接在另一个特征上。

在本实用新型的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个或者多个，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

此外，除非另有定义，本实用新型所使用的技术术语和科学术语均与所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实用新型所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本实用新型。

参照图1与图2，分别示出了本实用新型第一实施例的剖视图与轴侧示意图。如图所示，电主轴包括壳体1、主轴2、电机3、轴向静压轴承4、径向静压轴承5与径向静压轴承6。电主轴整体为圆柱状，电机3安装在电主轴的尾端(本文所称的首端即图1中的上端，尾端即图1中的下端，全文同)，主轴2的尾端与电机3的输出端固定连接，首端从壳体1中伸出，用于连接外部的刀具。主轴2通过轴向静压轴承4、径向静压轴承5与径向静压轴承6转动连接在壳体1上，轴向静压轴承4、径向静压轴承5与径向静压轴承6能够对主轴2提供轴向支撑与径向支撑，并实现主轴2的超高速稳定旋转。

本实施例中，壳体1包括圆筒状的机体外壳11、流道外壳12、前端盖13、后端盖14、前端套筒15、中部套筒16与后端套筒17。轴向静压轴承4的首端具有平面，尾端具有台阶面，机体外壳11的首端与轴向静压轴承4尾端的台阶面抵持并连接，前端盖13与轴向静压轴承4首端的平面贴合并连接，后端盖14与机体外壳11的尾端连接，从而围绕形成安装主轴2与电机3的腔体。

流道外壳12套接在机体外壳11的内侧，并分别与径向静压轴承5、径向静压轴承6的外侧壁贴合并连接。前端套筒15、中部套筒16与后端套筒17均套接在流道外壳12的内侧，前端套筒15的首尾两端分别与径向静压轴承5的尾端、径向静压轴承6的首端抵持，中部套筒16的首尾两端分别与径向静压轴承6的尾端、电机3的首端抵持，后端套筒17的首尾两端分别与电机3的尾端、后端盖14抵持，从而分别对径向静压轴承5、径向静压轴承6与电机3进行固定。

为了向轴向静压轴承4、径向静压轴承5与径向静压轴承6供给压力液体，前端盖13与轴向静压轴承4交界面上设有环形流道131，流道外壳12上设有主流道121，环形流道131、主流道121与静压轴承内的流道相互连通。为了实现密封，前端盖13与轴向静压轴承4的交界面上，流道外壳12与径向静压轴承5的交界面上，以及流道外壳12与径向静压轴承6的交界面上在流道口的两侧均设置有密封圈。

本实施例中，主轴2包括同轴设置的支撑轴21与套筒22，支撑轴21由热膨胀系数较小的金属材料如因瓦合金制成，套筒22由CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer，碳纤维增强复合材料)制成。支撑轴21的内部具有轴向的第一通孔以减轻主轴2的重量，第一通孔的首端具有内螺纹，套筒22套接固定在支撑轴21的外侧，并包覆支撑轴21的全部外侧壁。套筒22的首端具有锥度，其与支撑轴21上的内螺纹共同用于固定高速砂轮等工具。支撑轴21与套筒22之间的固定可以采用粘接等方式。

本实施例以支撑轴21作为骨架，并在支撑轴21上复合CFRP材质的套筒22，由于CFRP的密度远小于主轴常用金属的密度，因此相比于全部由金属制成的主轴来说，在直径、长度、壁厚相同的条件下，本实施例主轴的重量将小于金属主轴的重量，也即主轴的转动惯量将得到降低，从而，可确保主轴在高速加工中快速响应，确保高速加工中控制的精度。CFRP材料的占比越大，则主轴2重量减轻的越明显，本实施例中的支撑轴21为薄壁管，套筒22的壁厚明显大于支撑轴21的壁厚，即主轴2的主体结构为CFRP材质的套筒22，因此相比于金属主轴可以极大地减轻重量，而CFRP材质的机械强度高，与支撑轴21复合可以弥补支撑轴21变薄所带来的强度损失。同时，CFRP自身具有较好的吸震性能，因此能够在一定程度上减少主轴高速转动时产生的振动。此外，CFRP的热膨胀系数小，使得主轴2不会因转动发热而产生过大的膨胀变形，在超高速运转时也能够维持较好的动态性能。

本实施例的套筒22可以保证同一横截面上各处重量的一致性，减少因重量不平衡而导致的振动。

本实施例的套筒22包覆在支撑轴21的外侧，可以降低套筒22与支撑轴21的复合难度；同时，相比于金属材料，CFRP更容易在主体结构上成型出第一凸起221、第一插接段222等结构；此外，套筒22外置还能够缩小支撑轴21的直径，进一步降低主轴2的重量。

本实施例中CFRP的可选型号为T700或T800，碳纤维之间的粘胶层为环氧树脂。本实施例中，轴向静压轴承4靠近主轴2的首端，用于向主轴2提供轴向的支撑。套筒22上伸出有轴向的第一凸起221，第一凸起221插入至轴向静压轴承4上的凹槽内，第一凸起221上径向延伸的侧面作为轴向静压轴承4的轴向支撑面。径向静压轴承5靠近主轴2的首端，径向静压轴承6位于主轴2的中段，二者用于向主轴2提供径向的支撑，为达到上述目的，径向静压轴承5、径向静压轴承6均与套筒22的外侧壁抵持，即套筒22的外侧壁作为径向静压轴承5、径向静压轴承6的径向支撑面。本实施例利用具有高转动精度的静压轴承支撑主轴2.以进一步减少主轴2转动时的振动。

本实施例中的电机3采用永磁同步电机，其包括定子31、线圈绕组32、转子33、永磁体34与CFRP套35，线圈绕组32缠绕在定子31上，永磁体34固定在转子33上作为电机3的输出端，定子31、线圈绕组32、转子33、永磁体34的形状、材质与连接关系均可以采用技术，本实施例对此不做详述。主轴2与电机3的连接方式参照图3，套筒22的尾端具有第一插接段222，第一插接段222横截面的外轮廓类似于正多边形，即可以视为第一插接段222的外表面上设有若干的第二凸起223，转子33的内部具有轴向的第三通孔，该第三通孔的横截面形状与第一插接段222相同，第一插接段222插接在该第三通孔内并粘接固定，即实现了主轴2与电机3的连接，相比于圆截面的主轴，本实施例可以避免高速旋转过程套筒22与转子33间产生相对滑动，从而使电主轴能够达到更高的转速。

由于转子33同样需要发生超高速转动，因此转子33的外侧还固定连接有CFRP套35，CFRP套35能够固定永磁体34，防止永磁体34在高速运转过程中因为离心力而剥离，同时利用CFRP材料密度低、强度高的特性减小电机输出端的惯性。

在第一实施例的基础上，本实用新型还公开了其他的替代实施例，如：

第二实施例

本实施例与第一实施例的区别在于，套筒22位于支撑轴21的内部，与支撑轴21的内侧壁进行贴合固定。相应地，第一凸起221、第一插接段222、第二凸起223等结构调整至支撑轴21上。

第三实施例

本实施例与第一实施例的区别在于，支撑轴21上具有轴向的第二通孔，支撑轴21的外侧以及第二通孔内部均固定连接有套筒22。

第四实施例

本实施例与第一实施例的区别在于，套筒22的长度短于支撑轴21的长度，即套筒22未完全覆盖支撑轴21的外侧壁，此情况下，对套筒22在支撑轴21上轴向的连接位置不做限定。

第五实施例

本实施例与第一实施例的区别在于，支撑轴的外侧壁上设有凹槽，套筒22的部分或者全部嵌入在凹槽内。

第六实施例

本实施例与第一实施例的区别在于，CFRP构件并不是一个完整的构件，而是包括多个构件，比如沿支撑轴21的径向分布的若干套环，或者沿支撑轴21的圆周方向分布的若干弧形片。

第七实施例

本实施例与第一实施例的区别在于，构成壳体1的机体外壳11、流道外壳12、前端盖13、后端盖14、前端套筒15、中部套筒16与后端套筒17中的部分或者全部可以成型为一个构件，比如机体外壳11与流道外壳12成型为一个构件，机体外壳11与后端盖14成型为一个构件等。

第八实施例

本实施例与第一实施例的区别在于，对于精度要求不高的情况下，永磁同步电机可以替换为异步电机电机，静压轴承可以替换为球轴承。

第九实施例

参照图4，本实施例与第一实施例的区别在于，转子33的端部固定连接有沿主轴2的轴向伸出的外螺纹套筒331，外螺纹套筒331的筒壁上设有沿轴向延伸的槽332，套筒22上设有带锥度的第二插接段(图中未示出)。当第二插接段插接在外螺纹套筒331中时，通过螺母7与外螺纹套筒331的螺纹连接，使得外螺纹套筒331向内收缩卡紧第二插接段，此连接方式可以利用第二插接段的锥度实现主轴2的对中。

本实用新型还公开了一种加工设备，该加工设备应用了上述各实施例中的电主轴。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。此外，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种电主轴，其特征在于，包括：

壳体；

主轴，转动连接在所述壳体上，所述主轴包括支撑轴与固定连接在所述支撑轴上的CFRP构件；

电机，固定连接在所述壳体上，所述电机的输出端与所述主轴固定连接。

2.根据权利要求1所述的电主轴，其特征在于，所述CFRP构件固定连接在所述支撑轴的外侧，至少部分覆盖所述支撑轴的外表面；

或者，所述支撑轴的内部沿轴向设有第一通孔，所述CFRP构件固定连接在所述第一通孔内，至少部分覆盖所述支撑轴的内表面；

或者，所述支撑轴的内部沿轴向设有第二通孔，所述支撑轴的外侧以及所述第二通孔的内部均固定连接有所述CFRP构件，且位于所述支撑轴的外侧的所述CFRP构件至少部分覆盖所述支撑轴的外表面，位于所述第二通孔的内部的所述CFRP构件至少部分覆盖所述支撑轴的内表面。

3.根据权利要求2所述的电主轴，其特征在于，所述CFRP构件为与所述支撑轴同轴的套筒。

4.根据权利要求1所述的电主轴，其特征在于，所述CFRP构件的材料型号为T700或T800。

5.根据权利要求1所述的电主轴，其特征在于，还包括CFRP套，所述CFRP套固定连接在所述输出端的外侧。

6.根据权利要求1所述的电主轴，其特征在于，还包括轴向静压轴承，所述主轴上设有沿径向伸出的第一凸起，所述轴向静压轴承固定连接在所述壳体上，并与所述第一凸起的径向侧面抵持。

7.根据权利要求1所述的电主轴，其特征在于，还包括至少两个径向静压轴承，所述径向静压轴承固定连接在所述壳体上，并沿所述主轴的轴向分布，所述径向静压轴承与所述主轴的外表面抵持。

8.根据权利要求1所述的电主轴，其特征在于，所述主轴上设有第一插接段，所述第一插接段的外表面设有第二凸起，所述输出端上沿所述主轴的轴向设有第三通孔，所述第一插接段插接在所述第三通孔内。

9.根据权利要求1所述的电主轴，其特征在于，还包括螺母，所述输出端上固定连接有沿所述主轴的轴向伸出的外螺纹套筒，所述外螺纹套筒的筒壁上设有沿所述轴向延伸的槽，所述主轴上设有带锥度的第二插接段，所述螺母与所述外螺纹套筒螺纹连接，以对插接在所述外螺纹套筒内的所述第二插接段进行固定。

10.一种加工设备，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的电主轴。

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