WO2013123659A1

WO2013123659A1 - 无油雾高速电主轴

Info

Publication number: WO2013123659A1
Application number: PCT/CN2012/071517
Authority: WO
Inventors: 张雷震
Original assignee: Zhang Leizhen
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2013-08-29
Also published as: EP2818741A4; EP2818741A1; US20140355919A1; US9051971B2

Abstract

一种无油雾高速电主轴，其具有外壳（1）、被该外壳的内部所形成的收容空间（A）收容的定子（2）及转子（3）。利用设置于外壳的轴承设置部（h1，h2）的轴承，转子以与定子隔开间隙相对的方式旋转自如地支承在外壳上。在轴承设置部的外侧以覆盖该轴承设置部的方式设置有迷宫式密封结构（4），该迷宫式密封结构具有与大气连通的通路（4c，4d）。在外壳上设有通孔（1d），该通孔的一端在收容空间中开口，另一端与迷宫式密封结构的通路连通。在轴承设置部填充有润滑脂，该润滑脂是将基础油作为主要成分并含有纳米抗磨添加剂的聚脲全合成脂。该高速电主轴能有效避免油雾造成的环境污染和对员工身体健康的损害并能节约能源。

Description

无油雾高速电主轴技术领域本发明涉及高速电主轴，尤其涉及轴承加工行业的无油雾高速电主轴。背景技术电主轴是 "高频主轴" （High Frequency Spindle ) 的简称，有时也称作 "直接传动主轴" （Direct Drive Spindle ) ，是内装式电机主轴单元。电主轴把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的 "零传动"，具有结构紧凑、机械效率高、可获得极高的回转速度、回转精度高、噪声低、振动小等优点，因而在现代机床，尤其是数控机床中获得了愈来愈广泛的应用。轴承制造业尤为极普遍应用。根据主轴转速的不同，电主轴通常分为低速电主轴和高速电主轴。高速电主轴一般是指轴承的 DN值达到 100〜200万的电主轴。由于高速电主轴的主轴轴承处于急剧的高速摩擦状态，并且承受高温、高负载，因此高速电主轴的润滑相当重要。高速电主轴在运转时会产生大量热量，引起主轴升温，因此，与低速电主轴不同，高速电主轴常采用油雾润滑、油气润滑、喷射润滑这样的润滑方式，而不采用脂润滑（原因在于其会因主轴升温而挥发，油脂无法长期保持在轴承内）。所谓油雾润滑，是利用压缩空气，经过净化处理后，依靠专用的喷雾装置将专用油液喷成雾化状态，并且利用压缩空气将油雾强制性送入电主轴的轴承部位，对高速轴承进行润滑。在采用油雾润滑的润滑方式时，制造压缩空气需要耗费大量能源，一般平均每台电主轴需要配备 2〜2.5kW空压机功率，耗电量很大，而且，每台电主轴平均每天要添加专用主轴油 l〜2kg，耗油量大。另外，在油雾润滑的润滑方式中，由于油雾在通过电主轴轴承之后，即刻被排放到大气中，因此还会造成严重的环境污染，损害员工身体健康。另一方面，由于高速电主轴的转速可达到每分钟 6万转以上，轴承的 DN值达到 100〜200万，因此不可能采用接触式的密封结构。例如，在将以往的采用非接触式密封结构的电主轴结构应用于轴承磨床时，如果关闭气雾润滑，使得电主轴内没有正压压缩空气，由于轴承磨床工作时伴有大量的磨削冷却液的喷射、溅射，冷却液里含有的磨削铁屑、砂轮的脱粒及杂物等颗粒物会混入电主轴的轴承，因此容易引起轴承受力的改变，使得主轴产生异音，甚至于停转。这会导致电机线圈被烧毁。在采用水性冷却液时，危害更大。同时，非接触式密封结构利用的是两个平面间气体、液体的张力来实现密封的效果，必须将相对运动的两个工件之间的间隙控制在一定范围。间隙太小，工作中容易产生摩擦，容易损坏轴承，间隙太大则不会有密封效果。发明内容本发明是鉴于上述问题而完成的，本发明的一个目的在于提供一种能有效避免油雾造成的环境污染、损害员工身体健康并且能够节约能源的无油雾高速电主轴。另外，本发明的另一目的在于提供一种在高速旋转时能有效防止外部的颗粒物混入轴承的无油雾高速电主轴。为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种无油雾高速电主轴，其具有外壳、被该外壳的内部所形成的收容空间收容的定子及转子，利用设置于所述外壳的轴承设置部的轴承，所述转子以与所述定子隔开间隙相对的方式旋转自如地支承在所述外壳上，其中，在所述轴承设置部填充有润滑脂，该润滑脂是将基础油作为主要成分并含有纳米抗磨添加剂的聚脲全合成脂。另外，本发明的第二方面提供一种无油雾高速电主轴，其具有外壳、被该外壳的内部所形成的收容空间收容的定子及转子，利用设置于所述外壳的轴承设置部的轴承，所述转子以与所述定子隔开间隙相对的方式旋转自如地支承在所述外壳上，其中，在所述轴承设置部的外侧以覆盖该轴承设置部的方式设置有迷宫式密封结构，该迷宫式密封结构具有与大气连通的通路，在所述外壳上设有通孔，该通孔的一端在所述收容空间中开口，所述通孔的另一端与所述迷宫式密封结构的所述通路连通。较为理想的是，在所述轴承设置部填充有润滑脂，该润滑脂是将基础油作为主要成分并含有纳米抗磨添加剂的聚脲全合成脂。在本发明的第一方面或第二方面的无油雾高速电主轴中，较为理想的是，所述基础油是植物油、动物油、矿物油及合成油中的任一种。所述纳米抗磨添加剂优选为纳米铜颗粒。在本发明的第一方面或第二方面的无油雾高速电主轴中，较为理想的是，所述纳米抗磨添加剂的重量占所述润滑脂的总重量的 3〜8 %。在本发明的第一方面或第二方面的无油雾高速电主轴中，较为理想的是，所述迷宫式密封结构是多道次的迷宫式密封结构。在本发明的第一方面或第二方面的无油雾高速电主轴中，较为理想的是，所述外壳包括外壳主体和安装在该外壳主体两端的前盖体和后端盖，在所述前端盖和所述外壳主体上分别设置有作为所述轴承设置部的轴承孔，所述迷宫式密封结构以覆盖所述前端盖的所述轴承孔的方式设置在所述前端盖上 o 在本发明的第一方面或第二方面的无油雾高速电主轴中，较为理想的是，所述迷宫式密封结构包括外侧密封部件和内侧密封部件，所述内侧密封部件以覆盖所述轴承设置部的方式安装在所述轴承设置部的外侧，所述外侧密封部件以覆盖所述内侧密封部件的方式安装在所述内侧密封部件的外侧，所述通路由相互连通的第一通路和第二通路构成，所述第一通路形成在所述内侧密封部件上，所述第二通路由在所述内侧密封部件和所述外侧密封部件的对接面之间形成的间隙构成，且一端在大气中开口，所述通孔的所述另一端在所述第一通路中开口。在本发明的第一方面或第二方面的无油雾高速电主轴中，较为理想的是，所述轴承选自角接触轴承，深沟球轴承，角接触滚子轴承，及径向短圆柱轴承。在本发明的第一方面或第二方面的无油雾高速电主轴中，较为理想的是，所述通路和通孔大小为 0.10〜0.20mm。根据本发明的第一方面的无油雾高速电主轴，在轴承设置部填充有润滑脂，该润滑脂是将基础油作为主要成分并含有纳米抗磨添加剂的聚脲全合成脂。因此，在轴承设置部，黑色金属在摩擦热的条件下能在摩擦表面生成一层结合力非常牢固的减摩抗磨的陶瓷化合膜，依靠这层膜，能大幅度降低摩擦力和摩擦热，使得填充于轴承设置部的润滑脂不易挥发，容易长时间保持于轴承设置部，解决了以往因高速电主轴工作时会产生大量热量而无法采用润滑脂的问题。由于不采用以往的油雾润滑的润滑方式，因此能有效避免油雾造成的环境污染，并且能够节约大量能源。根据本发明的第二方面的无油雾高速电主轴，在轴承设置部的外侧设置有迷宫式密封结构，该迷宫式密封结构具有与大气连通的通路，在外壳上设有通孔，该通孔的一端在外壳的内部所形成的收容空间中开口，通孔的另一端与所述迷宫式密封结构的所述通路连通。藉此，外壳的内部所形成的收容空间可经由通孔和通路而与外部的大气连通，能避免在高速电主轴工作时在收容空间内形成负压，从而能有效防止外部的颗粒物混入高速电主轴的轴承，大幅度延长了电主轴的寿命，使设计额定寿命可达到

2000小时，相当于普通油雾润滑电主轴寿命的 4〜5倍。同时，所述迷宫式密封结构还能够防止润滑油的泄露。附图说明图 1是本发明的电主轴的剖视图。图 2是没有密封的轴承工作状态。图 3是单密封的轴承工作状态。图 4是简单迷宫式密封的工作状态。图 5是多道次迷宫式密封结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明的一实施方式进行说明。图 1是本发明的电主轴的剖视图，其中，符号 1是电主轴的壳体，其大致呈筒状，在轴向（即图 1中的左右方向）上较长。壳体 1主要由壳体主体 la、后端盖 lb和前端盖 lc构成。壳体主体 la呈一端开口的有底筒状，具有大致呈筒状的筒状部和安装于该筒状部的一端（图 1中的左端) 的底部。在上述底部，在壳体 1的径向（即图 1中的上下方向）内周侧设有作为轴承设置部的轴承孔 hl。后端盖 lb大致呈帽状，安装在壳体主体 la的底部而覆盖该底部。前端盖 lc大致呈板状，安装在壳体主体 la的开口部（图 1中的壳体主体 la的右端部）以堵住该开口部。另外，在前端盖 lc的径向内周侧也设有作为轴承设置部的轴承孔 h2。在组装状态下，在壳体 1内形成大致封闭的收容空间 A，该收容空间 A用于收容定子 2 和转子 3。如图 1所示，定子 2的绕组 2a固接在壳体主体 la的轴向大致中间部的内周侧。在主体壳体 la的底部的轴承孔 hi内设有配对安装的角接触轴承。另外，在前端盖 lc的轴承孔 h2内也设有配对安装的角接触轴承。借助上述轴承，转子 3以能自由旋转的方式与上述绕组 2a的内周隔开规定间隙地支承在壳体主体 la上。在本发明中，在各轴承孔 hl、 h2内填充有润滑脂，该润滑脂是聚脲全合成脂，其主要成分是基础油，并含有纳米抗磨添加剂。其中，作为基础油，可选择植物油、动物油、矿物油及合成油中的任一种，作为纳米抗磨添加剂的添加比例，最好选择润滑脂总重量的 3〜8 %。如图 1所示，在前端盖 lc的右侧以覆盖其轴承孔 h2的方式设有迷宫式密封结构 4，该密封式密封结构 4为多道次的迷宫式密封结构，由半截面呈大致 C字状的外侧密封部件 4a和半截面呈大致 L字状的内侧密封部件 4b构成。在将外侧密封部件 4a与内侧密封部件 4b组合成一体时，在该外侧密封部件 4a和内侧密封部件 4b的对接面之间形成通路 4c，该通路 4c的一端在大气中开口。另外，在内侧密封部件 4b的一部分（图 1的上侧部分）形成有通路 4d。该通路 4d大致沿壳体 1的径向直线延伸，其一端在内侧密封部件 4b的左侧端面开口，另一端在内侧密封部件 4b的内周侧开口。另外，在本发明中，在前端盖 lc上沿壳体 1的轴向贯穿地设有通孔 Id, 即通孔 Id在前端盖 lc的两端面上开口，该通孔 Id与上述收容空间 A连通。在内侧密封部件 4b安装在前端盖 lc的右侧端面上并在该内侧密封部件 4b上安装外侧密封部件 4a时，通孔 Id与通路 4d连通，而通路 4d又与通路 4c连通。藉此，上述收容空间 A便与电主轴外部的大气连通，能消除上述收容空间 A内形成的负压。如上所述，在本发明中，在前端盖 lc上设置有与收容空间 A连通的通孔 ld，该通孔 Id经由密封式密封结构 4具有的通路 4d、通路 4c而与大气连通，因此，在将本发明的电主轴安装于轴承磨床等装置并使电主轴高速旋转时，即使存在大量的磨削冷却液等冷却液的喷射、溅射，冷却液里含有磨削铁屑、砂轮的脱粒及杂物，冷却液所含的磨削铁屑、砂轮的脱粒及杂物也不会被吸入迷宫式密封结构中，更不会进入比迷宫式密封结构更靠电主轴内侧的轴承中。藉此，便能避免轴承受力发生变化，使主轴产生异音，甚至于停转的问题。另外，在本发明中，

效解决冷却液的侵入。上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明的具体实现并不受上述实施方式的限制。在上述实施方式中，迷宫式密封结构由外侧密封部件 4a和内侧密封部件 4b这两个部件构成，但并不限定于此，密封式密封结构也可由一个部件构成。在上述实施方式中，设置在内侧密封部件 4b上的通路 4d大致沿壳体 1的径向直线延伸，但并不限定于此，通路 4d可采用各种形状。在上述实施方式中，本发明的高速电主轴包括角接触轴承，但并不限定于此，亦可包括磁悬浮轴承，油基动静压轴承，空气动静压轴承，深沟球轴承，角接触滚子轴承，及径向短圆柱轴承等来代替角接触轴承。另外，在上述实施方式中，将本发明的高速电主轴应用于轴承磨床，但并不限定于此，也可应用于高速铣床、高速车床等其它高速机床。下面，结合附图来简单说明多道次迷宫式密封结构在避免杂质颗粒物混入电主轴的轴承方面的作用。图 2〜图 5分别是用于说明轴承工作状态的图，其中，图 2是没有密封的轴承工作状态，图 3是单密封的轴承工作状态，图 4是简单迷宫式密封的工作状态，图 5是多道次迷宫式密封结构示意图。由图 2〜图 5可知，采用多道次的迷宫式密封结构时，能够有效避免杂质颗粒物混入电主轴的轴承，从而延长电主轴的寿命。下面，基于实施例来说明纳米抗磨添加剂含量对电主轴的影响以及多道次迷宫式密封结构的通路大小对电主轴寿命的影响。顺便提一下，以下所称纳米抗磨添加剂的含量，指其重量占所述润滑脂的总重量的百分比。实施例 1 使用基础油作为主要成分的聚脲全合成脂，含有纳米抗磨添加剂 2%, 观察到润滑度不够，电主轴温度得不到有效控制。实施例 2 使用基础油作为主要成分的聚脲全合成脂，含有纳米抗磨添加剂 3%，观察到电主轴温度得到有效控制，温度维持在 139度。实施例 3 使用基础油作为主要成分的聚脲全合成脂，含有纳米抗磨添加剂 6%，观察到电主轴温度得到有效控制，温度维持在 103度。实施例 4 使用基础油作为主要成分的聚脲全合成脂，含有纳米抗磨添加剂 8%，观察到电主轴温度得到有效控制，温度维持在 133度。实施例 5 使用基础油作为主要成分的聚脲全合成脂，含有纳米抗磨添加剂 10%，观察到纳米材料造成团聚，打碎后充分搅拌， 2小时后，再次发生团聚。团聚后的纳米颗粒，引起轴承噪音增大，振动值上升，电主轴温度得不到有效控制。实施例 6 使用基础油作为主要成分的聚脲全合成脂，含有纳米抗磨添加剂 6%，电主轴设计寿命为 400小时，使用图 5所示的多道次迷宫式密封结构，通路 4c的大小为 0.05mm，未观察到冷却液进入轴承，电主轴运行过程中发生数次碰撞，实际寿命为 451小时。实施例 7 使用基础油作为主要成分的聚脲全合成脂，含有纳米抗磨添加剂 6%，电主轴设计寿命为 400小时，使用图 5所示的多道次迷宫式密封结构，通路 4c的大小为 O. lOmm, 未观察到冷却液进入轴承，电主轴运行过程中不发生碰撞，实际寿命为 912小时。实施例 8 使用基础油作为主要成分的聚脲全合成脂，含有纳米抗磨添加剂 6%，电主轴设计寿命为 400小时，使用图 5所示的多道次迷宫式密封结构，通路 4c的大小为 0.15mm，未观察到冷却液进入轴承，电主轴运行过程中不发生碰撞，实际寿命为 2036小时。使用基础油作为主要成分的聚脲全合成脂，含有纳米抗磨添加剂

6%，电主轴设计寿命为 400小时，使用图 5所示的多道次迷宫式密封结构，通路 4c的大小为 0.20mm，未观察到冷却液进入轴承，电主轴运行过程中不发生碰撞，实际寿命为 986小时。实施例 10 使用基础油作为主要成分的聚脲全合成脂，含有纳米抗磨添加剂 6%，电主轴设计寿命为 400小时，使用图 5所示的多道次迷宫式密封结构，通路 4c的大小为 0.25mm，电主轴运行过程中不发生碰撞，但观察到冷却液进入轴承，达不到密封效果。实施例 11 使用基础油作为主要成分的聚脲全合成脂，含有纳米抗磨添加剂 6%，电主轴设计寿命为 400小时，使用图 4所示的简单迷宫式密封结构，通路 4c的大小为 0.15mm，未观察到冷却液进入轴承，电主轴运行过程中不发生碰撞，实际寿命为 584小时。实验结果同时表明，不使用润滑脂，而使用常规润滑技术，对电主轴寿命无明显影响，迷宫式密封结构仍然达到了预定技术效果，且多道次迷宫式密封结构比简单迷宫式密封结构具有更长的使用寿命。

Claims

1. 一种无油雾高速电主轴，其具有外壳、被该外壳的内部所形成的收容空间收容的定子及转子，利用设置于所述外壳的轴承设置部的轴承，所述转子以与所述定子隔开间隙相对的方式旋转自如地支承在所述外壳上，其特征在于，在所述轴承设置部的外侧以覆盖该轴承设置部的方式设置有迷宫式密封结构，该迷宫式密封结构具有与大气连通的通路，在所述外壳上设有通孔，该通孔的一端在所述收容空间中开口，所述通孔的另一端与所述迷宫式密封结构的所述通路连通，在所述轴承设置部填充有润滑脂，该润滑脂是将基础油作为主要成分并含有纳米抗磨添加剂的聚脲全合成脂。

2. 如权利要求 1所述的无油雾高速电主轴，其特征在于，所述迷宫式密封结构是多道次的迷宫式密封结构。

3. 如权利要求 1所述的无油雾高速电主轴，其特征在于，所述外壳包括外壳主体和安装在该外壳主体两端的前盖体和后端盖，在所述前端盖和所述外壳主体上分别设置有作为所述轴承设置部的轴承孔，所述迷宫式密封结构以覆盖所述前端盖的所述轴承孔的方式设置在所述前端盖的外

4. 如权利要求 1所述的无油雾高速电主轴，其特征在于，所述迷宫式密封结构包括外侧密封部件和内侧密封部件，所述内侧密封部件以覆盖所述轴承设置部的方式安装在所述轴承设置部的外侧，所述外侧密封部件以覆盖所述内侧密封部件的方式安装在所述内侧密封部件的外侧，所述通路由相互连通的第一通路和第二通路构成，所述第一通路形成在所述内侧密封部件上，所述第二通路由在所述内侧密封部件和所述外侧密封部件的对接面之间形成的间隙构成，且一端在大气中开口，所述通孔的所述另一端在所述第一通路中开口。

5. 如权利要求 3所述的无油雾高速电主轴，其特征在于，所述迷宫式密封结构包括外侧密封部件和内侧密封部件，所述内侧密封部件以覆盖所述轴承孔的方式安装在所述轴承孔的外侧，所述外侧密封部件以覆盖所述内侧密封部件的方式安装在所述内侧密封部件的外侧，所述通路由相互连通的第一通路和第二通路构成，所述第一通路形成在所述内侧密封部件上，所述第二通路由在所述内侧密封部件和所述外侧密封部件的对接面之间形成的间隙构成，且一端在大气中开口，所述通孔的所述另一端在所述第一通路中开口。

6. 如权利要求 1的无油雾高速电主轴，其特征在于，所述轴承选自角接触轴承、深沟球轴承、角接触滚子轴承及径向短圆柱轴承。

7. 如权利要求 1所述的无油雾高速电主轴，其特征在于，所述通路和通孔的直径为 0.10〜0.20mm。

8. 如权利要求 1所述的无油雾高速电主轴，其特征在于，所述基础油是植物油、动物油、矿物油及合成油中的任一种。

9. 如权利要求 1的无油雾高速电主轴，其特征在于，所述纳米抗磨添加剂为纳米铜颗粒。

10. 如权利要求 1所述的无油雾高速电主轴，其特征在于，所述纳米抗磨添加剂的重量占所述润滑脂的总重量的 3〜 8 %。