CN110961662B - 电主轴及数控设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电主轴，包括有主轴轴芯、主轴轴承和多个微型轴承，所述主轴轴芯呈中空设置，所述主轴轴承套设于所述主轴轴芯内，所述主轴轴承的轴承外圈与所述主轴轴芯固定连接，多个所述微型轴承活动连接于所述主轴轴芯上，所述微型轴承的外径小于所述主轴轴芯的外径，该电主轴，不仅能够有效的解决电主轴径向刚度不足以及主轴极限转速受限于轴承的行业难题，同时还能避免主轴高转速下由拉刀结构引起的振动问题。

Description

电主轴及数控设备

技术领域

本发明涉及数控设备或数控机床领域技术领域，特别是涉及一种电主轴及数控设备。

背景技术

目前电主轴行业限制主轴极限转速提升最主要的因素对象是轴承。随着主轴转速的增加，轴承滚珠的离心力与陀螺力矩迅速增大，内/外圈轨道表面接触应力迅速升高，如果接触应力超过一定值，使用寿命将急剧减小。主轴电机随着尺寸的增大可以提供更高的功率与转矩,然而主轴轴承因接触应力限制所能达到的极限转速远远低于电机所能提供的最高转速。

轴承受滚动体与内外圈接触应力的限制,其直径（包括内径与外径）与极限转速存在一一对应关系：轴承直径小，其极限转速高，轴承直径大，其极限转速低；随着轴承直径的增大，其极限转速下降幅度增加。

发明内容

该电主轴，不仅能够有效的解决电主轴径向刚度不足以及主轴极限转速受限于轴承的行业难题，同时还能避免主轴高转速下由拉刀结构引起的振动问题。

本发明实施例提供一种电主轴，包括有主轴轴芯、主轴轴承和多个微型轴承，所述主轴轴芯呈中空设置，所述主轴轴承套设于所述主轴轴芯内，所述主轴轴承的轴承外圈与所述主轴轴芯固定连接，多个所述微型轴承活动连接于所述主轴轴芯上，所述微型轴承的外径小于所述主轴轴芯的外径。

微型轴承起支撑作用，直径小于主轴直径时,自身达到的极限转速较高。相比于直径大于主轴直径的情况，由于极限转速与轴承直径的非线性变化规律，其支撑接触面的线速度反而会得到一定的提升；同时主轴刚性增加，弯曲变形减小，固有频率提升，不易发生共振；另一方面可提高接触面的润滑效果，减少润滑油的泄漏与污染，更有利于装配与调节。

主轴与轴承接触面线速度均为V

主轴转速ω1，主轴半径r1

支撑轴承转速ω2，支撑轴承半径r2

由动运学关系式，可知

V=r1·ω1=r2·ω2

进一步的，所述主轴轴芯的尾端还设置有连接法兰，多个所述微型轴承活动连接于所述连接法兰和主轴轴芯之间。

进一步的，多个所述微型轴承滚动还连接于所述主轴轴芯前端的外周壁上。

进一步的，还包括有拉刀结构，所述所述拉刀结构固定于所述主轴轴芯的前端。

进一步的，还包括有轴套和冷却套，所述轴套呈中空设置，所述冷却套固定于所述轴套的内壁上，所述主轴轴芯套设所述轴套内，所述轴套上还开设有与所述冷却套连通的输入冷却槽和输出冷却槽，所述输入冷却槽、冷却套和输出冷却槽之间形成冷却回路。

进一步的，还包括有润滑装置，所述润滑装置通过连接法兰固定于所述轴套的端面上，所述润滑装置上开设有用于给主轴轴承添加润滑油的第一进油槽，所述轴套上还开设有用于给所述微型轴承添加润滑油的多个第二进油槽和单个回油槽，多个所述第二进油槽和单个回油槽之间形成润滑回路。

进一步的，所述主轴轴承上固定有轴承隔环，所述轴承隔环上开设第一润滑通道，所述主轴轴承内套设有第二轴芯，所述主轴轴承的轴承内圈与所述第二轴芯固定连接，所述第二轴芯上开设有与所述第一润滑通道连通的第二润滑通道，所述第二润滑通道与所述第一进油槽连通。

进一步的，所述主轴轴承为密封结构，所述主轴轴承包覆于所述第二轴芯的外围。

进一步的，所述润滑装置包括有油缸、活塞、顶杆和后端盖，所述活塞固定于所述油缸内且能够相对于所述油缸左右移动，所述顶杆的一端固定于所述活塞上，另一端贯穿于所述连接法兰延伸至所述第二轴芯内，所述油缸固定于所述后端盖上，所述后端盖固定于所述连接法兰上，所述第一进油槽开设于所述后端盖上。

进一步的，所述微型轴承包括有支撑轴承、支撑轴承轴芯、锁紧螺母和固定螺母，所述支撑轴承套设与所述支撑轴承轴芯上，所述锁紧螺母位于所述支撑轴承的一端且与所述支撑轴承固定连接，所述固定螺母远离所述锁紧螺母的一端与所述支撑轴承轴芯固定连接。

进一步的，所述支撑轴承上设置有导油槽，所述导油槽分别与多个所述第二进油槽和回油槽相互连通。

进一步的，所述主轴轴芯与所述轴套的结合处固定连接有用于保证主轴前端不受切削液影响的密封件。

所述密封件与所述主轴轴芯螺纹连接且能够相对所述主轴轴芯左右移动，所述密封件的外圆面呈弧形设置。

本发明实施例还提供一种数控设备，包括有上述电主轴。

与现有技术相比本发明的有益效果如下：由于将主轴轴承设置主轴轴芯内腔内，不仅能够有效的减小了轴承尺寸，提高了轴承极限转速，提高了主轴最高转速；并且在主轴轴芯前端的外周壁上和连接法兰之间增设起支撑作用的多个微型轴承，提高了主轴的径向刚度，扩大了主轴加工能力与范围，使具有该结构的主轴应用到更多类型的机床上。

附图说明

利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明的一种电主轴的结构示意图。

图2是图1中A-A向剖视结构示意图。

图3是图2中B部的放大图。

图4是本发明的一种电主轴的立体结构示意图。

图5是本发明的主轴轴芯、微型轴承和连接法兰的立体结构示意图。

图6是本发明中微型轴承的剖视图。

图7是本发明中电主轴油气润滑时的润滑示意图。

图8是本发明中电主轴冷却时的冷却示意图。

图中包括有：主轴轴芯1、主轴轴承2、轴承隔环21、第一润滑通道22、第二润滑通道23、拉刀结构3、微型轴承4、固定螺母41、支撑轴承轴芯42、支撑轴承43、锁紧螺母44、连接法兰5、轴套6、冷却套7、输入冷却槽71、输出冷却槽72、润滑装置8、油缸81、活塞82、后端盖83、顶杆84、顶杆滑块85、第一进油槽86、第二进油槽87、回油槽88、第二轴芯9、密封件10、锁紧螺栓11、编码器12、编码器固定环13、电机转子14、电机定子15、拉杆定位环16、平端紧定螺钉17、拉杆18、碟簧组19、碟簧组隔环191、碟簧限位环192。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1：

如图1-5所示，本发明实施例提供一种电主轴，包括有主轴轴芯1、主轴轴承2、拉刀结构3和多个微型轴承4，主轴轴芯1呈中空设置，主轴轴承2套设与主轴轴芯1内，主轴轴承2的轴承外圈与主轴轴芯1固定连接，拉刀结构3固定于主轴轴芯1的前端，多个微型轴承4滚动连接于主轴轴芯1前端的外周壁上，主轴轴芯1远离拉刀结构3的一端设置有连接法兰5，多个微型轴承4还活动连接于连接法兰5和主轴轴芯1之间，微型轴承4的外径小于所述主轴轴芯1的外径，由于将主轴轴承2设置主轴轴芯1内腔内，不仅能够有效的减小了轴承尺寸，提高了轴承极限转速，提高了主轴最高转速；并且在主轴轴芯1前端的外周壁上和连接法兰5之间增设起支撑作用的多个微型轴承4，提高了主轴的径向刚度，扩大了主轴加工能力与范围，使具有该结构的主轴应用到更多类型的机床上；同时由于将主轴拉刀结构3置于主轴轴承2前端，节省了主轴轴芯1内腔的使用空间，使主轴结构更加紧凑，同时减小了传动链，使由拉刀结构3引起的振动源进一步降低。

还包括有电机转子14、电机定子15、拉杆18、拉杆定位环16、平端紧定螺钉17、碟簧组19、碟簧组隔环191、碟簧限位环192，电子转子14固定于主轴轴芯1上，电机定子15固定于电子转子14上；拉杆18固定于主轴轴芯1前端，拉杆定位环16和平端紧定螺钉17固定于拉杆18两端，碟簧组19固定于电子转子14上，碟簧组隔环191和碟簧限位环192固定于碟簧组19两端。

在优选实施例中，所述主轴轴承2为密封结构，所述主轴轴承2包覆于所述主轴轴芯1的外围，保证主轴轴承2前端不受切削液的影响。

在优选实施例中，还包括有轴套6和冷却套7，轴套6呈中空设置，冷却套7固定于轴套6的内壁上，主轴轴芯1套设轴套6内，轴套6上还开设有与冷却套7连通的输入冷却槽71和输出冷却槽72，输入冷却槽71、冷却套7和输出冷却槽72之间形成冷却回路。

在优选实施例中，还包括有润滑装置8，润滑装置8通过连接法兰5固定于轴套6的端面上，润滑装置8上开设有用于给主轴轴承2添加润滑油的第一进油槽86，轴套6上还开设有用于给多个微型轴承4添加润滑油多个第二进油槽87和单个回油槽88，多个第二进油槽87和回油槽88之间形成润滑回路，进一步的，还可以使用油脂润滑方式。

在优选实施例中，主轴轴承2上固定有轴承隔环21，轴承隔环21上开设第一润滑通道22，主轴轴承2设置有两组，优选背对背形式的角接触球轴承组，第二轴芯9套设与两个主轴轴承2之间，两个主轴轴承2的一侧还设置有与第二轴芯9固定连接的用于限定主轴轴承2位置的锁紧螺栓11，主轴轴承2的轴承内圈与第二轴芯9固定连接，第二轴芯9上开设有于第一润滑通道22连通的第二润滑通道23，第二润滑通道22与第一进油槽86连通。

在优选实施例中，润滑装置8包括有油缸81、活塞82、顶杆84和后端盖83，活塞82固定于油缸81内且能够相对于油缸81左右移动，顶杆84的一端固定于活塞82上，另一端贯穿于连接法兰5延伸至第二轴芯9内，油缸81固定于后端盖83上，后端盖83固定于连接法兰5上，第一进油槽86开设于后端盖83上，顶杆84与第二轴芯9之间还设置有顶杆滑块85。

在优选实施例中，微型轴承4包括有支撑轴承43、支撑轴承轴芯42、锁紧螺母44和固定螺母41，支撑轴承43套设与支撑轴承轴芯42上，锁紧螺母44位于支撑轴承43的一端且与支撑轴承43固定连接，固定螺母41远离锁紧螺母44的一端与支撑轴承轴芯42固定连接。

主轴轴芯末端与微型轴承4之间还设置有编码器固定环13，编码器固定环13上设置有与编码器固定环13固定连接的编码器12。

在优选实施例中，支撑轴承43上设置有导油槽，导油槽分别与多个进油槽87和回油槽88相互连通。

在优选实施例中，主轴轴芯1与轴套6的结合处固定连接有用于保证主轴前端不受切削液影响的密封件10。

在优选实施例中，密封件10与主轴轴芯1螺纹连接且能够相对主轴轴芯1左右移动，密封件10的外圆面呈弧形设置。

在优选实施例中，拉刀结构3包括有拉爪组件32和刀柄31，刀柄31固定于拉爪组件32的一端，

本实施例还提供一种电机，包括有上述电主轴，可使用在高速加工中心机床上。

本实施例中一种电主轴的装配方式如下：

首先组装第二轴芯9组件：依次将第一颗主轴轴承2、前轴承隔环21、主轴轴承2按顺序套设于第二轴芯9前端，然后将第一锁紧螺母44拧紧，对前轴承组进行预紧；接着依次将第二颗主轴轴承2、后轴承隔环21按顺序套设于第二轴芯9后端，然后将第二锁紧螺母44拧紧，对两颗主轴轴承2组进行预紧。

利用热胀法将主轴轴芯1内腔安装轴承部位进行预热，将上一步装配好的第二轴芯9组件整体套设于主轴轴芯1内腔，使前/后轴承外圈与轴芯过盈配合。在主轴运转条件下，前/后轴承外圈与轴芯一同运转，内圈与第二轴芯9一同固连与连接法兰5保持静止状态。

将电机转子14套设于电机定子15上，两者固连后，将固连后的电机转子组件套设于轴芯中部，使电机转子组件与轴芯固连。

将编码器套12设于编码器固定环13上，两者固连后，将固连后的编码器12组件套设于主轴轴芯1后端，通过定位螺钉使编码器12组件与主轴轴芯1固连。

在顶杆84前、中、后三个位置固定顶杆滑块85，滑块与第二轴芯9间隙配合，可沿第二轴芯9轴向滑动；将带有顶杆滑块85的顶杆84组件从顶杆84滑块内腔前端向后端装入到合适位置。将碟簧限位环192与拉杆18固连，依次将碟簧组19后段、碟簧组隔环191、碟簧组19前段及拉杆定位环16套入拉杆18，再将套入后的拉杆18组件从主轴轴芯1前端装入，直到碟簧限位环192靠紧主轴轴芯1内腔的凸台。对拉杆18定位环施加轴向作用力，直到拉杆定位环16径向孔与轴芯径向孔同心，此时拧入平端紧定螺钉17，将主轴轴芯1与拉杆定位环16固连。固连后装入拉爪组件32。

顶杆84可沿碟簧限位环192内表面轴向滑合，顶杆84受主轴后端液压活塞82轴向力作用，将拉杆18向主轴前端轴向移动，同时拉杆18带动碟簧限位环192作用于碟簧组19，使碟簧组19压缩，积累弹性势能，当顶杆84轴向作用国消失后，碟簧组19弹性势能释放，通过碟簧限位环192带动拉杆18轴向回复，从而使拉爪组件32产生拉刀力，对刀柄31进行锁紧。

将第二支撑轴承43组件套设于连接法兰5上，利用螺母使两者固连。将固连后的连接法兰5组件同时套入组装好的第二轴芯9及顶杆84，利用连接法兰5的定位工艺孔周向调整连接法兰5周向位置，使连接法兰5的油气润滑流道连通第二轴芯9流道。利用螺钉将连接法兰5与第二轴芯9固连。

将第一支撑轴承43组件套设于轴套6上，利用螺母使两者固连。将电机定子套设于冷却套7上，两者固连后，将固连后的电机定子组件套设于轴套6上，利用径向紧定螺钉将电机定子组件与轴套6固连。将固连后的轴套6组件从轴芯前端套入，与连接法兰5凸台面小间隙配合，利用螺钉将轴套6组件与连接法兰5固连。

在主轴前端拧紧前密封环10，使前密封环10与轴套6形成一定的密封间隙δ1与δ2，密封件10与轴芯螺纹副固连，可调节前密封轴向密封间隙（δ2）。

松拉刀时，油压推动顶杆84轴向作用即可完成主轴轴芯1前端刀柄31的换刀动作。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处在于：取消多个微型轴承4滚动连接于主轴轴芯1前端的外周壁上，仅仅保留多个微型轴承4还活动连接于连接法兰5和主轴轴芯1之间，同时多个微型轴承4的数量可以更具具体情况进行增减。

本实施例的好处是：可以提高了主轴的径向刚度，扩大了主轴加工能力与范围，使具有该结构的主轴应用到更多类型的机床上。

与现有技术相比本发明的有益效果如下：由于将主轴轴承设置主轴轴芯内腔内，不仅能够有效的减小了轴承尺寸，提高了轴承极限转速，提高了主轴最高转速；并且在主轴轴芯前端的外周壁上和连接法兰之间增设起支撑作用的多个微型轴承，提高了主轴的径向刚度，扩大了主轴加工能力与范围，使具有该结构的主轴应用到更多类型的机床上；同时由于将主轴拉刀结构置于主轴前端，节省了主轴轴芯内腔的使用空间，使主轴结构更加紧凑，同时减小了传动链，使由拉刀结构引起的振动源进一步降低。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (13)

1.一种电主轴，其特征在于：包括有主轴轴芯、主轴轴承和多个微型轴承，所述主轴轴芯呈中空设置，所述主轴轴承套设于所述主轴轴芯内，所述主轴轴承的轴承外圈与所述主轴轴芯固定连接，多个所述微型轴承滚动连接于所述主轴轴芯上，所述微型轴承的外径小于所述主轴轴芯的外径。

2.如权利要求1所述的一种电主轴，其特征在于：所述主轴轴芯的尾端还设置有连接法兰，多个所述微型轴承活动连接于所述连接法兰和主轴轴芯之间。

3.如权利要求2所述的一种电主轴，其特征在于：多个所述微型轴承还活动连接于所述主轴轴芯前端的外周壁上。

4.如权利要求1所述的一种电主轴，其特征在于：还包括有拉刀结构，所述所述拉刀结构固定于所述主轴轴芯的前端。

5.如权利要求1所述的一种电主轴，其特征在于：还包括有轴套和冷却套，所述轴套呈中空设置，所述冷却套固定于所述轴套的内壁上，所述主轴轴芯套设所述轴套内，所述轴套上还开设有与所述冷却套连通的输入冷却槽和输出冷却槽，所述输入冷却槽、冷却套和输出冷却槽之间形成冷却回路。

6.如权利要求5所述的一种电主轴，其特征在于：还包括有润滑装置，所述润滑装置通过连接法兰固定于所述轴套的端面上，所述润滑装置上开设有用于给主轴轴承添加润滑油的第一进油槽，所述轴套上还开设有用于给所述微型轴承添加润滑油的多个第二进油槽和单个回油槽，多个所述第二进油槽和单个回油槽之间形成润滑回路。

7.如权利要求6所述的一种电主轴，其特征在于：所述主轴轴承上固定有轴承隔环，所述轴承隔环上开设第一润滑通道，所述主轴轴承内套设有第二轴芯，所述主轴轴承的轴承内圈与所述第二轴芯固定连接，所述第二轴芯上开设有与所述第一润滑通道连通的第二润滑通道，所述第二润滑通道与所述第一进油槽连通。

8.如权利要求7所述的一种电主轴，其特征在于：所述主轴轴承为密封结构，所述主轴轴承包覆于所述第二轴芯的外围。

9.如权利要求7所述的一种电主轴，其特征在于：所述润滑装置包括有油缸、活塞、顶杆和后端盖，所述活塞固定于所述油缸内且能够相对于所述油缸左右移动，所述顶杆的一端固定于所述活塞上，另一端贯穿于所述连接法兰延伸至所述第二轴芯内，所述油缸固定于所述后端盖上，所述后端盖固定于所述连接法兰上，所述第一进油槽开设于所述后端盖上。

10.如权利要求6所述的一种电主轴，其特征在于：所述微型轴承包括有支撑轴承、支撑轴承轴芯、锁紧螺母和固定螺母，所述支撑轴承套设与所述支撑轴承轴芯上，所述锁紧螺母位于所述支撑轴承的一端且与所述支撑轴承固定连接，所述固定螺母远离所述锁紧螺母的一端与所述支撑轴承轴芯固定连接。

11.如权利要求10所述的一种电主轴，其特征在于：所述支撑轴承上设置有导油槽，所述导油槽分别与多个所述第二进油槽和单个所述回油槽相互连通。

12.如权利要求5所述的一种电主轴，其特征在于：所述主轴轴芯与所述轴套的结合处固定连接有用于保证主轴前端不受切削液影响的密封件；

所述密封件与所述主轴轴芯螺纹连接且能够相对所述主轴轴芯左右移动，所述密封件的外圆面呈弧形设置。

13.一种数控设备，其特征在于：所述包括有权利要求1-12中任意一项所述的电主轴。

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