專利名稱：一種高精度高速電主軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種電主軸，特別是涉及ー種高精度高速電主軸。
背景技術(shù)：
高速主軸單元是高速加工機(jī)床最為關(guān)鍵的部件。高速主軸單元的類型主要有電主軸、氣動主軸、水動主軸。不同類型輸出功率相差較大,高速加工機(jī)床主軸需在極短的時間內(nèi)實現(xiàn)升降速，并在指定位置快速準(zhǔn)停。這就要求主軸有很高的角減速度和角加速度。如果通過皮帶等中間環(huán)節(jié)，不僅會在高速狀態(tài)打滑、產(chǎn)生振動和噪音，而且增加轉(zhuǎn)動慣量，給機(jī)床快速準(zhǔn)停造成很大困難。目前，多數(shù)高速機(jī)床主軸采用內(nèi)裝式主軸電機(jī)一體化的主軸單元，即所謂內(nèi)裝式電機(jī)主軸(Build-in MotorSpindle),簡稱“電主軸”。它采用無外殼電機(jī)，將帶有冷卻套的電機(jī)定子裝配在電主軸単元的殼體內(nèi)，轉(zhuǎn)子和機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)部件做成一體，主軸的變速范圍完全由變頻交流電機(jī)控制，使變頻電機(jī)和機(jī)床主軸合ニ為一。 高速電主軸的核心支承部件是高速精密軸承。因電主軸的最高轉(zhuǎn)速取決于軸承的大小、布置和潤滑方法，所以這種軸承必須具有高速性能好、動負(fù)荷承載能力高、潤滑性能好、發(fā)熱量小等優(yōu)點。目前，用在高速主軸上的軸承主要有角接觸球軸承、磁懸浮軸承、水基動靜壓軸承、空氣動靜壓軸承等。磁懸浮軸承由于價格昂貴，控制系統(tǒng)復(fù)雜，發(fā)熱問題難以解決，因而還無法在高速主軸單元上推廣應(yīng)用。水基靜壓軸承是利用水具有熱容量較大、軸承溫升較小的特點，部分解決了普通動、靜壓軸承發(fā)熱嚴(yán)重的問題，主要用在低速重載場合?？諝鈩屿o壓軸承高速性能好，但徑向剛度低并有沖擊。角接觸球軸承dn值在2. OX IO6以下的高速主軸單元中應(yīng)用，無論是速度極限、承載能力、剛度、精度等各方面均能很好地滿足要求，但普通的全鋼滾珠的角接觸器軸承，在高速作用下，全鋼滾珠上的離心カ和陀螺力矩增大，離心カ增大會增加滾珠和滾道間的摩擦，而陀螺カ矩增大則會使?jié)L珠和滾道間產(chǎn)生滑動摩擦，使軸承摩擦發(fā)熱加劇，因而降低軸承的壽命。此外，為了提高軸承的剛度，抑制振動及高速回轉(zhuǎn)時滾珠公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的滑動，提高軸的回轉(zhuǎn)精度等，在主軸上使用的滾動軸承均需預(yù)紫。預(yù)緊的方式主要有恒位置預(yù)緊和恒力預(yù)緊。恒位置預(yù)緊是將軸承內(nèi)外圈在軸向固定，以初始預(yù)緊量確定其相對位置，運轉(zhuǎn)過程中預(yù)緊量不能自動調(diào)節(jié)。隨著轉(zhuǎn)速的提高，軸承滾子發(fā)熱膨脹、內(nèi)外圈溫差増大、滾子受離心カ及軸承座的變形等因素影響，使軸承預(yù)緊カ急劇增加，這是超高速主軸軸承破壞的主要原因，一般應(yīng)用在dn值小于2. OX IO6的高速主軸上。恒カ預(yù)緊是ー種利用彈簧或者液壓系統(tǒng)對軸承實現(xiàn)預(yù)緊的方式。在高速運轉(zhuǎn)中，彈簧或液壓系統(tǒng)能吸收引起軸承預(yù)緊カ増加的過盈量，以保持軸承預(yù)緊カ不變，這對超高速主軸特別有利。但在低速重切削條件下，由于預(yù)緊結(jié)構(gòu)的變形會影響主軸的剛性，所以恒カ預(yù)緊一般只能用在超高速、載荷較輕的電主軸上。有鑒于此，本發(fā)明人對此進(jìn)行研究，專門開發(fā)出ー種高精度高速電主軸，本案由此產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種軸承使用壽命長、回轉(zhuǎn)精度高的高速電主軸。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的解決方案是
ー種高精度高速電主軸，包括軸殼，以及安裝在軸殼內(nèi)的主軸，主軸的兩端分別套設(shè)有軸承，主軸的中間套有轉(zhuǎn)子，軸殼內(nèi)還設(shè)有與轉(zhuǎn)子相對應(yīng)的定子，油霧管一端連接在軸承上，另一端與設(shè)置在軸殼上的油霧入口相連；所述高速電主軸的軸殼內(nèi)還設(shè)有冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)包括冷卻套，冷卻套安裝在定子外側(cè)，冷卻套外側(cè)環(huán)設(shè)有螺旋水槽，螺旋水槽連接冷卻管，冷卻管與安裝在軸殼的底端和頂端的冷卻液入口和冷卻液出ロ相連；上述軸承為角接觸陶瓷球軸承；所述軸承還設(shè)有恒位置預(yù)緊和恒カ預(yù)緊切換機(jī)構(gòu)。所述軸承的軸承滾珠采用陶瓷(Si3N4)材料。所述軸承的滾道上涂有TiAlN涂層，TiAlN涂層具有較大承載能力、粘合力和較高硬度，對滾道涂層可減小滾道的滾動摩擦，從而減少高速下的摩擦發(fā)熱，以提高軸承的高速 性能。上述TiAlN涂層溫度為160°C。所述定子由具有高磁導(dǎo)率的矽鋼片迭壓而成，定子內(nèi)腔帶有沖制嵌線槽。所述高速電主軸采用油霧潤滑，油霧潤滑具有潤滑和冷卻雙重作用，它以壓縮空氣為動力，通過油霧器將油液霧化并混入空氣流中，然后通過油霧入口和油霧管輸送到軸承需要潤滑的地方。當(dāng)電主軸高速旋轉(zhuǎn)時，油霧可在軸承溝道內(nèi)形成流體動カ潤滑油膜。本發(fā)明的冷卻液為水，水從冷卻液入口進(jìn)入，通過冷卻管，流入冷卻套上的螺旋水槽，再從冷卻管和冷卻液出ロ流出，用循環(huán)冷卻液體吸收和帶走電機(jī)產(chǎn)生的熱量,保持電主軸單元殼體均勻的溫度分布。上述高速電主軸工作原理高速電主軸電機(jī)的繞組相位互差120°，通以三相交流電后，三相繞組各自形成ー個正弦交變磁場，這三個對稱的交變磁場互相迭加，合成ー個強(qiáng)度不變，磁極朝一定方向恒速旋轉(zhuǎn)的磁場，磁場轉(zhuǎn)速就是電主軸的同步轉(zhuǎn)速.異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n由輸入電機(jī)定子繞組電流的頻率f和電機(jī)定子的極對數(shù)P決定(n=60f/p)。電主軸就是利用變換輸入電動機(jī)定子繞組的電流的頻率和激磁電壓來獲得各種轉(zhuǎn)速。在加速和制動過程中，通過改變頻率進(jìn)行加減速，以免電機(jī)溫升過高.由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的方向取決于輸入定子三相交流電的相序，故改變電主軸輸入電流的相序，便可改變電主軸的旋轉(zhuǎn)方向。采用上述角接觸陶瓷球軸承，因為Si3N4陶瓷材料的密度僅為軸承鋼的40%，因而這種軸承的高速性能明顯高于全鋼軸承，此外，TiAlN涂層具有較大承載能力、粘合力和較高硬度，對滾道涂層可減小滾道的滾動摩擦，從而減少高速下的摩擦發(fā)熱，以提高軸承的高速性能。采用恒位置預(yù)緊和恒カ預(yù)緊切換機(jī)構(gòu)，使高速電主軸既能適應(yīng)低速重載加工，又能適應(yīng)超高速運轉(zhuǎn)，在低速重切削吋，軸承在恒位置預(yù)緊下工作；當(dāng)高速輕切削時，系統(tǒng)可自動切換成恒カ預(yù)緊方式，以防止預(yù)緊カ増大，使軸承的高速性能得到發(fā)揮。以下結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)ー步詳細(xì)描述。


圖I為本實施例的高速電主軸結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，ー種高精度高速電主軸，包括軸殼1，以及安裝在軸殼I內(nèi)的主軸2，主軸2的兩端分別套設(shè)有軸承5，主軸2的中間套有轉(zhuǎn)子4，軸殼I內(nèi)還設(shè)有與轉(zhuǎn)子4相對應(yīng)的定子3，油霧管7 —端連接在軸承5上，另一端與設(shè)置在軸殼I上的油霧入口 71相連；所述高速電主軸的軸殼I內(nèi)還設(shè)有冷卻系統(tǒng)6，冷卻系統(tǒng)6包括冷卻套61，冷卻套61安裝在定子3外側(cè)，冷卻套61外側(cè)環(huán)設(shè)有螺旋水槽62，螺旋水槽62連接冷卻管63，冷卻管63與安裝在軸殼I底端和頂端的冷卻液入口 64和冷卻液出ロ 65相連；所述軸承5為角接觸陶瓷球軸承；所述軸承5還設(shè)有恒位置預(yù)緊和恒カ預(yù)緊切換機(jī)構(gòu)。
所述軸承5的軸承滾珠51采用陶瓷(Si3N4)材料。所述軸承5的滾道上涂有TiAlN涂層，TiAlN涂層具有較大承載能力、粘合力和較高硬度，對滾道涂層可減小滾道的滾動摩擦，從而減少高速下的摩擦發(fā)熱，以提高軸承的高速性能。上述TiAlN涂層溫度為160°C。所述定子3由具有高磁導(dǎo)率的矽鋼片迭壓而成，定子3內(nèi)腔帶有沖制嵌線槽。所述高速電主軸采用油霧潤滑，油霧潤滑具有潤滑和冷卻雙重作用，它以壓縮空氣為動力，通過油霧器將油液霧化并混入空氣流中，然后通過油霧入口 71和油霧管7輸送到軸承5需要潤滑的地方。當(dāng)電主軸高速旋轉(zhuǎn)時，油霧可在軸承溝道內(nèi)形成流體動カ潤滑油月旲。本實施例的冷卻系統(tǒng)6的冷卻液為水，水從冷卻液入口 64進(jìn)入，通過冷卻管63，流 入冷卻套61上的螺旋水槽62，再從冷卻管63和冷卻液出ロ 65流出，用循環(huán)冷卻液體吸收和帶走電機(jī)產(chǎn)生的熱量，保持電主軸單元殼體均勻的溫度分布。為加強(qiáng)冷卻效果，冷卻水的入口溫度應(yīng)嚴(yán)格控制，并有一定的壓カ和流量。冷卻系統(tǒng)6也可以采用其他冷卻液，只要能起到冷卻效果就行。上述高速電主軸工作原理高速電主軸電機(jī)的繞組相位互差120°，通以三相交流電后，三相繞組各自形成ー個正弦交變磁場，這三個對稱的交變磁場互相迭加，合成ー個強(qiáng)度不變，磁極朝一定方向恒速旋轉(zhuǎn)的磁場，磁場轉(zhuǎn)速就是電主軸的同步轉(zhuǎn)速.異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n由輸入電機(jī)定子繞組電流的頻率f和電機(jī)定子的極對數(shù)P決定(n=60f/p)。電主軸就是利用變換輸入電動機(jī)定子繞組的電流的頻率和激磁電壓來獲得各種轉(zhuǎn)速。在加速和制動過程中，通過改變頻率進(jìn)行加減速，以免電機(jī)溫升過高.由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的方向取決于輸入定子三相交流電的相序，故改變電主軸輸入電流的相序，便可改變電主軸的旋轉(zhuǎn)方向。上述實施例和圖式并非限定本發(fā)明的產(chǎn)品形態(tài)和式樣，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員對其所做的適當(dāng)變化或修飾，皆應(yīng)視為不脫離本發(fā)明的專利范疇。
權(quán)利要求
1.一種高精度高速電主軸，其特征在于包括軸殼，以及安裝在軸殼內(nèi)的主軸，主軸的兩端分別套設(shè)有軸承，主軸的中間套有轉(zhuǎn)子，軸殼內(nèi)還設(shè)有與轉(zhuǎn)子相對應(yīng)的定子，油霧管一端連接在軸承上，另一端與設(shè)置在軸殼上的油霧入口相連；所述高速電主軸的軸殼內(nèi)還設(shè)有冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)包括冷卻套，冷卻套安裝在定子外側(cè)，冷卻套外側(cè)環(huán)設(shè)有螺旋水槽，螺旋水槽連接冷卻管，冷卻管與安裝在軸殼的底端和頂端的冷卻液入口和冷卻液出口相連；上述軸承為角接觸陶瓷球軸承；所述軸承還設(shè)有恒位置預(yù)緊和恒力預(yù)緊切換機(jī)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求I所述的一種高精度高速電主軸，其特征在于所述軸承的軸承滾珠采用陶瓷(Si3N4)材料。
3.如權(quán)利要求2所述的一種高精度高速電主軸，其特征在于所述軸承的滾道上涂有TiAlN涂層。
4.如權(quán)利要求3所述的一種高精度高速電主軸，其特征在于所述TiAlN涂層溫度為160。。。
5.如權(quán)利要求I所述的一種高精度高速電主軸，其特征在于所述定子由具有高磁導(dǎo)率的矽鋼片迭壓而成，定子內(nèi)腔帶有沖制嵌線槽。
6.如權(quán)利要求I所述的一種高精度高速電主軸,其特征在于所述高速電主軸采用油霧潤滑。
7.如權(quán)利要求I所述的一種高精度高速電主軸，其特征在于所述冷卻系統(tǒng)的冷卻液為水，水從冷卻液入口進(jìn)入，通過冷卻管，流入冷卻套上的螺旋水槽，再從冷卻管和冷卻液出口流出。
全文摘要
本發(fā)明公開一種高精度高速電主軸，包括軸殼，以及安裝在軸殼內(nèi)的主軸，主軸的兩端分別套設(shè)有軸承，主軸的中間套有轉(zhuǎn)子，軸殼內(nèi)還設(shè)有與轉(zhuǎn)子相對應(yīng)的定子，油霧管一端連接在軸承上，另一端與設(shè)置在軸殼上的油霧入口相連；所述高速電主軸的軸殼內(nèi)還設(shè)有冷卻系統(tǒng)；所述軸承為角接觸陶瓷球軸承，可減少高速下的摩擦發(fā)熱，以提高軸承的高速性能。所述軸承還設(shè)有恒位置預(yù)緊和恒力預(yù)緊切換機(jī)構(gòu)，使高速電主軸既能適應(yīng)低速重載加工，又能適應(yīng)超高速運轉(zhuǎn)。
文檔編號B23Q11/12GK102794469SQ201210317130
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者張新華, 張若煜 申請人:紹興文理學(xué)院