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：
一種高精度高速電主軸技術(shù)領(lǐng)域[0001 ] 本實(shí)用新型涉及一種電主軸，特別是涉及一種高精度高速電主軸。
背景技術(shù)：
[0002]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(dòng)主軸、水動(dòng)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(shí)間內(nèi)實(shí)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(guò)皮帶等中間環(huán)節(jié)，不僅會(huì)在高速狀態(tài)打滑、產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，而且增加轉(zhuǎn)動(dòng)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(jiǎn)稱“電主軸”。它采用無(wú)外殼電機(jī)，將帶有冷卻套的電機(jī)定子裝配在電主軸單元的殼體內(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)床主軸合二為一。[0003]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(rùn)滑方法，所以這種軸承必須具有高速性能好、動(dòng)負(fù)荷承載能力高、潤(rùn)滑性能好、發(fā)熱量小等優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)靜壓軸承、空氣動(dòng)靜壓軸承等。磁懸浮軸承由于價(jià)格昂貴，控制系統(tǒng)復(fù)雜，發(fā)熱問(wèn)題難以解決，因而還無(wú)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(diǎn)，部分解決了普通動(dòng)、靜壓軸承發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題，主要用在低速重載場(chǎng)合。空氣動(dòng)靜壓軸承高速性能好，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(wú)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，全鋼滾珠上的離心力和陀螺力矩增大，離心力增大會(huì)增加滾珠和滾道間的摩擦，而陀螺力矩增大則會(huì)使?jié)L珠和滾道間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，使軸承摩擦發(fā)熱加劇，因而降低軸承的壽命。[0004]此外，為了提高軸承的剛度，抑制振動(dòng)及高速回轉(zhuǎn)時(shí)滾珠公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的滑動(dòng)，提高軸的回轉(zhuǎn)精度等，在主軸上使用的滾動(dòng)軸承均需預(yù)緊。預(yù)緊的方式主要有恒位置預(yù)緊和恒力預(yù)緊。[0005]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(duì)位置，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中預(yù)緊量不能自動(dòng)調(diào)節(jié)。隨著轉(zhuǎn)速的提高，軸承滾子發(fā)熱膨脹、內(nèi)外圈溫差增大、滾子受離心力及軸承座的變形等因素影響，使軸承預(yù)緊力急劇增加，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。恒力預(yù)緊是一種利用彈簧或者液壓系統(tǒng)對(duì)軸承實(shí)現(xiàn)預(yù)緊的方式。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，彈簧或液壓系統(tǒng)能吸收引起軸承預(yù)緊力增加的過(guò)盈量，以保持軸承預(yù)緊力不變，這對(duì)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(huì)影響主軸的剛性，所以恒力預(yù)緊一般只能用在超高速、載荷較輕的電主軸上。[0006]有鑒于此，本發(fā)明人對(duì)此進(jìn)行研究，專門開發(fā)出一種高精度高速電主軸，本案由此產(chǎn)生。實(shí)用新型內(nèi)容[0007]本實(shí)用新型的目的是提供一種軸承使用壽命長(zhǎng)、回轉(zhuǎn)精度高的高速電主軸。[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的解決方案是[0009]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(duì)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)。[0010]所述軸承的軸承滾珠采用陶瓷(Si3N4)材料。[0011]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(duì)滾道涂層可減小滾道的滾動(dòng)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。[0012]上述TiAlN涂層溫度為160°C。[0013]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。[0014]所述高速電主軸采用油霧潤(rùn)滑，油霧潤(rùn)滑具有潤(rùn)滑和冷卻雙重作用，它以壓縮空氣為動(dòng)力，通過(guò)油霧器將油液霧化并混入空氣流中，然后通過(guò)油霧入口和油霧管輸送到軸承需要潤(rùn)滑的地方。當(dāng)電主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，油霧可在軸承溝道內(nèi)形成流體動(dòng)力潤(rùn)滑油膜。[0015]本實(shí)用新型的冷卻液為水,水從冷卻液入口進(jìn)入,通過(guò)冷卻管,流入冷卻套上的螺旋水槽，再?gòu)睦鋮s管和冷卻液出口流出，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?dú)んw均勻的溫度分布。[0016]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，三相繞組各自形成一個(gè)正弦交變磁場(chǎng)，這三個(gè)對(duì)稱的交變磁場(chǎng)互相迭加，合成一個(gè)強(qiáng)度不變，磁極朝一定方向恒速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速就是電主軸的同步轉(zhuǎn)速.異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速η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(duì)數(shù)P決定(n=60f/p)。 電主軸就是利用變換輸入電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流的頻率和激磁電壓來(lái)獲得各種轉(zhuǎn)速。在加速和制動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)改變頻率進(jìn)行加減速，以免電機(jī)溫升過(guò)高.由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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。[0017]采用上述角接觸陶瓷球軸承，因?yàn)镾i3N4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(duì)滾道涂層可減小滾道的滾動(dòng)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。[0018]采用恒位置預(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(yùn)轉(zhuǎn)，在低速重切削時(shí)，軸承在恒位置預(yù)緊下工作；當(dāng)高速輕切削時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)切換成恒力預(yù)緊方式，以防止預(yù)緊力增大，使軸承的高速性能得到發(fā)揮。[0019]
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)描述。


[0020]圖I為本實(shí)施例的高速電主軸結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
[0021]一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(duì)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和冷卻液出口 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)緊和恒力預(yù)緊切換機(jī)構(gòu)。[0022]所述軸承5的軸承滾珠51采用陶瓷(Si3N4)材料。[0023]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(duì)滾道涂層可減小滾道的滾動(dòng)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。[0024]上述TiAlN涂層溫度為160°C。[0025]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。[0026]所述高速電主軸采用油霧潤(rùn)滑，油霧潤(rùn)滑具有潤(rùn)滑和冷卻雙重作用，它以壓縮空氣為動(dòng)力，通過(guò)油霧器將油液霧化并混入空氣流中，然后通過(guò)油霧入口 71和油霧管7輸送到軸承5需要潤(rùn)滑的地方。當(dāng)電主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，油霧可在軸承溝道內(nèi)形成流體動(dòng)力潤(rùn)滑油月旲。[0027]本實(shí)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(guò)冷卻管63，流入冷卻套61上的螺旋水槽62，再?gòu)睦鋮s管63和冷卻液出口 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?dú)んw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，并有一定的壓力和流量。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。[0028]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，三相繞組各自形成一個(gè)正弦交變磁場(chǎng)，這三個(gè)對(duì)稱的交變磁場(chǎng)互相迭加，合成一個(gè)強(qiáng)度不變，磁極朝一定方向恒速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速就是電主軸的同步轉(zhuǎn)速.異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速η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(duì)數(shù)P決定(n=60f/p)。 電主軸就是利用變換輸入電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流的頻率和激磁電壓來(lái)獲得各種轉(zhuǎn)速。在加速和制動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)改變頻率進(jìn)行加減速，以免電機(jī)溫升過(guò)高.由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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。[0029]上述實(shí)施例和圖式并非限定本實(shí)用新型的產(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(duì)其所做的適當(dāng)變化或修飾，皆應(yīng)視為不脫離本實(shí)用新型的專利范疇。
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(duì)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。
5.如權(quán)利要求I所述的一種高精度高速電主軸,其特征在于所述高速電主軸采用油霧潤(rùn)滑。
6.如權(quán)利要求I所述的一種高精度高速電主軸，其特征在于所述冷卻系統(tǒng)的冷卻液為水。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種高精度高速電主軸，屬于電主軸技術(shù)領(lǐng)域。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(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)。
文檔編號(hào)B23Q11/12GK202804200SQ20122043933
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)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(qǐng)人:紹興文理學(xué)院