CN102554280A - 带预载荷调控装置的高速电主轴 - Google Patents

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李松生
陈斌
陈剑
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Abstract

本发明公开了一种带预载荷调控装置的高速电主轴，它包括转轴、外壳、内装电机和支承轴承，电主轴外壳由轴壳、前轴承座、后端盖构成；内装电机由内装电机转子安置在内装电机定子内构成；支承轴承由分别支撑在转轴前后端部的前轴承组和后轴承组构成；预载荷调控装置安装在锁住后端盖上，对支撑轴承施加可动态调控的轴向载荷。本发明通过预载荷调节装置，实时和动态的调节与控制电主轴轴承轴向预载荷，可以达到在运行过程中实时和动态的改变主轴轴承的支承刚度，以适应电主轴在不同转速、不同负载等各种不同工况条件下对轴承轴向预载荷的不同要求，使电主轴始终能够处于最理想的工作状态和获得最佳使用效果，减小轴承内部的发热、提高电主轴的输出特性、扩大适应工况条件的范围和延长主轴轴承的使用寿命。

Description

带预载荷调控装置的高速电主轴
技术领域
本发明涉及机电工程领域中的一种应用于数控机床的主轴单元，特别是一种带预载荷调控装置的高速电主轴。
背景技术
数控机床使用的高速电主轴是一种将刀具主轴与驱动电机集成在一起，以实现电机和主轴功能一体化的功能部件。根据机床的工况特点，当电主轴在高速和低速等不同工作状态时，作为主轴轴承的角接触球轴承所需要的轴向预紧力是不同的：在低速切削时，通常为粗加工，切削量大、电主轴受到的切削力较大，此时要求电主轴具有较大的刚度，因此需要主轴轴承的预紧力应偏大；而在高速加工时，一般为精加工，切削量很小，轴承在较小的预载荷状态下即可满足要求，同时，适当减小轴承的预载荷不仅有利于改善轴承内部的受力、延长使用寿命，还可以减少轴承内部的发热量、减少热变形对电主轴精度的影响。
目前电主轴轴承的预载荷的施加方式主要为固定施加方式，即电主轴在装配阶段就确定了轴承的预载荷，使用过程中无法进行改变和调控。这种预紧方式难以满足电主轴在不同速度、不同切削条件时对预紧力的不同大小的要求，因此需要开发一种新型带有预载荷可调装置的电主轴，使得在电主轴使用过程中能够对主轴轴承的预载荷进行实时和动态调控，进而调节电主轴的刚度、发热量等工况参数，提高电主轴在不同转速和不同工况条件下的加工性能，延长轴承使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服传统主轴轴承预紧方式的电主轴在数控机床中应用的局限性，提供了一种带预载荷调控装置的高速电主轴，实现在不同转速、不同切削条件下对主轴轴承的预载荷进行实时和动态调控，以满足目前数控机床电主轴低速重切削、高速精加工等不同转速、不同载荷等各种工况条件下对主轴轴承预载荷大小的不同要求。 
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种带预载荷调控装置的高速电主轴，包括转轴、外壳、内装电机和支承轴承，其特征在于：所述电主轴外壳由轴壳、前轴承座、后端盖构成；所述内装电机由内装电机转子安置在内装电机定子内构成；所述支承轴承由分别支撑在转轴前后端部的前轴承组和后轴承组构成；预载荷调控装置安装在锁住后端盖上，对支撑轴承施加可动态调控的轴向载荷。
上述预载荷调节装置包括接座、气压或液压缸、活塞、可轴向移动的后轴承座、直线轴承、外部调压阀和压力表。其安装连接方式：前轴承组和后轴承组分别由一组平行配置的角接触球轴承组成，所述气压或液压缸通过进气或进液孔与安装有调压阀的高压气源或液压源连接，所述接座、气压或液压缸、活塞开有通孔以连接压力表对缸内的压力进行测量显示；所述直线轴承支撑后轴承座使其可轻松地轴向移动，从而将活塞受到的轴向力通过后轴承座、后轴承组、对后轴承组轴向定位的后螺帽、转轴、对前轴承组轴向定位的前螺帽而传递至前、后轴承上，成为施加在前、后轴承组上的轴向预载荷。
上述轴承轴向预载荷为活塞所受到缸内气体或液体产生的总的向外的轴向推力，在使用时，可以通过外部调压阀调节通入缸内空气或液体的压力，即可实现对电主轴前、后轴承组轴向预载荷的大小进行实时、动态调节与控制，并且不受电主轴是否处于运行状态的限制。
在上述的电主轴中设有液体循环冷却功能，其冷却液通道设置在电主轴外壳内，实现对电主轴内装电机和轴承组的冷却，以最大可能地提高内装电机的输出功率。
本发明与现有技术相比较，具有以下突出实质性的特点和显著进步：     
(1)   通过调控装置来实时和动态调控电主轴轴承的预载荷，满足对轴承预紧力大小不同的需要和适应不同转速和载荷条件下的切削加工工况，并获得比较理想的综合动态性能。
(2)   通过对预紧力的调节和控制，可改变电主轴的***刚度、减少发热量，提高电主轴的精度和加工性能、延长使用寿命。
附图说明
图1是本发明中带预载荷调控装置的高速电主轴的一个具体实施例结构示意图。
图2是图1中预载荷调控装置结构原理图。
具体实施方式
实施例一：
参见图1，本带预载荷调控装置的高速电主轴包括转轴1、外壳、内装电机和支承轴承。所述电主轴外壳由轴壳5、前轴承座3、后端盖12构成；所述内装电机由内装电机转子4安置在内装电机定子6内构成；所述支承轴承由分别支撑在转轴1前后端部的前轴承组2和后轴承组9构成；预载荷调控装置安装在锁住后端盖12上，对支撑轴承施加可动态调控的轴向载荷。
实施例二：
参见图1和图2，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述带预载荷调控装置的高速电主轴，其预载荷调节装置包括接座11、气压或液压缸13、活塞14、可轴向移动的后轴承座10、直线轴承8、外部调压阀17和压力表18。其安装连接方式：前轴承组2和后轴承组9分别由一组平行配置的角接触球轴承组成，所述气压或液压缸13通过进气或进液孔16与安装有调压阀17的高压气源或液压源连接，所述接座11、气压或液压缸13、活塞14开有通孔以连接压力表18对缸内的压力进行测量显示；所述直线轴承8支撑后轴承座10使其可轻松地轴向移动，从而将活塞4受到的轴向力通过后轴承座10、后轴承组9、对后轴承组9轴向定位的后螺帽20、转轴1、对前轴承组2轴向定位的前螺帽19而传递至前、后轴承上，成为施加在前、后轴承组上的轴向预载荷。 
轴承轴向预载荷为活塞14所受到缸内气体或液体产生的总的向外的轴向推力，在使用时，可以通过外部调压阀17调节通入缸内空气或液体的压力，即可实现对电主轴前、后轴承组轴向预载荷的大小进行实时、动态调节与控制，并且不受电主轴是否处于运行状态的限制。
实施例三：
参见图1和图2，本带预载荷调控装置的高速电主轴结构如下：
内装电机定子6与轴壳5直接固定连接，转子4与转轴1直接固定连接，转轴1两端为两组平行配置的角接触球轴承作为前、后支承轴承2和10，前、后轴承组2和10分别由前轴承座3、前螺母19和后轴承座11、后螺母20进行轴向固定。电主轴外壳内的空腔上布置有冷却水通道7接通冷却***，对内装的电机定子6进行冷却。接座11通过螺钉与后轴承座10连接，其尾部连接活塞14，并由固定螺母15固定。
在低速粗加工时，电主轴转轴1承受的切削力较大，要求主轴轴承的预载荷较大，以提高轴承的支承刚度。此时调节调压阀17，气体或液体通过进气或进液孔16进入，气压或液压缸13内部压力增大，使活塞14受到一个较大的向外推力，活塞14通过接座11、后轴承座10将该力传递到后轴承组9上，同时经后轴承组9、后螺帽20、转轴1、前螺帽19传至前轴承组2上，使得前、后轴承组2和9所施加的轴向预载荷较大；当电主轴在高速工作时，一般为精加工，此时切削量较小，电主轴承受的切削力较小，因此要求主轴轴承的预载荷较小，通过调压阀17调小进入气或液压缸13内部气或液体的压力，使得前、后轴承组2和9上施加的预载荷较小。总之，通过预载荷调控装置，可以根据电主轴的具体转速、外载荷等不同工况条件的需要，对电主轴轴承的轴向预载荷进行实时和动态调控，在满足电主轴实际使用要求的前提下，使电主轴始终处于最佳工作状态，并减小轴承内部的发热、提高电主轴的输出特性、扩大适应工况条件的范围和延长主轴轴承的使用寿命。

Claims (3)

1.一种带预载荷调控装置的高速电主轴，包括转轴(1)、外壳、内装电机和支承轴承，其特征在于：所述电主轴外壳由轴壳(5)、前轴承座(3)、后端盖(12)构成；所述内装电机由内装电机转子(4)安置在内装电机定子(6)内构成；所述支承轴承由分别支撑在转轴(1)前后端部的前轴承组(2)和后轴承组(9)构成；预载荷调控装置安装在锁住后端盖(12)上，对支撑轴承施加可动态调控的轴向载荷。
2.根据权利1所述的带预载荷调控装置的高速电主轴，其特征在于所述预载荷调节装置包括接座(11)、气压或液压缸(13)、活塞(14)、可轴向移动的后轴承座(10)、直线轴承(8)、外部调压阀(17)和压力表(18)；其安装连接方式：前轴承组(2)和后轴承组(9)分别由一组平行配置的角接触球轴承组成，所述气压或液压缸(13)通过进气或进液孔(16)与安装有调压阀(17)的高压气源或液压源连接，所述接座(11)、气压或液压缸(13)、活塞(14)开有通孔以连接压力表(18)对缸内的压力进行测量显示；所述直线轴承(8)支撑后轴承座(10)使其可轻松地轴向移动，从而将活塞(4)受到的轴向力通过后轴承座(10)、后轴承组(9)、对后轴承组(9)轴向定位的后螺帽(20)、转轴(1)、对前轴承组(2)轴向定位的前螺帽(19)而传递至前、后轴承上，成为施加在前、后轴承组上的轴向预载荷。
3.根据权利要求2，轴承轴向预载荷为活塞(14)所受到缸内气体或液体产生的总的向外的轴向推力，在使用时，可以通过外部调压阀(17)调节通入缸内空气或液体的压力，即可实现对电主轴前、后轴承组轴向预载荷的大小进行实时、动态调节与控制，并且不受电主轴是否处于运行状态的限制。
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