CN108247535A - 一种具备自动调整轴承预紧力的数控磨床电主轴 - Google Patents

Abstract

一种具备自动调整轴承预紧力的数控磨床电主轴，针对电主轴的定转子损耗发热设计了双水冷结构，通过壳体内外两层冷却水套实现定转子的高效散热，降低定转子的发热高温对主轴及轴承的影响；针对轴承自身摩擦发热，将轴承外圈固定套设计成冷却水套结构，通过具有水冷功能的轴承外圈固定套实现轴承的高效散热，再辅以高效润滑，以降低轴承的热变形；但在更高转速情况下，水冷与润滑效果会下降，必须通过对轴承施加合适预紧力来抵消热变形影响，首先通过轴承预紧力自动调节机构的温度传感器实时监测轴承温度，并将监测到的轴承温度数据反馈给磨床数控***，再通过磨床数控***输出控制信号，使压电陶瓷柱的伸长量发生改变，用以产生合适的轴承预紧力。

Description

一种具备自动调整轴承预紧力的数控磨床电主轴

技术领域

本发明属于机床电主轴技术领域，特别是涉及一种具备自动调整轴承预紧力的数控磨床电主轴。

背景技术

最近几年越来越多的数控磨床采用了电主轴，电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、噪声低、响应快、转速高及功率大等优点，电主轴是将磨床主轴与主轴电动机融为一体的新技术，而这种将磨床主轴与主轴电动机“合二为一”的传动结构形式，有效使主轴部件从磨床的传动***和整体结构中相对独立出来，而磨床主轴则由内装式电动机直接驱动，从而把磨床主传动链的长度缩短为零，实现了磨床的“零传动”。

由于磨床的加工精度直接决定了零件的精密加工质量，同时电主轴的运行精度又直接影响磨床的加工精度，因此，想要保证零件的精密加工质量，就必须要保证电主轴的运行精度。而电主轴的运行精度则是由诸多因素共同决定的，其中之一便是轴承的预紧力，轴承作为电主轴的核心部件，轴承预紧力不但决定着轴承的性能和寿命，还会影响电主轴轴端的振动幅度，随着加工工况的变化，轴承的温度可能会快速升高，导致轴承出现热变形，而轴承的支撑精度也会随之改变，为了减小轴承支撑精度的变化幅度，通常手段就是通过弹簧提供预紧力，但是受到弹簧输出预紧力模式的限制，导致弹簧输出的预紧力是无法调节的，由于轴承预紧力无法调节，也就无法通过合适的预紧力来应对轴承的热变形。因此，现阶段采用弹簧作为预紧力施加部件的数控磨床电主轴，普遍存在转速越高则加工精度越低的情况，这严重制约了数控磨床的高速化发展。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种具备自动调整轴承预紧力的数控磨床电主轴，首次在数控磨床电主轴中引入轴承预紧力自动调节功能，同时将压电陶瓷作为预紧力输出部件，能够根据轴承的温度自动调整预紧力输出，有效保证了轴承支撑精度，为数控磨床的高速化发展提供了有力保障，同时为了进一步降低轴承的温升，还优化了电主轴的冷却和润滑结构。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种具备自动调整轴承预紧力的数控磨床电主轴，包括主轴、壳体、上端盖、下端盖、转子线圈及定子线圈；所述转子线圈固定套装在主轴中部，所述定子线圈固定安装在壳体内表面，且定子线圈与壳体之间加装有第一冷却水套，在第一冷却水套所在轴向位置处的壳体外表面加装有第二冷却水套；在所述第一冷却水套内设置有第一螺旋冷却水道，第一螺旋冷却水道进水口和第一螺旋冷却水道出水口均设置在壳体上；在所述第二冷却水套内设置有第二螺旋冷却水道，第二螺旋冷却水道进水口和第二螺旋冷却水道出水口均直接设置在第二冷却水套上；在所述第一螺旋冷却水道进水口、第一螺旋冷却水道出水口、第二螺旋冷却水道进水口及第二螺旋冷却水道出水口上均安装有冷却水接嘴；所述上端盖固装在壳体顶端筒口，所述下端盖固装在壳体底端筒口，且下端盖与壳体之间加装有转接套筒，所述主轴依次穿过转接套筒及下端盖并延伸至壳体外侧；在所述下端盖与转子线圈之间的主轴上，由下至上依次套装有第一角接触球轴承、第一轴承润滑套、第二角接触球轴承及轴承预紧力自动调节机构，第一角接触球轴承及第二角接触球轴承的内圈与主轴过盈连接，第一角接触球轴承及第二角接触球轴承的外圈通过轴承外圈第一固定套与转接套筒内表面过盈连接；所述第一轴承润滑套及轴承预紧力自动调节机构与轴承外圈第一固定套过盈连接；在所述转子线圈上方的主轴上，由下至上依次套装有转子紧固螺母、第三角接触球轴承、第二轴承润滑套、第四角接触球轴承及主轴轴向限位螺母，第三角接触球轴承及第四角接触球轴承的内圈与主轴过盈连接，第三角接触球轴承及第四角接触球轴承的外圈依次通过轴承外圈第二固定套及直线轴承与主轴滑动连接；所述第二轴承润滑套与轴承外圈第二固定套过盈连接；所述主轴轴向限位螺母螺纹固连在主轴顶端。

在所述轴承外圈第一固定套内设置有第一润滑油道，在所述转接套筒内设置有第二润滑油道，第一润滑油道的出油端与第一轴承润滑套相通，第一润滑油道的进油端与第二润滑油道的出油端相通，在第二润滑油道的进油端安装有第一润滑油接嘴。

在所述上端盖上分别安装有电主轴接线端口和第二润滑油接嘴，在所述轴承外圈第二固定套内设置有第三润滑油道，第三润滑油道的出油端同时与第二轴承润滑套和直线轴承相通，第三润滑油道的进油端与第二润滑油接嘴相连。

在所述轴承外圈第一固定套内还设置有环形冷却水槽，在所述转接套筒上分别设置有环形冷却水槽进水水道和环形冷却水槽出水水道，且环形冷却水槽进水水道和环形冷却水槽出水水道之间具有180°的夹角。

所述轴承预紧力自动调节机构包括压电陶瓷柱、压电陶瓷柱固定座、压电陶瓷柱径向定位盘、传力盘及温度传感器，压电陶瓷柱固定座、压电陶瓷柱径向定位盘及传力盘均过盈连接在轴承外圈第一固定套上；所述压电陶瓷柱数量若干，若干压电陶瓷柱在压电陶瓷柱固定座上周向均布设置；在所述压电陶瓷柱径向定位盘上开设有压电陶瓷柱定位孔，压电陶瓷柱穿过压电陶瓷柱定位孔与传力盘顶靠接触，传力盘顶靠接触在第二角接触球轴承的外圈上，所述温度传感器安装在传力盘上，压电陶瓷柱通过温度传感器反馈的温度数据调整轴向伸长量，通过调整压电陶瓷柱轴向伸长量进行轴承预紧力的自动调节。

本发明的有益效果：

本发明的具备自动调整轴承预紧力的数控磨床电主轴，首次在数控磨床电主轴中引入轴承预紧力自动调节功能，同时将压电陶瓷作为预紧力输出部件，能够根据轴承的温度自动调整预紧力输出，有效保证了轴承支撑精度，为数控磨床的高速化发展提供了有力保障，同时为了进一步降低轴承的温升，还优化了电主轴的冷却和润滑结构。

附图说明

图1为本发明的一种具备自动调整轴承预紧力的数控磨床电主轴结构示意图；

图2为图1中I部放大图；

图中，1—主轴，2—壳体，3—上端盖，4—下端盖，5—转子线圈，6—定子线圈，7—第一冷却水套，8—第二冷却水套，9—第一螺旋冷却水道，10—第一螺旋冷却水道进水口，11—第一螺旋冷却水道出水口，12—第二螺旋冷却水道，13—第二螺旋冷却水道进水口，14—第二螺旋冷却水道出水口，15—转接套筒，16—第一角接触球轴承，17—第一轴承润滑套，18—第二角接触球轴承，19—轴承预紧力自动调节机构，20—轴承外圈第一固定套，21—转子紧固螺母，22—第三角接触球轴承，23—第二轴承润滑套，24—第四角接触球轴承，25—主轴轴向限位螺母，26—轴承外圈第二固定套，27—直线轴承，28—第一润滑油道，29—第二润滑油道，30—第一润滑油接嘴，31—电主轴接线端口，32—第二润滑油接嘴，33—第三润滑油道，34—环形冷却水槽，35—环形冷却水槽进水水道，36—环形冷却水槽出水水道，37—压电陶瓷柱，38—压电陶瓷柱固定座，39—压电陶瓷柱径向定位盘，40—传力盘，41—温度传感器41。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种具备自动调整轴承预紧力的数控磨床电主轴，包括主轴1、壳体2、上端盖3、下端盖4、转子线圈5及定子线圈6；所述转子线圈5固定套装在主轴1中部，所述定子线圈6固定安装在壳体2内表面，且定子线圈6与壳体2之间加装有第一冷却水套7，在第一冷却水套7所在轴向位置处的壳体2外表面加装有第二冷却水套8；在所述第一冷却水套7内设置有第一螺旋冷却水道9，第一螺旋冷却水道进水口10和第一螺旋冷却水道出水口11均设置在壳体2上；在所述第二冷却水套8内设置有第二螺旋冷却水道12，第二螺旋冷却水道进水口13和第二螺旋冷却水道出水口14均直接设置在第二冷却水套8上；在所述第一螺旋冷却水道进水口10、第一螺旋冷却水道出水口11、第二螺旋冷却水道进水口13及第二螺旋冷却水道出水口14上均安装有冷却水接嘴；所述上端盖3固装在壳体2顶端筒口，所述下端盖4固装在壳体2底端筒口，且下端盖4与壳体2之间加装有转接套筒15，所述主轴1依次穿过转接套筒15及下端盖4并延伸至壳体2外侧；在所述下端盖4与转子线圈5之间的主轴1上，由下至上依次套装有第一角接触球轴承16、第一轴承润滑套17、第二角接触球轴承18及轴承预紧力自动调节机构19，第一角接触球轴承16及第二角接触球轴承18的内圈与主轴1过盈连接，第一角接触球轴承16及第二角接触球轴承18的外圈通过轴承外圈第一固定套20与转接套筒15内表面过盈连接；所述第一轴承润滑套17及轴承预紧力自动调节机构19与轴承外圈第一固定套20过盈连接；在所述转子线圈5上方的主轴1上，由下至上依次套装有转子紧固螺母21、第三角接触球轴承22、第二轴承润滑套23、第四角接触球轴承24及主轴轴向限位螺母25，第三角接触球轴承22及第四角接触球轴承24的内圈与主轴1过盈连接，第三角接触球轴承22及第四角接触球轴承24的外圈依次通过轴承外圈第二固定套26及直线轴承27与主轴1滑动连接；所述第二轴承润滑套23与轴承外圈第二固定套26过盈连接；所述主轴轴向限位螺母25螺纹固连在主轴1顶端。

在所述轴承外圈第一固定套20内设置有第一润滑油道28，在所述转接套筒15内设置有第二润滑油道29，第一润滑油道28的出油端与第一轴承润滑套17相通，第一润滑油道28的进油端与第二润滑油道29的出油端相通，在第二润滑油道29的进油端安装有第一润滑油接嘴30。

在所述上端盖3上分别安装有电主轴接线端口31和第二润滑油接嘴32，在所述轴承外圈第二固定套26内设置有第三润滑油道33，第三润滑油道33的出油端同时与第二轴承润滑套23和直线轴承27相通，第三润滑油道33的进油端与第二润滑油接嘴32相连。

在所述轴承外圈第一固定套20内还设置有环形冷却水槽34，在所述转接套筒15上分别设置有环形冷却水槽进水水道35和环形冷却水槽出水水道36，且环形冷却水槽进水水道35和环形冷却水槽出水水道36之间具有180°的夹角。

所述轴承预紧力自动调节机构19包括压电陶瓷柱37、压电陶瓷柱固定座38、压电陶瓷柱径向定位盘39、传力盘40及温度传感器41，压电陶瓷柱固定座38、压电陶瓷柱径向定位盘39及传力盘40均过盈连接在轴承外圈第一固定套20上；所述压电陶瓷柱37数量若干，若干压电陶瓷柱37在压电陶瓷柱固定座38上周向均布设置；在所述压电陶瓷柱径向定位盘39上开设有压电陶瓷柱定位孔，压电陶瓷柱37穿过压电陶瓷柱定位孔与传力盘40顶靠接触，传力盘40顶靠接触在第二角接触球轴承18的外圈上，所述温度传感器41安装在传力盘40上，压电陶瓷柱37通过温度传感器41反馈的温度数据调整轴向伸长量，通过调整压电陶瓷柱37轴向伸长量进行轴承预紧力的自动调节。

在数控磨床运行过程中，温度因素是影响加工精度的首要因素，为了降低数控磨床电主轴的发热行为，本发明针对定转子损耗发热特别设计了双水冷结构，通过第一冷却水套7和第二冷却水套8快速带着定转子的损耗发热，有效降低定转子的温度，从而降低定转子的发热高温对主轴1及轴承产生的不良影响。另外，除了定转子损耗发热这一影响因素，还有轴承自身的摩擦发热，本发明针对轴承摩擦发热还单独设计了水冷结构，同时针对所有轴承均设计了润滑结构，在降低轴承摩擦程度的同时辅以水冷散热，最大程度限制了轴承的摩擦发热。

上述手段都是用来防止轴承温度出现快速升高的，最大程度缓解轴承的热变形，但随着转速的继续提高，通过水冷散热和轴承润滑的方式能够起到缓解轴承热变形的效果会逐渐降低，此时为了保证高转速状态下的磨床加工精度，本发明的轴承预紧力自动调节机构19将逐渐起效。随着转速的升高，水冷散热和轴承润滑的降温速度已经赶不上轴承的升温速度，此时则需要通过合适的轴承预紧力来抵消轴承热变形所带来的不利影响，首先通过轴承预紧力自动调节机构19中的温度传感器41来实时监测轴承温度，并将实时监测到的轴承温度数据反馈给磨床数控***，再通过磨床数控***输出控制信号，使压电陶瓷柱37的伸长量发生改变，用以产生合适的轴承预紧力，最大程度降低因轴承热变形对加工精度产生的影响，从而保证了轴承支撑精度的基本稳定，最终为数控磨床的高速化发展提供了有力保障。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.一种具备自动调整轴承预紧力的数控磨床电主轴，其特征在于：包括主轴、壳体、上端盖、下端盖、转子线圈及定子线圈；所述转子线圈固定套装在主轴中部，所述定子线圈固定安装在壳体内表面，且定子线圈与壳体之间加装有第一冷却水套，在第一冷却水套所在轴向位置处的壳体外表面加装有第二冷却水套；在所述第一冷却水套内设置有第一螺旋冷却水道，第一螺旋冷却水道进水口和第一螺旋冷却水道出水口均设置在壳体上；在所述第二冷却水套内设置有第二螺旋冷却水道，第二螺旋冷却水道进水口和第二螺旋冷却水道出水口均直接设置在第二冷却水套上；在所述第一螺旋冷却水道进水口、第一螺旋冷却水道出水口、第二螺旋冷却水道进水口及第二螺旋冷却水道出水口上均安装有冷却水接嘴；所述上端盖固装在壳体顶端筒口，所述下端盖固装在壳体底端筒口，且下端盖与壳体之间加装有转接套筒，所述主轴依次穿过转接套筒及下端盖并延伸至壳体外侧；在所述下端盖与转子线圈之间的主轴上，由下至上依次套装有第一角接触球轴承、第一轴承润滑套、第二角接触球轴承及轴承预紧力自动调节机构，第一角接触球轴承及第二角接触球轴承的内圈与主轴过盈连接，第一角接触球轴承及第二角接触球轴承的外圈通过轴承外圈第一固定套与转接套筒内表面过盈连接；所述第一轴承润滑套及轴承预紧力自动调节机构与轴承外圈第一固定套过盈连接；在所述转子线圈上方的主轴上，由下至上依次套装有转子紧固螺母、第三角接触球轴承、第二轴承润滑套、第四角接触球轴承及主轴轴向限位螺母，第三角接触球轴承及第四角接触球轴承的内圈与主轴过盈连接，第三角接触球轴承及第四角接触球轴承的外圈依次通过轴承外圈第二固定套及直线轴承与主轴滑动连接；所述第二轴承润滑套与轴承外圈第二固定套过盈连接；所述主轴轴向限位螺母螺纹固连在主轴顶端。

2.根据权利要求1所述的一种具备自动调整轴承预紧力的数控磨床电主轴，其特征在于：在所述轴承外圈第一固定套内设置有第一润滑油道，在所述转接套筒内设置有第二润滑油道，第一润滑油道的出油端与第一轴承润滑套相通，第一润滑油道的进油端与第二润滑油道的出油端相通，在第二润滑油道的进油端安装有第一润滑油接嘴。

3.根据权利要求1所述的一种具备自动调整轴承预紧力的数控磨床电主轴，其特征在于：在所述上端盖上分别安装有电主轴接线端口和第二润滑油接嘴，在所述轴承外圈第二固定套内设置有第三润滑油道，第三润滑油道的出油端同时与第二轴承润滑套和直线轴承相通，第三润滑油道的进油端与第二润滑油接嘴相连。

4.根据权利要求1所述的一种具备自动调整轴承预紧力的数控磨床电主轴，其特征在于：在所述轴承外圈第一固定套内还设置有环形冷却水槽，在所述转接套筒上分别设置有环形冷却水槽进水水道和环形冷却水槽出水水道，且环形冷却水槽进水水道和环形冷却水槽出水水道之间具有180°的夹角。

5.根据权利要求1所述的一种具备自动调整轴承预紧力的数控磨床电主轴，其特征在于：所述轴承预紧力自动调节机构包括压电陶瓷柱、压电陶瓷柱固定座、压电陶瓷柱径向定位盘、传力盘及温度传感器，压电陶瓷柱固定座、压电陶瓷柱径向定位盘及传力盘均过盈连接在轴承外圈第一固定套上；所述压电陶瓷柱数量若干，若干压电陶瓷柱在压电陶瓷柱固定座上周向均布设置；在所述压电陶瓷柱径向定位盘上开设有压电陶瓷柱定位孔，压电陶瓷柱穿过压电陶瓷柱定位孔与传力盘顶靠接触，传力盘顶靠接触在第二角接触球轴承的外圈上，所述温度传感器安装在传力盘上，压电陶瓷柱通过温度传感器反馈的温度数据调整轴向伸长量，通过调整压电陶瓷柱轴向伸长量进行轴承预紧力的自动调节。