使用滑动轴承和滚动轴承复合支撑的高速电主轴装置

摘要

本发明公开了一种使用滑动轴承和滚动轴承复合支撑的高速电主轴装置，以电机基座作为壳体，将电机定子和转子安装于电主轴中部，动静压滑动轴承作为电主轴的前、后支撑轴承；轴承两端分别设有前、后环形回水槽，润滑介质水流入环形回水槽后再通过壳体出水道流出壳体；气体密封装置，每个动静压轴承的两侧各有一个气体密封装置，可以阻止润滑介质水流入电机定子和电机转子之间的空隙以及沿着电主轴轴向流出壳体；使用一对高速推力角接触球轴承作为止推轴承，为电主轴提供较高轴向刚度，控制电主轴轴向位移和稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于机床设备制造领域，具体涉及一种使用滑动轴承和滚 动轴承复合支撑的高速电主轴装置。

背景技术

高速电主轴是高速切削加工的关键，通常使用变频电机直接驱 动。内装式电主轴是将电机转子直接与电主轴做成一体，电机的转子 既是机床的电主轴，电机座就是电主轴单元的壳体，省去了传动环节， 实现了电机与机床电主轴之间的“零传动”，克服了传统传动方式的 电主轴系统振动和噪声大、额外增加转动惯量且容易打滑等缺点，重 量轻、惯性小、结构紧凑、电主轴动态特性优异，改善了机床的动平 衡，简化了机床外形设计，使得电主轴的高转速化和高精度化更容易 实现。

电主轴转速升到一定程度时，支撑电主轴的液体润滑膜的摩擦功 耗会急剧增大，导致润滑膜的刚度和承载力显著下降，同时如果功耗 增加产生的热量不能被及时带走，将会导致电主轴及其支撑轴承发生 热变形，这将严重影响高速机床性能；另一方面，电主轴自身的不平 衡量会随着转速升高而明显增大，电主轴的精度也会受其影响而明显 下降。

发明内容

本发明提供了一种使用滑动轴承和滚动轴承复合支撑的高速电 主轴装置，该装置具有高刚度、高精度、长寿命和大功率等特点，尤 其适用于高速度、高精密、高刚度等工作条件下的复杂加工。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种使用滑动轴承和滚动轴承复合支撑的高速电主轴装置，包括 壳体，电主轴，支撑电主轴两端并用于调节电主轴径向位移的前轴承 和后轴承，固定前轴承和后轴承的前轴承套和后轴承套，固定在壳体 上的后轴承端盖，以及用于调节电主轴轴向位移的高速推力角接触球 轴承；所述前轴承和后轴承均为水润滑动静压滑动轴承。

作为本发明的优选实施例，所述后轴承端盖上固定有高速推力角 接触球轴承基座，一对高速推力角接触球轴承安放在电主轴后端，左 侧通过高速推力角接触球轴承基座固定，右侧通过高速推力角接触球 轴承外圈固定套和高速推力角接触球轴承内圈固定套固定，高速推力 角接触球轴承外圈固定套通过螺纹安装于高速推力角接触球轴承基 座上，高速推力角接触球轴承内圈固定套通过螺栓安装于电主轴上。

作为本发明的优选实施例，所述壳体进一步包括有壳体进水道和 壳体出水道，所述壳体进水道内的介质为液体水；液体水自壳体进水 道依次进入到前轴承套和后轴承套、前轴承和后轴承，最后从壳体出 水道流出。

作为本发明的优选实施例，所述前轴承套和后轴承套上分别设置 有与壳体进水道相通的前轴承套进水道和后轴承套进水道，所述前轴 承和后轴承上分别设置有与前轴承套进水道相通的前轴承节流孔和 与后轴承套进水道相通的后轴承节流孔。

作为本发明的优选实施例，在所述前轴承节流孔的两侧进一步设 置有前轴承左环形回水槽和前轴承右环形回水槽，所述后轴承节流孔 的两侧进一步设置有后轴承左环形回水槽和后轴承右环形回水槽，所 述前轴承左环形回水槽和前轴承右环形回水槽通过前轴承与电主轴 之间的间隙相通，所述后轴承左环形回水槽和后轴承右环形回水槽通 过后轴承与电主轴之间的间隙相通。

作为本发明的优选实施例，所述前轴承的两端设置有前轴承左气 封环和前轴承右气封环，所述后轴承的两端设置有后轴承左气封环和 后轴承右气封环，防止介质水沿电主轴的轴向流入电机和流出壳体。

作为本发明的优选实施例，所述气封环为沿着轴向依次设置的三 个环形密封齿，在最外侧的环形密封齿外侧设置有环形进气装置，以 保证沿着电主轴周向形成一道压力均布的气体密封墙。

作为本发明的优选实施例，所述壳体进一步设置有壳体进气道， 高压气自壳体进气道依次进入到轴承套、轴承和轴承回水槽内，对轴 承回水槽内的水产生压力，加快水从壳体出水道流出。

作为本发明的优选实施例，所述前轴承套和后轴承套分别设置有 与壳体进气道相通的前轴承套进气道和后轴承套进气道，所述前轴承 和后轴承分别设置有前轴承进气道和后轴承进气道，所述前轴承进气 道和后轴承进气道通过轴承与电主轴的间隙与前轴承回水槽和后轴 承回水槽相通。

相对于现有技术，本发明至少具有以下优点：本发明以电主轴两 端安装的前轴承和后轴承作为径向支撑，以电主轴端部安装的高速推 力角接触球轴承作为轴向支撑，这样不仅提高了整个电主轴的径向刚 度和稳定性，而且降低了温升，同时，高速推力角接触球轴承作为轴 向支撑，为电主轴提供的轴向刚度，控制电主轴的轴向位移及稳定性。

附图说明

图1为使用滑动轴承和滚动轴承复合支撑的高速电主轴装置进 水通道方向纵剖结构示意图；

图2是使用滑动轴承和滚动轴承复合支撑的高速电主轴装置进气 通道方向纵剖结构示意图。

其中，附图标记与元件名称的对应关系如下表所示：

具体实施方式

为实现上述功能，本发明采用以下技术方案：

以电机基座作为电主轴的壳体12，将电机定子14和电机转子15 安装于电主轴中部，两端由两个水润滑动静压滑动轴承支承，后端安 装有一对高速推力角接触球轴承26，以控制电主轴轴向位移。水的 比热大，且粘度随温度升高的变化比矿物油小很多，径向支撑轴承采 用水做润滑剂。对内装式电主轴来讲，转速升高时，轴承润滑介质的 供水压力也相应提高，以保持较高的刚度、承载力和稳定性，因此密 封性能直接影响到电主轴的安全运行。针对所设计的动静压滑动轴承 供水压力高和流量大的特点，在两个径向支撑轴承的两端分别设计有 环形气封装置，取得了较好的密封效果。

所述壳体12的内侧固定有冷却水套13和电机定子14，将内装电 机转子15和电主轴16做成一体，作为机床电主轴；电主轴两端的前、 后轴承2、23，均是一种动静压滑动轴承，可以提高电主轴刚度和稳 定性，降低温升；所述冷却水套13过盈装配于壳体12上，电机定子 14过盈配合安装于冷却水套13上，电机转子15过盈配合安装于电 主轴16上，并与电机定子14相对应。前轴承2过盈配合安装于前轴 承套31内，后轴承23过盈配合安装于后轴承套18内，并都再用螺 母紧固，之后通过螺母将前轴承套31和后轴承套18固定于壳体12 上。螺母穿过后轴承套18上的通孔将后轴承端盖41固定于壳体12 上。

所述壳体12设置有壳体进水道24和壳体出水道32，所述前轴承 套31和后轴承套18分别设置有与壳体进水道24相通的前轴承套进 水道5和后轴承套进水道20，所述前轴承套进水道5的两侧设置有 前轴承套进水道左密封O型圈4和前轴承套进水道右密封O型圈7， 所述后轴承套进水道20的两侧设置有后轴承套进水道左密封O型圈 19和后轴承套进水道右密封O型圈22，所述前轴承2和后轴承23 分别设置有前轴承节流孔6和后轴承节流孔21，所述前轴承节流孔6 与前轴承套进水道5相通，所述后轴承节流孔21与后轴承套进水道 20相通；所述前轴承2在前轴承节流孔6的两侧进一步设置有前轴 承左环形回水槽3和前轴承右环形回水槽8，所述后轴承23在后轴 承节流孔21的两侧进一步设置有后轴承左环形回水槽35和后轴承右 环形回水槽37；润滑介质水从壳体进水道24分别流入前轴承套进水 道5和后轴承套进水道20，然后分别流入前轴承节流孔6和后轴承 节流孔21，前轴承节流孔6和后轴承节流孔21中的水自轴承与电主 轴之间的间隙分别流入前轴承回水槽和后轴承回水槽，最后由壳体出 水道流出。

高压水进入轴承与电主轴之间的空隙11，会沿着电主轴16的轴 向向壳体12外部和电机转子15方向流动，所以本发明在所述前轴承 2和后轴承23的两侧各有一个气体密封装置，即前轴承左气封环1、 前轴承右气封环10、后轴承左气封环33和后轴承右气封环38，所述 气封环可以阻止润滑介质水流入电机定子14和电机转子15之间的空 隙，从而保证水流入前轴承2左右两侧的前轴承左环形回水槽2和前 轴承右环形回水槽8，以及后轴承左右两侧的后轴承左环形回水槽35 和后轴承右环形回水槽37，然后流入壳体出水道32中，最终流出壳 体12。气封环为沿着转轴轴向依次设置的三个环形密封齿，在最外 侧的环形密封齿外侧进一步设置有环形进气装置，这样，沿着电主轴 周向形成一道压力均布的气体密封墙，阻止润滑液体水沿着电主轴轴 向流入电机间隙和流出壳体外部。

所述壳体进一步设置有壳体进气道40，所述前轴承套31和后轴 承套18分别设置有与壳体进气道40相通的前轴承套进气道30和后 轴承套进气道36，所述前轴承2和后轴承23分别设置有前轴承进气 道29和后轴承进气道34，所述前轴承进气道29和后轴承进气道34 通过轴承与电主轴的间隙与前轴承回水槽和后轴承回水槽相通；这样 高压的气体通过壳体进气道40依次进入到轴承套、轴承和轴承回水 槽内，对轴承回水槽内的水产生压力，加快水从壳体出水道流出。此 外，所述前轴承和后轴承分别设置有前轴承气封O型圈9和后轴承 气封O型圈17。

一对高速推力角接触球轴承26作为电主轴的轴向止推轴承，为 电主轴提供较大轴向刚度，控制电主轴轴向位移和稳定性。后轴承端 盖上固定有高速推力角接触球轴承基座25，一对高速推力角接触球 轴承安放在电主轴后端，左侧通过高速推力角接触球轴承基座固定， 右侧则设置有高速推力角接触球轴承的外圈固定套28和内圈固定套 27固定，外圈固定套通过螺纹安装于高速推力角接触球轴承基座上， 内圈固定套通过螺栓安装于电主轴上。

所述滑动轴承，是一种以液体水同时作为轴承润滑介质和冷却介 质的水润滑动静压滑动轴承，高速运动的润滑介质水不仅可以在轴承 内部产生高刚度以及保持电主轴转动的高稳定性，同时还将轴承产生 的热量迅速带走，降低温升。

本发明具有的有益效果是：

1.支撑电主轴的动静压轴承是一种即继承了动压和静压轴承的 优点，又克服二者缺点的滑动轴承。外部静压及高速运转后的润滑剂 产生的动压，使轴承在全速度范围内都能形成高压油膜，其误差均化 作用、良好的阻尼抗震性保证了电主轴具有高加工精度和高运转平稳 性。

2.气体密封装置可以阻止润滑液体水沿着电主轴轴向进入电机 定子和电机转子之间的空隙，以及流出壳体外部，保证了电主轴装置 运行的安全性和稳定性。

3.高速推力角接触球轴承，不但能控制电主轴的轴向位移，还能 为电主轴提供较大的轴向刚度，控制电主轴的轴向稳定性。

4.整个电主轴装置均使用高压水作为润滑介质，兼具支撑效果和 冷却效果，这样就能够使电主轴装置在高转速下长时间连续运行的同 时，能够保持高精度、高刚度和低温升。

以上所述仅为本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点， 本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实 施例和说明书中描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和 范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落 入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求 书及其等效物界定。