使用超精密角接触球和圆柱滚子轴承的高速电主轴装置

摘要

使用角接触球和圆柱滚子轴承支撑的高速电主轴实验装置，转轴的后端设置有带锥孔的单列圆柱滚子轴承，转轴的前端设置有第一前支撑轴承、第二前支撑轴承、第三前支撑轴承和第四前支撑轴承，第一前支撑轴承和第二前支撑轴承串联成一组，第三前支撑轴承和第四前支撑轴承串联成另一组，两组再背对背配置，两组之间的间隙用轴肩套补充，并用前弹簧挡板分隔开，第一前支撑轴承和第二前支撑轴承为测试轴承，第三前支撑轴承和第四前支撑轴承作为辅助支撑轴承，本发明满足了对高速电主轴装置中滚动轴承进行监测研究所需要的实际工作环境，结构支承刚度好、精确定量润滑和方便对测试轴承进行更换，能保证电主轴长期运行的精度稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于机床高速电主轴技术领域，具体涉及一种使用超精密 角接触球和圆柱滚子轴承的高速电主轴装置。

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。内装式电主轴将电机转子和电主轴做成一体，电机的转子同时作 为机床的电主轴，而电机座也是电主轴单元的壳体，从而实现了电机 与机床电主轴间的“零传动”，克服了传统传动方式的机械电主轴系 统额外增加转动惯量、振动和噪声大且易打滑等缺点，电主轴重量轻、 惯性小、结构紧凑、动态特性优异，简化了机床外形设计，改善了机 床的动平衡，使得电主轴更容易实现高精度化和高转速化。

电主轴高速旋转且转速升到一定程度时，支撑电主轴的润滑油膜 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，如果 不及时带走因功耗增加而产生的热量，电主轴及其支撑轴承会发生热 变形而影响高速机床的性能；电主轴自身的不平衡量也会随着转速升 高而明显增大，电主轴的精度也会受其影响而明显下降。

为了保证测试轴承的测量数据准确有效，现有装置需要进行一些 改进。首先，现有的滚动轴承实验装置主要是针对单独的轴承进行安 装和测量，而电主轴中的滚动轴承运行时受电主轴系统的影响很大， 对于滚动轴承在非工作环境和运行条件下的电主轴轴承的研究，都不 能反应该类轴承在实际工况下真实的运行性能；其次，现有的高速电 主轴装置具有无法对单个特定轴承的进行精确润滑，对测试轴承的拆 装困难的缺点；最后，因为测试轴承需要在高速或超高速下运行，所 以现有装置对于测试轴承所在的测试环境的稳定性需进一步加强。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了使用超 精密角接触球和圆柱滚子轴承的高速电主轴装置，具有高刚度、高精 密、长寿命、符合滚动轴承实际测量工况、精确定量润滑和方便拆装 测试轴承的特点，尤其适用于高速度、高精密、高刚度等工作条件下 的复杂加工和测试轴承的状态监测。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

使用角接触球和圆柱滚动轴承支撑的高速电主轴实验装置，包括 壳体26，壳体26作为电机基座，冷却水套25过盈配合装配于壳体 26内，电机定子24过盈配合安装于冷却水套25内，电机转子23过 盈配合安装于转轴2上，电机转子23与电机定子24相对应；转轴2 的后端设置有带锥孔的单列圆柱滚子轴承31，单列圆柱滚子轴承31 作为后支撑轴承，能够调节装置的预紧力、适应径向支撑位移和轴向 热位移，转轴2的前端设置有第一前支撑轴承6、第二前支撑轴承13、 第三前支撑轴承16和第四前支撑轴承21，第一前支撑轴承6和第二 前支撑轴承13串联成一组，第三前支撑轴承16和第四前支撑轴承 21串联成另一组，两组再背对背配置，两组之间的间隙用轴肩套15 补充，并用前弹簧挡板14分隔开，第一前支撑轴承6和第二前支撑 轴承13为测试轴承，即为可进行拆装的测试轴承；第三前支撑轴承 16和第四前支撑轴承21作为辅助支撑轴承。

所述的第一前支撑轴承6、第二前支撑轴承13、第三前支撑轴承 16和第四前支撑轴承21采用超精密角接触球轴承。

所述的第一前支撑轴承6、第二前支撑轴承13、第三前支撑轴承 16和第四前支撑轴承21外设有前大盖8，前大盖8上设置第一油气 润滑进气管7、第二油气润滑进气管46、第三油气润滑进气管9、第 四油气润滑进气管12和第一油气润滑出气管41，润滑油气从第一油 气润滑进气管7进入，通过第一前支撑轴承6外圈上小孔进入其滚道 为第一前支撑轴承6提供径向润滑，同理，润滑油气从第二油气润滑 进气管46进入，通过第二前支撑轴承13外圈上小孔进入其滚道为第 一前支撑轴承13提供径向润滑，油气从第三油气润滑进气管9通过 前外隔圈10上的小孔径向喷入第一前支撑轴承6和第二前支撑轴承 13的滚道内提供轴向润滑，油气从第四油气润滑进气管12外隔圈17 上的小孔径向喷入第三前支撑轴承16和第四前支撑轴承21的滚道内 提供轴向润滑，最终从第一油气润滑出气管41排出装置外。

所述的转轴2设置有第一高压油注射孔1和第二高压油注射孔 42，用液压泵加压在孔中注入高压油，且用拉拔装置分别抓住第一前 支撑轴承6和第二前支撑轴承13的外圈，当压力一定大时，能够被 拆卸，随即更换其它轴承进行测试。

本发明具有的有益效果是：

由于第一前支撑轴承6和第二前支撑轴承13串联成一组，第三 前支撑轴承16和第四前支撑轴承21串联成另一组，两组再背对背配 置的设计方式，可以控制电主轴装置轴向位移和提高电主轴的稳定 性，所以电主轴装置具有高刚度的优点，可以进行精密加工。

由于设计了带锥孔的混合精密单列圆柱滚子轴承作为后支撑，其 设置的锥孔可以调节主轴的预紧力和适应轴向热位移，所以电主轴装 置具有较大的轴向刚度，对轴向稳定性具有有益的调控作用。

使用润滑油气作为润滑介质，精确定量的润滑油被压缩空气直接 注入到每个轴承，这些微量的润滑油能使轴承在最低摩擦下工作，与 其他润滑方式相比，在同种工况下轴承具有更低温升或更高转速，所 以电主轴装置具有高转速的优点。

设计了径向润滑和轴向润滑两种润滑油气的注入方式，精确定量 的微小油气液滴可分别从径向、轴向注入测试轴承中，通过调节不同 注入方式及油量，观察电主轴装置运行效果，可对测试轴承运行时的 最佳油气注入方式和注入量进行相关研究。

由于转轴2设置有第一高压油注射孔1和第一高压油注射孔42， 取下防尘盖3、前螺母4和前小盖5后，通过液压泵加压在孔中注入 高压油，并且应用拉拔装置分别抓住第一前支撑轴承6和第二前支撑 轴承13的外圈，当压力一定大时，第一前支撑轴承6和第二前支撑 轴承13即可被拆卸，所以电主轴装置具有方便更换测试轴承的优点。

本发明装置满足了对高速电主轴装置中滚动轴承进行长期运行 稳定性等动态性能监测研究所需要的实际工作环境，所采用的结构支 承刚度好、精确定量润滑和方便对测试轴承进行更换，能保证电主轴 长期运行的精度稳定性，辅助轴承的稳定支承作用也保证了对测试轴 承的动态性能的测量数据具有较高的可信度。

附图说明

图1为本发明进气通道方向纵剖面结构示意图。

图2为本发明进水通道右视图。

图3为本发明进气通道左视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作详细描述。

参照图1、图2和图3，使用角接触球和圆柱滚子轴承支撑的高 速电主轴实验装置，包括壳体26，壳体26作为电机基座，冷却水套 25过盈配合装配于壳体26内，电机定子24过盈配合安装于冷却水 套25内，电机转子23和平衡环22过盈配合安装于转轴2上，电机 转子23与电机定子24相对应；转轴2的后端设置有单列圆柱滚子轴 承31，单列圆柱滚子轴承31的前侧分别通过后内隔圈28与转子2 的阶梯处接触进行定位、后外隔圈27与轴承座32接触进行定位，后 外隔圈27、单列圆柱滚子轴承31放置在后轴承座32内，后轴承座 32安装在后滚动导套30内，后轴承座32端头和后弹簧挡板33螺栓 连接，单列圆柱滚子轴承31的后侧和后弹簧挡板33相接，后螺母 34顶住单列圆柱滚子轴承31的内圈后侧对其定位预紧，后大盖29 与滚动导套30、后轴承座32间隙配合，后大盖29的前端和壳体26、 冷却水套25螺栓联接，后大盖29后端和后小盖35螺栓连接，且后 大盖29上设置第五油气润滑进气管36和第二油气润滑出气管48； 转轴2的前端设置有第一前支撑轴承6、第二前支撑轴承13、第三前 支撑轴承16和第四前支撑轴承21，第一前支撑轴承6和第二前支撑 轴承13串联成一组，第三前支撑轴承16和第四前支撑轴承21串联 成另一组，两组再背对背配置，两组之间的间隙用轴肩套15补充， 并用前弹簧挡板14分隔开，第一前支撑轴承6和第二前支撑轴承13 用前内隔圈11和前外隔圈10将它们的内圈及外圈隔开，第三前支撑 轴承16和第四前支撑轴承21用内隔圈18和外隔圈17将它们的内圈 及外圈隔开，第三前支撑轴承16和第四前支撑轴承21固定在轴承座 19内，轴承座19安装于滚动导套20内，且轴承座19、滚动导套20 通过螺栓固定在前大盖8后部内，第一前支撑轴承6、第二前支撑轴 承13和前大盖8前部间隙配合，前大盖8的后端和壳体26连接，前 大盖8的前端和前小盖5用前螺母4螺栓连接，前小盖5和防尘盖3 螺栓连接，转轴2的前端设有第一高压油注射孔1和第二高压油注射 孔42，前大盖8上设置第一油气润滑进气管7、第二油气润滑进气管 46、第三油气润滑进气管9、第四油气润滑进气管12和第一油气润 滑出气管41，润滑油气从第一油气润滑进气管7进入，通过第一前 支撑轴承6外圈上小孔进入其滚道为第一前支撑轴承6提供径向润 滑，同理，润滑油气从第二油气润滑进气管46进入，通过第二前支 撑轴承13外圈上小孔进入其滚道为第一前支撑轴承13提供径向润 滑，油气从第三油气润滑进气管9通过前外隔圈10上的小孔径向喷 入第一前支撑轴承6和第二前支撑轴承13的滚道内提供轴向润滑， 油气从第四油气润滑进气管12外隔圈17上的小孔径向喷入第三前支 撑轴承16和第四前支撑轴承21的滚道内提供轴向润滑，最终从第一 油气润滑出气管41排出装置外。

所述的第一前支撑轴承6、第二前支撑轴承13、第三前支撑轴承 16、第四前支撑轴承21均为混合陶瓷球滚动轴承，可以提高电主轴 刚度和稳定性，且陶瓷材料的滚动体对高温高压具有很高的耐受性； 第一前支撑轴承6和第二前支撑轴承13串联成一组，第三前支撑轴 承16和第四前支撑轴承21串联成另一组，两组再背对背配置，这种 安装方式适用于轴向拉压不定负载，具有高刚度的显著优点：一方面， 高刚度使旋转精度提高，从而机床的加工精度提高；另一方面，高刚 度减小了实验误差，对滚动轴承动力学性能的测试也更加准确。

所述的第一前支撑轴承6和第二前支撑轴承13为测试轴承，即 为可进行拆装的测试轴承；所述的第三前支撑轴承16和第四前支撑 轴承21作为辅助支撑轴承，其作用是保证了转轴2具有较高刚度和 旋转精度，以确保可以准确测量测试轴承的动态性能；所述的单列圆 柱滚子轴承31作为后支撑轴承，设置的锥孔可以调节单列圆柱滚子 轴承31的预紧力和适应轴向热位移，对于装置高速运转时产生的热 伸长有补偿作用，从而能满足第一前支撑轴承6、第二前支撑轴承13、 第三前支撑轴承16和第四前支撑轴承21高转速的特点。

所述的电机转子23和转轴2做成一体。

所述壳体26设置有进水口43、第一泄水口44和第二泄水口45， 水冷机的水从壳体26上的进水口43进入冷却水套25内，并沿着第 一泄水口44和第二泄水口45轴向流出壳体26。

所述的冷却水套25采用圆形水道，每条水道能独立进、出水， 冷却水在其间流动，并带走电机定子24运行所产生的大部分热量， 最后从壳体26的出水道流出。

所述的壳体26和冷却水套25之间设置有第一O型密封圈37、 第二O型密封圈38、第三O型密封圈39和第四O型密封圈40，可 以阻止润滑介质和水流入电机转子23和电机定子24之间的空隙，取 得了较好的密封效果。

为满足不同测试实验的轴承预紧，在所述的后弹簧挡板33对称 位置的圆孔中放置适当数量的弹簧进行相应的预紧。

所述的转轴2设置有第一高压油注射孔1和第二高压油注射孔 42，用液压泵加压在孔中注入高压油，且用拉拔装置分别抓住第一前 支撑轴承6和第二前支撑轴承13的外圈，当压力一定大时，能够被 拆卸，随即更换其它轴承进行测试。

本发明的工作原理为：

一种使用超精密角接触球和圆柱滚子轴承高速电主轴装置，为满 足实际主轴轴承高转速的特点，采用油气润滑方式为第一前支撑轴承 6、第二前支撑轴承13、第三前支撑轴承16、第四前支撑轴承21和 单列圆柱滚子轴承31进行润滑，并且由高压空气带走其热量，起到 冷却作用；电机转子23和电机定子24的旋转为装置运行的主要发热 源，采用冷却水方式为电机转子23和电机定子24进行冷却。

针对所设计的高速运转的滚动轴承供油压力高和进出水流量大 的特点，在转轴2的两侧和电机定子24两端外端面各设置有密封装 置，可以阻止润滑介质和水流入电机转子23和电机定子24之间的空 隙以及沿着电主轴轴向流出壳体26，密封效果较好。

选用的内置电机由电机转子23与电机定子24组成，使用变频器 驱动电机转子23与电机定子24实现变频调速，电机转子23过盈配 合安装于转轴2上，从而转轴2跟随电机转子23一起转动，第一前 支撑轴承6、第二前支撑轴承13、第三前支撑轴承16、第四前支撑 轴承21和单列圆柱滚子轴承31分别安装于转轴2的前端和后端，支 撑转轴2并与其一起转动。

第一前支撑轴承6和第二前支撑轴承13为可进行拆装的测试轴 承，第三前支撑轴承16和第四前支撑轴承21作为辅助支撑轴承，其 保证转轴2具有较高刚度和旋转精度，从而可以准确测量并保存第一 前支撑轴承6和第二前支撑轴承13的动态性能数据，进行后续处理。

转轴2前端进一步设置有第一高压油注射孔1和第一高压油注射 孔42，将防尘盖3、前螺母4和前小盖5取下后，应用液压泵加压在 孔中注入高压油，采用拉拔装置分别抓住第一前支撑轴承6和第二前 支撑轴承13的外圈，当压力一定大时，第一前支撑轴承6和第二前 支撑轴承13即可被拆卸，随即可更换其它轴承进行测试。