一種滾珠高速電主軸

《一種滾珠高速電主軸》是廣州市昊志機電股份有限公司於2013年11月20日申請的專利，該專利的申請號為2013105908282，公布號為CN103658691A，授權公布日為2014年3月26日，發明人是湯秀清。

《一種滾珠高速電主軸》包括設定有第一收容腔的機體、鋁水套、軸承座、轉子軸芯、電機、換刀系統及風冷系統。機體與軸承座圍設形成第二收容腔，軸承座與鋁水套圍設形成第三收容腔。轉子軸芯貫穿於第一收容腔、第二收容腔與第三收容腔之間。風冷系統包括風扇及冷卻風通道，冷卻風通道包括若干進風口、若干出風口以及第一通風道。風扇位於第三收容腔內並在電機的驅動下隨轉子軸芯一同旋轉。該發明中轉子軸芯上設定有一起高速旋轉的風扇，以帶走電機產生的熱量。此種散熱方式結構簡單、節約能源且減少污染。滾珠高速電主軸內設定有氣封系統，其可對下軸承組件進行冷卻的同時防止切削液、油污等雜質進入機體內部，從而延長下軸承組件的使用壽命。

2018年12月20日，《一種滾珠高速電主軸》獲得第二十屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種滾珠高速電主軸》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種滾珠高速電主軸
• 公告號：CN103658691A
• 授權日：2014年3月26日
• 申請號：2013105908282
• 申請日：2013年11月20日
• 申請人：廣州市昊志機電股份有限公司
• 地址：廣東省廣州市永和經濟開發區江東街6號
• 發明人：湯秀清
• Int.Cl.：B23B19/02(2006.01)I; B23Q3/157(2006.01)I; B23Q11/12(2006.01)I
• 代理機構：廣州市越秀區哲力專利商標事務所（普通合夥）
• 代理人：湯喜友
• 類別：發明專利

專利背景

截至2013年11月20日，電主軸是在數控工具機領域出現的將工具機主軸與主軸電機融為一體的新技術。由於電主軸將電機集成於主軸單元中，且轉速很高，運轉時會產生大量熱量，引起電主軸溫升，使電主軸的熱態特性和動態特性變差，從而影響電主軸的正常工作。

發明內容

專利目的

《一種滾珠高速電主軸》的目的旨在於提供一種帶有風冷系統的滾珠高速電主軸。

技術方案

《一種滾珠高速電主軸》採用如下技術方案：

一種滾珠高速電主軸，其包括設定有第一收容腔的機體、鋁水套、設定於機體與鋁水套之間的軸承座、轉子軸芯、電機、用於夾持刀具進行加工操作的換刀系統以及風冷系統。機體與軸承座共同圍設形成第二收容腔，軸承座與鋁水套圍設形成第三收容腔。轉子軸芯貫穿於第一收容腔、第二收容腔以及第三收容腔之間。電機設定於第二收容腔內用於驅動轉子軸芯轉動。風冷系統包括設定於轉子軸芯上的風扇及冷卻風通道，冷卻風通道包括設定於鋁水套上與第三收容腔連通的若干進風口、設定於軸承座上的若干出風口以及連通於若干進風口與出風口之間的第一通風道。風扇位於第三收容腔內並在電機的驅動下隨轉子軸芯一同旋轉，以將外部空氣由若干進風口引入第三收容腔內並經第一通風道將電機產生的熱量由若干出風口排出。

冷卻風通道包括設定於軸承座表面擋風件，若干出風口遮擋於擋風件內，該擋風件與軸承座表面形成供由若干出風口流出的氣流經過的第二通風道。

第二通風道為設定於軸承座表面由鋁合金製成的若干散熱筋。

轉子軸芯沿第一收容腔指向第三收容腔方向依次設定有三排下軸承組件、中軸承組件以及上軸承組件，該下軸承組件設定於第一收容腔內，該中軸承組件設定於第一收容腔與第二收容腔之間，該上軸承組件設定於第二收容腔與第三收容腔之間。

上軸承組件、中軸承組件以及下軸承組件均為陶瓷球軸承。

上軸承組件包括兩個陶瓷球軸承，中軸承組件包括一個陶瓷球軸承，下軸承組件包括兩個陶瓷球軸承。

一種滾珠高速電主軸還包括氣封系統，該氣封系統包括設定於機體上與第一收容腔連通的進氣口、氣流通道、氣流槽以及出氣口，氣流通道連通於進氣口與下軸承組件遠離第一收容腔底部的一端之間，氣流槽連通於下軸承組件相對的兩端之間，該出氣口連通於機體與氣流槽之間。

氣流槽為設定連通於下軸承組件相對兩端的環形氣流槽

換刀系統包括氣缸組件、推桿、彈性件、軸霸、碟簧以及用於夾持刀具的夾頭；該推桿貫穿於轉子軸芯內並可在氣缸組件的作用下沿轉子軸芯的軸向移動；彈性件設定於氣缸組件與推桿之間，用以提供恢復力；軸霸設定於轉子軸芯內且位於推桿與夾頭之間，碟簧抵接於軸霸與夾頭之間並可在推桿抵頂軸霸時發生形變，夾頭設定於轉子軸芯與推桿相對的末端並可隨轉子軸芯作高速旋轉。

電機為交流同步電機，轉子軸芯與電機均採用永磁體製造而成。

改善效果

《一種滾珠高速電主軸》中滾珠高速電主軸，轉子軸芯的上端部設定有隨其一起做高速旋轉運動的風扇。風扇產生的空氣流帶走電機工作產生的熱量，達到風冷電機的作用。此種散熱方式結構簡單、節約能源且減少污染。另外，滾珠高速電主軸內設定有氣封系統，其可以在對下軸承組件進行冷卻的同時亦可防止切削液、油污等雜質進入機體內部損壞下軸承組件，從而保護和延長下軸承組件的使用壽命。

附圖說明

圖1為《一種滾珠高速電主軸》滾珠高速電主軸的結構示意圖。

主要元件符號說明：100、滾珠高速電主軸；99、刀具；10、機體；11、第一收容腔；20、軸承座；21、第二收容腔；30、鋁水套；31、第三收容腔；40、軸芯組件；41、轉子軸芯；410、下軸承組件；412、中軸承組件；414、上軸承組件；42、電機；43、轉子；45、定子；50、換刀系統；51、氣缸組件；53、推桿；54、彈性件；55、軸霸；58、碟簧；59、夾頭；60、風冷系統；61、風扇；63、冷卻風通道；631、進風口；632、第一通風道；633、出風口；634、擋風件；635、第二通風道；70、氣封系統；71、進氣口；72、氣流通道；73、氣流槽；74、出氣口。

技術領域

《一種滾珠高速電主軸》涉及一種滾珠高速電主軸，特別涉及一種帶有風冷系統的滾珠高速電主軸。

權利要求

1.一種滾珠高速電主軸，其特徵在於：包括設定有第一收容腔的機體、鋁水套、設定於機體與鋁水套之間的軸承座、轉子軸芯、電機、用於夾持刀具進行加工操作的換刀系統以及風冷系統；機體與軸承座共同圍設形成第二收容腔，軸承座與鋁水套圍設形成第三收容腔；轉子軸芯貫穿於第一收容腔、第二收容腔以及第三收容腔之間，電機設定於第二收容腔內用於驅動轉子軸芯轉動；風冷系統包括設定於轉子軸芯上的風扇及冷卻風通道，冷卻風通道包括設定於鋁水套上與第三收容腔連通的若干進風口、設定於軸承座上的若干出風口以及連通於若干進風口與出風口之間的第一通風道；風扇位於第三收容腔內並在電機的驅動下隨轉子軸芯一同旋轉，以將外部空氣由若干進風口引入第三收容腔內並經第一通風道將電機產生的熱量由若干出風口排出。

2.如權利要求1所述的滾珠高速電主軸，其特徵在於：該冷卻風通道包括設定於軸承座表面擋風件，若干出風口遮擋於擋風件內，該擋風件與軸承座表面形成供由若干出風口流出的氣流經過的第二通風道。

3.如權利要求2所述的滾珠高速電主軸，其特徵在於：該第二通風道為設定於軸承座表面由鋁合金製成的若干散熱筋。

4.如權利要求1所述的滾珠高速電主軸，其特徵在於：轉子軸芯沿第一收容腔指向第三收容腔方向依次設定有下軸承組件、中軸承組件以及上軸承組件，該下軸承組件設定於第一收容腔內，該中軸承組件設定於第一收容腔與第二收容腔之間，該上軸承組件設定於第二收容腔與第三收容腔之間。

5.如權利要求4所述的滾珠高速電主軸，其特徵在於：上軸承組件、中軸承組件以及下軸承組件均為陶瓷球軸承。

6.如權利要求4所述的滾珠高速電主軸，其特徵在於：上軸承組件包括兩個陶瓷球軸承，中軸承組件包括一個陶瓷球軸承，下軸承組件包括兩個陶瓷球軸承。

7.如權利要求4所述的滾珠高速電主軸，其特徵在於：還包括氣封系統，該氣封系統包括設定於機體上與第一收容腔連通的進氣口、氣流通道、氣流槽以及出氣口，氣流通道連通於進氣口與下軸承組件遠離第一收容腔底部的一端之間，氣流槽連通於下軸承組件相對的兩端之間，該出氣口連通於機體與氣流槽之間。

8.如權利要求7所述的滾珠高速電主軸，其特徵在於：該氣流槽為設定連通於下軸承組件相對兩端的環形氣流槽。

9.如權利要求1所述的滾珠高速電主軸，其特徵在於：該換刀系統包括氣缸組件、推桿、彈性件、軸霸、碟簧以及用於夾持刀具的夾頭；該推桿貫穿於轉子軸芯內並可在氣缸組件的作用下沿轉子軸芯的軸向移動；彈性件設定於氣缸組件與推桿之間，用以提供恢復力；軸霸設定於轉子軸芯內且位於推桿與夾頭之間，碟簧抵接於軸霸與夾頭之間並可在推桿抵頂軸霸時發生形變，夾頭設定於轉子軸芯與推桿相對的末端並可隨轉子軸芯作高速旋轉。

10.如權利要求1所述的滾珠高速電主軸，其特徵在於：電機為交流同步電機，轉子軸芯與電機均採用永磁體製造而成。

實施方式

參見圖1，《一種滾珠高速電主軸》涉及一種滾珠高速電主軸100，其包括機體10、軸承座20、鋁水套30、軸芯組件40、用於更換刀具99的換刀系統50、風冷系統60以及氣封系統70。機體10大體呈T字形，其中部向內凹陷形成第一收容腔11。軸承座20設定於機體10與鋁水套30之間，並與機體10的一端共同圍設形成第二收容腔21。鋁水套30設定於軸承座20上，並與軸承座20遠離機體10的一端共同圍設形成第三收容腔31。其中，第一收容腔11、第二收容腔21以及第三收容腔31相互連通。

軸芯組件40包括轉子軸芯41及用於驅動轉子軸芯41的電機42。電機42包括設定於轉子軸芯41上的轉子43以及與轉子43配合的定子45。轉子43與定子45設定於第二收容腔21內。工作時，向定子45輸入符合要求的三相交流變頻電壓時，轉子43在定子45的驅動下帶動轉子軸芯41作高速旋轉運動。轉子軸芯41貫穿於第一收容腔11、第二收容腔21以及第三收容腔31之間。轉子軸芯41自第一收容腔11至第三收容腔31方向依次套設有下軸承組件410、中軸承組件412以及上軸承組件414三排球軸承。下軸承組件410設定於第一收容腔11的底部。中軸承組件412設定於第一收容腔11與第二收容腔21之間。上軸承組件414設定於第二收容腔21與第三收容腔31之間。在該實施例中，電機42為交流同步電機。轉子軸芯41與電機42均採用永磁體製造而成，從而有利於提高電磁轉換效率、降低電磁損耗。下軸承組件410、中軸承組件412以及上軸承組件414均為陶瓷球軸承。其中，下軸承組件410的數量為兩個，中軸承組件412數量為一個，上軸承組件414的數量為一個。如此，保證滾珠高速電主軸100在高速運轉時軸向與徑向具有足夠的剛度，確保滾珠高速電主軸100加工質量和使用壽命。

換刀系統50通過鋁水套30安裝於軸承座20上，其包括氣缸組件51、推桿53、彈性件54、軸霸55、碟簧58以及夾頭59。推桿53與氣缸組件51連線，且其沿第三收容腔31指向第一收容腔11的方向貫穿於轉子軸芯41內。彈性件54設定氣缸組件51與推桿53之間，用以提供恢復力。軸霸55設定於轉子軸芯41內並與推桿53相對。碟簧58抵接於軸霸55與夾頭59之間，並可在軸霸55的擠壓下發生形變。夾頭59與轉子軸芯41的末端連線並可隨轉子軸芯41作高速旋轉。夾頭59與碟簧58相對的一端外露於轉子軸芯41外，用以夾持刀具99。

風冷系統60包括風扇61與冷卻風通道63。風扇61設定於轉子軸芯41的頂端且位於由軸承座20與鋁水套30圍成的第三收容腔31內，其可隨轉子軸芯41一同做高速旋轉運動，使得周圍的空氣形成氣流並帶走由電機42產生的熱量。其中，風扇61的轉動大小與轉子軸芯41的轉動速度大小相同。冷卻風通道63包括設定於鋁水套30表面的若干進風口631、若干第一通風道632、若干出風口633以及擋風件634。若干進風口631間隔且分散的設定於鋁水套30的表面並與第三收容腔31連通。若干第一通風道632環繞設定於軸承座20表面並與若干出風口633連通。其中，該實施例中，設定於軸承座20的若干第一通風道632是由鋁合金製造而成的若干散熱筋，氣流在通過這些散熱筋時可帶走電機42產生的大部分熱量並通過若干出風口633流出。擋風件634大體呈L形狀，其一端安裝於軸承座20的表面，另一端與軸承座20之間保持一定間隔並形成環繞於軸承座20表面的第二通風道635。若干出風口633被遮擋於擋風件634內，當氣流由若干出風口633流出經過第二通風道635時對位於第二收容腔21內的電機42進行進一步散熱。

氣封系統70包括設定於機體10上與第一收容腔11連通的進氣口71、氣流通道72、氣流槽73以及出氣口74。進氣口71設定於機體10遠離下軸承組件410的一端，並通過外部氣源進行供氣。氣流通道72連通於進氣口71與下軸承組件410遠離第一收容腔11底部的一端之間。氣流槽73連通於下軸承組件410相對的兩端之間。出氣口74與氣流槽73連通。在該實施例中，氣流槽73為環繞於下軸承組件410兩端之間的環形氣流槽。出氣口74亦未額外設定，而由機體10與夾頭59之間的縫隙形成。下軸承組件410包括兩個陶瓷球軸承。通入的壓力空氣由氣流通道72進入下軸承組件410頂部的軸承內，再通過氣流槽73進入下軸承組件410底部的軸承內，最後通過機體10與夾頭59之間的縫隙流出機體10外。可以理解地，在其它一些實施例中，氣流槽73的形狀以及出氣口74的設定形狀與位置均可根據用戶需求而定，在此不做限制。

在工作時，電機42的定子45輸入符合要求的三相交流變頻電壓驅動轉子軸芯41作高速旋轉運動，從而使得安裝在轉子軸芯41的夾頭59夾持所需的刀具99進行高效率、高精度的雕刻、銑削加工。其中，操作者可根據實際加工需求，通過調節輸入三相交流變頻電壓的大小控制電主軸的轉速高低。其中，最高轉速可達3萬轉每分鐘。在此過程中，風扇61隨著轉子軸芯41一同高速旋轉，外部冷風沿箭頭A所指方向由若干進風口631流入第三收容腔31內並攜帶第三收容腔31內的熱空氣經若干第一通風道632由若干出風口633排出。排出的氣流再經第二通風道635帶走軸承座20表面熱量，以對位於第二收容腔21內的電機42進行進一步散熱。同時，工作中由進氣口71通入符合要求的壓力空氣，壓力空氣通過氣流通道72進入下軸承組件410的一端，再通過氣流槽73進入下軸承組件410的另一端，最後從出氣口74（機體10與夾頭59之間的縫隙）流出機體10外。如此，可帶走下軸承組件410在運轉過程中摩擦產生的熱量，使機體10內部保持暢通，防止切削液、油污等雜質進入機體10內部損壞下軸承組件410，從而保護和延長下軸承組件410的使用壽命。

當需要換刀時，電機42停止工作，轉子軸芯41處於完全停止運動的狀態。從氣缸組件51的頂蓋（未標號）處通入符合要求的壓力空氣，壓力空氣推動氣缸組件51內部的活塞（未標號）及推桿53一起向下運動。推桿53端面接觸軸霸55後繼續推動軸霸55向下運動，通過壓縮碟簧58使夾頭59外表面與轉子軸芯41內錐孔面分離。此時，夾頭59張開，刀具99被釋放，即可更換所需的刀具99。刀具99更換完畢後，關閉壓力空氣，彈性件54帶動推桿53與活塞一起向上運動。此時，推桿53端面與軸霸55分離，碟簧58復位且帶動夾頭59與刀具99向上運動，夾頭59收緊，刀具99被夾持信，整個換刀操作完成。

《一種滾珠高速電主軸》中滾珠高速電主軸100，轉子軸芯41的上端部設定有隨其一起做高速旋轉運動的風扇61，風扇61產生的空氣流帶走電機42工作產生的熱量，達到風冷電機42的作用。此種散熱方式結構簡單、節約能源且減少污染。另外，滾珠高速電主軸100內設定有氣封系統70，其可以在對下軸承組件410進行冷卻的同時亦可防止切削液、油污等雜質進入機體10內部損壞下軸承組件410，從而保護和延長下軸承組件410的使用壽命。

榮譽表彰

2018年12月20日，《一種滾珠高速電主軸》獲得第二十屆中國專利優秀獎。