專利名稱：高速車銑復合加工動力電主軸裝置及其制造方法
技術領域：
本發明涉及機械制造設備。
背景技術：
車銑復合加工中心具有車、銑、鉆、鏜、攻絲、深孔加工、車銑內外螺紋等功能，這些 功能主要依靠車銑復合加工動力主軸裝置來實現，因此要求此類裝置除能夠安裝旋轉刀具 進行銑削加工外，還可以安裝車削刀具，實現車銑復合加工。車銑復合加工動力電主軸技術 作為車銑復合加工中心的核心技術一直被國外壟斷，大大增加了國內廠商設備引進成本、 設備維修維護費用，制約了我國汽車、軍工、航空、能源等行業的快速發展。故需設計一款高 速車銑復合加工動力電主軸裝置，打破同類機床國外廠商壟斷的局面，使我國機床制造業 在高技術設備領域里取得進一步的發展，縮短我國機床制造業與國外競爭對手的差距，提 高我國高端數控產品的國際競爭力。
發明內容
本發明的目的是提供一種高速車銑復合加工動力電主軸裝置及其制造方法，裝備 在高速五軸車銑復合加工中心上，可實現高剛性車削加工和高轉速銑削等復合加工。高速車銑復合加工動力電主軸裝置，裝備在高速五軸車銑復合加工機床上，并有 配套的電氣、液壓、控制部分與機床上的系統對應結合，其特征在于主軸箱內部同心由外至 內安裝有水套、內置電機和主軸，主軸內孔安裝有拉刀機構，拉刀機構前端安裝拉刀套，拉 刀機構后端連接連接套及卸刀機構；主軸兩端外壁安裝的前、后軸承構成軸承變預緊結構； 三齒盤機構安裝在拉刀套外周，由套筒形成卸刀油缸，主軸后端的卸載油缸和卸刀油缸、打 刀油缸通過后端蓋、大法蘭安裝在主軸箱上，進、出油口分別與機床的液壓系統相連接。制造高速車銑復合加工動力電主軸裝置的方法，其特征在于法蘭與主軸箱采用基 孔制配合，并用螺釘固定，用圓錐銷定位；后軸承套安裝時先調整后軸承套的內孔與前法 蘭內孔的同軸度，同軸精度在Φ0. Olmm以內，再向后法蘭內孔與后軸承套外圓之間的縫隙 內注入填料膠；主軸前后軸承安裝處的外圓尺寸與前、后軸承的配合間隙在-0. 002mm +0. 003mm之間；配磨調整墊使定齒盤比動齒盤在軸向上低0. 005mm ；在滿足低速車削扭矩 在5000Nm以上的同時，該裝置的最高轉速可以達到15000r/min。本設計裝備在高速五軸車銑復合加工中心上，實現機床的高速、高精、復合化加 工，解決了三個關鍵技術問題，即高轉速、高精度、高剛性銑削加工的實現方式，高剛性車削 加工的實現方式，高可靠性的實現方式。在本發明中，動力主軸的驅動依靠安裝在主軸上的內裝電機來完成，外環配有水 套，實現電機的循環冷卻，控制電主軸溫升。在主軸前端應用三齒盤結構實現車削加工時的 高剛性，通過結構創新保證齒盤鎖緊時，主軸軸承實現卸載，減少對主軸軸承的附加載荷； 通過熱和振動傳感器反饋主軸系統的運行狀態，保證主軸系統的工作可靠性；主軸后端配 有高精度、高轉速直聯反饋光柵，保證動力主軸的高動態特性。主軸中心裝配拉刀機構，可實現中心通水和吹氣。主軸的轉速和剛性是一對矛盾體，轉速過高則剛性就相對較低，剛性過高則轉速 就相對較低。本發明的創造性在于應用了軸承變預緊技術，保證高轉速時較少的發熱量和 低速加工時主軸的高剛性，通過熱和振動傳感器反饋主軸系統的運行狀態，保證動力主軸 的工作可靠性。拉刀機構配有無級行程開關，實現帶刀拉刀、無刀拉刀和打刀三個位置的檢 測。拉刀機構打刀時，利用前端的三齒盤結構實現對打刀力的平衡，避免打刀時對主軸軸承 的沖擊載荷。
圖1是高速動力電主軸剖視圖；圖2是液壓系統原理示意圖；圖3是氣動系統原理示意圖。
具體實施例方式高速車銑復合加工動力電主軸裝置，裝在高速五軸車銑復合加工機床上，并有配 套的電氣、液壓、控制部分與機床上的系統對應結合，見圖1，其特征在于主軸箱31內部同 心由外至內安裝有水套12、內置電機11和主軸32，主軸32內孔安裝有拉刀機構10，拉刀 機構10前端安裝拉刀套2，拉刀機構10后端連接連接套30及卸刀機構；主軸32兩端外壁 安裝的前軸承37、后軸承15分別構成軸承變預緊結構；主軸32后端的鎖緊螺母27上安裝 圓光柵16 ；三齒盤機構安裝在拉刀套2的外周，由套筒3、浮動齒盤4和前端蓋39形成松開 油缸6，由浮動齒盤和前端蓋39構成鎖緊油缸5 ；連接套30的后端安裝密封套裝置24，最 后端安裝有無級開關20 ；主軸32后端的卸載油缸18和卸刀油缸19通過后端蓋21、大法蘭 26安裝在主軸箱31上，進、出油口分別與機床的液壓系統相連接。軸承變預緊結構前軸 承37通過前法蘭36安裝在主軸箱31上，前軸承37左側安置拉刀套2，右側安置套筒33和 小端蓋34，前軸承37內環安裝在主軸32外周上，外環由前法蘭36支撐，前法蘭36內安裝 有熱和振動傳感器9，與拉刀套2、套筒33及小端蓋34構成前預緊結構；主軸后軸承15右 側安置螺母27，內環安裝在主軸32外周上，外環靠后軸承套28支撐，同心安裝在后軸承15 外周的后軸承套28左端面有6個直徑10mm、深9mm的孔，孔內安裝有壓電件14，后軸承套 28與后法蘭13之間形成預緊油缸29，通過螺母27實現預緊。前軸承卸載油缸結構見圖2，圖3，安裝在后法蘭13右側的大法蘭26和與連接套 30端同軸固定的小法蘭22構成前軸承卸載油缸18，在大法蘭26內環安裝缸套17，缸套17 在大法蘭26和小法蘭22之間作為油缸活塞；缸套17左端的推進安裝在主軸32上螺母25。卸刀油缸及卸刀力平衡結構小法蘭22、后端蓋21和打刀缸套23構成卸刀油缸 19，打刀缸套23同心安置在小法蘭22和后端蓋21之間作為油缸活塞，打刀缸套23前端伸 入主軸中心孔內。定齒盤8和前法蘭36內安置開關觸桿38，與位于主軸箱31壁內的限位 開關35相通。三齒盤機構安裝在主軸32前端的拉刀套2上安裝有三齒盤機構的動齒盤7，定 齒盤8固定在前法蘭36內，浮動齒盤4安置在前端蓋39內，通過調整墊1調整定齒盤8的 高度；三齒盤的松開油缸6位于浮動齒盤4和套筒3之間，鎖緊油缸5位于前端蓋39和浮動齒盤4之間，前端蓋39與拉刀套2之間安置迷宮套41，前端蓋39上還有冷卻噴嘴40。動力主軸采用高速、高精陶瓷滾動體復合軸承，通過壓電陶瓷或比例伺服液壓實 現軸承預緊力的動態調節，保證高轉速時較少的發熱量和低速加工時主軸的高剛性。上述機械部分保證了技術性能改進1.高轉速、高精度、高剛性銑削加工的實現方式如圖1所示，銑削加工前，主軸32前端的三齒盤機構的松開油缸6進油，浮動齒盤 4與動齒盤7和定齒盤8脫開，開關觸桿38前伸，限位開關35發信號確認浮動齒盤4完全 脫開；安裝在主軸32上的內裝電機11開始供電，實現無間隙直接驅動刀具主軸32高速旋 轉。電機11外環配有水套12，實現電機11的循環冷卻，控制電主軸溫升。主軸32的前軸 承37和后軸承15均采用高速、高精陶瓷滾動體復合軸承，保證了主軸32的旋轉精度。前 軸承37處安裝有熱和振動傳感器9，反饋主軸系統的運行狀態，當振動超出標準值時，壓電 材料14增加脈沖或預緊油缸29增加油壓，產生的軸向力通過推動后軸承套28帶動后軸承 15、鎖緊螺母27、主軸32、拉刀套2向后移動，從而實現增加前軸承38的軸承預緊力，提高 電主軸裝置的剛性；當溫升過高時，壓電材料14減少脈沖或預緊油缸29降低油壓，按相反 動作實現減少前軸承37預緊力，降低系統溫升。通過上述方法，保證了電主軸裝置高轉速 時較少的發熱量和低速加工時主軸的高剛性，滿足不同的銑削加工要求。主軸后端配有高 精度、高轉速直聯反饋圓光柵14，保證動力主軸的高動態特性。2.高剛性車削加工的實現方式如圖1所示，車削加工前，主軸32前端的三齒盤機構的鎖緊油缸6進油，浮動齒 盤4與動齒盤7和定齒盤8嚙合鎖緊，開關觸桿38后伸，限位開關35發信號確認浮動齒盤 4嚙合到位，然后主軸32后端的卸載油缸18供油，通過缸套17推動螺母25、主軸32、套筒 33、前軸承37、拉刀套2，最終將平衡力作用到動齒盤7上，使動齒盤7前移，保證三齒盤可 靠嚙合，在這個過程中，前軸承37的內環前移，使軸承不承受切削載荷，提高了前軸承37的 使用壽命。綜上所述，三齒盤機構的前置和卸載油缸的應用保證了高剛性切削加工的實現。3.高可靠性的實現方式如圖1所示，主要通過以下幾種結構保證主軸系統的可靠性a)熱和振動傳感器9安裝在前軸承37的外側，反饋前軸承37的動行狀態，保證主 軸系統的工作可靠性；b)內裝電機11外環配有水套12，實現電機11的循環冷卻，控制電主軸溫升，保證 電機11的工作可靠性；c)車削加工時，主軸32后端的卸載油缸18給油，將主軸前軸承37卸載，提高軸承 使用壽命的同時，保證三齒盤機構鎖緊的可靠性；d)自動安裝刀具時，依靠拉刀機構10中的彈簧將刀具拉緊。自動卸下刀具時，卸 刀油缸19進高壓油，通過打刀缸套23打擊連接套30和拉刀機構10，將刀具卸下。為了避 免在卸刀時對主軸后軸承13的沖擊，卸刀前，主軸32前端的三齒盤機構鎖緊，與拉刀機構 作用到主軸上的沖擊力平衡，避免卸刀時對主軸后軸承15的沖擊載荷，提高后軸承15的使 用壽命，保證主軸系統工作的可靠性；e)主軸拉刀機構10后端配有無級行程開關20，連接套30后端設計成細長軸，軸 端為錐形，與無級行程開關20配合，實現帶刀拉刀、無刀拉刀和打刀三個位置的檢測；另外在連接套30的后端設計有密封套裝置24，實現刀具內部通水和吹氣，保證切削加工時的可
靠性；f)后軸承套28采用灌膠進行安裝，保證后軸承15與前軸承37較高的同軸度要 求；如主軸32前端迷宮套41等旋轉件避免螺釘的應用，采用螺紋直接安裝的方式，減少主 軸32高速旋轉時的不平衡因素。液壓部分如圖2所示，為確保電主軸裝置各個動作順利實施，在三齒盤鎖緊松開 油缸42和卸刀油缸47配置了兩個必要的液壓回路。P 口為高壓油入口，T 口為回油口。P 口和T 口分別與液壓站上的P 口和T 口連接。為可靠執行三齒盤機構的鎖緊和松開，三齒 盤鎖緊松開油缸42的液壓回路中將電磁換向閥46、減壓閥45、單向節流閥44及壓力繼電 器43成組安裝在一起，其液壓入口和回油口分別與三齒盤鎖緊松開油缸42的出入口相通。 電磁換向閥46作鎖緊、松開功能的切換，通過減壓閥45調整機構壓力值到合適的大小，單 向節流閥44負責調整浮動齒盤的執行速度，通過數字壓力繼電器43可有效監控系統的壓 力狀態，確保三齒盤機構工作可靠，卸刀油缸47與電磁換向閥51的液壓回路中也安裝與三 齒盤鎖緊松開油缸42類似的減壓閥50、單向節流閥49、數字壓力繼電器48作為液壓液壓 執行部件，來保證裝刀、卸刀動作的順利完成。氣動部分如圖3所示，該裝置配有主軸中心吹氣56和主軸頭氣密封58。該裝置 為高精密裝置，對空氣的要求比較高，因此配備了氣動處理單元52，過濾掉空氣中的雜質， 氣動處理單元由過濾器、保護開關、電磁閥、消音器組成，各執行元件分別與電氣系統連接， 自動控制其工作狀態。過濾器53進一步過濾掉空氣中的水份，獲得清潔、干燥的氣源。減 壓閥54根據電主軸裝置工作情況調整氣源壓力。因為主軸中心只有在換刀時吹氣，因此設 計有一個電磁閥55，控制氣源的開關，而主軸頭氣密封在機床供電情況下要一直供氣，所以 只有一個減壓閥57。冷卻部分如圖1所示，刀具上的短錐刀柄和動力主軸連接后，切削時所用的冷卻 液，可通過拉刀機構中心孔到達短錐刀柄，進入刀桿直噴切削部位，實現刀具的內部冷卻； 而刀具的外部冷卻經過電主軸裝置主軸箱31、前法蘭36、前端蓋39中的通道，最終由噴嘴 40噴出。電機的冷卻經過電主軸裝置的主軸箱31，由水套12的進水口流入，循環一周后由 出水口流出水套12，完成對電機11的冷卻。電器部分為實現機床加工中心對本裝置的自動控制，在液壓、氣動、冷卻系統中 都按設備自動化操作技術需要配置了電器從圖2和圖3中可見，液壓和氣動管路中應用了 電磁閥換向閥、數字壓力繼電器等執行元件，并通過PLC接口與控制系統實現電路連接。制造方法，其特征在于前法蘭36和后法蘭13分別與主軸箱31采用基孔制配合， 同時用12個M8的螺釘分別將前法蘭36和后法蘭13固定在主軸箱31上，并分別用兩個圓 錐銷定位；后軸承套28在安裝過程中，首先調整后軸承套28的內孔與前法蘭36內孔的同 軸度，保證兩者的同軸精度在ΦΟ.ΟΙπιπι以內，精度調整好后，通過后法蘭13的注膠孔向后 法蘭13內孔與后軸承套28外圓之間的縫隙內注入填料膠。主軸32前后軸承安裝處的外圓 尺寸分別與前軸承37和后軸承15配合，保證主軸與前、后軸承的配合間隙在-0. 002mm +0. 003mm之間；配磨調整墊1保證定齒盤8比動齒盤7在軸向上低0. 005mm。通過上述方 法，在滿足低速車削扭矩在5000Nm以上的同時，該裝置的最高轉速可以達到15000r/min， 真正實現了高速加工。
權利要求
高速車銑復合加工動力電主軸裝置，裝備在高速五軸車銑復合加工機床上，可實現高剛性車削加工和高轉速銑削等復合加工，并有配套的電氣、液壓、控制部分與機床上的系統對應結合，其特征在于主軸箱(31)內部同心由外至內安裝有水套(12)、內置電機(11)和主軸(32)，主軸(32)內孔安裝有拉刀機構(10)，拉刀機構(10)前端安裝拉刀套(2)，拉刀機構(10)后端連接連接套(30)及卸刀機構；主軸(32)兩端外壁安裝的前軸承(37)、后軸承(15)分別構成軸承變預緊結構；主軸(32)后端的鎖緊螺母(27)上安裝圓光柵(16)；三齒盤機構安裝在拉刀套(2)的外周，由套筒(3)、浮動齒盤(4)和前端蓋(39)形成松開油缸(6)，由浮動齒盤和前端蓋(39)構成鎖緊油缸(5)；連接套(30)的后端安裝密封套裝置(24)，最后端安裝有無級開關(20)；主軸(32)后端的卸載油缸和卸刀油缸、打刀油缸通過后端蓋(21)、大法蘭(26)安裝在主軸箱(31)上，進、出油口分別與機床的液壓系統相連接。
2.根據權利要求1所述的高速車銑復合加工動力電主軸裝置，其特征在于軸承變預緊 結構前軸承(37)通過前法蘭(36)安裝在主軸箱(31)上，前軸承(37)左側安置拉刀套 (2)，右側安置套筒(33)和小端蓋(34)，前軸承(37)內環安裝在主軸(32)外周上，外環由 前法蘭(36)支撐，前法蘭(36)內安裝有熱和振動傳感器(9)，與拉刀套(2)、套筒(33)及 小端蓋(34)構成前預緊結構；主軸后軸承(15)右側安置螺母(27)，內環安裝在主軸(32) 外周上，外環靠后軸承套(28)支撐，同心安裝在后軸承(15)外周的后軸承套(28)左端面 有6個直徑10mm、深9mm的孔，孔內安裝有壓電件(14)，后軸承套(28)與后法蘭(13)之間 形成預緊油缸(29)，通過螺母(27)實現預緊。
3.根據權利要求1所述的高速車銑復合加工動力電主軸裝置，其特征在于前軸承卸 載油缸結構安裝在后法蘭(13)右側的大法蘭(26)和與連接套(30)端同軸固定的小法 蘭(22)構成前軸承卸載油缸(18)，在大法蘭(26)內環安裝缸套(17)，缸套(17)在大法 蘭(26)和小法蘭(22)之間作為油缸活塞；缸套(17)左端的推進安裝在主軸(32)上螺母(25)。
4.根據權利要求1所述的高速車銑復合加工動力電主軸裝置，其特征在于卸刀油缸及 卸刀力平衡結構小法蘭(22)、后端蓋(21)和打刀缸套(23)構成卸刀油缸(19)，打刀缸套 (23)同心安置在小法蘭(22)和后端蓋(21)之間作為油缸活塞，打刀缸套(23)前端伸入主 軸中心孔內，定齒盤(8)和前法蘭(36)內安置開關觸桿(38)，與位于主軸箱(31)壁內的限 位開關(35)相通。
5.根據權利要求1所述的高速車銑復合加工動力電主軸裝置，其特征在于三齒盤機 構安裝在主軸(32)前端的拉刀套(2)上安裝有三齒盤機構的動齒盤(7)，定齒盤(8)固 定在前法蘭(36)內，浮動齒盤(4)安置在前端蓋(39)內，通過調整墊(1)調整定齒盤(8) 的高度；三齒盤的松開油缸(6)位于浮動齒盤(4)和套筒(3)之間，鎖緊油缸(5)位于前端 蓋(39)和浮動齒盤(4)之間，前端蓋(39)與拉刀套(2)之間安置迷宮套(41)，前端蓋(39) 上還有冷卻噴嘴(40)。
6.根據權利要求1所述的高速車銑復合加工動力電主軸裝置，其特征在于液壓部分 電主軸的高壓油入口 P 口和回油口 T 口分別與液壓站上的P 口和T 口連接，三齒盤鎖緊松 開油缸(42)的液壓回路中配置電器執行件成組安裝了鎖緊、松開功能切換的電磁換向閥 (46)、調整機構壓力值的減壓閥(45)、調整浮動齒盤(4)的執行速度的單向節流閥(44)、 監控系統的壓力狀態數字壓力繼電器(43)，液壓入口和回油口分別與三齒盤鎖緊松開油缸(42)的出入口相通；卸刀油缸(47)的液壓配置與三齒盤鎖緊松開油缸(42)相似，也是在 卸刀油缸(47)液壓回路中配置電磁換向閥(51)、減壓閥(50)、單向節流閥(49)、數字壓力 繼電器(48)作為液壓執行件。
7.根據權利要求1所述的高速車銑復合加工動力電主軸裝置，其特征在于冷卻部分 i.刀具的內部冷卻刀具上的短錐刀柄和拉刀套(2)連接后，切削時所用的冷卻液，可通過拉刀機構10中心孔到達短錐刀柄，進入刀桿直噴切削部位； .刀具的外部冷卻冷卻液經過主軸箱(31)、前法蘭(36)、前端蓋(39)中的通道，最 終由噴嘴(40)噴出；c.電機的冷卻經過電主軸裝置的主軸箱(31)，由水套(12)的進水口流入，循環一周后 由出水口流出水套(12)，完成對電機(11)的冷卻。
8.根據權利要求1所述的高速車銑復合加工動力電主軸裝置的制造方法，其特征在于 前法蘭(36)和后法蘭(13)分別與主軸箱(31)采用基孔制配合，同時用螺釘分別將前法蘭 (36)和后法蘭(13)固定在主軸箱(31)上，并分別用兩個圓錐銷定位；后軸承套(28)在安 裝過程中，首先調整后軸承套(28)的內孔與前法蘭(36)內孔的同軸度，保證兩者的同軸精 度在Φ0. Olmm以內，精度調整好后，通過后法蘭(13)的注膠孔向后法蘭(13)內孔與后軸 承套(28)外圓之間的縫隙內注入填料膠；主軸(32)前后軸承安裝處的外圓尺寸分別與前 軸承(37)和后軸承(15)配合，保證主軸與前、后軸承的配合間隙在-0.002mm +0.003mm 之間；配磨調整墊(1)保證定齒盤(8)比動齒盤(7)在軸向上低0.005mm;通過上述方法， 在滿足低速車削扭矩在5000Nm以上的同時，該裝置的最高轉速可以達到15000r/min，真正 實現了高速加工。
9.根據權利要求8所述的高速車銑復合加工動力電主軸裝置的制造方法，其特征在于 部件制造精度i.后軸承套(28)的內孔與前法蘭(36)內孔的同軸度，同軸精度在Φ0. Olmm以內； .主軸(32)前、后軸承安裝處的外圓尺寸分別與前軸承(37)和后軸承(15)配作，保 證主軸與前、后軸承的配合間隙在-0. 002mm +0. 003mm之間；iii.配磨調整墊1保證定齒盤(8)比動齒盤(7)在軸向上低0. 005mm。
全文摘要
高速車銑復合加工動力電主軸裝置及其制造方法，裝備在高速五軸車銑復合加工機床上，并有配套的電氣、液壓、控制部分與機床上的系統對應結合，其特征在于主軸箱內部同心由外至內安裝有水套、內置電機和主軸，主軸內孔安裝有拉刀機構，拉刀機構前端安裝拉刀套，拉刀機構后端連接連接套及卸刀機構；主軸兩端外壁安裝的前、后軸承分別構成軸承變預緊結構；三齒盤機構安裝在拉刀套外周，由套筒形成卸刀油缸，主軸后端的卸載油缸和卸刀油缸、打刀油缸通過后端蓋、大法蘭安裝在主軸箱上，進、出油口分別與機床的液壓系統相連接。可實現高剛性車削加工和高轉速銑削等復合加工。
文檔編號B23P23/02GK101941152SQ201010264440
公開日2011年1月12日 申請日期2010年8月27日 優先權日2010年8月27日
發明者劉守勝, 劉志坤, 徐海東, 李德珍, 李曉峰, 王家興, 白平, 蓋立亞, 趙尚福, 韋峰 申請人:沈陽第一機床廠