一种内外冷却的高速水润滑电主轴制造技术

技术编号：40136243 阅读：10 留言：0更新日期：2024-01-23 22:54

本发明专利技术提供一种内外冷却的高速水润滑电主轴，包括壳体、中空结构的主轴、水润滑径向轴承、水润滑止推轴承、高速电机、刀具组件和密封组件，以及设置在电主轴中的外部冷却通道和内部冷却通道。外部冷却通道中的冷却水和冷却气体对电机定子铁芯、电机定子绕组、径向轴承轴瓦和止推轴承止推瓦进行冷却；内部冷却通道中的冷却液对主轴轴芯、电机转子、径向轴承轴颈、止推轴承止推盘、刀具组件和工件进行冷却；利用篦齿、前置和后置气动密封实现冷却液高压供给的非接触密封，利用离心和气动密封实现水润滑轴承的非接触密封。本发明专利技术能有效地控制电主轴整机的温升，进一步提高主轴极限工作转速和动态特性，且能保证高速运行和启停机工况下的可靠密封。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高速切削加工装备领域，具体涉及一种内外冷却的高速水润滑电主轴。

技术介绍

1、目前，水润滑电主轴被认为是未来高速精密电主轴的发展方向之一。水润滑电主轴与气浮电主轴相比，具有承载力大、刚度高和稳定性好的特点；与油润滑电主轴相比，具有流量大、温升低和绿色环保的优势。然而，水润滑电主轴在高速工况下长时间连续工作时，由于流体粘性剪切作用，促使流体温度升高，其粘度随之下降，从而导致主轴承载力和刚度减小，同时流体温度升高还会引起轴承产生热变形，轴承间隙随之改变，进而影响水润滑轴承和主轴的工作特性；此外，高速电机和切削刀具也会产生大量的电磁热和摩擦热，导致主轴和刀具产生温升和热变形，进而影响主轴的使用寿命和加工精度。

2、现有的由滑动轴承支承的高速电主轴主要通过在电机定子外加装螺旋冷却水套，利用冷却液对电机定子和电主轴壳体进行循环冷却，这种外部冷却结构形式单一，难以带走内部的热量。电机热源主要包括定子铁芯发热、绕组铜耗发热和转子铁损发热，其产生的热量约占整个电主轴发热量的60％，但是当前占电机产热量2/3以上的电机定子绕组和电机转子并没有得到有效地冷却。同时，滑动轴承热源主要来自于轴承间隙中高速流体的粘性剪切摩擦，其产生的热量约占整个主轴发热量的30％；其中，一部分热量通过轴瓦向外部传递，一部分热量通过轴颈向主轴轴芯传递，还有一部分热量通过流体的对流作用进行换热。此外，在长时间连续加工的情况下，加工区的高速摩擦使切削温度升高，刀具上的热量也会传递到主轴轴芯上。目前由滑动支承的高速电主轴的冷却方式过于单一，无法对电主轴

3、切削加工中高压冷却技术的应用具有显著的技术优势，其高压准确定位，使冷却液在刀刃和切屑之间构成隔断，降低切削区的温度，从而延长刀具寿命。然而，高速切削中高压冷却液的供给也是一大技术难题：如果从外部喷射冷却液，冷却液难以达到加工区；如果从主轴内部通冷却液，主轴内通道细长且刀具上的喷出孔径极小，需要通入高压冷却液，这又给高速主轴的可靠密封带来新的问题。值得一提的是，如果润滑介质水和冷却液泄漏到电主轴的电机中，容易导致腐蚀和绝缘损坏，还可能造成严重事故。因此，在电主轴高速运转和启停机情况下，要严格保证润滑介质水排出时和内部冷却液高压供给时的可靠密封。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种内外冷却的高速水润滑电主轴，主轴由水润滑径向-止推轴承联合支承，通过外部冷却通道和内部冷却通道对高速电机、水润滑轴承、主轴轴芯和刀具组件等部件进行冷却，并解决高速运行和启停机工况下冷却液高压供给的可靠密封难题，进而有效地控制电主轴整机的温升，进一步提高轴承的支承刚度和主轴的回转精度。

2、为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：

3、一种内外冷却的高速水润滑电主轴，包括壳体、设置在壳体中的水润滑径向轴承、设置在水润滑径向轴承内的主轴、设置在主轴前端的刀具组件、设置在主轴末端的密封组件、设置在水润滑径向轴承前端的水润滑止推轴承、设置在水润滑径向轴承后端的高速电机、前端盖、后端盖和冷却液供给套杯，以及设置在电主轴中的外部冷却通道和内部冷却通道。其中，外部冷却通道用于对电机定子铁芯、电机定子绕组、水润滑径向轴承轴瓦和水润滑止推轴承止推瓦进行冷却降温；内部冷却通道用于对主轴轴芯、电机转子、水润滑径向轴承轴颈、水润滑止推轴承止推盘、刀具组件和铣削加工进行冷却降温；密封组件用于实现高速运行和停机工况下主轴与后端盖内孔之间的可靠密封。

4、进一步地，所述主轴为中空结构，其中心设有通孔，用于接通冷却液。

5、进一步地，所述后端盖上设置有轴承润滑介质进口、冷却水进口、密封-冷却气体进口和水气排出口；所述冷却液供给套杯上设置有冷却液进口；刀具工作表面上设置有若干个冷却液出口。其中，轴承润滑介质进口与外部高压供水装置相通，用于通入高压润滑水介质；冷却水进口与外部常压供水装置相通，用于通入常压冷却水；密封-冷却气体进口与外部供气装置相通，用于通入压缩空气；冷却液进口与外部加压供液装置相通，用于通入冷却液；水气排出口与外部回收循环装置相通，用于排出轴承润滑水介质、冷却水和密封与冷却气体；刀具工作表面冷却液出口用于将冷却液喷射到加工区域。

6、进一步地，所述壳体内设置有轴承润滑介质进水通道、冷却水进水通道、密封-冷却气体进气通道和水气排出通道。其中，轴承润滑介质进水通道的一端与轴承润滑介质进口连接，另一端被完全封堵；冷却水进水通道的一端与冷却水进口连接，另一端被完全封堵；密封-冷却气体进气通道的一端与密封-冷却气体进口连接，另一端被完全封堵；水气排出通道的一端与水气排出口连接，另一端被完全封堵。

7、进一步地，所述水润滑径向轴承采用大长径比(比值大于5)结构，以提高主轴的径向承载力和径向支承刚度。水润滑径向轴承包括径向轴承轴瓦和径向轴承轴颈两部分；其中，径向轴承轴瓦设置于壳体中，径向轴承轴颈设置于径向轴承轴瓦内，其为主轴的一段。径向轴承轴瓦工作面上设置有两组径向节流小孔，两组径向节流小孔被泄压排水环槽隔开，且对称地布置于其前后两侧；每组径向节流小孔沿轴向由前至后依次设置有若干排径向节流小孔，每排径向节流小孔设置有若干个径向节流小孔，且沿圆周方向均匀布置；径向节流小孔通过相应的内进水孔、进水环槽和外进水孔与轴承润滑介质进水通道相连通。

8、进一步地，所述水润滑径向轴承后端部采用离心密封和气动密封组合，防止润滑水进入高速电机内部，其中，轴颈外圆上设置有甩液环槽，此即构成离心密封；轴瓦内圆上设置有气体密封环槽，此即构成气动密封；由甩液环槽甩出的润滑介质依次流经内漏水环槽、内漏水孔、外漏水环槽、外漏水孔和水气排出通道，最后排出到外部回收循环装置中；气体密封环槽依次通过内进气孔、外进气环槽、外进气孔与密封-冷却气体进气通道相连通。水润滑径向轴承前端部和中部的润滑介质排出时依次流经泄压排水环槽、内排水孔、外排水环槽、外排水孔和水气排出通道，最后排出到外部回收循环装置中。

9、进一步地，所述水润滑止推轴承由前、后两个止推瓦和一个止推盘组成，其设置于水润滑径向轴承的前端，主要为主轴提供轴向承载力和轴向刚度。前止推瓦设置于壳体中，后止推瓦与径向轴承轴瓦做成一体，前、后止推瓦被调整环隔开而对称布置于调整环的前后两侧；止推盘固连在主轴上，且置于前、后两个止推瓦之间。前、后两个止推瓦工作面上均设置有若干个轴向节流小孔，且沿圆周方向均匀分布；其中，前止推瓦上的轴向节流小孔依次通过内进水孔、进水环槽、前端盖上的外进水孔与轴承润滑介质进水通道连通；后止推瓦上的轴向节流小孔通过内进水孔、进水环槽、外进水孔与轴承润滑介质进水通道连通；水润滑止推轴承外侧大径处的润滑介质依次通过内排水孔、排水环槽、外排水孔和水气排出通道，最终排出到外部回收循环装置中。

10、进一步地，所述水润滑止推轴承内侧前端采用离心密封和气动密封组合，本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种内外冷却的高速水润滑电主轴，其特征在于：该电主轴包括壳体(1)、设置在壳体中的水润滑径向轴承(3)、设置在水润滑径向轴承内的主轴(2)、设置在主轴前端的刀具组件(6)、设置在主轴末端的密封组件(7)、设置在水润滑径向轴承前端的水润滑止推轴承(4)、设置在水润滑径向轴承后端的高速电机(5)、后盖端(11)和冷却液供给套杯(12)，以及设置在电主轴中的外部冷却通道(8)和内部冷却通道(9)。

3.如权利要求1所述的一种内外冷却的高速水润滑电主轴，其特征在于：所述水润滑径向轴承(3)长径比大于5。

4.如权利要求1所述的一种内外冷却的高速水润滑电主轴，其特征在于：所述水润滑径向轴承(3)后端部采用离心密封和气动密封组合，防止润滑水进入高速电机内部，其中，轴颈(302)外圆上设置有甩液环槽(202)，此即构成所述离心密封，轴瓦(301)内圆上设置有气体密封环槽(322)，此即构成所述气动密封，由甩液环槽(202)甩出的润滑介质依次流经内漏水环槽(319)、内漏水孔(320)、外漏水环槽(321)、外漏水孔(126)和水气排出通道(104)，最后排出到外部回收循环装置中，气体密封环槽(322)依次通过内进气孔(323)、外进气环槽(324)、外进气孔(116)与密封-冷却气体进气通道(103)相连通。

5.如权利要求1所述的一种内外冷却的高速水润滑电主轴，其特征在于：所述水润滑止推轴承(4)内侧前端采用离心密封和气动密封组合，防止润滑水由电主轴内部泄漏至外界，其中，主轴(2)外圆上设置有甩液环槽(203)，此即构成所述离心密封，前端盖(10)内圆上设置有气体密封环槽(1004)，此即构成所述气动密封，由甩液环槽(203)甩出的润滑介质依次流经漏水环槽(1002)、漏水孔(1003)和水气排出通道(104)，最后排出到外部回收循环装置中，气体密封环槽(1004)通过进气孔(1005)与密封-冷却气体进气通道(103)相连通。

6.如权利要求1所述的一种内外冷却的高速水润滑电主轴，其特征在于：所述外部冷却通道(8)包括第一外部冷却通道、第二外部冷却通道、第三外部冷却通道和第四外部冷却通道；冷却水由冷却水进口(1102)进入，经过壳体上的冷却水进水通道(102)和相应的进水孔(105、107至108、109至110)，流经第一、第三和第四外部冷却通道，最后通过相应的排水孔(117、119至120、121至122)和壳体上的水气排出通道(104)排出到回收循环装置中；冷却气体由密封-冷却气体进口(1103)进入，经过壳体上的密封-冷却气体进气通道(103)和相应的进气孔(106)，流经第二外部冷却通道，最后通过相应的排气孔(118)和壳体上的水气排出通道(104)排出到回收循环装置中；其中，第一外部冷却通道用于对电机定子铁芯(501)进行冷却，第二外部冷却通道用于对电机定子绕组(502)进行冷却，第三外部冷却通道用于对水润滑径向轴承轴瓦(301)进行冷却，第四外部冷却通道用于对水润滑止推轴承前、后止推瓦(401和402)进行冷却。

7.如权利要求6所述的一种内外冷却的高速水润滑电主轴，其特征在于：电机定子冷却套(504)外圆面上设置有双螺旋冷却槽(50401)，所述双螺旋冷却槽的起端通过进水孔(105)与冷却水进水通道(102)连通，...

【技术特征摘要】

2.如权利要求1所述的一种内外冷却的高速水润滑电主轴，其特征在于：所述主轴(2)为中空结构，其中心设有通孔(201)，用于接通冷却液；所述壳体(1)内设置有轴承润滑介质进水通道(101)、冷却水进水通道(102)、密封-冷却气体进气通道(103)和水气排出通道(104)；所述后端盖(11)上设置有轴承润滑介质进口(1101)、冷却水进口(1102)、密封-冷却气体进口(1103)和水气排出口(1104)；所述冷却液供给套杯(12)上设置有冷却液进口(1201)；刀具工作表面上设置有若干个冷却液出口(605)；轴承润滑介质进口(1101)与外部高压供水装置相通，用于通入高压润滑水介质，冷却水进口(1102)与外部常压供水装置相通，用于通入常压冷却水，密封-冷却气体进口(1103)与外部供气装置相通，用于通入压缩空气；冷却液进口(1201)与外部加压供液装置相通，用于通入冷却液；水气排出口(1104)与外部回收循环装置相通，用于排出轴承润滑水介质、冷却水和密封与冷却气体；轴承润滑介质进水通道(101)的一端与轴承润滑介质进口(1101)连接，冷却水进水通道(102)的一端与冷却水进口(1102)连接，密封-冷却气体进气通道(103)的一端与密封-冷却气体进口(1103)连接，水气(104)排出通道的一端与水气排出口连接(1104)。

3.如权利要求1所述的一种内外冷却的高速水润滑电主轴，其特征在于：所述水润滑径向轴承(3)长径比大于5。

【专利技术属性】
技术研发人员：张少文，付宇超，刘惠中，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：

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