專(zhuān)利名稱(chēng)：基于多孔金屬的保證高速精密電主軸軸承熱穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)控機(jī)床高速精密電主軸的熱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，特別是涉及一種基于多孔金 屬的保證高速精密電主軸軸承熱穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
電主軸是“高頻主軸”(High Frequency Spindle)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是內(nèi)裝式電機(jī)主軸單 元。它把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”，具有結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械效率 高、回轉(zhuǎn)速度和回轉(zhuǎn)精度高、噪聲低、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。電主軸的應(yīng)用大大提高了加工效率和 加工質(zhì)量，降低了產(chǎn)品成本，是現(xiàn)代高速高精機(jī)床的最重要的功能部件之一。然而，隨著電 主軸轉(zhuǎn)速的提高，軸承的摩擦發(fā)熱不可避免，已成為主軸的主要熱源。高速精密電主軸軸承 的發(fā)熱導(dǎo)致的誤差、變形甚至失效，已成為機(jī)床進(jìn)一步提高精度和轉(zhuǎn)速的主要制約因素。電主軸軸承冷卻方式按冷卻介質(zhì)的性質(zhì)可以分為液體介質(zhì)(水或油等)冷卻 和氣體介質(zhì)(空氣或其它氣體)冷卻兩大類(lèi)。已有的冷卻方案有如下幾種1.在主軸 中布置油路進(jìn)行冷卻，其代表專(zhuān)利為“Apparatus for cooling a spindlebearing of a machine” US005192139A，該方法被很多研究人員采用。2.采用開(kāi)放式空氣冷卻結(jié)構(gòu)，其代 表專(zhuān)利為“一種高溫泵的軸承風(fēng)冷卻裝置”，ZL200710190069. 5。3.采用封閉式空氣冷卻以 降低軸承發(fā)熱，其代表專(zhuān)利為“機(jī)床內(nèi)置軸式主軸電動(dòng)機(jī)的冷卻設(shè)備”ZL 200410082159. 9。方法1使用液體介質(zhì)雖然比熱容較大，冷卻效果較好，但是存在冷卻液從回路中 泄漏的危險(xiǎn)。一旦回路發(fā)生液體泄漏，將腐蝕破壞絕緣層，損毀電機(jī)，造成重大事故。氣體 介質(zhì)冷卻雖然比熱容較低，但是不會(huì)出現(xiàn)破壞絕緣的危險(xiǎn)，是現(xiàn)代電主軸冷卻的研究方向。 方法2在電主軸轉(zhuǎn)子上扇葉在機(jī)殼內(nèi)回轉(zhuǎn)時(shí)形成流動(dòng)氣流帶走部件上的熱量。這種方法結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但是冷卻效果太差。這是因?yàn)?，首先，該方法使用的是環(huán)境空氣，其自身 溫度較高，冷卻性能不佳；其次，空氣介質(zhì)與軸承接觸面積小，不能充分帶走軸承的熱量。方 法3雖然也使用了冷卻空氣回路，但是其流道為普通鋼材制作，接觸面積有限，仍不能滿(mǎn)足 高速精密電主軸軸承冷卻的要求。多孔金屬是最近幾年發(fā)展起來(lái)的新型材料，具有重量輕、比表面積大、熱傳導(dǎo)性能 佳、減震等特點(diǎn)，又集結(jié)構(gòu)材料和功能材料的優(yōu)點(diǎn)于一身，在各工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在本發(fā) 明中使用多孔金屬制作高速軸承的軸承座，主要是利用其巨大的比表面積和導(dǎo)流通道，增 加與冷卻空氣的接觸面積和時(shí)間，使之充分吸收并帶走軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量。此外， 利用多孔金屬良好的能量吸收和減振性能，保證軸承徑向跳動(dòng)小，回轉(zhuǎn)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)電主軸高 精度旋轉(zhuǎn)?？諝鉄o(wú)毒無(wú)害，可自由獲得，即使從回路流出也不會(huì)對(duì)設(shè)備和環(huán)境造成危害，是理 想的制冷劑，但空氣制冷的缺點(diǎn)是其熱容小，帶走的熱量少。與方法2不同，本發(fā)明中使用 冷卻氣體是壓縮冷空氣。近年來(lái)隨著高速透平機(jī)械和高效緊湊換熱器的發(fā)展，長(zhǎng)期制約壓 縮空氣制冷的效率低等問(wèn)題得到解決，使空氣制冷應(yīng)用于工礦企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、飛機(jī)列車(chē)客廂、精 密儀器恒溫、住宅家居調(diào)溫等多個(gè)領(lǐng)域。為了進(jìn)一步提高熱交換率，在發(fā)熱量最大的軸承座部分采用多孔金屬結(jié)構(gòu)，是其熱量可以迅速的被壓縮冷空氣散發(fā)出去。

發(fā)明內(nèi)容
為了防止電主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)急劇升溫，避免熱變形和失效，本發(fā)明的目的在于提 供一種基于多孔金屬的保證高速精密電主軸軸承熱穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅能使電主軸 保持恒溫，由于軸承座由多孔金屬制造，還可以吸收主軸運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)，提高加工精度。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下在套筒孔的中部裝有定子，中部裝有轉(zhuǎn)子的主軸穿過(guò)定子后，主軸上的轉(zhuǎn)子與套 筒孔中的定子為間隙配合，主軸的兩端分別支承在各自的軸承中，兩端的軸承分別固定在 套筒內(nèi)開(kāi)有等分分布軸向通孔的多孔金屬軸承座中，套筒的主軸前端蓋和主軸后端蓋將主 軸封裝。套筒側(cè)面開(kāi)設(shè)的套筒后進(jìn)氣口與第一多孔金屬軸承座周面的環(huán)形槽連通，第一多 孔金屬軸承座內(nèi)端面與定子一側(cè)之間的套筒側(cè)面開(kāi)設(shè)套筒后出氣口 ；套筒側(cè)面開(kāi)設(shè)的套筒 前進(jìn)氣口與第二多孔金屬軸承座周面的環(huán)形槽連通，第二多孔金屬軸承座內(nèi)端面與定子另 一側(cè)之間的套筒側(cè)面開(kāi)設(shè)套筒前出氣口。氣源經(jīng)過(guò)濾器和壓力閥后分為兩路，一路經(jīng)套筒后進(jìn)氣口、第一多孔金屬軸承座 的環(huán)形槽和第一多孔金屬軸承座的軸向通孔后與套筒后出氣口連通；另一路經(jīng)套筒前進(jìn)氣 口、第二多孔金屬軸承座的環(huán)形槽和第二多孔金屬軸承座的軸向通孔后與套筒前出氣口連
iM o所述的兩個(gè)多孔金屬軸承座中部的軸承座環(huán)形槽的槽底開(kāi)有兩個(gè)以上周向等分 分布的徑向孔，在每個(gè)徑向孔的孔壁上開(kāi)有一個(gè)以上朝向定子的軸向通孔，環(huán)形槽、徑向孔 與軸向通孔三者連通。本發(fā)明具有的有益的效果是本發(fā)明能夠使高速精密電主軸在運(yùn)行時(shí)，軸承產(chǎn)生的大量熱量及時(shí)被帶走，從而 避免熱聚積引起的變形、失效和損壞等一系列加工問(wèn)題。同時(shí)由于多孔金屬良好的能量吸 收和減振性能，保證軸承徑向跳動(dòng)小，回轉(zhuǎn)穩(wěn)定，保證電主軸的旋轉(zhuǎn)精度。較常用的油路冷 卻方法而言，可以避免冷卻液滲漏，破壞絕緣，損毀電機(jī)，污染環(huán)境等重大事故。和利用環(huán)境 空氣的開(kāi)放式空冷方法比起來(lái)，本方法采用壓縮冷空氣，吸收熱量能力更強(qiáng)，效率更高。與 普通鋼材制造的冷卻流道相比，本方法采用的多孔金屬不僅有巨大的比表面積，與冷空氣 接觸更充分，冷卻效果更佳；而且利用多孔金屬的減振性能，還可以保證電主軸的高精度旋 轉(zhuǎn)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2是多孔金屬軸承座的剖視圖。圖3是圖2的A-A剖視圖。圖中1.主軸前端蓋，2.多孔金屬軸承座，3.套筒前進(jìn)氣口，4.套筒前出氣口， 5.氣源，6.壓力計(jì)，7.壓力閥，8.過(guò)濾器，9.套筒后出氣口，10.套筒后進(jìn)氣口，11.主軸后端蓋，12.軸承，13.套筒，14.轉(zhuǎn)子，15.定子，16.主軸，17.環(huán)形槽，18.軸向通孔，19.徑向
孔。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明包括在套筒13孔的中部裝有定子15，中部裝有轉(zhuǎn)子14的主軸 16穿過(guò)定子15后，主軸16上的轉(zhuǎn)子14與套筒13孔中的定子15為間隙配合，主軸16的兩 端分別支承在各自的軸承12中，兩端的軸承12分別固定在套筒13內(nèi)開(kāi)有等分分布軸向通 孔的多孔金屬軸承座2中，套筒的主軸前端蓋1和主軸后端蓋12將主軸19封裝，起到保護(hù) 和電磁隔離的作用。套筒側(cè)面開(kāi)設(shè)的套筒后進(jìn)氣口 10與第一多孔金屬軸承座周面的環(huán)形槽17連通， 第一多孔金屬軸承座內(nèi)端面與定子15—側(cè)之間的套筒側(cè)面開(kāi)設(shè)套筒后出氣口 9 ；套筒側(cè)面 開(kāi)設(shè)的套筒前進(jìn)氣口 3與第二多孔金屬軸承座周面的環(huán)形槽17連通，第二多孔金屬軸承座 內(nèi)端面與定子15另一側(cè)之間的套筒側(cè)面開(kāi)設(shè)套筒前出氣口 4。氣源5經(jīng)過(guò)濾器8和壓力閥7后分為兩路，一路經(jīng)套筒后進(jìn)氣口 10、第一多孔金屬 軸承座的環(huán)形槽17和第一多孔金屬軸承座的軸向通孔18后與套筒后出氣口 9連通；另一路經(jīng)套筒前進(jìn)氣口 3、第二多孔金屬軸承座的環(huán)形槽17和第 二多孔金屬軸承座的軸向通孔18后與套筒前出氣口 4連通。如圖1、圖2所示，所述的兩個(gè)多孔金屬軸承座中部的軸承座環(huán)形槽17的槽底開(kāi)有 兩個(gè)以上周向均布的徑向孔19，在每個(gè)徑向孔的孔壁上開(kāi)有一個(gè)以上朝向定子的軸向通孔 18，環(huán)形槽、徑向孔與軸向通孔三者連通。本發(fā)明采用16個(gè)周向均布的徑向孔，每個(gè)徑向孔 連通兩個(gè)軸向通孔。本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施實(shí)例如下1)在數(shù)控立式銑床中使用配備有壓縮冷空氣回路的該種電主軸，接通機(jī)床電源開(kāi) 始正常的切削加工。氣源5輸出壓縮冷空氣，通過(guò)過(guò)濾器8凈化空氣，防止灰塵顆粒堵塞氣 路和多孔金屬軸承座2的軸向通孔18，并通過(guò)壓力閥7調(diào)整至適當(dāng)?shù)膲毫?，可以從壓力?jì)6 中觀(guān)察。2)冷空氣分成兩路，一路從套筒前進(jìn)氣口 3進(jìn)入電主軸內(nèi)部，通過(guò)多孔金屬軸承 座2的環(huán)形槽17流入徑向孔19。然后，空氣從多孔金屬軸承座2的軸向通孔18流過(guò)，帶走 來(lái)自軸承12的熱量，最后從套筒前出氣口 4排出。另外一路從套筒后進(jìn)氣口 10進(jìn)入電主 軸內(nèi)部，通過(guò)多孔金屬軸承座2的環(huán)形槽17流入徑向孔19。然后，空氣從多孔金屬軸承座 2的軸向通孔18流過(guò)，帶走來(lái)自軸承12的熱量，最后從套筒后出氣口 9排出。因?yàn)檩S向通孔18的存在，軸承座熱量傳遞的熱阻很小，結(jié)合壓縮冷空氣較強(qiáng)的吸 熱能力，使得運(yùn)行過(guò)程中軸承高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量能夠迅速地被冷空氣吸收，通過(guò)空氣 回路散發(fā)到外部的環(huán)境中。采用本裝置可以控制軸承溫升，從而從根本上避免了因軸承的 發(fā)熱產(chǎn)生的變形、失效和損毀。
權(quán)利要求
一種基于多孔金屬的保證高速精密電主軸軸承熱穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，在套筒(13)孔的中部裝有定子(15)，中部裝有轉(zhuǎn)子(14)的主軸(16)穿過(guò)定子(15)后，主軸(16)上的轉(zhuǎn)子(14)與套筒(13)孔中的定子(15)為間隙配合，主軸(16)的兩端分別支承在各自的軸承(12)中，兩端的軸承(12)分別固定在套筒(13)內(nèi)開(kāi)有等分分布軸向通孔的多孔金屬軸承座(2)中，套筒的主軸前端蓋(1)和主軸后端蓋(12)將主軸(19)封裝；其特征在于套筒側(cè)面開(kāi)設(shè)的套筒后進(jìn)氣口(10)與第一多孔金屬軸承座周面的環(huán)形槽連通，第一多孔金屬軸承座內(nèi)端面與定子(15)一側(cè)之間的套筒側(cè)面開(kāi)設(shè)套筒后出氣口(9)；套筒側(cè)面開(kāi)設(shè)的套筒前進(jìn)氣口(3)與第二多孔金屬軸承座周面的環(huán)形槽連通，第二多孔金屬軸承座內(nèi)端面與定子(15)另一側(cè)之間的套筒側(cè)面開(kāi)設(shè)套筒前出氣口(4)；氣源(5)經(jīng)過(guò)濾器(8)和壓力閥(7)后分為兩路，一路經(jīng)套筒后進(jìn)氣口(10)、第一多孔金屬軸承座的環(huán)形槽和第一多孔金屬軸承座的軸向通孔后與套筒后出氣口(9)連通；另一路經(jīng)套筒前進(jìn)氣口(3)、第二多孔金屬軸承座的環(huán)形槽和第二多孔金屬軸承座的軸向通孔后與套筒前出氣口(4)連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多孔金屬的保證高速精密電主軸軸承熱穩(wěn)定的 結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的兩個(gè)多孔金屬軸承座中部的軸承座環(huán)形槽的槽底開(kāi)有兩個(gè)以上 周向等分分布的徑向孔(19)，在每個(gè)徑向孔的孔壁上開(kāi)有一個(gè)以上朝向定子的軸向通孔 (18)，環(huán)形槽、徑向孔與軸向通孔三者連通。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于多孔金屬的保證高速精密電主軸軸承熱穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在原有的高速精密電主軸的套筒側(cè)面開(kāi)設(shè)的套筒前、后進(jìn)氣口分別與多孔金屬軸承座側(cè)面的環(huán)形槽連通，多孔金屬軸承座內(nèi)端面與定子兩側(cè)之間的套筒側(cè)面開(kāi)設(shè)套筒前、后出氣口；氣源經(jīng)過(guò)濾器和壓力閥后分為兩路，每路經(jīng)套筒前、后進(jìn)氣口、兩個(gè)多孔金屬軸承座的環(huán)形槽和多孔金屬軸承座的軸向通孔后與套筒前、后出氣口連通；另一路經(jīng)套筒前進(jìn)氣口、多孔金屬軸承座的環(huán)形槽和多孔金屬軸承座的軸向通孔后與套筒前出氣口連通。壓縮冷空氣帶走來(lái)自軸承的熱量，進(jìn)入空氣回路。本發(fā)明保證電主軸軸承在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)處在恒溫狀態(tài)，避免因發(fā)熱引起的變形、失效和損壞，確保主軸旋轉(zhuǎn)精度和壽命。
文檔編號(hào)F16C37/00GK101873033SQ20101020235
公開(kāi)日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月13日
發(fā)明者傅建中, 甘文峰, 賀永, 霍文健 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)