一种数控纵切车铣复合中心应用的电主轴单元的制作方法

本发明涉及数控纵切车铣复合机床的技术领域，具体涉及一种数控纵切车铣复合中心应用的电主轴单元。

背景技术：

数控机床，我国已通过近十六年的高速发展，现已在经济型、普及型领域完全满足市场需求；中高端型机床，在举国上下，声势浩大的转型升级高潮中，这二年研发力度蓬勃加速，像雨后春笋，渐露毛尖；数控纵切车铣复合中心，俗称“瑞士型走心机”即主轴箱移动型，专事车铣加工光滑精密棒料的一种全自动系列复合型机床。该机型国内本世纪开年就引进吸收开发，由于该系列机型属于高速、高精、灵细、高效、复合为一体的高端机床范畴之内的精细产品，国内从基础件的加工，功能部件、标准件、数控系统、伺服电机、主轴及驱动、电气件、辅助件、非标件都没有形成所需的精细高品质产业配套链，使开发量产一直受阻。

台湾地区生产中小型机床有一定优势，但其涉足数控纵切车铣复合中心领域近十八、九年，还没有一家做出品牌和量产，全球机械工业发达国家也只有：瑞士、日本、韩国有生产这种机型形成品牌。目前国内市场越来越看好这类机型，需求量也相当可观，年100亿多元的单还在上升，但85%以上还依赖进口和外资企业品牌机型。国内这几年正在加速提升该系列产品的开发力度，从功能部件、基础件、标准件、非标件、辅助配件及电气配件都有所提升。目前在性能和故障率方面与进口机还有一定差距，需要下更大的力度进行功能部件、基础件，数控系统的优化升级以及辅助件的精细化品质提升。

高速精密电主轴单元系列，是高速精密数控纵切车铣复合中心系列机型中一项关键之关键的功能部件，其性能的优劣直接影响该系列机型的加工精度、加工效率、加工能力（规格范围内的切削力、抗震性能、功能性能）及故障率等指标。国外所有的数控纵切车铣复合中心主轴系列，全部都应用电主轴（内藏式电机主轴），国内应用在该系列机型的主轴，有的企业技术不成熟，只有用机械式主轴、外挂电机；使用电主轴的厂家，良莠不齐，功能不尽如意，其特性系数要求难能完善，而市场用户对数控纵切车铣复合中心的功能、特性系数、精度、稳定性要求越来越高。国产机急需突破电主轴特性系数、加工能力、稳定性、加工效率技术创新瓶颈。其特性系数加工能力，主要由内藏式电机、驱动器、编码器、闭环控制及多轴高端CNC系统来开发提升；稳定性，加工效率方面有取决于电主轴机械结构创新优化，配套件的精度提升和管控。国内市场对数控纵切车铣复合中心需求量在快速增长，然而，用户对该系列机型加工能力范围及加工效率提出了更高的要求。目前存在的问题：采用的夹料装置使得被加工零件的长度不稳定，公差大。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中的上述不足，提供了一种数控纵切车铣复合中心应用的电主轴单元。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：一种数控纵切车铣复合中心应用的电主轴单元，包括主轴及设置于主轴内的夹料装置，所述夹料装置包括顶杆、设置于顶杆后部的夹紧材料驱动机构、设置于顶杆后部的夹紧推套、设置于夹紧推套内孔的夹紧滑套、设置于夹紧滑套后部的后调节螺母、设置于夹紧滑套的一对前推式夹爪、设置于顶杆前部的主轴内导套、设置于主轴内导套内孔底端的弹簧、设置于弹簧前端的弹性夹头及设置于主轴内导套外的夹头前螺母。

所述夹紧滑套设有供前推式夹爪旋转活动的一对腰槽孔，所述夹紧滑套一端设有供前推式夹爪作旋转支点的凹槽；所述前推式夹爪一端设有用于与凹槽相配合的支点凸起，所述前推式夹爪的端部设有用于推动顶杆的斜面。

所述前推式夹爪一端设有用于与夹紧推套相配合的抵接凸起。

所述夹紧材料驱动机构包括用于带动夹紧推套的传动轴承转角块、用于带动夹紧推套的深沟球轴承、用于传动轴承转角块和深沟球轴承的拨叉及推动拨叉的气缸。

还包括主轴箱体，主轴箱体设有进风口及对应的出风口；所述进风口设有风扇安装板和轴流风扇。

所述主轴后端装有编码器法兰，编码器法兰套设有编码器齿轮，编码器齿轮上端设有编码感应器；所述编码器法兰后端设有用于强力铣削加工的制动装置。

所述主轴的系列机型为07-12型、15-20型、26型或者32-38型，其中：07-12型的转速范围为100-15000r/min；15-20型的转速范围为100-10000r/min；26型的转速范围为100-10000r/min；32-38型的转速范围为100-8000r/min。

所述主轴箱体前后两端分别设有轴承座，轴承座配对安装有轴承，所述轴承座中的配对轴承中间设有内外隔圈；所述主轴、轴承座及轴承通过前轴承压盖、后轴承压盖、前精密锁紧螺母及后精密锁紧螺母调压固定。

电机绕线定子和电机绕线转子分别对应安装在主轴箱体和主轴的中档位置。

还包括主轴驱动器及制动电阻。

本发明的有益效果：

（1）本发明通过前推式的夹持方式，提高加工零件的长度精度和稳定性，使得长度公差减少，减少加工时间，节省成本；

（2）使电主轴的温升得到有效控制，节约了开机定温时间，提高了生产率，提高了加工零件精度和一致性；

（3）优化了电主轴的整体精度，使得机床在加工零件精度及分度精度的稳定性；

（4）提高了电主轴低速高扭矩的特性。

附图说明

图1是本发明的剖面结构示意图。

图2是图1中A的放大结构示意图。

图3是本发明的俯视图。

图4是本发明的侧视图。

图5是本发明的工作原理图。

图6是本发明的转速-功率负荷特性曲线图及转速-扭矩特性曲线图。

附图标记：

1-主轴箱体；2-主轴；3-夹头前螺母；4-弹性夹头；5-主轴内导套；6-弹簧；7-前防尘盖；8-前轴承压盖；9-前轴承座；10-前精密锁紧螺母；11-第一轴承；12-前轴承内外隔圈；13-前挡套；14-电机绕线定子；15-电机绕线转子；16-后挡套；17-后轴承座；18-第二轴承；19-后轴承内外隔圈；20-后轴承压盖；21-后轴承锁紧螺母；22-编码器法兰；23-编码器齿轮；24-制动轮；25-平键；26-制动轮锁紧螺母；27-后调节螺母；28-顶杆；29-夹紧滑套；291-凹槽；30-夹紧推套；31-前推式夹爪；311-支点凸起；312-抵接突起；32-深沟球轴承；33-传动轴承转角块；34-锁紧螺母；35-气缸支架；36-垫套；37-锁紧螺钉；38-气缸；39-Y-G接头；40-销轴；41-拨叉；42-后位箱；43-箱盖；44-定位销轴；45-接线盒；46-风扇安装板；47-轴流风扇；48-编码感应器。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。本发明的所述的“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等方向以图1为准。

如图1所示，一种数控纵切车铣复合中心应用的电主轴单元，包括主轴2及设置于主轴2内的夹料装置，所述夹料装置包括顶杆28、设置于顶杆28后部的夹紧材料驱动机构、设置于顶杆28后部的夹紧推套30、设置于夹紧推套30内孔的夹紧滑套29、设置于夹紧滑套29后端的后调节螺母27、设置于夹紧滑套29的一对前推式夹爪31、设置于顶杆28前部的主轴内导套5、设置于主轴内导套5内孔底端的弹簧6、设置于弹簧6前端的弹性夹头4及设置于主轴内导套5外的夹头前螺母3。

这样的夹料装置能够实现前推式的夹持方式，提高加工零件的长度精度和稳定性。原后拉式夹持方式，加工零件长度精度，连续加工时，夹持后长度公差范围在0.03-0.20mm之间，长度公差不稳定；采用前推式夹持方式，夹持后，持续加工时，长度公差稳定控制在0.01-0.03mm。

具体的，夹料装置的夹料方式为：通过CNC控制的电磁阀开与闭，将外部空气压缩机供给的动力源从导管送进气缸38，气缸38推动拨叉41往复运动。拨叉41通过传动轴承转角块33、深沟球轴承32带动夹紧推套30往复运动，推动夹紧推套30，其大端内孔R压迫前推式夹爪31的抵接凸起312，抵接凸起312具体为小头外翘R弧，使得前推式夹爪31产生径向移位，由于后调节螺母27的限定使得夹紧滑套29被固定，前推式夹爪31的支点凸起311具体为大头外R弧，并在夹紧滑套29大端面的对称面内向凹槽291中滑动，并在夹紧滑套29的一对腰槽孔中向内收缩，从而推动顶杆28向前端移动，使主轴内导套5同时向前滑动。主轴内导套5中装有弹簧6，弹簧6将弹性夹头4抵紧于夹头前螺母3，防止弹性夹头4松动，未加外力前处于轻预压，当主轴内导套5向前滑动时，弹簧6的压缩力增大，使弹性夹头4锥体受力收缩，将被夹持的棒料夹紧。当需要松开夹持的棒料时，CNC指令电磁阀卸气，气缸38活塞杆收缩，拨叉41、传动轴承转角块33、深沟球轴承32将夹紧推套30退出前推式夹爪31，使顶杆28卸除轴向外力，这时主轴内导套5中的弹簧6减轻了后端的压力，以自身的预压力，推动主轴内导套5往后移动复位，弹性夹头4前锥体收缩力打开，被夹持材料就实现松开。

本实施例中，如图2所示，所述夹紧滑套29设有供前推式夹爪31旋转活动的一对腰槽孔，所述夹紧滑套29一端设有供前推式夹爪31作旋转支点的凹槽291；所述前推式夹爪31一端设有用于与凹槽291相配合的支点凸起311，所述前推式夹爪31的端部设有用于推动顶杆28的斜面。所述凹槽291即为R槽，具体设置在夹紧滑套的大端，即夹紧滑套的右端；所述腰槽孔便于前推式夹爪31穿出夹紧滑套29，凹槽291使得夹紧滑套29固定住前推式夹爪31的支点凸起311并作为其旋转时的支点。

本实施例中，所述前推式夹爪31一端设有用于与夹紧推套30相配合的抵接凸起312。所述抵接凸起312即为与夹紧推套30行程轨迹相配合的凸起R量；这样便于夹紧推套30在往复运动的过程中，抵接前推式夹爪31一端并使其外沟头端径向往夹紧滑套29内形成翘起的趋势，从而推动顶杆28向前端移动，使主轴内导套5向前滑动。

本实施例中，所述夹紧材料驱动机构包括用于带动夹紧推套30的传动轴承转角块33、用于带动夹紧推套30的深沟球轴承32、用于传动轴承转角块33和深沟球轴承32的拨叉41及推动拨叉41的气缸38。所述拨叉41用于传动轴承转角块33及深沟球轴承32，所述传动轴承转角块33及深沟球轴承32用于带动夹紧推套30进行往复运动。

本实施例中，如图2、图3及图4所示，还包括主轴箱体1，主轴箱1设有整体双层结构，中夹层设有进风口及对应的出风口；所述进风口设有风扇安装板46和轴流风扇47。具体为，图4标注的箭头分别为冷风进入及热风挤压排出的方向，这样主轴2的电机及主轴2的旋转轴承在高速运行工作中所产生释放出来的热量，能够通过在主轴箱体1上端装设有的轴流风扇47，将箱体内部释放出来的热量，从箱体夹层中涡流旋压排流，热气流从箱体底部挤压排出，达到良好散热效果，并且将电主轴所产生的升温，严格控制在室温下升温不允许超过8℃~12℃的指标。当电主轴温度超过上限指标，CNC系统会自动报警，这样能够有效控制电主轴单元极微小的热膨胀系数和工件材料的热膨胀系数，缩短了机床开机运行的预定温时间，提高了生产效率，提高了保持被加工零件尺寸精度的一致性。

本实施例中，如图1、图4所示，所述主轴2后端装有编码器法兰22，编码器法兰22套设有编码器齿轮23，编码器齿轮23上端设有编码感应器48；所述编码器法兰22后端设有用于强力铣削加工时的制动装置。所述制动装置为制动轮24，制动轮24内孔中还设有平键25，当需要对被加工零件进行强力铣削加工时，可以通过制动轮24对主轴2进行制动，将被加工棒料固定，这样就可以对被加工棒料进行强力铣削，使被加工零件的尺寸精度及表面粗糙度都得到稳定。具体地，在电主轴单元旋转过程中，电主轴单元的分度可以通过感应式编码器联接主轴驱动器反馈到CNC，当需要设定电主轴单元的转速及无级分度任一角度时，可以通过CNC发出指令通过主轴驱动器发送到电主轴单元，再通过编码器对齿轮23检测回馈信息，使得电主轴单元能够进行精确变速和角度分割定位。

电主轴单元采用中小贯量制，使得电主轴单元的高速制动灵敏度小于1.5s，正反转、加减转速响应敏感度小于0.8s，分度锁固稳定可靠，分度定位精度<5'。

本实施例中，所述主轴的系列机型为07-12型、15-20型、26型或者32-38型，其中：07-12型的转速范围为100-12000r/min、15-20型的转速范围为100-10000r/min、26型的转速范围为100-10000r/min以及32-38型的转速范围为100-8000r/min。如图5所示，分别为转速-功率负荷特性曲线图及转速-扭矩特性曲线图，其中转速-功率特性曲线图的横坐标为转速，单位为r/min，纵坐标为功率负荷，单位为KW；转速-扭矩特性曲线图的横坐标为转速，单位为r/min，纵坐标为扭矩，单位为N-m。通过设计参数对系列机型主轴的特性系数要求，制定其转速范围，扭矩指标和功率因数，特别设定低转速时输出高扭矩，高转速时输出达到高功率负荷，并对电机材料及生产工艺作规范要求，使电机性能稳定，温升限定在设计标准范围之内。这样就能将系列产品电机功能的特性系列通过实验、实践进行系列标准化与国际先进接轨。

本实施例中，所述主轴箱体1前后两端分别设有轴承座，轴承座配对安装有轴承，所述轴承座中的配对轴承中间设有内外隔圈；所述主轴、轴承座及轴承通过前轴承压盖8、后轴承压盖20、前精密锁紧螺母10及后精密锁紧螺母21调压固定。具体地，所述轴承座包括前轴承座9及后轴承座17；所述轴承包括第一轴承11及第二轴承18；内外隔圈包括前轴承内外隔圈12及后轴承内外隔圈19，这样能够调节轴承的预压力。轴承座内端还分别设有前挡套13及后挡套16。所述主轴2、轴承座9及轴承11通过前轴承压盖8、前精密锁紧螺母10进行调整紧固；后轴承座17及第二轴承18、后轴承压盖20、后轴承锁紧螺母21进行最后的预压调整及主轴2几何精度的调试定位紧固。所述部件的相关几何尺寸的配置都为高精密配合；电主轴单元的设计采用了模块化，系列标准化，电机特性系数等同采用国际先进系列参数和实验数据；结构模块优化形成系列化，结构可靠稳定，电轴内导套5锥孔径向跳动精度<0.003mm；主轴2轴向窜动精度<0.0015mm；主轴前后外圆径向跳动少于0.003mm。

本实施例中，电机绕线定子14和电机绕线转子15分别对应安装在主轴箱体1和主轴2的中档位置。电主轴单元采用的低压输出特性参数范围为118-220V，这样的低压电位的输出形成低电流的运行，使得主轴电机高速运行时，电机的升温低于高压电位的输出，再通过系列结构的优化，设有轴流风扇的挤压、排风，达到电主轴在高速高负荷长时间运行时，将电主轴的升温控制在室温上线的8℃~12℃以内的效果；在最高转速下，噪声分贝控制在72dB（A）以内，加入夹料装置及前端同步机构带负荷工作时，其噪声分贝控制在76dB(A)以内。

本实施例中，还包括主轴驱动器及制动电阻。这样能够实现电主轴单元的精确变速，无级分度及精准制动的功能。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。