一种高速自动换刀电主轴冷却结构的制作方法

专利名称：一种高速自动换刀电主轴冷却结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数控加工中心用高速自动换刀电主轴冷却结构，特别是涉及 一种利用空气循环流动而进行冷却的木材数控加工中心用高速自动换刀电主轴。
背景技术：
在现代木材工业中，高速铣削是木材精深加工的主要形式。结合木材加工工艺 理论和高速铣削原理，木材数控加工中心除要求有高速的数控系统以及极好的伺服 电机特性之外，还要有较高转速的主轴以提高加工工件的精度和效率，尤其在木材 加工中，其电机主轴转速往往要达到12000 24000RPM左右才可保证木材工件表面 具有较高的粗糙度，从而实现精深加工中的镂铣、雕刻、锯切等功能。
高速自动换刀电主轴(以下简称电主轴)作为木材数控加工中心等加工机床的 关键部件，广泛应用于木材精深加工中。电主轴工作时，电机的转子在定子内高速 旋转，电机的定子和转子都会产生大量的热能，电主轴的轴承高速运转也会产生大 量的热能，如果不能有效地把这些热能排除，会损坏电机的绕组线圈和轴承，故一 定要用冷却系统来保持电主轴工作温度恒定。
电主轴冷却方式按照冷却介质的性质基本可分为两大类液体介质(水或油等) 冷却和气体介质(空气或其它气体)冷却。液体介质比热容较大，冷却效果较好，但 是冷却回路结构比较复杂。 一般是在定子与电机外壳体之间安装冷却套结构，冷却 套上有进液口和出液口，利用液体介质循环流动而进行冷却。这种液体介质冷却方 式冷却回路一旦发生液体介质的泄漏，将破坏绝缘，造成重大故障，因此，对制造 工艺要求严格，成本高。气体介质冷却效果虽然不如液体介质冷却效果好，但结构 相对要简单，成本较低，也不会有破环绝缘而出大故障的危险，是现有技术中电主 轴冷却研究的方向。
现有技术中电主轴的空气冷却方式通常是利用电主轴转子上的扇叶在机壳内回 转时形成流动气流带走部件上的热量，当电机启动后，转子回转产生流动的气流， 利用该气流对转子和定子进行冷却。这种转子产生的气流虽然可对定子的绕组进行 冷却，但对电机外壳却没有冷却的效果，电机外壳往往会由于高温产生热变形从而 影响了主轴的正常工作。现有电主轴风冷技术中也有采用专用风扇冷却的自动换刀 电主轴，但由于自动换刀电主轴结构的限制，其换刀气缸装置是通过法兰与壳体联 结的，由于气缸和法兰的阻挡，无法设置轴向风道， 一般均采用侧面进风，空气流 动不畅，影响冷却效果，而且造成电主轴径向体积大，影响整机的外观。

发明内容
本发明的目的在于改进现有技术的不足，克服上述电主轴无法在其纵向构成轴 向风道，不能对外壳进行很好冷却的缺陷，提供一种利用空气循环流动而进行冷却， 可以有效地排出电主轴产生的热量，从而保障电主轴的高转速、高精度和高稳定性 工作的高速自动换刀电主轴冷却结构。
本发明要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的
一种高速自动换刀电主轴冷却结构，它包括一个一体化的外壳，还包括有设于 该外壳中的主轴、内藏式电机、拉刀机构、气缸和冷却风扇。
所述主轴是空心的，所述拉刀机构固定于其中并与设于所述主轴后端上的所述 换刀气缸同轴线地相连接，该电机的转子在定子空心内与主轴固定，定子设置在所 述主轴外面与所述外壳固连，所述主轴的前部和后部设置前轴承和后轴承，所述前、 后轴承的轴承座固定在该外壳上；其特征在于
一体化的所述外壳为一直筒形壳体，其内为两段中心轴线重合的腔室，从所述 外壳的前端向内一段为截面积较小的前段圆形截面筒形腔室，其与所述定子的外廓 构成过盈配合，从所述外壳的后端向内的一段为截面积较大的后段筒形腔室，所述 的两段筒形腔室的交接处形成一凸肩式止口，在所述外壳的所述前段筒形腔室的筒 壁中设置若干轴向通道形成轴向风道；
所述前轴承座固定在所述外壳的前端，所述后轴承座固定在所述凸肩式止口 上，所述换刀气缸固定在所述后轴承座上；所述冷却风扇安装在所述外壳的后端与 所述主轴、前、后轴承座、换刀气缸以及轴向风道相对应。
所述前后轴承座与所述外壳的连接结构可以是这样的所述前、后轴承座上设 有法兰，通过该法兰将所述前、后轴承座固定在所述外壳上，所述换刀气缸通过其 上的法兰固设在所述后轴承座上；所述前、后轴承座的至少一部分外廓与所述外壳 前段筒形腔室内壁形状相匹配形成轴承定位面，所述换刀气缸的至少一部分外廓与 所述后轴承座上的内腔形状相匹配形成定位面。
具体地，在所述外壳前端面上相邻风道之间和凸肩式止口端面上设有轴向螺 孔，在所述前、后轴承座上的法兰上设有轴向通孔与所述外壳上的所述轴向螺孔对 应，其中固联螺钉使得所述前轴承座轴向地固定在所述外壳的前端，所述后轴承座 轴向地固定在所述外壳的所述凸肩上。
所述换刀气缸的外廓面积以不遮挡所述轴向风道为限，该换刀气缸上设有连接 用法兰，所述法兰上设轴向通孔，在所述后轴承座的法兰上的相应处设螺孔与之对 应，其中固联螺钉使得所述换刀气缸固定在所述后轴承座上。
所述换刀气缸的所述法兰上设有轴向通孔与所述后轴承座上设有的轴向螺孔对应，其中固联螺钉使得所述换刀气缸固定在所述后轴承座上。
所述外壳的外廓截面形状为在正四边形基础上切去四个角的八边形的形状，其
中正四边形切去四角剩余的边长所在的平面构成电主轴支撑安装的平面。
构成电主轴支撑安装平面的该边长与为切去四角前的正四边形的边长之比(a
—2b) /a为0. 6 0. 9。
在所述外壳上侧、左右两侧共三个侧面上的每个侧面上设置两个异型截面风
道，该风道的截面形状为其内侧边缘为与定子的圆形轮廓走向一致的圆弧形，外
侧边缘为与外壳外轮廓的直边缘的走向一致的直边形，两侧用弧形轮廓，将圆弧形
边缘和直边形轮廓光滑地连接在一起；而相邻的两个所述异型风道之间留有的部分 形成定位筋梁。
相邻的两个所述异型截面风道的大小是，使得其间的所述筋梁的宽度与固定轴 承座的螺孔的大小相匹配即可，而该螺孔匹配的螺钉是能够满足固定强度的要求 的；在该筋梁上布设连接所述前轴承座和/或后轴承座上法兰的螺孔，所述前轴承 座和/或后轴承座法兰的外缘在与所述筋梁上的螺孔相应处上设有凸部，在该凸部 上设置通孔，其与所述筋梁上的螺孔相对，其中设螺钉连接，使得前轴承座固定在
外壳的前端和/或后轴承座固定在所述凸肩式止口上；和/或，
在所述外壳的下底侧面设置安装槽，在两个安装槽之间的壳壁上设置所述的异 型风道，该异型风道是两个，两个异型风道之间以及和安装槽之间形成所述筋梁。
当所述外壳的下底侧面上还设置连接键槽时，两个所述异型风道与键槽之间形 成所述定位筋梁。
所述后轴承座的法兰设置在该后轴承座的后端。
本发明提供的高速自动换刀电主轴冷却结构，通过对在外壳中设置的电主轴的 前后轴承座以及连接电主轴上拉刀机构的换刀气缸与外壳的固定结构的改进，使得 在外壳和轴承座以及气缸之间形成轴向风道，由此，可以改善电主轴的风冷却性能， 能有效地保护高速电机，进而保证了系统的正常运行。另外，所述固定结构使得电 主轴的冷却结构更加合理，电主轴的对中心性会更高，故而能确保木材数控加工中 心用电主轴在加工中承受稳定的切削力和保持较高的动平衡，本发明提供的电主轴 不需再在外壳上设置侧向风道，也使得结构更加紧凑和美观。


下面结合附图对本发明做进一步的说明
图1为木材数控加工中心电主轴冷却结构的结构示意图2为图1所示的木材数控加工中心电主轴的K向结构示意图换刀气缸连接法 兰的形状示意图；图3为图1所示的木材数控加工中心电主轴的M-M剖视结构示意图，表示在外 壳上设置的轴向风道的断面结构以及后轴承座以及换刀气缸与外壳的固定定位结 构；
图4为一体化的外壳在如图1所示的K向的结构示意图，显示本电主轴外壳前 端结构；
图5为本电主轴外壳后端结构示意图； 图6为讨论外壳设计的外壳截面设计草图。
具体实施例方式
如图1所示， 一种高速电机冷却结构，包含有一体化外壳1，外壳1内设有贯 穿的轴向风道，拉刀机构2、电机3、主轴4、换刀气缸5、气缸连接法兰6，外壳 端部安装冷却风扇7。
由图可知，木材数控加工中心电主轴是内藏式电机主轴，主轴4是空心的，拉 刀机构2固定于其中，主轴上设置前后轴承，通过相应的前轴承座9、后轴承座8 固定在外壳l上。换刀气缸5通过连接法兰固定到后轴承座8上，冷却风扇7安装 到外壳的后端。
主轴4是空心的，拉刀机构2固定于其中并与换刀气缸5相连接，电机3的转 子在定子31空心内与主轴4固定，定子31固定在主轴4外面与外壳1固连，转子 与主轴及定子与外壳都可以通过过盈配合结构固连。支撑主轴4的前、后轴承座固 定在一体化外壳1上；如图1、 2、 3、 4和5所示， 一体化的外壳1为一直筒形壳 体，其内为两段中心轴线重合的筒形腔室，从所述外壳的前端向内一段为截面积较 小的前段圆形截面筒形腔室101 (见图4),其与定子31的外廓构成过盈配合，从 外壳1的后端向内的一段为截面积较大的后段筒形腔室102 (见图5)，两段筒形 腔室的交接处形成一凸肩式止口 11，在外壳1的所述前段筒形腔室的筒壁中设置若 干轴向贯穿的通道形成轴向风道A;在外壳1的后端设置一后端盖，将包括风扇在
内的所有部件封闭在外壳内。在后端盖上设有通风孔。
前轴承座9固定在外壳1的前端，后轴承座8固定在凸肩式止口上，换刀气缸 5固定在后轴承座8上；冷却风扇7安装在外壳1的后端与主轴4、前、后轴承座9、 8、换刀气缸5以及轴向风道A相对应。
本发明提供的电主轴，从外壳1的前段圆形截面筒形腔室101前端到后端，构 成了若干条从前到后贯通的、穿过前段圆形截面筒形腔室101整个壳壁的纵向风道。 使得安装在外壳后端的风扇产生的气流可以从后向前没有任何阻挡地贯穿整个电 主轴。这种风道可以将转子、定子和轴承，特别是定子和轴承传递到外壳上产生的 热量顺利带走。
在外壳的壳壁中设置风道，外壳的壁厚决定着其中风道的大小，壁厚太薄，其中的风道也小，对于外壳和其周围部件的冷却效果就不够好，但如果壁厚太厚，会 使得本电主轴的体积增大，结构不紧凑。在外壳壁厚一定的情况下，以壳体外廓为 圆形Ol (如图6所示)为外廓尺寸最小，而可布设轴向风道面积最大的情形。但电 主轴外表面需要有平面用于固定安装，因此，圆形外廓是不适用的。现用外壳外廓 为圆形01的极限情况，讨论在设定外壳壁厚时，何种形状的外廓比较合理。如果 做极限情况下圆形01外廓的内接四边形02，则得到的壁厚截面积最小的外壳，做 该圆形01外廓的外接四边形03，则本电主轴的外廓尺寸增加，使得本电主轴的结 构庞大，徒然增加材料和成本，这也是实际应用中不可取的。为了得到理想的外壳 壁厚，便于布置风道，又不会使得结构欠合理，本发明的设计理念是使得电主轴外 壳的外廓尽可能趋近所述的圆形01，且在上下左右四个边缘还应该具有可用于支 撑、固定和连接的平面。
在该设计思想下，可以考虑在所述圆01的外接四边形03的基础上将其四个角 切去形成一八边形截面外廓04的外壳。设定，该外接四边形03的边长为a，切去 的角的两个直角边均为b，则外壳的上作支撑安装之用的边缘为(a—2b)。
而切去角的大小应满足l.切去角后四边形剩下的部分边缘为(a—2b)应该 足够用于电主轴的安装固定所需的长度，2.切去角后电主轴外壳的外廓的周长应不 小于所述圆形即该切去四角前的四边形的内接圆01的周长。
一种优选方案是本八边形的用于做支撑安装用的直边缘的长度(a—2b) /a 为0. 6 0. 9。
在外廓为所述的八边形，内廓为圆形05的外壳前段圆形截面筒形腔室101的 壁上布设轴向风道A，该风道A的形状的设计应考虑到在有限的面积上获得最大的 风道截面积，还应该确保外壳的壳壁的刚度和强度。本发明的设计是如图5所示， 在所述外壳1上侧、左右两侧共三个侧面上的每个侧面上设置两个异型截面风道A， 该风道A的截面形状为其内侧边缘Al为与定子的圆形轮廓走向一致的圆弧形， 外侧边缘A2为与外壳外轮廓的直边缘的走向一致的直边形，两侧用弧形轮廓，将 圆弧形边缘Al和直边形轮廓A2光滑地连接在一起。而相邻的两个所述异型风道之 间留有的部分形成在保证外壳刚度和强度的前提下尽可能窄的定位筋梁10。
经研究得知，相邻的两个所述异型截面风道的大小可以是，使得其间的所述筋 梁的宽度与固定轴承座的螺孔的大小相匹配即可，而该螺孔匹配的螺钉应该满足固 定强度的要求。
在该筋梁10上布设连接前轴承座9上法兰的螺孔10a。
在外壳l的下底侧面，由于其作为支撑整个电主轴的承载面，需要在该侧面上 设置安装槽B，在外壳1的下底侧面上有时还设置连接键槽C。但是，在两个安装槽B之间的壳壁上也可以设置所述的异型风道B1。由此可增加风道的分布率，确保 风冷的效果。该异型风道B1可以是两个，两个异型风道B1和安装槽B之间形成定 位筋梁。当外壳1的下底侧面上还设置连接键槽C时，两个所述异型风道与键槽之 间形成所述定位筋梁。
后轴承座8的后端可以设置法兰81，其抵在该凸肩式止口 11上，后轴承座8
的侧壁与前段圆截面筒形腔室的内壁结合形成后轴承座固定对中定位面。在法兰81 上设置穿设螺钉的通孔，在凸肩式止口 ll上设置螺孔，通过轴向螺钉将后轴承座8 固定在该凸肩式止口 11上继而固定在外壳1上。凸肩式止口 11的径向尺寸确定可 参考螺钉孔设计，以保证能布置下螺钉孔为宜。
换刀气缸5的外廓面积以不遮挡所述轴向风道为限，其可以为圆形截面，这样， 既保证了安装制造上的便利，又在气缸的四周形成风道。圆形截面的气缸外凸面设 气缸法兰51，该法兰51上设轴向通孔，在后轴承座8的法兰81上的相应处设螺孔 与之对应，其中固联螺钉使得所述换刀气缸固定在所述后轴承座8的法兰81上。 换刀气缸5的部分周面与后轴承座的周面相接触成为对中定位面。
现有技术中由于换刀气缸的阻挡，不能在外壳中形成从前到后贯通的风道，通 常是在后轴承座前面的外壳上设置侧向进风口，形成带转弯的风道。这样的风道冷 却效果不佳。而且，换刀气缸多是通过螺钉与外壳固接，也较难保证轴的对中性。
前轴承座9上的法兰的外廓与外壳1上纵向风道A的内侧圆弧形边缘相吻合。 这样，在外壳的相邻风道之间的筋梁IO的端面上设置螺孔(见图4)，前轴承座9 的法兰的外缘在与筋梁10上的螺孔相应处上可设有凸部，在该凸部上设置通孔， 其与外壳上的螺孔相对，其中设螺钉连接，使得前轴承座9固定在外壳的前端。这 种固定结构比较牢靠又不会挡住纵向风道A的风道口。
后轴承座8上的法兰81与凸肩式止口 11的固定结构也可以是这样，即螺孔设 置在外壳的相邻风道A之间的筋梁IO端面上(见图5)。而后轴承座上的法兰的外 缘在与筋梁10上的螺孔相应处设有凸部，在该凸部上设置通孔，与外壳上的螺孔 相对，其上设螺钉连接。
而本发明提供的外壳和后轴承座之间，通过上述结构描述可知，通过将后轴承 座8固定在外壳1的凸肩式止口 11上，使得轴承座的对中心可靠。同时，由于换 刀气缸5通过其上的法兰固定在后轴承座8上，也是轴向固定结构，其对中心也就 得到了保证。因此，本发明提供的后轴承座和换刀气缸与外壳的连接结构在对中心 上优于现有技术。
本发明采用上述轴承座和外壳的连接结构，同时形成轴向贯通风道，这样改动 后，如果后轴承座的位置在直筒形外壳的比较靠前的地方，就增加了轴向固定的安 装难度，因此，应该尽可能地使后轴承座尽可能向外移。本发明将后轴承座的法兰改在轴承座的后端，通过外壳上形成凸肩式止口 11定位轴向安装到一体化外壳上， 法兰后移也就相当于将后轴承座向壳体的后部移动了一段距离，从而提高了安装的 便利性。
外壳1的后端设置后端盖，该后端盖设置有若干通风孔。
本发明利用空气循环流动而进行冷却的高速电主轴冷却结构，确保电机的温升 控制在一定范围内，提高了电主轴运行性能和可靠性，从而提高木材数控加工中心 的加工效率，本发明还可运用于其他机械上。本发明的电机冷却结构可运用于电机 的外壳、主轴上，降低外壳、主轴的高温，有效地保护了高速电机，进而保证了电 主轴系统的正常运行。
权利要求
1.一种高速自动换刀电主轴冷却结构，它包括一个一体化的外壳，还包括有设于该外壳中的主轴、内藏式电机、拉刀机构、气缸和冷却风扇；所述主轴是空心的，所述拉刀机构固定于其中并与设于所述主轴后端上的所述换刀气缸同轴线地相连接，该电机的转子在定子空心内与主轴固定，定子设置在所述主轴外面与所述外壳固连，所述主轴的前部和后部设置前轴承和后轴承，所述前、后轴承的轴承座固定在该外壳上；其特征在于一体化的所述外壳为一直筒形壳体，其内为两段中心轴线重合的筒形腔室，从所述外壳的前端向内一段为内腔截面积较小的前段圆形截面筒形腔室，其与所述定子的外廓构成过盈配合，从所述外壳的后端向内的一段为内腔截面积较大的后段筒形腔室，所述的两段筒形腔室的交接处形成一凸肩式止口，在所述外壳的所述前段筒形腔室的筒壁中设置若干轴向通道形成轴向风道；所述前轴承座固定在所述外壳的前端，所述后轴承座固定在所述凸肩式止口上，所述换刀气缸固定在所述后轴承座上；所述冷却风扇安装在所述外壳的后端与所述主轴、前、后轴承座、换刀气缸以及轴向风道相对应。
2. 根据权利要求l所述的高速自动换刀电主轴冷却结构，其特征在于 所述前、后轴承座上设有法兰，通过该法兰将所述前、后轴承座固定在所述 外壳上，所述换刀气缸通过其上的法兰固设在所述后轴承座上；所述前、后 轴承座的至少一部分外廓与所述外壳前段筒形腔室内壁形状相匹配形成轴 承定位面，所述换刀气缸的至少一部分外廓与所述后轴承座上的内腔形状相 匹配形成定位面。
3.前、后轴承座上的法兰上相应处设有轴向通孔与所述外壳上的 所述轴向螺孔对应，其中固联螺钉使得所述前轴承座轴向地固定在所述外壳 的前端，所述后轴承座轴向地固定在所述外壳的所述凸肩式止口上。
4. 根据权利要求2或3所述的高速自动换刀电主轴冷却结构，其特征在于所述换刀气缸的外廓面积以不遮挡所述轴向风道为限，该换刀气缸上 设有连接用法兰，所述法兰上设轴向通孔，在所述后轴承座的法兰上的相应处设螺孔与之对应，其中固联螺钉使得所述换刀气缸固定在所述后轴承座 上。
5. 根据权利要求1所述的高速自动换刀电主轴冷却结构，其特征在于 所述外壳的外廓截面形状为在正四边形基础上切去四个角的八边形的形状， 其中正四边形切去四角剩余的边长所在的平面构成电主轴支撑安装的平面。
6. 根据权利要求5所述的高速自动换刀电主轴冷却结构，其特征在于-构成电主轴支撑安装平面的该边长与为切去四角前的正四边形的边长之比(a—2b) /a为0. 6 0. 9。
7. 根据权利要求5或6所述的高速自动换刀电主轴冷却结构，其特征在 于在所述外壳上侧、左右两侧共三个侧面上的每个侧面上设置两个异型截 面风道，该风道的截面形状为其内侧边缘为与定子的圆形轮廓走向一致的 圆弧形，外侧边缘为与外壳外轮廓的直边缘的走向一致的直边形，两侧用弧 形轮廓，将圆弧形边缘和直边形轮廓光滑地连接在一起；而相邻的两个所述 异型风道之间留有的部分形成定位筋梁。
8. 根据权利要求6所述的高速自动换刀电主轴冷却结构，其特征在于 相邻的两个所述异型截面风道的大小是，使得其间的所述筋梁的宽度与固定 轴承座的螺孔的大小相匹配即可，而该螺孔匹配的螺钉是能够满足固定强度 的要求的；在该筋梁上布设连接所述前轴承座和/或后轴承座上法兰的螺孔， 所述前轴承座和/或后轴承座法兰的外缘在与所述筋梁上的螺孔相应处上设 有凸部，在该凸部上设置通孔，其与所述筋梁上的螺孔相对，其中设螺钉连 接，使得前轴承座固定在外壳的前端和/或后轴承座固定在所述凸肩式止口 上；和/或，在所述外壳的下底侧面设置安装槽，在两个安装槽之间的壳壁上设置所 述的异型风道，该异型风道是两个，两个异型风道之间以及和安装槽之间形 成所述筋梁。
9. 根据权利要求8所述的高速自动换刀电主轴冷却结构，其特征在于 当所述外壳的下底侧面上还设置连接键槽时，两个所述异型风道与键槽之间 形成所述定位筋梁。
10. 根据权利要求1所述的高速自动换刀电主轴冷却结构，其特征在于 所述后轴承座的法兰设置在该后轴承座的后端。
全文摘要
本发明提供一种高速自动换刀电主轴冷却结构，其中的主轴通过前、后轴承座固定在一体化外壳上；冷却风扇安在外壳的后端；外壳内壁上设有凸肩式止口，后轴承座后端设法兰抵在止口上而固定在外壳上，前后轴承座以及换刀气缸上的法兰上与外壳上设的筋梁相对应处设置螺孔，通过螺栓与外壳固定，在相邻的筋梁之间设有间隙构成贯穿式轴向风道。本电主轴冷却结构，在外壳和轴承座以及气缸之间形成轴向风道，改善了电主轴的风冷却性能，固定结构更加合理，电主轴的对中心性会更高，确保木材数控加工中心用电主轴在加工中承受稳定的切削力和保持较高的动平衡，本电主轴不需再在外壳上设置侧向风道，也使得结构更加紧凑和美观。
文档编号B27C5/00GK101524855SQ200910077609
公开日2009年9月9日 申请日期2009年1月24日 优先权日2009年1月24日
发明者伟 张, 王晓军 申请人:国家林业局北京林业机械研究所