一种电主轴的制作方法

1.本技术涉及机床技术领域，尤其是涉及一种能够运用在数控机床中的电主轴。


背景技术：

2.电主轴是将旋转主轴与驱动电机融为一体的驱动件，常运用在数控机床领域。数控机床中的主轴电动机与机床主轴“合二为一”，使机床主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”(electricspindle,motorspindle)。电主轴作为数控机床的主要功能部件，是数控机床实现高速度、高精度、高效率、高可靠性的关键部件，电主轴的性能高低直接决定数控机床的品质。
3.电主轴中的电机转子采用压配方法与主轴（芯轴）做成一体，主轴则由前后轴承支撑。电机定子通过冷却套安装于壳体中，主轴的变速由主轴驱动模块控制，而主轴单元内的温升由冷却装置限制，在主轴的后端还装有测速、测角位移传感器，主轴前端的内锥孔和端面用于安装刀具。由于电主轴将电机集成于主轴单元中，且转速很高，运转时会产生大量热量，引起电主轴温升，使电主轴的热态特性和动态特性变差，从而影响电主轴的正常工作。因此，必须采取一定措施控制电主轴的温度，使其恒定在一定值内。
4.目前，在数控机床、智能加工中心等高精度加工领域，为满足高速度、高精度的工况要求，与电主轴相配合的轴承一般选用角接触球轴承，为了提高电主轴的刚度、旋转精度，抑制主轴的振动和异音，一般会对此类轴承施加预紧后使用。传统的轴承预紧方式主要包括定位预紧和弹性预紧；弹性预紧是利用碟形弹簧、螺旋弹簧等弹性元件对轴承施加预紧力的方法；定位预紧是指组合轴承的轴向相对位置在使用过程中不会改变的预紧方法。
5.对于传统的弹性预紧方式，采用碟形弹簧、螺旋弹簧等弹性元件施加预紧时，因为要综合考虑前后端轴承组所需的预紧力、轴系的重力等因素，这样得到的后端轴承组处的弹性力势必要比后轴承组轴承本身需要的预紧力大很多；对于电主轴横向设置的机床而言，电主轴前端用于安装加工刀具进行加工作业，工作过程中需承受较大的作用力，相应的，前端轴承组就需要选用更大型号的轴承，而型号较大的轴承需要的预紧力会比较大；相对的，对于后端轴承组，一般会选用型号较小的轴承，相应需要的预紧力也比较小。但是在施加预紧力时，电主轴及前、后轴承组的相互连接结构决定了作用于前、后轴承组上的力是相等的，这也就导致了作用于后端轴承组上的力实际要大于其本身需要的预紧力；对于电主轴竖向设置的机床而言，在上述基础上还要考虑到轴系重力等因素，最终作用于后端轴承组上的力将更加大于其本身需要的预紧力，过大的预紧力将导致后轴承组在电主轴高速运转过程中温升过高，发热过大，影响精度和寿命，进而影响到整个机床的加工精度。
6.对于传统的定位预紧方式，当轴系零件发热而使长度尺寸发生变化时，预紧力也会变大，导致轴承的温升过高，寿命的降低，电主轴振动增大，精度降低。


技术实现要素：

7.本发明提供一种电主轴，用于解决传统轴承预紧方式下电主轴后轴承组预紧力过
大而引起温升过高带来的电主轴寿命和精度降低的问题。
8.本技术提供的一种电主轴采用如下的技术方案：一种电主轴,包括机壳和转动插设在所述机壳中的芯轴，所述机壳内固设有定子，所述芯轴的外周面上固设有与所述定子相对应的转子；所述机壳的两端分别固设有前轴承室和后轴承室；所述前轴承室内设置有套设在所述芯轴前端的第一前轴承组，所述后轴承室内设置有套设在所述芯轴后端的后轴承组；所述前轴承室内还设置有套设在所述芯轴上且位于所述第一前轴承组与所述后轴承组之间的第二前轴承组；所述第二前轴承组与所述前轴承室之间设置有前弹性预紧结构；所述后轴承组与所述后轴承室之间设置有后弹性预紧结构。
9.现有相关技术中通常只有本技术中的第一前轴承组和后轴承组，没有中间的第二前轴承组以及相应的组装结构，其只包括一组预紧结构，本技术中增加了第二前轴承组，第二前轴承组以及后轴承组处都设置有弹性预紧结构，分别为前弹性预紧结构和后弹性预紧结构，从而形成双弹性预紧结构，相当于原本施加于后轴承组上的预紧力由现在的第二前轴承组、后轴承组分担了，相应的作用于每个轴承组上的力就变小了。通过采用上述技术方案，设置双弹性预紧结构，解决了传统轴承预紧方式下电主轴后轴承组预紧力过大而引起温升过高带来的电主轴寿命和精度降低的问题；同时，也能解决传统的定位预紧方式下轴系零件发热而使长度尺寸变大，从而导致预紧力变大，轴承的温升过高，寿命降低等问题，以及进而连带导致的电主轴振动、精度降低等问题。
10.本技术中通过前、中、后的三组轴承布置结构，可提升电主轴的整体刚性，第二前轴承组可以适当分担原本在加工时完全由第一前轴承组承受的切削力等，从而提升产品的整体刚性。
11.可选的，所述前轴承室呈环状，所述前轴承室的内壁上具有环形凸台且所述环形凸台将所述前轴承室的内部分隔为用于安装第一前轴承组的第一轴承腔以及用于安装第二前轴承组的第二轴承腔；所述前轴承室靠近所述定子的一端固设有前轴承压盖；所述前轴承室的另一端固设有前端盖。
12.通过采用上述技术方案，第一前轴承组和第二前轴承组在前轴承室内间隔设置，第二前轴承组分担了第一前轴承组承受的部分切削力，便于力的分散。通过设置前端盖和前轴承压盖，能够对第一前轴承组和第二前轴承组进行轴向限位，便于第一前轴承组和第二前轴承组的安装和轴向固定，同时用于对前轴承室进行封闭，防止异物进入前轴承室损坏轴承。
13.可选的，所述第一前轴承组包括第一轴承腔内并排设置的至少两个角接触球轴承；所述第一前轴承组中最外两侧的两个角接触球轴承的外圈分别与所述环形凸台和所述前端盖相抵靠。
14.通过采用上述技术方案，多个角接触球轴承起到稳定支撑的作用，安装时，将多个角接触球轴承依次套设在芯轴上，最内侧的角接触球轴承抵靠在前轴承室内的环形凸台侧面上，套设好最后一个角接触球轴承后，通过螺钉将前端盖固定安装在前轴承室的端面，从而对前轴承室进行封闭，并对第一前轴承组进行轴向限位；前端盖与环形凸台之间的间距等于安装的多个角接触球轴承的宽度之和。本技术中第一前轴承组优选为并排设置的两个
角接触球轴承。
15.可选的，所述前弹性预紧结构包括滑动座和第一弹性件，所述滑动座套设在所述第二前轴承组上且所述滑动座的外周面与所述第二轴承腔的腔壁间隙配合，所述第一弹性件的两端分别作用在所述滑动座的端面和所述环形凸台上；所述滑动座朝向所述环形凸台的一端内壁上具有环形挡沿，所述滑动座的另一端抵靠在所述前轴承压盖上；所述第二前轴承组包括所述第二轴承腔内并排设置的至少两个角接触球轴承；所述第二前轴承组中最外两侧的两个角接触球轴承的外圈分别与所述环形挡沿和所述前轴承压盖相抵靠。
16.通过采用上述技术方案，前轴承室、滑动座、第一弹性件、前轴承压盖组成前弹性预紧结构，滑动座能够在前轴承室的第二轴承腔内轴向移动，通过第一弹性件的弹性力对第二前轴承组以及整个芯轴提供预紧力。
17.可选的，所述滑动座朝向所述环形凸台的一端开设有盲孔，所述第一弹性件为螺旋弹簧，所述第一弹性件的一端嵌设在所述盲孔内，另一端与所述环形凸台相抵靠。
18.通过采用上述技术方案，螺旋弹簧部分嵌设在滑动座的盲孔内，这样便于安装，也不容易脱落，从而能够稳定可靠的提供预紧力，另外，螺旋弹簧制造成本低，使用稳定可靠。
19.可选的，所述前轴承室的外周面上具有环形的抵靠凸台，所述机壳靠近端部的内壁上具有环形的抵靠凸起，所述机壳的一端套设在所述前轴承室的一端且所述机壳的端面抵靠在所述抵靠凸台上，所述前轴承室的端面抵靠在所述抵靠凸起上。
20.前轴承室还通过螺钉与机壳的端部固连，即抵靠凸台沿周向分布有多个螺钉，这些螺钉可以螺接在机壳的端面上，通过采用上述技术方案，能够快速定位前轴承室与机壳的轴向安装位置，从而便于前轴承室与机壳的组装和固定，并通过前轴承室与机壳的轴向限位保证两者的轴向位置稳定可靠。
21.可选的，所述后轴承室呈环状，所述后轴承室的外周面上具有环形的第一抵靠凸缘，所述机壳的端部套设在所述后轴承室的一端且所述机壳的端面抵靠在所述第一抵靠凸缘上；所述后轴承室朝向所述定子的一端内壁上具有环形的第二抵靠凸缘；所述后轴承室的另一端设有后轴承压盖；所述后轴承组以及所述后弹性预紧结构均设置在所述第二抵靠凸缘与所述后轴承压盖之间。
22.后轴承室也通过螺钉与机壳的另一端端部固连，即在第一抵靠凸缘上沿周向分布有多个螺钉，这些螺钉可以螺接在机壳的端面上，通过采用上述技术方案，能够快速定位后轴承室与机壳的轴向安装位置，从而便于后轴承室与机壳的组装和固定，并通过后轴承室与机壳的轴向限位保证两者的轴向位置稳定可靠。
23.可选的，所述后弹性预紧结构包括衬套和第二弹性件，所述衬套套设在所述后轴承组上，所述后轴承压盖与所述衬套固定连接，所述衬套外还套设滚子滚套；所述衬套的一端与所述后轴承压盖相抵靠；所述第二弹性件的两端分别作用在所述第二抵靠凸缘和所述衬套的另一端上。
24.通过采用上述技术方案，后轴承室、衬套、滚子滚套、第二弹性件组成后弹性预紧结构，后弹性预紧结构与前弹性预紧结构相配合，共同作用，通过前后两组弹性预紧结构，共同对电主轴轴系上的施加预紧，在满足各轴承所需预紧力的情况下，提高了各组轴承的
寿命和可靠性。本技术中通过在衬套上套设滚子滚套，滚子滚套位于后轴承室与衬套之间，衬套可通过滚子滚套在后轴承室内轴向滑动，实现了衬套轴向移动时的高精度、高载荷、耐磨损、低噪音效果。
25.可选的，所述衬套朝向所述第二抵靠凸缘的一端开设有安装孔，所述第二弹性件为螺旋弹簧，所述第二弹性件的一端嵌设在所述安装孔内，另一端与所述第二抵靠凸缘相抵靠。
26.通过采用上述技术方案，螺旋弹簧部分嵌设在衬套的安装孔内，这样便于安装，也不容易脱落，从而能够稳定可靠的提供预紧力，另外，螺旋弹簧制造成本低，使用稳定可靠。
27.可选的，所述衬套朝向所述第二抵靠凸缘的一端内壁上具有环形的挡台，所述后轴承组包括并排设置的至少两个角接触球轴承；所述后轴承组中最外两侧的两个角接触球轴承的外圈分别与所述挡台和所述后轴承压盖相抵靠。
28.通过采用上述技术方案，后轴承压盖与衬套通过螺钉连接，后轴承组位于衬套内，后轴承室通过螺钉固定在机壳上。第二弹性件的弹力通过衬套直接作用到了后轴承组上，相当于只有一个中间件进行力传递，避免了现有技术中过多的中间件传递有力损失或传递误差。同时，衬套还与滚子滚套配合可在后轴承室内轴向滑动，在当轴系零件发热而使长度尺寸发生变化时，衬套连同后轴承组、后轴承压盖将整体相对后轴承室向后端移动。
29.综上所述，本技术中的电主轴包括以下至少一种有益技术效果：1.本技术中前轴承室、滑动座、第一弹性件、前轴承压盖组成前弹性预紧结构，后轴承室、衬套、滚子滚套、第二弹性件组成后弹性预紧结构，后弹性预紧结构与前弹性预紧结构相配合，共同作用，通过前后两组弹性预紧结构，共同对电主轴轴系上的施加预紧，在满足各轴承所需预紧力的情况下，提高了各组轴承的寿命和可靠性。
30.2.本技术中通过前、中、后的三组轴承布置结构，可提升电主轴的整体刚性，第二前轴承组可以适当分担原本在加工时完全由第一前轴承组承受的切削力等，从而提升产品的整体刚性。
31.3.本技术能够解决传统的定位预紧方式下轴系零件发热而使长度尺寸变大，从而导致预紧力变大，轴承的温升过高，寿命降低等问题，以及进而连带导致的电主轴振动、精度降低等问题。
32.4.本技术中采用双弹性预紧结构，可以解决传统预紧方式下因后轴承组预紧力过大而引起温升过高带来的电主轴寿命和精度降低的问题。
附图说明
33.图1是本技术中电主轴的立体结构示意图一。
34.图2是本技术中电主轴的立体结构示意图一。
35.图3是本技术中电主轴的剖视结构示意图。
36.图4是图3中a处的局部放大结构示意图。
37.图5是图3中b处的局部放大结构示意图。
38.图中，1、机壳；1a、定子；1b、抵靠凸起；2、芯轴；2a、转子；3、前轴承室；31、环形凸台；32、第一轴承腔；33、第二轴承腔；34、抵靠凸台；4、后轴承室；41、第一抵靠凸缘；42、第二抵靠凸缘；5、第一前轴承组；6、后轴承组；7、第二前轴承组；8、前弹性预紧结构；81、滑动座；
81a、环形挡沿；81b、盲孔；82、第一弹性件；9、后弹性预紧结构；91、衬套；91a、安装孔；91b、挡台；92、第二弹性件；93、滚子滚套；10、前轴承压盖；11、前端盖；12、后轴承压盖；13、后端盖。
具体实施方式
39.以下结合附图1-附图5，对本技术作进一步详细说明。
40.参照图1和图2，电主轴包括机壳1和转动插设在机壳1中的芯轴2。
41.参照图3，机壳1内固设有定子1a，芯轴2的外周面上固设有与定子1a相对应的转子2a；机壳1的两端分别固设有前轴承室3和后轴承室4。
42.参照图4和图5，前轴承室3内设置有套设在芯轴2前端的第一前轴承组5，后轴承室4内设置有套设在芯轴2后端的后轴承组6；前轴承室3内还设置有套设在芯轴2上且位于第一前轴承组5与后轴承组6之间的第二前轴承组7；第二前轴承组7与前轴承室3之间设置有前弹性预紧结构8；后轴承组6与后轴承室4之间设置有后弹性预紧结构9。
43.本技术中前轴承室3呈环状，参照图4所示，前轴承室3的内壁上具有环形凸台31且环形凸台31将前轴承室3的内部分隔为用于安装第一前轴承组5的第一轴承腔32以及用于安装第二前轴承组7的第二轴承腔33；前轴承室3靠近定子1a的一端固设有前轴承压盖10；前轴承室3的另一端固设有前端盖11；第一前轴承组5和第二前轴承组7在前轴承室3内间隔设置，第二前轴承组7分担了第一前轴承组5承受的部分切削力，便于力的分散。通过设置前端盖11和前轴承压盖10，能够对第一前轴承组5和第二前轴承组7进行轴向限位，便于第一前轴承组5和第二前轴承组7的安装和轴向固定，同时用于对前轴承室3进行封闭，防止异物进入前轴承室3损坏轴承。第一前轴承组5包括第一轴承腔32内并排设置的至少两个角接触球轴承；第一前轴承组5中最外两侧的两个角接触球轴承的外圈分别与环形凸台31和前端盖11相抵靠。多个角接触球轴承起到稳定支撑的作用，安装时，将多个角接触球轴承依次套设在芯轴2上，最内侧的角接触球轴承抵靠在前轴承室3内的环形凸台31侧面上，套设好最后一个角接触球轴承后，通过螺钉将前端盖11固定安装在前轴承室3的端面，从而对前轴承室3进行封闭，并对第一前轴承组5进行轴向限位；前端盖11与环形凸台31之间的间距等于安装的多个角接触球轴承的宽度之和。本技术中第一前轴承组5优选为并排设置的两个角接触球轴承。
44.参照图4所示，前弹性预紧结构8包括滑动座81和第一弹性件82，滑动座81套设在第二前轴承组7上且滑动座81的外周面与第二轴承腔33的腔壁间隙配合，第一弹性件82的两端分别作用在滑动座81的端面和环形凸台31上；滑动座81朝向环形凸台31的一端内壁上具有环形挡沿81a，滑动座81的另一端抵靠在前轴承压盖10上；第二前轴承组7包括第二轴承腔33内并排设置的至少两个角接触球轴承；第二前轴承组7中最外两侧的两个角接触球轴承的外圈分别与环形挡沿81a和前轴承压盖10相抵靠。进一步的，滑动座81朝向环形凸台31的一端开设有盲孔81b，第一弹性件82为螺旋弹簧，第一弹性件82的一端嵌设在盲孔81b内，另一端与环形凸台31相抵靠。本技术中前轴承室3、滑动座81、第一弹性件82、前轴承压盖10组成前弹性预紧结构8，滑动座81能够在前轴承室3的第二轴承腔33内轴向移动，通过第一弹性件82的弹性力对第二前轴承组7以及整个芯轴2提供预紧力。
45.参照图4所示，前轴承室3的外周面上具有环形的抵靠凸台34，机壳1靠近端部的内
壁上具有环形的抵靠凸起1b，机壳1的一端套设在前轴承室3的一端且机壳1的端面抵靠在抵靠凸台34上，前轴承室3的端面抵靠在抵靠凸起1b上。前轴承室3还通过螺钉与机壳1的端部固连，即抵靠凸台34沿周向分布有多个螺钉，这些螺钉可以螺接在机壳1的端面上，能够快速定位前轴承室3与机壳1的轴向安装位置，从而便于前轴承室3与机壳1的组装和固定，并通过前轴承室3与机壳1的轴向限位保证两者的轴向位置稳定可靠。
46.参照图5所示，后轴承室4呈环状，后轴承室4的外周面上具有环形的第一抵靠凸缘41，机壳1的端部套设在后轴承室4的一端且机壳1的端面抵靠在第一抵靠凸缘41上；后轴承室4朝向定子1a的一端内壁上具有环形的第二抵靠凸缘42；后轴承室4的另一端分别设有后轴承压盖12和后端盖13，后轴承压盖12和后端盖13均呈圆环形板件，后轴承压盖12的外径小于后端盖13的内径；后轴承组6以及后弹性预紧结构9均设置在第二抵靠凸缘42与后轴承压盖12之间。后轴承室4和后端盖13通过螺钉与机壳1的另一端端部固连，即在第一抵靠凸缘41上沿周向分布有多个第一通孔，后端盖13上也设置有与第一通孔一一对应的第二通孔，螺钉依次穿过第一通孔和第二通孔后螺接在机壳1的端面上，这样能够快速定位后轴承室4与机壳1的轴向安装位置，从而便于后轴承室4与机壳1的组装和固定，并通过后轴承室4与机壳1的轴向限位保证两者的轴向位置稳定可靠。
47.参照图5所示，后弹性预紧结构9包括衬套91和第二弹性件92，衬套91套设在后轴承组6上，后轴承压盖12与衬套91固定连接，衬套91外还套设滚子滚套93；衬套91的一端与后轴承压盖12相抵靠；第二弹性件92的两端分别作用在第二抵靠凸缘42和衬套91的另一端上。后轴承室4、衬套91、滚子滚套93、第二弹性件92组成后弹性预紧结构9，后弹性预紧结构9与前弹性预紧结构8相配合，共同作用，通过前后两组弹性预紧结构，共同对电主轴轴系上的施加预紧，在满足各轴承所需预紧力的情况下，提高了各组轴承的寿命和可靠性。本技术中通过在衬套91上套设滚子滚套93，滚子滚套93位于后轴承室4与衬套91之间，衬套91可通过滚子滚套93在后轴承室4内轴向滑动，实现了衬套91轴向移动时的高精度、高载荷、耐磨损、低噪音效果。
48.进一步的，衬套91朝向第二抵靠凸缘42的一端开设有安装孔91a，第二弹性件92为螺旋弹簧，第二弹性件92的一端嵌设在安装孔91a内，另一端与第二抵靠凸缘42相抵靠。螺旋弹簧部分嵌设在衬套91的安装孔91a内，这样便于安装，也不容易脱落，从而能够稳定可靠的提供预紧力，另外，螺旋弹簧制造成本低，使用稳定可靠。
49.参照图5所示，衬套91朝向第二抵靠凸缘42的一端内壁上具有环形的挡台91b，后轴承组6包括并排设置的至少两个角接触球轴承；后轴承组6中最外两侧的两个角接触球轴承的外圈分别与挡台91b和后轴承压盖12相抵靠。后轴承压盖12与衬套91通过螺钉连接，后轴承组6位于衬套91内，后轴承室4通过螺钉固定在机壳1上。第二弹性件92的弹力通过衬套91直接作用到了后轴承组6上，相当于只有一个中间件进行力传递，避免了现有技术中过多的中间件传递有力损失或传递误差。同时，衬套91还与滚子滚套93配合可在后轴承室4内轴向滑动，在当轴系零件发热而使长度尺寸发生变化时，衬套91连同后轴承组6、后轴承压盖12将整体相对后轴承室4向后端移动。
50.其实施原理是：现有相关技术中通常只有本技术中的第一前轴承组5和后轴承组6，没有中间的第二前轴承组7以及相应的组装结构，其只包括一组预紧结构，即后弹性预紧结构9，本技术中增加了第二前轴承组7，第二前轴承组7以及后轴承组6处都设置有弹性预
紧结构，分别为前弹性预紧结构8和后弹性预紧结构9，从而形成双弹性预紧结构，相当于原本施加于后轴承组6上的预紧力由现在的第二前轴承组7、后轴承组6分担了，相应的作用于每个轴承组上的力就变小了。设置双弹性预紧结构，解决了传统轴承预紧方式下电主轴后轴承组6预紧力过大而引起温升过高带来的电主轴寿命和精度降低的问题；同时，也能解决传统的定位预紧方式下轴系零件发热而使长度尺寸变大，从而导致预紧力变大，轴承的温升过高，寿命降低等问题，以及进而连带导致的电主轴振动、精度降低等问题。
51.本技术中通过前、中、后的三组轴承布置结构，可提升电主轴的整体刚性，第二前轴承组7可以适当分担原本在加工时完全由第一前轴承组5承受的切削力等，从而提升产品的整体刚性。
52.本具体实施方式的实施例均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，其中相同的零部件用相同的附图标记表示。故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。