一种能量损失小的机床主轴

技术领域

本发明涉及机床零部件技术领域，具体为一种能量损失小的机床主轴。

背景技术

机床主轴是机床的零部件之一，机床主轴主要由安装套筒、主轴、轴承等部件组成，主轴通过带动工件或刀具旋转，实现对工件的加工。

主轴的转动主要有轴承作用运转支撑部件，并配以润滑系统和冷却系统，实现主轴运转时的冷却和润滑，主轴内部的轴承包括滑动轴承、静压轴承、电磁轴承等，滑动轴承成本低、存在一定的摩擦阻力，静压轴承摩擦系数小、承载能力不高，电磁轴承摩擦系数小、承载力高、需要持续消耗能量，主轴在不同的转速和承载状态下，使用相匹配的轴承可以降低能量的损耗，传统的主轴均采用单一轴承作为运转支撑部件，主轴在不同的运转和承载状态下，单一轴承难以满足主轴的运转要求。

发明内容

为解决以上传统的主轴均采用单一轴承作为运转支撑部件，主轴在不同的运转和承载状态下，单一轴承难以满足主轴的运转要求的问题。

本发明通过以下技术方案予以实现：一种能量损失小的机床主轴，包括套筒、主轴件，所述主轴件与所述套筒之间设置有气压轴承，用于主轴件的低速低承载运转支撑，所述气压轴承包括：

外环一，所述外环一固定安装在所述套筒的内壁中，所述外环一的内部开设有环形气槽，所述外环一的内侧表面设置有支撑环；

若干球座，分布在所述支撑环的内侧壁，所述球座靠近所述外环一的一侧与所述气槽相通，远离所述外环一的一侧开设有圆口；

若干滚珠，安装在所述球座的内部，所述圆口的口径小于所述滚珠的直径；

内环一，固定安装在所述主轴件的表面，所述滚珠与所述圆口密封配合时，所述滚珠与所述内环一的外侧表面接触配合，在此状态下，用于对主轴件进行运转支撑；

所述套筒的内部设有气腔一，所述气腔一与所述气槽连通，所述气腔一外接气压设备，气压设备向气腔一中充入高压气体时，高压气体中混入占气压轴承内部所有球座内球空间10-15%的润滑油；

所述主轴件与所述套筒之间设置有电磁轴承，用于主轴件的高速低承载或高速高承载运转支撑。

进一步的，所述气压轴承不少于两组，所述电磁轴承不少于两组，其中两组所述电磁轴承位于所述气压轴承靠近所述主轴件两端的一侧，用于保障主轴件在不同运转状态下的稳定性。

进一步的，所述气压轴承两侧的套筒与所述主轴件之间设有润滑间隙，所述润滑间隙延伸至所述外环一的侧表面，当气压轴承的内部充有高压气体时，高压气体可将部分润滑油填充到润滑间隙中，以提高主轴件与套筒之间的润滑效果。

进一步的，所述球座靠近所述外环一一侧的内侧面设有磁片，所述滚珠为与所述磁片之间有磁性吸附的材料制成，当气压轴承内部无高压气体时，磁片与内环一分离，使主轴件与气压轴承之间无接触，此时气压轴承内部的润滑油更易通过球座表面的圆口进入到润滑间隙中。

进一步的，所述主轴件与所述电磁轴承对应的表面设有磁环，所述电磁轴承包括：

外环二，固定安装在所述套筒的内壁中；

若干铁芯，分布在所述外环二的内侧表面，所述铁芯的表面绕有线圈；

内环二，所述内环二的外侧环面与所有的铁芯固定连接，所述外环二的内侧环面与所述主轴件之间设有间隙。

进一步的，所述套筒的内部设有导入通道和导出通道，所述导入通道和导出通道外接冷却液供给设备；

所述外环二和内环二的内部设有多个导槽，所述铁芯的内部开设有槽孔，所述槽孔的两端分别与所述外环二和内环二内部的导槽连通，所述外环二和内环二内部的导槽与所述铁芯内部的槽孔呈U形路径分布；

所述导入通道与所述外环二内部的其中一个导槽连通，所述导出通道与所述U形路径中流体的流出端连通，导入通道和导出通道与外环二和内环二内部的导槽和铁芯内部的槽孔配合，可实现电磁轴承内部的流动循环液冷散热。

进一步的，所述套筒中设有导接通道，所述导接通道的两端与相邻两组所述电磁轴承中的外环二内部的导槽连通。

进一步的，所述主轴件的内部开设有多组闭合性导热管，所述导热管的管壁为导热材料，所述导热管的内部填充有导热球；

所述套筒其中一端的端面固定安装有冷却座，所述冷却座的内部设有气腔二，所述气腔二外接气压设备，所述导热管与所述气腔二对应的表面设有进气口，所述进气口沿所述导热球在所述导热管中滚动的方向倾斜，所述导热管的表面设有出气口，所述出气口延伸至所述主轴件的外侧。

采用导热管与导热球配合，解决了冷却液在主轴件与套筒之间难以密封的问题，同时解决了气体冷却效率低的问题。

进一步的，所述主轴件为T形结构，所述导热管为T形结构，所述主轴件垂直于轴线的端面位于所述冷却座的内部，所述主轴件靠近所述冷却座的一端为导热材料，所述冷却座的内部设有冷却腔，所述冷却腔分布在所述主轴件靠近所述冷却座的一端的端面。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、该能量损失小的机床主轴，通过气压轴承中外环一、支撑环、球座、滚珠与内环一的组合设计以及气腔一与气槽的配合设计，可利用气压轴承实现主轴件的低速低承载运转支撑，当主轴件处于高速或高承载运转状态时，可利用电磁轴承实现主轴件的无接触运转支撑，同时使气压轴承的滚珠与内环一分离，降低主轴件与气压轴承之间的摩擦系数，在保证主轴件各种运转平稳运转的同时，可以减少主轴件的摩擦损耗，同时可有利于降低电磁轴承的能耗。

2、该能量损失小的机床主轴，通过在电磁轴承的外环二和内环二内部设置导槽，并与铁芯内部的槽孔配合，并将导入通道和导出通道与导槽和冷却液供给设备连接，可实现对电磁轴承运行时的内部散热，有利于提高电磁轴承运行的稳定性。

3、该能量损失小的机床主轴，通过在主轴件内部设置导热管，并以导热球作为导热介质，同时利用气腔二和进气口向导热管中提供驱动作用力，可实现对主轴件内部的散热，主轴件内部散热效果好。

附图说明

图1为本发明套筒内部结构主视图一；

图2为本发明套筒内部结构主视图二；

图3为本发明气压轴承结构示意图；

图4为本发明气压轴承内部结构示意图；

图5为本发明电磁轴承结构示意图；

图6为本发明电磁轴承内部结构示意图；

图7为本发明主轴件内部结构主视图；

图8为本发明主轴件截面结构示意图。

图中：1、套筒；2、主轴件；21、磁环；3、气压轴承；31、外环一；311、气槽；32、支撑环；33、球座；331、磁片；34、滚珠；35、内环一；4、气腔一；5、电磁轴承；51、外环二；511、铁芯；52、线圈；53、内环二；6、导入通道；61、导接通道；62、导出通道；7、导热管；71、导热球；72、进气口；73、出气口；8、冷却座；9、气腔二；10、冷却腔；11、润滑间隙。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

该能量损失小的机床主轴的实施例如下：

实施例1

请参阅图1-图8，一种能量损失小的机床主轴，包括套筒1、主轴件2，主轴件2与套筒1之间设置有气压轴承3，用于主轴件2的低速低承载运转支撑，气压轴承3包括：外环一31，外环一31固定安装在套筒1的内壁中，外环一31的内部开设有环形气槽311，外环一31的内侧表面设置有支撑环32。

若干球座33，分布在支撑环32的内侧壁，球座33靠近外环一31的一侧与气槽311相通，远离外环一31的一侧开设有圆口；若干滚珠34，安装在球座33的内部，圆口的口径小于滚珠34的直径。

球座33靠近外环一31一侧的内侧面设有磁片331，滚珠34为与磁片331之间有磁性吸附的材料制成，当气压轴承3内部无高压气体时，磁片331与内环一35分离，使主轴件2与气压轴承3之间无接触，此时气压轴承3内部的润滑油更易通过球座33表面的圆口进入到润滑间隙11中。

内环一35，固定安装在主轴件2的表面，滚珠34与圆口密封配合时，滚珠34与内环一35的外侧表面接触配合，在此状态下，用于对主轴件2进行运转支撑。

套筒1的内部设有气腔一4，气腔一4与气槽311连通，气腔一4外接气压设备，气压设备向气腔一4中充入高压气体时，高压气体中混入占气压轴承3内部所有球座33内球空间10-15%的润滑油；

气压轴承3两侧的套筒1与主轴件2之间设有润滑间隙11，润滑间隙11延伸至外环一31的侧表面，当气压轴承3的内部充有高压气体时，高压气体可将部分润滑油填充到润滑间隙11中，以提高主轴件2与套筒1之间的润滑效果。

主轴件2与套筒1之间设置有电磁轴承5，用于主轴件2的高速低承载或高速高承载运转支撑，主轴件2与电磁轴承5对应的表面设有磁环21，电磁轴承5包括：外环二51，固定安装在套筒1的内壁中；若干铁芯511，分布在外环二51的内侧表面，铁芯511的表面绕有线圈52；内环二53，内环二53的外侧环面与所有的铁芯511固定连接，外环二53的内侧环面与主轴件2之间设有间隙。

气压轴承3不少于两组，电磁轴承5不少于两组，其中两组电磁轴承5位于气压轴承3靠近主轴件2两端的一侧，用于保障主轴件2在不同运转状态下的稳定性。

套筒1的内部设有导入通道6和导出通道62，导入通道6和导出通道62外接冷却液供给设备；外环二51和内环二53的内部设有多个导槽，铁芯511的内部开设有槽孔，槽孔的两端分别与外环二51和内环二53内部的导槽连通，外环二51和内环二53内部的导槽与铁芯511内部的槽孔呈U形路径分布；

导入通道6与外环二51内部的其中一个导槽连通，导出通道62与U形路径中流体的流出端连通，导入通道6和导出通道62与外环二51和内环二53内部的导槽和铁芯511内部的槽孔配合，可实现电磁轴承5内部的流动循环液冷散热，套筒1中设有导接通道61，导接通道61的两端与相邻两组电磁轴承5中的外环二51内部的导槽连通。

实施例2

请参阅图1-图2、图7-图8，一种能量损失小的机床主轴，包括套筒1、主轴件2，主轴件2与套筒1之间设置有气压轴承3，用于主轴件2的低速低承载运转支撑，气压轴承3包括：

外环一31，外环一31固定安装在套筒1的内壁中，外环一31的内部开设有环形气槽311，外环一31的内侧表面设置有支撑环32；若干球座33，分布在支撑环32的内侧壁，球座33靠近外环一31的一侧与气槽311相通，远离外环一31的一侧开设有圆口；若干滚珠34，安装在球座33的内部，圆口的口径小于滚珠34的直径。

内环一35，固定安装在主轴件2的表面，滚珠34与圆口密封配合时，滚珠34与内环一35的外侧表面接触配合，在此状态下，用于对主轴件2进行运转支撑。

套筒1的内部设有气腔一4，气腔一4与气槽311连通，气腔一4外接气压设备，气压设备向气腔一4中充入高压气体时，高压气体中混入占气压轴承3内部所有球座33内球空间10-15%的润滑油；

主轴件2与套筒1之间设置有电磁轴承5，用于主轴件2的高速低承载或高速高承载运转支撑。

主轴件2的内部开设有多组闭合性导热管7，导热管7的管壁为导热材料，导热管7的内部填充有导热球71；套筒1其中一端的端面固定安装有冷却座8，冷却座8的内部设有气腔二9，气腔二9外接气压设备，导热管7与气腔二9对应的表面设有进气口72，进气口72沿导热球71在导热管7中滚动的方向倾斜，导热管7的表面设有出气口73，出气口73延伸至主轴件2的外侧。

采用导热管7与导热球71配合，解决了冷却液在主轴件2与套筒1之间难以密封的问题，同时解决了气体冷却效率低的问题。

主轴件2为T形结构，导热管7为T形结构，主轴件2垂直于轴线的端面位于冷却座8的内部，主轴件2靠近冷却座8的一端为导热材料，冷却座8的内部设有冷却腔10，冷却腔10分布在主轴件2靠近冷却座8的一端的端面。

机床主轴使用原理：

当该机床主轴的主轴件2处于低速低承载运行时，此时由气压轴承3作为主轴件2与套筒1之间的转动连接部件，具体为：

将气腔一4与外接气压设备连通，由气压设备向气腔一4中充入高压气体，高压气体进入到外环一31内部的气槽311中，并进入到球座33中，高压气体会对滚珠34产生压力，使滚珠34与球座33的圆口配合，同时使滚珠34与内环一35接触，此时主轴件2转动，带动内环一35转动，内环一35的外侧环面与滚珠34接触转动，以此实现主轴件2的转动运行。

在利用气压设备向气腔一4中充入高压气体时，向高压气体中混入占气压轴承3内部所有球座33内球空间百分之十到百分之十五的润滑油，润滑油随高压气体进入到球座33中，对滚珠34进行润滑，滚珠34与内环一35接触时，滚珠34会出现滚动现象，滚珠34表面的润滑油一部分会附在内环一35的表面，以此起到润滑的效果。

当需要主轴件2高速低承载或高速高承载运行时，此时将电磁轴承5中的线圈52接通电源，由电磁轴承5与主轴件2表面的磁环21产生的电磁作用力，实现对主轴件2的无接触支撑，以此实现主轴件2的高速运转支撑。

在使用电磁轴承5对主轴件2进行运转支撑时，此时将导入通道6与冷却液供给设备接通，由冷却液供给设备将冷却液输送到导入通道6中，导入通道6将冷却液输送到外环二51中的导槽中，冷却液经过外环二51中的导槽进入到铁芯511内部的槽孔中，然后进入到内环二53中的导槽中，并沿着U形路径在电磁轴承5的内部流动，然后由导接通道61进入到下一个电磁轴承5中，最后由导出通道62将冷却液重新导入到冷却液供给设备中。

冷却液在电磁轴承5中流动时，会带有电磁轴承5运行时产生的热量，以此使电磁轴承5保持在合适的运行温度，以提高电磁轴承5运行的稳定性。

主轴件2在高速运转的前期低速阶段，可由气压轴承3作为主轴件2运转支撑部件，当主轴件2达到一定的转速时，由电磁轴承5或电磁轴承5与气压轴承3的组合，作为主轴件2的运转支撑部件。

主轴件2在运转时，将气腔二9与气压设备接通，由气压设备提供高压气体，高压气体由气腔二9进入到进气口72中，并进入到导热管7中，高压气体会对导热管7中的导热球71产生推动作用力，使导热球71在导热管7中循环滚动，导热球71在导热管7中滚动时，会吸收主轴件2转动产生的热量，当导热球71滚动到冷却座8的位置时，冷却腔10中的冷却液会吸收导热球71中的热量，以此对导热球71进行冷却，冷却之后的导热球71继续在导热管7中滚动，继续吸收主轴件2中的热量，以此循环，即可实现对主轴件2的散热，采用导热球71解决了冷却液在主轴件2与套筒1之间难以密封的问题，同时解决了气体冷却效率低的问题。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。