阅读说明：本技术 一种机械加工动力主轴头装置 (Machining power spindle head device ) 是由 卜庆团 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种机械加工动力主轴头装置,包括均具有轴向偏心孔空心结构的转子轴、机械主轴和机械主轴延长段,高速电主轴设置在转子轴前端的偏心孔内,刀具固定安装在高速电主轴的前端；机械主轴带动整个装置绕轴心O<Sub>0</Sub>低速旋转,高速电主轴带动刀具绕轴心O<Sub>2</Sub>相对高速旋转,两者共同运动完成切削和进给运动；力矩电机驱动转子轴绕轴心O<Sub>1</Sub>在机械主轴的偏心孔内旋转来调整刀具径向方向的加工范围。本机械加工动力主轴头装置能够在保证径向、轴向具有较高刚性的同时实现较小的径向和轴向尺寸,且具有较高的径向调整精度、更紧凑合理的结构,特别适用于大型零部件的圆孔、锥孔、异形孔机械加工。(The invention discloses a mechanical processing power main shaft head device, which comprises a rotor shaft, a mechanical main shaft and a mechanical main shaft extension section, wherein the rotor shaft, the mechanical main shaft and the mechanical main shaft extension section are all provided with axial eccentric hole hollow structures; the mechanical main shaft drives the whole device to rotate around the axis O 0 The low-speed rotation and high-speed electric spindle drives the cutter to rotate around the axis O 2 The cutting and feeding motion is completed by the joint motion of the two parts; torque motor driven rotor shaft around axis O 1 Rotating in the eccentric hole of the mechanical main shaft to adjust the processing range of the radial direction of the cutter. The machining power spindle head device can realize smaller radial and axial sizes while ensuring higher rigidity in radial and axial directions, and has higher radial adjustment precision and more compact and reasonable structureThe structure is particularly suitable for machining round holes, taper holes and special-shaped holes of large parts.)

一种机械加工动力主轴头装置

技术领域

本发明涉及一种动力主轴头装置，具体是一种适用于缸体、连杆及其它箱体等零部件的圆孔、锥孔、异形孔机械加工的机械加工动力主轴头装置，属于机械加工技术领域。

背景技术

机械加工过程中零部件关键孔的加工工艺和加工质量直接影响零部件的使用性能，如缸体孔、连杆孔及其它箱体等零部件的轴承孔、连接孔等关键孔一般是圆柱孔、或台阶孔，其关键工序通常采用镗削工艺，针对表面光洁度要求较高的关键孔还采用磨削工序。

传统的镗削工艺多具有低转速、低进给量的特点，特别是单齿镗刀是以点接触的加工方式进行零件的精加工，存在效率不高的缺点，且加工后孔表面会留有进给的刀痕；而且这种传统镗削工艺与装备并不适用于锥孔、锥面和其他零件的异形孔加工，针对工件孔径的尺寸变化，通常需要另外投入机床设备和专用刀具，不仅增加了加工工艺流程和操作强度、而且整体生产效率较低。

针对孔径较大的工件，在采用较小直径刀具或砂轮加工工件内孔、外圆时在圆周方向通常采用直线轴数控插补方式，直线轴数控插补方式一般是采用机床的数控平旋盘或采用具有径向补偿功能的镗刀，但数控平旋盘往往尺寸较大、动平衡效果不好，因此加工速度较低、不适用于高转速加工，而具有径向补偿功能的镗刀由于存在机构间隙和弹性变形的影响易造成机床机械传动部件的精度损失、补偿量不稳定，且补偿范围较小，因此，传统的采用直线轴数控插补方式容易造成成型孔的圆度不高、台阶孔同轴度不高。

另外，针对大型回转体工件的外圆加工时，一般采用立式车床进行外圆或者外圆锥加工，其中刀具保持不动，工件通过主轴进行回转进给，加工效率低而且粗造度差，而且针对外形尺寸及重量较大的大型零部件加工，由于转动惯量较大导致传统的加工装夹方式较困难，而且传统的加工装夹方式加工精度较低。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种机械加工动力主轴头装置，能够在保证径向、轴向具有较高刚性的同时实现较小的径向和轴向尺寸，且具有较高的径向调整精度、更紧凑合理的结构，特别适用于大型零部件的圆孔、锥孔、异形孔机械加工。

本机械加工动力主轴头装置包括高速电主轴、转子轴、机械主轴、主轴箱和机械主轴延长段；

所述的转子轴、机械主轴和机械主轴延长段均是具有轴向偏心孔的空心结构，机械主轴延长段的前端面与机械主轴的后端面固定连接，机械主轴延长段内表面的前部设有制动内圈，机械主轴和机械主轴延长段的外表面通过轴承组架设在主轴箱的内表面上，主轴箱的前端面上设有沿径向方向设置的前端盖板，转子轴前部穿接在前端盖板上，主轴箱的后端面上设有沿径向方向设置的后端盖板，机械主轴延长段后部穿接在后端盖板上，机械主轴延长段的后端设有机械主轴延长段带轮；

所述的转子轴外表面的前部通过端面轴承与机械主轴的内表面前部连接，转子轴外表面的中部固定安装有力矩电机转子，转子轴外表面的后部对应机械主轴延长段的制动内圈的位置设有沿圆周方向设置的抱闸，转子轴外表面后部、位于抱闸的后方位置还设有沿周向设置的圆光栅，所述的机械主轴延长段内表面对应圆光栅的位置固定设有光栅读数头，光栅信号线和电主轴动力信号线自机械主轴延长段内部后方引出；

所述的机械主轴的内表面上对应力矩电机转子的位置固定安装有套装在力矩电机转子上的力矩电机定子，力矩电机动力信号线穿过机械主轴延长段自后方引出；

所述的高速电主轴设置在转子轴前端的偏心孔内、并通过法兰与转子轴的前端面固定连接，刀具固定安装在高速电主轴的前端。

作为本发明的进一步改进方案，所述的机械主轴延长段的外表面还设有定位台阶，机械主轴延长段通过设置在定位台阶上的滑环Ⅰ与固定安装于后端盖板上的滑环支架配合定位连接，光栅信号线和电主轴动力信号线自滑环Ⅰ后方引出；机械主轴延长段的偏心孔内设有通过盖板定位的滑环Ⅱ，力矩电机动力信号线穿过机械主轴延长段自滑环Ⅱ后方引出。

作为本发明的进一步改进方案，所述的机械主轴和机械主轴延长段的外表面与主轴箱的内表面之间的轴承组包括前端轴承组、轴承调整套、轴承套筒和后端轴承组，前端轴承组的内圈前端顶靠在机械主轴外表面的定位台阶上、后端通过套接在机械主轴外表面上的轴承套筒与后端轴承组的内圈前端顶靠连接，前端轴承组的外圈前端顶靠在主轴箱内表面的定位台阶上、后端通过套接在主轴箱内表面上的轴承调整套与后端轴承组的外圈前端顶靠连接，后端轴承组的内圈后端和外圈后端均顶靠在后端盖板的前端面上。

作为本发明的进一步改进方案，所述的机械主轴和机械主轴延长段的外表面与主轴箱的内表面之间的轴承组还包括锁紧螺母，所述的后端轴承组的内圈后端顶靠在通过机械主轴延长段螺纹与机械主轴延长段外表面螺纹连接的锁紧螺母的前端面上，所述的主轴箱的后端面和后端盖板之间还设有主轴箱调整套。

作为本发明的优选方案，所述的抱闸是液压控制抱闸，所述的转子轴内部对应抱闸内部的位置设有液压油路，与液压油路连接的液压油管自机械主轴延长段内部后方引出。

作为本发明的进一步改进方案，所述的转子轴穿接在前端盖板上的位置与前端盖板之间设有密封件Ⅱ，所述的机械主轴延长段穿接在后端盖板上的位置与后端盖板之间设有密封件Ⅰ。

与现有技术相比，本机械加工动力主轴头装置由于设有均具有轴向偏心孔空心结构的转子轴、机械主轴和机械主轴延长段，高速电主轴设置在转子轴前端的偏心孔内，刀具固定安装在高速电主轴的前端，且转子轴外表面的中部固定安装有力矩电机转子、转子轴外表面的后部设有抱闸和圆光栅、机械主轴延长段内表面设有光栅读数头、机械主轴的内表面上固定安装有套装在力矩电机转子上的力矩电机定子，因此在工作过程中工件保持相对固定，机械主轴带动整个装置绕轴心O₀低速旋转，高速电主轴带动刀具绕轴心O₂相对高速旋转，两者共同运动完成切削和进给运动，是利用精密机械主轴低速旋转进给运动保证被加工零件孔的同轴度、圆度，是利用高速电主轴带动刀具实现高速切削加工，进而实现以铣代镗或以磨代镗的加工工艺；通过调节力矩电机驱动转子轴绕轴心O₁在机械主轴的偏心孔内旋转可改变高速电主轴的轴线与机械主轴的轴线的相对距离，实现调整刀具径向方向的加工范围；机械主轴、力矩电机和高速电主轴可以连续运动，进而可进行零部件锥孔、异形孔的以铣代镗或以磨代镗的复合加工；同时能够在保证径向、轴向具有较高刚性的同时实现较小的径向和轴向尺寸，且具有较高的径向调整精度、更紧凑合理的结构，特别适用于大型零部件的圆孔、锥孔、异形孔机械加工。

附图说明

图1是本发明的外形结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是是O₀与O₂坐标重合示意图；

图4是是转子轴3绕O₁旋转动后O₀与O₂坐标开始分离示意图；

图5是是转子轴3绕O₁旋转90°后O₀与O₂坐标示意图；

图6是是转子轴3绕O₁旋转180°后O₀与O₂坐标示意图；

图7是本发明以铣代镗加工直内孔时结构示意图；

图8是本发明以铣代镗加工斜内孔时结构示意图；

图9是本发明车铣复合加工时的结构示意图；

图10是本发明车削加工时的结构示意图；

图11是本发明镗削加工时的结构示意图；

图12是本发明以磨代镗加工时的结构示意图。

图中序号及名称：1、刀具，2、电主轴，3、电主轴套筒，4、前端盖板，5、端面轴承，6、机械主轴，7、主轴箱，8、前端轴承组，9、力矩电机转子，10、力矩电机定子，11、轴承调整套，12、轴承套筒，13、机械主轴延长段，13-1、机械主轴延长段螺纹，13-2、机械主轴延长段带轮，14、抱闸，15、后端轴承组，16、光栅读数头，17、锁紧螺母，18、主轴箱调整套，19、后端盖板，20、滑环支架，21、滑环Ⅰ，22、光栅信号线，23、电主轴动力与信号线，24、液压油管，25、盖板，26、滑环Ⅱ，27、滑环的引出线，28、圆光栅，29、密封件，30、液压油路，31、力矩电机动力线，32、密封件。

O₀是机械主轴6的轴心坐标，O₁是转子轴3的轴心坐标，O₂是刀具1和高速电主轴2的轴心坐标。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明(以下以刀具1安装在本机械加工动力主轴头装置上的方向为前方描述)。

如图1、图2所示，本机械加工动力主轴头装置包括高速电主轴2、转子轴3、机械主轴6、主轴箱7和机械主轴延长段13。

所述的转子轴3、机械主轴6和机械主轴延长段13均是具有轴向偏心孔的空心结构，机械主轴延长段13的前端面与机械主轴6的后端面固定连接，机械主轴延长段13内表面的前部设有制动内圈，机械主轴6和机械主轴延长段13的外表面通过轴承组架设在主轴箱7的内表面上，主轴箱7的前端面上设有沿径向方向设置的前端盖板4，转子轴3前部穿接在前端盖板4上，主轴箱7的后端面上设有沿径向方向设置的后端盖板19，机械主轴延长段13后部穿接在后端盖板19上，机械主轴延长段13的后端设有机械主轴延长段带轮13-2。

所述的转子轴3外表面的前部通过端面轴承5与机械主轴6的内表面前部连接，转子轴3外表面的中部固定安装有力矩电机转子9，转子轴3外表面的后部对应机械主轴延长段13的制动内圈的位置设有沿圆周方向设置的抱闸14，通过控制抱闸14动作可以使抱闸14沿径向方向顶出抱紧机械主轴延长段13的制动内圈实现制动，转子轴3外表面后部、位于抱闸14的后方位置还设有沿周向设置的圆光栅28，所述的机械主轴延长段13内表面对应圆光栅28的位置固定设有光栅读数头16，光栅信号线22和电主轴动力信号线23自机械主轴延长段13内部后方引出。

所述的机械主轴6的内表面上对应力矩电机转子9的位置固定安装有套装在力矩电机转子9上的力矩电机定子10，力矩电机动力信号线31穿过机械主轴延长段13自后方引出。

所述的高速电主轴2设置在转子轴3前端的偏心孔内、并通过法兰与转子轴3的前端面固定连接，刀具1固定安装在高速电主轴2的前端。

为了防止本机械加工动力主轴头装置工作时高速电主轴2或转子轴3或机械主轴6旋转造成光栅信号线22或电主轴动力信号线23缠绕，作为本发明的进一步改进方案，所述的机械主轴延长段13的外表面还设有定位台阶，机械主轴延长段13通过设置在定位台阶上的滑环Ⅰ21与固定安装于后端盖板19上的滑环支架20配合定位连接，光栅信号线22和电主轴动力信号线23自滑环Ⅰ21后方引出；机械主轴延长段13的偏心孔内设有通过盖板25定位的滑环Ⅱ26，力矩电机动力信号线31穿过机械主轴延长段13自滑环Ⅱ26后方引出。

为了实现机械主轴6和机械主轴延长段13在稳固轴向及径向定位安装在主轴箱7的内表面上的基础上减少轴承组数量，作为本发明的进一步改进方案，所述的机械主轴6和机械主轴延长段13的外表面与主轴箱7的内表面之间的轴承组包括前端轴承组8、轴承调整套11、轴承套筒12和后端轴承组15，前端轴承组8的内圈前端顶靠在机械主轴6外表面的定位台阶上、后端通过套接在机械主轴6外表面上的轴承套筒12与后端轴承组15的内圈前端顶靠连接，前端轴承组8的外圈前端顶靠在主轴箱7内表面的定位台阶上、后端通过套接在主轴箱7内表面上的轴承调整套11与后端轴承组15的外圈前端顶靠连接，后端轴承组15的内圈后端和外圈后端均顶靠在后端盖板19的前端面上；根据不同轴向尺寸的机械主轴6和机械主轴延长段13通过设置不同长度尺寸的轴承调整套11和轴承套筒12可以实现机械主轴6和机械主轴延长段13在稳固轴向及径向定位安装在主轴箱7的内表面上。

为了便于调节机械主轴6和机械主轴延长段13的外表面与主轴箱7的内表面之间的轴承组的径向预紧力，作为本发明的进一步改进方案，所述的机械主轴6和机械主轴延长段13的外表面与主轴箱7的内表面之间的轴承组还包括锁紧螺母17，所述的后端轴承组15的内圈后端顶靠在通过机械主轴延长段螺纹13-1与机械主轴延长段13外表面螺纹连接的锁紧螺母17的前端面上，所述的主轴箱7的后端面和后端盖板19之间还设有主轴箱调整套18；通过调整锁紧螺母17的旋紧力和主轴箱调整套18前后方向上的厚度尺寸可以实现调节机械主轴6和机械主轴延长段13的外表面与主轴箱7的内表面之间的轴承组的径向预紧力。

所述的抱闸14可以采用电气控制，也可以采用液压控制，由于后者力矩输出更稳定、且可以防止电机损坏，因此，作为本发明的优选方案，所述的抱闸14是液压控制抱闸，所述的转子轴3内部对应抱闸14内部的位置设有液压油路30，与液压油路30连接的液压油管24自机械主轴延长段13内部后方引出。

为了防止外部杂质进入主轴箱7内部，作为本发明的进一步改进方案，所述的转子轴3穿接在前端盖板4上的位置与前端盖板4之间设有密封件Ⅱ32，所述的机械主轴延长段13穿接在后端盖板19上的位置与后端盖板19之间设有密封件Ⅰ29。

本机械加工动力主轴头装置在工作过程中，工件保持相对固定，如图3至图6所示的刀具切削点径向调整，如图7、图8所示，机械主轴延长段带轮13-2驱动机械主轴6带动整个装置绕轴心O₀低速旋转，高速电主轴2带动刀具1绕轴心O₂相对高速旋转，两者共同运动完成切削和进给运动，是利用精密机械主轴低速旋转进给运动保证被加工零件孔的同轴度、圆度，是利用高速电主轴带动刀具实现高速切削加工，进而实现以铣代镗或以磨代镗的加工工艺。

包括力矩电机转子9和力矩电机定子10的力矩电机根据角度指令驱动转子轴3绕轴心O₁在机械主轴6的偏心孔内旋转来改变高速电主轴2的轴线与机械主轴6的轴线的相对距离，以此来调整刀具1径向方向的加工范围。

机械主轴6、力矩电机和高速电主轴2可以连续运动，进而可进行零件锥孔、异形孔的以铣代镗或以磨代镗的复合加工。

实施例一：

针对零部件的外圆和球型表面加工，如图9所示，在加工过程中，工件保持相对固定，该装置的机械主轴6带动整个动力头系统绕轴心O₀低速旋转，高速电主轴(2)带动刀具(1)绕轴心O₂相对高速旋转，两者共同运动实现零件的车铣复合加工工艺。

实施例二：

针对零件的外圆和球型表面加工，如图10所示，在加工过程中，工件保持相对固定，该装置的高速电主轴2与力矩电机通过抱闸14锁紧，并保持刀具1车刀刀尖点对准零件的被加工表面，机械主轴6带动整个装置绕轴心O₀旋转，实现零件的车削加工工艺。

实施例三：

针对零件的内孔加工，如图11所示，在加工过程中，工件保持相对固定，该装置的高速电主轴2与力矩电机通过抱闸14锁紧，并保持刀具1镗刀刀尖点对准零件孔的被加工表面，机械主轴6带动整个动力头系统绕轴心O₀旋转，实现零件的镗削加工工艺。

实施例四：

针对零件的内孔加工，仅将砂轮作为刀具1，如图12所示，可以实现零件的以磨代镗加工工艺。

本机械加工动力主轴头装置由于设有均具有轴向偏心孔空心结构的转子轴3、机械主轴6和机械主轴延长段13，高速电主轴2设置在转子轴3前端的偏心孔内，刀具1固定安装在高速电主轴2的前端，且转子轴3外表面的中部固定安装有力矩电机转子9、转子轴3外表面的后部设有抱闸14和圆光栅28、机械主轴延长段13内表面设有光栅读数头16、机械主轴6的内表面上固定安装有套装在力矩电机转子9上的力矩电机定子10，因此在工作过程中工件保持相对固定，机械主轴6带动整个装置绕轴心O₀低速旋转，高速电主轴2带动刀具1绕轴心O₂相对高速旋转，两者共同运动完成切削和进给运动，是利用精密机械主轴低速旋转进给运动保证被加工零件孔的同轴度、圆度，是利用高速电主轴带动刀具实现高速切削加工，进而实现以铣代镗或以磨代镗的加工工艺；通过调节力矩电机驱动转子轴3绕轴心O₁在机械主轴6的偏心孔内旋转可改变高速电主轴2的轴线与机械主轴6的轴线的相对距离，实现调整刀具1径向方向的加工范围；机械主轴6、力矩电机和高速电主轴2可以连续运动，进而可进行零部件锥孔、异形孔的以铣代镗或以磨代镗的复合加工；同时能够在保证径向、轴向具有较高刚性的同时实现较小的径向和轴向尺寸，且具有较高的径向调整精度、更紧凑合理的结构，特别适用于大型零部件的圆孔、锥孔、异形孔机械加工。