一种用于机床的高集成主轴系统的制作方法

1.本发明涉及数控设备技术领域，具体涉及一种结构紧凑、精度高、适应性强、强度好、装拆便捷的用于机床的高集成主轴系统。


背景技术：

2.机床主轴是机床上带动工件或刀具旋转的轴，通常由主轴、轴承和传动件（齿轮、带轮或联轴器）等部件组成，因此主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素。
3.为了保证机床的加工效率，通常在机床主轴内部配备松拉刀机构，以实现刀具与机床主轴的松开更换、夹紧使用的机构，从而缩短数控机床换刀时间；虽然不同机床的松拉刀机构结构不同，与之适应的刀柄和拉钉规格也不同，但一般都包括弹性复位件、拉杆以及拉爪等，通过主轴后端的活塞前移推动拉杆实现松刀，通过弹性复位件实现拉刀。目前，通常采用在主轴的后端设置驱动缸的分体结构技术方案来驱动拉杆前后移动实现松拉刀，其方案不仅使得主轴系统的整体长度增加，从而导致主轴系统难以满足安装空间受限的机床需要；而且主轴需要沿轴向加工较长的深孔以容纳拉杆，且主轴的深孔与拉杆外径间需要设置导向件以维持整体足够的刚性，因此使得主轴的深孔还需要较高的加工精度，从而导致主轴的深孔加工难度大、成本高，并且配套拉杆较长的长度还会造成长径比增大而导致其加工易变形及强度降低影响使用寿命的问题。
4.现有技术中，为了解决主轴深孔难加工的问题，有通过将弹性复位件套设在主轴的外周侧，并将弹性复位件的一端连接主轴的外周侧且另一端通过连接件连接拉杆的外周侧，从而实现弹性复位件沿轴向伸缩，并通过拉杆的轴向移动实现送刀或者拉刀的技术方案。虽然无需在主轴的内周侧加工安装弹性复位件的高精度大直径深孔，从而降低主轴结构的加工难度并节约了成本，而且也可以增加拉杆的直径以降低长径比。但是，由于其推动拉杆移动的驱动缸仍然布置在主轴的后端，导致主轴系统的整体长度仍然由主轴及后端的驱动缸等组成，不仅使得主轴系统的整体长度难以有效降低，而且分体式的结构也导致零部件众多且各自功能单一，如穿透主轴的连接件仅起到将弹性复位件的弹力传递到拉杆的作用，增加了结构的复杂性及降低了整体的可靠性；并且外套在主轴上的弹性复位件还会占用较多的长度空间，不仅导致主轴的前后主轴轴承支承跨度过大，增大了主轴前后支承面的加工难度，而且为了容纳弹性复位件及前后主轴轴承，使得主轴的长度难以有效缩短，因此主轴系统的整体也难以有效缩短。
5.此外，现有技术中驱动缸的缸体与主轴套筒间采用刚性连接，拉刀时驱动力作用在活塞的同时也会反作用于缸体上，此时在主轴上的弹性复位件作用下，反作用于缸体的力会传导至主轴套筒上，从而使主轴轴承承受较大的轴向负荷，降低了主轴轴承的使用寿命。另外，现有技术中的主轴系统需要根据机床空间适配不同外径及长度的主轴套筒，使得主轴系统的规格较为繁杂，从而显著增大了主轴系统的成本。其次，现有的主轴系统大多采用与主轴一体的锥形刀具夹持套，虽然结构较为简单且成本低，但又会造成主轴系统只能
夹持固定规格的刀具，从而降低了主轴系统的刀具适应性，也增加了企业刀具的使用成本。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的不足，本发明提供了一种结构紧凑、精度高、适应性强、强度好、装拆便捷的用于机床的高集成主轴系统。
7.本发明是这样实现的：包括设有沿轴向延伸的中空腔体的主轴、滑动设置于中空腔体内的拉杆、套设在拉杆上的弹性复位件；还包括主轴套筒、自动松拉刀机构，所述主轴通过轴承旋转设置于主轴套筒内；所述自动松拉刀机构包括缸体、活塞、缸盖、推销，所述缸体同轴滑动设置在主轴外并连接在主轴套筒远离刀具安装侧的后端，所述缸盖固定设置于缸体的另一端，所述活塞滑动设置于缸体内，所述主轴上至少均布有两个沿轴向延伸的腰孔，所述推销设置于弹性复位件与活塞之间，所述推销的底端与拉杆固定连接且顶端滑动穿过腰孔并向外延伸。
8.本发明的有益效果：1、本发明通过在主轴间设置自动松拉刀机构，并且采用高可靠性的传统主轴内置弹性复位件的结构，由于弹性复位件不会占用主轴轴承的布置空间，而且与主轴一体化的自动松拉刀机构也可实现部件共用，从而可显著缩短主轴系统的长度和简化整体结构，不仅可适应安装空间受限的场景，而且拉杆前置驱动结构还可减小其长径比以提高强度，且较小跨度的主轴轴承安装空间也使得主轴的支承面距离缩短，降低了主轴的加工难度。特别是自动松拉刀机构通过可拆卸的同轴固定在拉杆上的推销安装座来安装推销，在不降低拉杆强度的同时，还能根据需要调整推销的轴向位置，从而降低了拉杆及自动松拉刀机构各部件的加工精度要求，可有效减少整体的生产成本。
9.2、本发明在主轴和自动松拉刀机构一体化结构的缸体与主轴套筒之间设置连接套，且连接套通过螺钉—弹簧机构与主轴套筒形成浮动连接的卸荷机构，从而可通过浮动连接的卸荷机构抵消拉刀的部分反作用力，避免传统缸体与主轴套筒间采用刚性连接造成拉刀时主轴轴承的轴向负荷较大，使得主轴轴承易疲劳损坏而导致使用寿命缩短的问题。特别是卸荷机构还在主轴外圆面上的连接套与活塞之间螺纹啮合的连接有挡圈，通过调整挡圈与连接套之间的间隙，反作用力可使连接套移动并贴合在挡圈上，使剩余的反作用力完全由挡圈及主轴承担，从而使反作用力在缸体—连接套—挡圈—主轴之间形成闭环，使得全部反作用力都由卸荷机构承担，可进一步提高主轴轴承的使用寿命。
10.3、本发明在主轴远离缸体的前端同轴可拆卸的连接有可与刀具锥柄配合的锥套，从而使得主轴系统可根据需要通过简单更换不同规格的锥套就能使用不同锥柄的刀具，提高了主轴系统对不同刀具的适应性，也降低了企业的刀具成本。
11.本发明在主轴套筒上可拆卸的同轴固定套设有套筒，从而使得主轴系统可通过适配不同的套筒来适应不同机床的安装空间要求，有效提高了主轴系统的通用性，而且通过套筒可使主轴系统便捷的与机床整体一次性安装及拆卸，既有利于提高主轴系统的精度，又可显著降低主轴系统的成本。特别是主轴套筒在前端轴承的外圆面上设置有螺旋冷却道，且套筒设置有两个分别与螺旋冷却道的两端连通的冷却连接嘴；从而可通入冷却液对主轴前端的轴承进行冷却，可避免主轴升温过高而影响主轴的精度。
12.综上所述，本发明具有结构紧凑、精度高、适应性强、强度好、装拆便捷的特点。
附图说明
13.图1为本发明的结构示意图；图2为图1之主轴系统前端局部放大图；图3为图1之主轴系统中部局部放大图；图4为图1之a-a向剖切视图；图5为本发明之主轴立体结构示意图；图6为本发明之推销安装座立体结构示意图；图7为本发明之推销立体结构示意图；图8为本发明之推销顶盘立体结构示意图；图中：1-主轴，101-中空腔体，102-腰孔，2-拉杆，3-弹性复位件，4-主轴套筒，401-螺旋冷却道，5-轴承，6-缸体，7-活塞，701-后端，702-前端，703-活塞环台，8-缸盖，9-推销，901-扁口，10-推销安装座，11-推销顶盘，111-方槽，12-连接嘴，13-连接套，131-沉头孔，14-螺钉—弹簧机构，141-连接螺钉ⅰ，142-弹簧，15-挡圈，16-锥套，161-连接环，162-导向孔，163-环形槽ⅱ，17-定位支撑套，171-内环台，18-涨套，181-凸环，182-外锥面，19-套筒，191-冷却连接嘴，20-齿形编码器，21-支撑套，211-连接法兰，22-拉钉。
具体实施方式
14.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
15.如图1至8所示，本发明包括设有沿轴向延伸的中空腔体101的主轴1、滑动设置于中空腔体101内的拉杆2、套设在拉杆2上的弹性复位件3；还包括主轴套筒4、自动松拉刀机构，所述主轴1通过轴承5旋转设置于主轴套筒4内；所述自动松拉刀机构包括缸体6、活塞7、缸盖8、推销9，所述缸体6同轴滑动设置在主轴1外并连接在主轴套筒4远离刀具安装侧的后端，所述缸盖8固定设置于缸体6的另一端，所述活塞7滑动设置于缸体6内，所述主轴1上至少均布有两个沿轴向延伸的腰孔102，所述推销9设置于弹性复位件3与活塞7之间，所述推销9的底端与拉杆2固定连接且顶端滑动穿过腰孔102并向外延伸。
16.如图1、3和4至8所示，本发明还包括可拆卸的同轴固定在拉杆2上的推销安装座10、滑动设置在主轴1外且位于推销9与活塞7之间的推销顶盘11，所述推销9拆卸的固定设置在推销安装座10上，所述推销9的上部还设置有扁口901；所述推销顶盘11为环形结构且靠近推销9一侧的端面上周向均布有可与扁口901贴合的方槽111，所述推销9的扁口901平行延伸到方槽111内。
17.如图3、4和6所示，所述拉杆2设置有螺纹台阶轴，所述推销安装座10同轴螺纹啮合的固定在拉杆2的螺纹台阶轴上。
18.如图6所示，所述推销安装座10的外沿面上周向均布有与推销9数量相同且匹配的螺纹孔或销孔，所述推销9的底端与推销安装座10上的螺纹孔或销孔固定连接。
19.所述推销安装座10的外沿面为多边形，所述螺纹孔或销孔垂直设置于推销安装座10的多边形面上。
20.如图3所示，所述活塞7为“z”形结构且远离弹性复位件3的后端701滑动设置于主轴1外，所述缸盖8滑动且密封的套设在后端701外；所述缸体6内还设置有向外凸出的环形槽ⅰ601，所述活塞7的前端702滑动密封的套设在环形槽ⅰ601前方的缸体6内，所述活塞7的中部外圆面上还设置有向外凸出的活塞环台703，所述活塞环台703同轴滑动密封的套设在环形槽ⅰ601内，所述活塞环台703前侧的缸体6上和/或后侧的缸盖8上设置有与驱动流体高压供应系统连通的连接嘴12。
21.所述缸体6与主轴套筒4还设置有连接套13，所述连接套13靠近主轴套筒4的前端与主轴套筒4通过螺钉—弹簧机构14浮动连接，所述连接套13的后端与缸体6固定连接；所述螺钉—弹簧机构14包括连接螺钉ⅰ141、弹簧142，所述连接套13上贯穿设置有若干开口远离主轴套筒4的沉头孔131，所述主轴套筒4的后端对应设置有若干螺孔ⅰ，所述连接螺钉ⅰ141穿过沉头孔131并与主轴套筒4后端的螺孔ⅰ啮合，所述弹簧142套设在沉头孔131内的连接螺钉ⅰ141上。
22.所述主轴1的外圆面上在连接套13与活塞7之间螺纹啮合的连接有挡圈15，所述挡圈15与连接套13之间的间隙小于连接螺钉ⅰ141上的弹簧142可压缩长度。
23.所述主轴1的外圆面上在挡圈15与活塞7之间可拆卸的连接有齿形编码器20，所述缸体6上设置有可穿过齿形编码器20连接线的出线孔。
24.如图2所示，所述主轴1远离缸体6的前端同轴连接有可与刀具锥柄配合的锥套16，所述锥套16的前端设置有外凸的连接环161，所述锥套16紧配合的插接在主轴1前端的连接孔内且连接环161与主轴1的前端面通过螺钉连接，所述锥套16的锥孔底端还依次设置有导向孔162，所述导向孔162内还设置有向后延伸的定位支撑套17，所述定位支撑套17的后部同轴紧配合的设置于中空腔体101内，所述定位支撑套17内滑动设置有可夹住刀具锥柄的涨套18，所述涨套18与拉杆2连接。
25.所述锥套16的锥孔与导向孔162之间还设置有环形槽ⅱ163，所述导向套17的前端延伸至环形槽ⅱ163，所述涨套18的外圆面前后两端分设有可与导向套17内孔滑动配合的凸环181，所述涨套18在两个凸环181之间的外圆面为自前端向后逐渐增大的外锥面182，所述导向套17对应在涨套18的两个凸环181之间内孔内固定设置有内环台171。
26.所述主轴1远离锥套16的后端中空腔体101内同轴设置有支撑套21，所述拉杆2远离锥套16的后端外圆面与支撑套21的内孔同轴紧配合，所述支撑套21的后端设置有连接法兰211，所述连接法兰211通过螺钉与主轴1的后端面固定连接。
27.所述主轴套筒4上可拆卸的同轴固定套设有套筒19，所述主轴套筒4在前端轴承5的外圆面上设置有螺旋冷却道401，所述套筒19上设置有两个分别与螺旋冷却道401的两端连通的冷却连接嘴191。
28.所述缸体6为液压缸或气缸。
29.所述弹性复位件3为碟簧或弹性橡胶柱。
30.本发明工作原理和工作过程：如图1至8所示，松刀时，活塞7在缸体6（液压缸或者气缸）的高压流体驱动下朝向刀具安装方向沿轴向移动，此时推动推销安装座10及推销9随之前移，从而使拉杆2以及连接在拉杆2前端的涨套18同步向前移动，并使套设在拉杆2上的弹性复位件3压缩，随着弹性复位件3压缩至一定距离，涨套18前端的凸环181进入锥套16的环形槽ⅱ163内，进入环形槽
ⅱ
163内的凸环181使定位支撑套17对涨套18的约束力消失或显著降低，从而涨套18自动张开而松开夹持的刀柄，实现松刀。
31.拉刀时，活塞7在缸体6（液压缸或者气缸）的高压流体驱动下沿远离刀具安装方向移动，或者卸载使缸体6内的活塞7向前移动的高压流体，此时被压缩的弹性复位件3在外力消失后伸长，推动拉杆2以及连接在拉杆2前端的涨套18同步向后移动，涨套18前端的凸环181随移动退出环形槽ⅱ163进入定位支撑套17，由于定位支撑套17的内径小于凸环181的外径，以及定位支撑套17上的内环台171对涨套18的外锥面182滑动压迫，从而涨套18收缩以夹紧刀具的刀柄，实现拉刀，且定位支撑套17的内径与凸环181的配合，以及环台171对外锥面182的压迫，结合弹性复位件3合适的弹力共同作用下，可确保刀柄夹持的稳定及可靠。
32.以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种用于机床的高集成主轴系统，包括设有沿轴向延伸的中空腔体（101）的主轴（1）、滑动设置于中空腔体（101）内的拉杆（2）、套设在拉杆（2）上的弹性复位件（3）；其特征在于还包括主轴套筒（4）、自动松拉刀机构，所述主轴（1）通过轴承（5）旋转设置于主轴套筒（4）内；所述自动松拉刀机构包括缸体（6）、活塞（7）、缸盖（8）、推销（9），所述缸体（6）同轴滑动设置在主轴（1）外并连接在主轴套筒（4）远离刀具安装侧的后端，所述缸盖（8）固定设置于缸体（6）的另一端，所述活塞（7）滑动设置于缸体（6）内，所述主轴（1）上至少均布有两个沿轴向延伸的腰孔（102），所述推销（9）设置于弹性复位件（3）与活塞（7）之间，所述推销（9）的底端与拉杆（2）固定连接且顶端滑动穿过腰孔（102）并向外延伸。2.根据权利要求1所述用于机床的高集成主轴系统，其特征在于还包括可拆卸的同轴固定在拉杆（2）上的推销安装座（10）、滑动设置在主轴（1）外且位于推销（9）与活塞（7）之间的推销顶盘（11），所述推销（9）拆卸的固定设置在推销安装座（10）上，所述推销（9）的上部还设置有扁口（901）；所述推销顶盘（11）为环形结构且靠近推销（9）一侧的端面上周向均布有可与扁口（901）贴合的方槽（111），所述推销（9）的扁口（901）平行延伸到方槽（111）内。3.根据权利要求2所述用于机床的高集成主轴系统，其特征在于所述活塞（7）为“z”形结构且远离弹性复位件（3）的后端（701）滑动设置于主轴（1）外，所述缸盖（8）滑动且密封的套设在后端（701）外；所述缸体（6）内还设置有向外凸出的环形槽ⅰ（601），所述活塞（7）的前端（702）滑动密封的套设在环形槽ⅰ（601）前方的缸体（6）内，所述活塞（7）的中部外圆面上还设置有向外凸出的活塞环台（703），所述活塞环台（703）同轴滑动密封的套设在环形槽ⅰ（601）内，所述活塞环台（703）前侧的缸体（6）上和/或后侧的缸盖（8）上设置有与驱动流体高压供应系统连通的连接嘴（12）。4.根据权利要求1、2或3所述用于机床的高集成主轴系统，其特征在于所述缸体（6）与主轴套筒（4）还设置有连接套（13），所述连接套（13）靠近主轴套筒（4）的前端与主轴套筒（4）通过螺钉—弹簧机构（14）浮动连接，所述连接套（13）的后端与缸体（6）固定连接；所述螺钉—弹簧机构（14）包括连接螺钉ⅰ（141）、弹簧（142），所述连接套（13）上贯穿设置有若干开口远离主轴套筒（4）的沉头孔（131），所述主轴套筒（4）的后端对应设置有若干螺孔ⅰ，所述连接螺钉ⅰ（141）穿过沉头孔（131）并与主轴套筒（4）后端的螺孔ⅰ啮合，所述弹簧（142）套设在沉头孔（131）内的连接螺钉ⅰ（141）上。5.根据权利要求4所述用于机床的高集成主轴系统，其特征在于所述主轴（1）的外圆面上在连接套（13）与活塞（7）之间螺纹啮合的连接有挡圈（15），所述挡圈（15）与连接套（13）之间的间隙小于连接螺钉ⅰ（141）上的弹簧（142）可压缩长度。6.根据权利要求5所述用于机床的高集成主轴系统，其特征在于所述主轴（1）的外圆面上在挡圈（15）与活塞（7）之间可拆卸的连接有齿形编码器（20），所述缸体（6）上设置有可穿过齿形编码器（20）连接线的出线孔。7.根据权利要求4所述用于机床的高集成主轴系统，其特征在于所述主轴（1）远离缸体（6）的前端同轴连接有可与刀具锥柄配合的锥套（16），所述锥套（16）的前端设置有外凸的连接环（161），所述锥套（16）紧配合的插接在主轴（1）前端的连接孔内且连接环（161）与主轴（1）的前端面通过螺钉连接，所述锥套（16）的锥孔底端还依次设置有导向孔（162），所述导向孔（162）内还设置有向后延伸的定位支撑套（17），所述定位支撑套（17）的后部同轴紧
配合的设置于中空腔体（101）内，所述定位支撑套（17）内滑动设置有可夹住刀具锥柄的涨套（18），所述涨套（18）与拉杆（2）连接。8.根据权利要求7所述用于机床的高集成主轴系统，其特征在于所述锥套（16）的锥孔与导向孔（162）之间还设置有环形槽ⅱ（163），所述导向套（17）的前端延伸至环形槽ⅱ（163），所述涨套（18）的外圆面前后两端分设有可与导向套（17）内孔滑动配合的凸环（181），所述涨套（18）在两个凸环（181）之间的外圆面为自前端向后逐渐增大的外锥面（182），所述导向套（17）对应在涨套（18）的两个凸环（181）之间内孔内固定设置有内环台（171）。9.根据权利要求7所述用于机床的高集成主轴系统，其特征在于所述主轴（1）远离锥套（16）的后端中空腔体（101）内同轴设置有支撑套（21），所述拉杆（2）远离锥套（16）的后端外圆面与支撑套（21）的内孔同轴紧配合，所述支撑套（21）的后端设置有连接法兰（211），所述连接法兰（211）通过螺钉与主轴（1）的后端面固定连接。10.根据权利要求4所述用于机床的高集成主轴系统，其特征在于所述主轴套筒（4）上可拆卸的同轴固定套设有套筒（19），所述主轴套筒（4）在前端轴承（5）的外圆面上设置有螺旋冷却道（401），所述套筒（19）上设置有两个分别与螺旋冷却道（401）的两端连通的冷却连接嘴（192）。

技术总结
本发明公开一种用于机床的高集成主轴系统，包括设中空腔体的主轴、中空腔体内的拉杆、套设在拉杆上的弹性复位件；主轴旋转设于主轴套筒内；自动松拉刀机构的缸体滑动设在主轴外并连接在主轴套筒后端且另一端固定有缸盖，活塞滑动设在缸体内，主轴上设有沿轴向延伸的腰孔，推销设于弹性复位件与活塞之间且底端与拉杆固定、顶端穿过腰孔并向外延伸。本发明在主轴间设置自动松拉刀机构并内置弹性复位件，不仅可显著缩短主轴系统长度以适应安装空间受限的场景，而且拉杆的前置驱动结构还可减小其长径比以提高强度，且较小跨度的主轴轴承安装空间也使得主轴的支承面距离缩短以降低加工难度，具有结构紧凑、精度高、适应性强、强度好、装拆便捷的特点。装拆便捷的特点。装拆便捷的特点。


技术研发人员：施庆华 郭祥福 罗庆丰 苏敏 杨甫 赛云祥 张建兵 张又予
受保护的技术使用者：中国机械总院集团云南分院有限公司
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/7/22