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一种采用非接触式旋转接头的高速自动换刀电主轴

获奖类型

：   中国专利优秀奖

获奖时间

：   第十九届

专利号

：   ZL201410203781.4

专利权人

：   江苏华雕机械有限公司

发明人

：   朱旭斌

地址

：   江苏省泰州市靖江经济开发区城北园区山南路18号

企业简介

江苏华雕机械有限公司是一家专业从事高速主轴的研发、制造为一体的高新技术企业，公司位于靖江市城北园区经一路 68 号。公司成立于 2007 年，注册资本 1280 万元，近年来，公司通过不断地开拓创新，科技进步，规范管理和企业文化建设，取得了持续、快速、健康有效的发展，公司现有土地面积 16357m2，厂房面积 15564.5m2，固定资产 3850 万元，为企业发展奠定了牢固的基础。

公司自 2007 年成立以来，现已获得国家发明专利 3 个、实用新型专利 18 个，外观专利 56 个，另有 2 项发明进入实际审查阶段，拥有高新技术产品 8 个，多项产品填补国内空白，多次获得国家科技及省创新扶持基金。公司在 2014 年分别荣获“国家级高新技术企业”和“江苏省民营科技企业“称号。

公司严格按照 ISO9001 质量体系的标准对生产进行全程质量控制。公司拥有风冷雕刻电主轴，水雾润滑高速电主轴，后置内藏式大扭矩数控高速电主轴，水雾润滑电机后藏式高精度电主轴，非接触式旋转接头的高速电主轴，应用永磁体代替轴承的高速电主轴，复合雕铣定向风冷电主轴等高新技术产品。产品具有转速高、精度好、噪音低、振动小、温升低、可靠性高、使用寿命长、节能显著等优点。产品适用于各类数控加工中心，模具加工，五金、广告、玉石、玻璃、木工雕铣等。广泛应用于机械制造、机床、军工、纺织、化工、建材等特殊加工行业。产品覆盖全国三十多个省份，远销东南亚等国家。

公司拥有一流的加工设备、先进的加工工艺、系统完善的检测手段，可为用户设计制造各类特殊专用电主轴及高速旋转装置、提供各类电主轴、机械主轴、零配件的精密加工等服务。公司以质量求生存，以信誉求发展的经营方针得到社会各界的肯定与认可。

专利技术简介

“一种采用非接触式旋转接头的高速自动换刀电主轴”，发明专利号：ZL201410203781.4，本发明采用压缩空气进行非接触式密封，无摩擦，延长了使用寿命，振动小，运动精度高，主轴达到了 34000rpm以上的稳定工作转速，在目前市场上的自动换刀电主轴中处于领先地位。主轴结构简单紧凑但功能强大，在高速转动的同时，融合了中心出水、自动换刀、主轴及电机冷却等多种功能，在制作上无特殊的材料或工艺，成本低、性能可靠，同时还集成了增量式编码器（可实现准确的闭环控制及角度定位）、接近开关等功能，能够广泛应用与各种材料的高速加工，尤其适合深孔腔型类零件的加工。

专利实用性

本专利可实施情况可参考专利文献中的实施例作为说明。如图 1-图 4，本发明的一种采用非接触式旋转接头的高速自动换刀电主轴，主体结构包括：机体，在机体内部设有定子、转子轴、弹簧预紧机构、前轴承及后轴承，其中，前轴承和后轴承分设于转子轴两端并且前轴承安装于一前轴承座上。定子与转子轴集成于机体内部，外部驱动机构输出的高频三相电通过内置电机引线供电给电机，驱动主轴高速运转，运转的最高转速取决于前轴承、后轴承、转子轴、弹簧预紧机构所组成的轴系的最高转速。本发明中，通过对主轴的结构进行优化设计，采用非接触式密封结构，主轴达到了 34000rpm 以上的稳定工作转速。

为了实现自动换刀，除了上述主体结构外，如图 1 至图 4 所示，电主轴还包括：固定于机体一端的连接座、固定在连接座上的带有旋转接头的油缸组件、设置于油缸组件端部的后端盖、固定在机体另一端的前端盖，其中，转子轴前端设有一具有中心出水孔的刀具组，转子轴内部设有一拉刀机构，拉刀机构包括：夹住刀具组的卡爪、形成于远离卡爪一端的拉杆帽，油缸组件内设有驱动拉刀机构运动以实现自动换刀的活塞，拉杆帽的端部容纳于活塞内。

如图 2 和图 3 所示，在后端盖上有卸刀进油接口和活塞复位进气接口，卸刀进油接口贯通至活塞的后端部，活塞复位进气接口连通至活塞的前端部。当向卸刀进油接口中注入一定压力的液压油时，活塞受压向靠近刀具组的方向运动，压迫拉刀机构使卡爪张开，刀具组被释放，便可实现卸刀，更换了新刀具组后，外部控制系统控制卸刀进油接口卸压，同时向活塞复位进气接口中通入 0.6MPa 的压缩空气，压缩空气进入油缸下腔推动活塞向远离刀具组方向运动，拉刀机构复位使卡爪夹紧刀具组。优选地，还包括一个使拉刀机构自动复位的碟簧组，碟簧组使卡爪自动合拢，将刀具组夹紧，回复至图 1 所示的状态，实现换刀。

本发明在非接触式密封方面，如图 2 所示，在连接座上形成有：前端气封入口、旋转接头气封入口，如图 1 所示，连接座、机体及前端盖内形成有与前端气封入口连通的第一压缩空气流道，在前端盖内第一压缩空气流道的末端形成有均压槽，压缩空气经均压槽进行均压后进入前端盖与前锁紧螺母之间的缝隙形成气膜，由于气膜压力远高于大气压，故能阻止外部杂质进入主轴内部，保护主轴内部结构。为了加强密封效果，如图 6 所示，前端盖与前轴承之间还设有内隔套和外隔套形成的隔套组，内隔套和外隔套之间留有迷宫式缝隙，迷宫式缝隙与前端盖、前锁紧螺母之间的缝隙相连通，极大地保证了密封的可靠性。

主轴具有中心出水功能，如图 4 所示，该功能的实现依赖于下述结构：油缸组件上形成有用于排水和排气的溢流口，后端盖上形成有中心出水进水接口；后端盖向拉刀机构方向延伸形成一进水头，进水头的端部容纳于拉杆帽内，进水头及拉刀机构内形成有与中心出水进水接口相连通的中心出水流道，中心出水流道与刀具组的中心出水孔对接，冷却刀具组的冷却水一部分经中心出水流道从刀具组的中心出水孔排出，另一部分经进水头与拉杆帽之间的缝隙流入油缸组件内的溢流腔最后从溢流口排出。

作为本发明进一步的改进，在后端盖上还形成有一前端锥孔除尘进气接口，前端锥孔除尘进气接口与中心出水流道相连通，卸刀时，压缩空气会通过前端锥孔除尘进气接口进入主轴内部的中心出水流道，最后吹到主轴前端的锥面上，实现对主轴内锥面及刀具组外锥面的清洁，保护锥面清洁度，从而确保主轴精度。

图中附图标记的含义：1、机体，2、定子，3、转子轴，4、弹簧预警机构，5、前轴承，6、前轴承座，7、后轴承，8、连接座，9、油缸组件，10、后端盖，1001、进水头，11、前端盖，12、前锁紧螺母，13、刀具组，1301、中心出水孔，14、拉刀机构，1401、卡爪，1402、拉杆帽，15、活塞，16、碟簧组，17、内隔套，18、外隔套，19、第一压缩空气流道，20、均压槽，21、第二压缩空气流道，22、均压腔，23、均压孔，24、冷却液流道，25、中心出水流道，26、接近开关，27、增量式编码器，28、溢流腔，EC、内置电机引线，TO、卸刀进油接口，TI、活塞复位进气接口，AS、前端气封入口，ASI、旋转接头气封入口，WA1、冷却液出口，WA2、冷却液入口，DWA、溢流口，TCW、中心出水进水接口，CL、前端锥孔除尘进气接口，SE、接近开关引线，SEI、编码器引线。

技术先进性

（一）技术原创性及重要性：

该专利所描述技术属于国内首创，与同类产品相比较，解决了以下技术难题：

1、电主轴的结构

为了实现自动换刀，在后端盖上形成有卸刀进油接口和活塞复位进气接口，卸刀进油接口贯通至活塞的后端部，活塞复位进气接口连通至活塞的前端部。当向卸刀进油接口中注入一定压力的液压油时，活塞受压向靠近刀具组的方向运动，压迫拉刀机构使卡爪张开，刀具组被释放，便可实现卸刀，更换了新的刀具组后，外部控制系统控制卸刀进油接口卸压，同时向活塞复位进气接口中通入 0.6MPa 的压缩空气，压缩空气进入油缸下腔推动活塞向远离刀具组的方向运动，拉刀机构复位使卡爪夹紧刀具组。优选地，还包括一个使拉刀机构自动复位的碟簧组，碟簧组使卡爪自动合拢，将刀具组夹紧，实现换刀。

2、电主轴的密封性能

该专利运用非接触式密封，主要包括前端盖与前锁紧螺母之间、内隔套外隔套之间及活塞与拉杆帽之间的气膜密封，正是由于采用了这种非接触式密封，才使主轴达到了 34000rpm 以上的最高转速。在连接座上形成有：前端气封入口、旋转接头气封入口，连接座、机体及前端盖内形成有与前端气封入口连通的第一压缩空气流道，在前端内第一压缩空气流道的末端形成有均压槽，压缩空气经均压槽进行均压后进入前端盖与前锁紧螺母之间的缝隙形成气膜，由于气膜压力远高于大气压，所以能够阻止外部杂质进入主轴内部，保护主轴内部结构。为了加强密封效果，前端盖与前轴承之间还设有内隔套和外隔套形成的隔套组，内隔套和外隔套之间留有迷宫式缝隙，迷宫式缝隙与前端盖、前锁紧螺母之间的缝隙相连通，极大地保证了密封的可靠性。

3、主轴的热稳定性

主轴具有良好的热稳定性，确保加工过程的不间断进行，连接座上形成有：冷却液出口、冷却液入口，连接座及机体内形成有与冷却液出口、冷却液入口连通的冷却液流道；冷却液经冷却液入口进入冷却液流道，对定子、前轴承进行冷却，最后从冷却液出口排出，完成循环换热，使主轴的热稳定性得以保证，极大地提高了加工精度。作为一种优选，冷却液为水或者低粘度的油。

（二）技术优势：

1、本发明性能水平与其他同类技术的比较

该专利技术于 2014 年 12 月获得江苏省高新技术产品一项，产品名称：“非接触式旋转接头的高速电主轴”，产品编号：141282G0490N。

节能效果：本发明产品无特殊材料和工艺，成本低，电主轴采用特殊水冷和非接触结构，无摩擦，损耗小，从而使相同功能的电主轴比普通电主轴体积小得多，加之与变频调速技术相结合，使电主轴与普通电主轴相比具有显著得节能效果。

该产品使用过程中节约了硅钢片及电解铜线得消耗，用电量也明显下降。按年产非接触式旋转接头得高速自动换刀电主轴 3000 台，经市场使用后，该产品年预计可节电 4725 万千瓦时，产生社会化节能 15592 吨，减少 CO2 排放量 38981.2 吨，减少 SO2 排放量 257.2 吨，减少 NOX排放量 243.2 吨。同时，还能为当地创造 60 人的就业机会，减轻了国家负担，促进了科技进步，提高了其他配套厂家的经济效益，为地方经济一份贡献，为国家多创效益带来积极效果。

2、专利实施效果的确定性

产品经江苏省产品质量监督检验研究院检测，各项性能指标符合Q/321282KHD01-2014《 HD 系列高速电主轴》企业标准规定的技术要求（企业标准颁布的具体时间为：2014 年 9 月 22 日，有效期至 2017年 9 月 22 日）。非接触式旋转接头的高速自动换刀电主轴经过国内多家客户如：东莞市广雕机械有限公司、东莞市豪圣数控设备有限公司、东莞市德翔鑫机械有限公司实际使用，取得了良好的信誉，该产品各方面性能均达到国内领先水平。

（三）技术通用性：

1、该发明技术目前主要应用于眼睛、珠宝、钟表行业用机床，应用率达到 80%以上。广泛运用于各类加工中心、五金雕铣、广告雕刻、模具加工、木工机械、纺织机械等机床行业

2、将来该技术还可能应用到手机、门锁、模具行业的机床。

专利运用及保护措施和成效评价

（一）专利运用：

专利权人为促进专利价值的实现，已开始自行实施该项专利。并从资金投入、技术公关、加强市场等三方面，提升该产品的市场竞争力。

专利权人为促进专利价值实现，自 2014 年 5 月开始实施三轴以上联动高速精密数控机床用电主轴、伺服电机生产线技术改造建设，购置加工中心、万能外圆磨床等国产设备 5 台，引进数控外圆磨、数控内圆磨等进口设备 6 台用于开发研究。共投入 1720.26 万元，其中购置设备投入 1211.26 万元，新增建筑面积 1800 平方米，投入 288万元；研究开发投入 221 万元。

发挥“产学研”一体化发展的优势，加大科技投入，通过与上海大学等国内几所大学建立的产学基地、外聘博士，以及将要建成的电主轴研究所和上海大学全合作开发的高速电主轴性能测试平台来完善和提高本项目产品的技术含量，通过工艺改造和技术创新，进一步降低生产成本，进一步提高产品的技术含量和附加值，增强产品的市场竞争力。公司将瞄准国内外电主轴技术前沿，通过自主开发和引进吸收最新科技成果，不断开发新产品，以保证公司在行业中的技术领先地位。

不断加入资金投入，在现有基础上进一步提升和完善产品的性能，保证产品有个稳定的质量，才能在市场竞争中立于不败之地。通过开展针对性的广告与宣传，并利用产品升级、举办培训班等方法，扩大用户群，促成其对完善系统产品的需求。建立在线客户服务中心，及时有效的了解用户的使用情况，并提供相关的服务。

（二）专利保护：

1、专利申请

江苏华雕机械有限公司为保护自身的研发成果，在项目研发的过程中已针对该自动换刀电主轴技术申请了发明专利和实用新型专利，专利申请号分别为：CN201410203781.4、CN201420247032.7。到目前为止，两件专利均已授权。另外，在此专利技术的基础上，我们通过对主轴的永磁同步设计，推出了一款全新的产品，该技术属国内首创，我们申请了专利保护，并于 2017 年 10 月又获得 “一种低速大转矩永磁同步高速自动换刀电主轴”发明专利一项，发明专利号：ZL201610472657.7。

2、专利维权

2016 年江苏华雕机械有限公司的工作人员，在维修客户产品时，发现市场上存在仿冒该技术的产品，并且通过后期调研及市场监督管理局的帮助，在济南市场找到外观仿制、内部构造基本一样，并且贴有“华雕”商标的电主轴产品。目前本公司已经报案，寻求法律保护。

（三）制度建设及条件保障和执行情况：

1、实施贯标，建立专利管理制度（包括技术资料档案管理制度）江苏华雕机械有限公司为更好的保护公司的专利，维护自己的权利，公司贯彻实施国家知识产权管理规范，从以下几个方面开展专利管理：

（1）专门成立了企业专利管理机构与专利管理人员，由专人负责，更好的开展各项专利工作。

（2）企业制订了各项专利管理规章制度，为企业开展专利管理工作提供保障，特别在技术档案资料上面，注重保密制度，杜绝信息泄露。

（3）专利产权管理。更好的申请各项专利，明确产权。

（4）企业专利信息管理。包括专利信息的收集、专利信息的整理、专利信息的保存、专利信息的运用。

（5）企业专利利益分配与奖励的管理。企业建立发明创造的利益分配与奖励制度，能激发企业全体员工从事发明创造的积极性，强化企业的专利意识，提高专利利用效率，为企业创造更好的经济效益。

2、知识产权培训工作开展

为更好开展专利各项工作，江苏华雕机械有限公司制定了系统的知识产权培训计划，采用“走出去，请进来”的学习模式。把公司负责专利工作的人员和相关的部门人员送到专业培训机构，接受各项专利的培训，提高他们的业务水平。公司还根据实际情况，请专利方面的专家来公司授课，更多的了解和掌握专利各方面的知识，提高员工的专利意识和能力。 公司通过一系列的宣传培训工作，使各部门领导和各部门人员对知识产权有进一步的了解，给予更加关注和支持。

3、专利保护与专利信息利用

随着专利保护意识的不断加强，在科学技术领域中“免费的午餐”越来越少，不可能在不付给知识产权所有人任何费用的情况下去制造或销售相关产品。慈溪市中发灯饰有限公司专利保护工作和企业技术引进、消化、吸收和创新紧密结合起来。目前企业专利管理申报部门，通过不断地学习、培训，在广泛收集专利信息，利用专利信息确定新产品的开发方向。在运用专利信息时，还注重维护自己的合法利益，在开发产品和拓宽市场时，充分了解了竞争对手的专利拥有情况，以保持竞争优势，使企业利于不败之地。

经济效益、社会效益及发展前景评价

该专利项目目前根据客户试用信息反馈，Q/321282KHD01-2014企业标准检测，其加工精度及切削能力等各项指标均达到或接近国际同类产品的水平，到 2018 年确保年产 6800 台套的生产能力，实现销售 4743 万元，利税 1204 万元。同时，还能为当地创造 60 人的就业机会，减轻了国家负担，促进了科技进步，提高了其他配套厂家的经济效益，为靖江的经济建设作一份贡献。还会鼓励所在地区的其他企业，为国家多创效益带来积极效果。

（一）社会效益状况：

1、节约材料，提升经济效益

2、技术革新，提升运用前景

电主轴采用变频调速技术后，提高起动性能，改变普通三相异步电动机的启动电流大的缺陷。普通三相异步电动机起动电流是额定电流的 3-5 倍，而电主轴根据压频曲线恒电流起动且运转平稳，起动力矩大，在带动相同负载的情况下，普通三相异步电动机选型时要比所需功率的 1.2-1.5 倍选定，由于其所选功率大，出现正常运转时大马拉小车，仅此一项估算，电主轴在机床行业的运用将节约机床用电量的 15%-20%，运用前景十分广阔。

3、性能可靠，节能显著，可取代传统的机械运动

电主轴的开发运用，是将传统的机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。高速数控机床主传动系统取消了复杂的带传动和齿轮传动等机械传动机构，机床主轴由过去的普通电机带动复杂传动机构改为现在的内藏式电主轴驱动，从而把复杂的机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”，这样可使主轴电机与机床主轴合二为一，在数控机床省去复杂的机械传动链时，开发的三轴以上联动告诉精密数控用电主轴，伺服电机传动效率大大凸显。如内圆磨床磨头过去采用普通电机用平皮带、三角带增速带动机械磨头，由于平皮带、三角带在传动过程中要消耗一定的功率，其传动效率受到一定的影响，采用两级带传动来带动机械磨头的，其传动效率约为 75%左右，若内圆磨头使用 11 千瓦普通电机带动，其功率的有效传递值约为 8.2千瓦，功率耗损在 2.9 千瓦左右，该磨床用普通电机时，还要考虑普通电机起动电流大（普通电机起动电流一般是额定电流的 3-5 倍）和其他传动的功率损耗等诸多因素，加之在磨削不同尺寸的零件时所需砂轮大小线速度不同，电主轴可以通过变频器无线调速实现，而且变频器输出的功率随负载的大小而变化，实现无极调速后其磨削效率明显提高，经测试用电主轴磨头磨削比普通电机带动磨头 磨削效率提高 30%，综上所述，用电主轴取代普通电机带动的传动链是大势所趋的节能项目，该项目投产后节能效果十分显著，应用前景广阔。以一台磨床为例，原来使用 11 千瓦普通电机带动的磨头，现在只要用 7.5千瓦电主轴完全取代 11 千瓦普通电机电动磨头的生产需求。这样一台磨床用电主轴直接带动砂轮磨削比普通电机通过带传动带动砂轮磨削要减少 3.5 千瓦。如果一台磨床的磨头每天按工作 20 小时，年生 产 300 天计算，系数取 0.75 ，一台磨头每年可节电：3.5*20*300*0.75=15750 千瓦时。若按年产 6000 台电主轴计算，一年可节电：15750*6000=9450 千瓦时。按电力折标系数 3.3 计算，一年可节约标准煤：9450*3.3=31185 吨。其节能效果十分显著。

（二）行业影响力状况：

详细说明参评项目实施对行业发展及技术趋势的影响。

国外电主轴最早用于内圆磨床。20 世纪 80 年代，随着数控机床和高速切削技术的发展，电主轴技术开始逐渐应用于数控铣床、加工中心等高档数控机床。国内对电主轴技术的研究始于 20 世纪 60 年代，主要用于零件内表面磨削，这种电主轴的功率小、刚度低；到80 年代，研制出系列高刚度、高速电主轴，广泛应用于内圆磨床和机械零件制造等领域；90 年代以后由磨削电主轴转向铣削电主轴，不仅能加工各种形体复杂的模具，而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铣用电主轴，推动了高速电主轴在铣削加工中的应用。电主轴行业的发展与机床行业的发展相辅相成。机床工具行业日益增长的需求规模和持续加快的产业升级为电主轴行业提供了良好的发展契机和广阔的发展空间。电主轴是机床功能部件中的易损件，常因工况环境恶劣、操作不当、部件磨损等导致故障，也会因长期使用精度明显下降而需要维护、保养或检修，电主轴的维修保养已成为一些机床保有量较大的厂家不得不面对的日常业务活动。全球巨大的机床保有量，为主轴相关零配件及维修行业市场容量的不断扩大奠定了基础。

电主轴制造水平很大程度上决定于人才的整体水平，而电主轴技术水平的高低，又决定着最终产品的质量、效益和新产品的开发能力，因此电主轴技术已成为影响机械加工业制造谁偶给你高低的重要作用。电主轴行业的发展与提升必将对我国建设创新型国家发挥重要作用。目前整体世界经济正处在快速复苏阶段，从国内看，机械、汽车及电子信息产业等机械制造需求大户的持续发展，是中国电主轴行业高速增长的最大阻力；从国际看，一方面是我国的电主轴产品有着较强的竞争力，国际采购商到我国采购的比例逐年增大，另一方面工业发展国家电主轴生产向我国转移进一步加快。因此，总体看来我国电主轴行业在未来几年内将产需两旺，持续快速运行。虽然全年统计数据尚未出来，但预计会有大幅度的增长率。随着进口机床和国内机床的用量增加，相应对配套电主轴的需求会达到一个新的高峰。所以，电主轴生产线技术改造，提高产品的技术含量和市场占有率。完全是顺应这一趋势，具有广泛的市场前景。并取得较好的社会效益和经济效益。

（三）政策适应性：

本项目属于江苏省“十三五”战略新兴产业支持的高端装备制造产业中的高端数控机床领域；本项目符合《产业结构调整指导目录（2011 年本）》：三轴以上联动高速精密数控机床及配套数控系统、伺服电机及驱动装置、功能部件、刀具、量具、量仪及高档磨具磨料。经市场预测，经济技术指标综合分析，该项目经济效益显著。投资利润率、利税率、投资回收期均高于行业基准，是一个投资省、风险较小、见效快、效益高的项目是可行的。