CN100396437C - 高速高刚度复合多支承气体静压轴承电主轴 - Google Patents

高速高刚度复合多支承气体静压轴承电主轴 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高速高刚度复合多支承气体静压轴承电主轴，包括有前轴承、中轴承、主轴、后轴承，其中主轴由前轴承、中轴承和后轴承支承，主轴前轴承、中轴承和后轴承安装在主轴的外套筒上，其中前轴承采用多支承并联一体化结构；在主轴的中部位于中轴承和后轴承之间装有包括电机定子、电机定子水套、电机转子的电机组件；本发明采用多支承并联一体化结构气体静压轴承和普通结构气体静压轴承相结合的复合多支承结构作为主轴的支承形式，该结构不但可以显著提高主轴的承载能力和刚度，而且可以减少主轴的耗气量，降低轴承加工的工艺难度和制造成本，该主轴具有高速、大功率、高回转精度，高承载力、大刚性、寿命长和运转稳定的优点。

Description

高速高刚度复合多支承气体静压轴承电主轴
技术领域
本发明属于机械领域内的机床技术，是一种可用于高速精密车/铣/磨加工机床用的高速高刚度电主轴技术，具体涉及一种高速高刚度复合多支承气体静压轴承电主轴。
背景技术
高速电主轴是高速机床的核心部件，高速电主轴采用的轴承主要有滚动轴承、磁悬浮轴承和气体静压轴承三种基本类型。滚动轴承电主轴结构简单、刚度好、标准化高，但是高速运转时磨损快，精度寿命和实用寿命短(一般在三个月左右需更换轴承)振动和噪音大。磁悬浮轴承电主轴转速高、精度好，但是其结构比较复杂、控制难度大，技术不够成熟。
目前空气静压轴承电主轴有两种基本结构，一种是传统结构的气体静压轴承支承的电主轴，它具有结构简单、工艺难度低、精度高、寿命长等特点，主要适用于精密磨削加工，但由于其承载能力和刚度较低，不能满足高速精密铣削和车削等加工工艺的要求。第二种是近年来开发的“全支承”结构的空气静压轴承电主轴，它的承载能力和刚度较传统支承结构的空气静压主轴相比有较大程度的提高，但是这种类型的电主轴存在耗气量较大、工艺难度高、成本高等缺点，影响了该技术的推广和应用。本发明结合了“全支承”结构气体静压轴承和普通结构气体静压轴承的优点，采用流固耦合设计理论对空气轴承电主轴进行结构分析与优化的基础上，提出的一种新型高速高刚度复合多支承气体静压电主轴结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速高刚度复合多支承气体静压轴承电主轴的结构设计，以解决传统结构的气体静压轴承支承的电主轴的承载能力和刚度较低的技术问题，同时又能克服全支承静压气体轴承的电主轴存在的耗气量较大、工艺难度高、成本高等缺点。
本发明电主轴采用三支承结构，该主轴的刚度和承载能力与全支承空气轴承电主轴相同，且具有结构简单，可显著降低轴承和主轴单元的机械加工工艺难度，耗气量显著减少，产品成本也有显著的降低。
本发明的结构示意图如附图1所示，高速高刚度复合多支承气体静压轴承电主轴，包括有前轴承4、中轴承7、主轴6、后轴承11，其中主轴6由前轴承4、中轴承7和后轴承11支承，主轴前轴承4、中轴承7和后轴承11安装在主轴的外套筒5上；在主轴6的中部位于中轴承7和后轴承11之间装有包括电机定子8、电机定子水套9、电机转子10的电机组件，其中电机定子8套装在电机定子水套9的内部，通过电机水套9套装在电主轴的外套筒5内，电机转子10套装在主轴6上。
上述前轴承4为径向支承和止推一体化轴承，采用多支承并联一体化结构，由两个具有双列均布径向节流孔4B的静压轴承并联而成，中间由环型排气槽4D分开，排气槽4D通过主轴外套筒5上的径向排气孔5A与大气相联通，轴承4的所有静压气腔通过一条平衡气槽4C相联通。
上述前轴承4的前端面圆周方向上均布一系列轴向止推节流孔4A，构成止推轴承；同时前轴承4与前端盖1之间装有止推轴承2，止推轴承2与前轴承4组成止推轴承副，共同承担主轴的轴向载荷，确定主轴的轴向平衡位置；止推轴承2与前轴承4之间装有定位环3，止推轴承2与前轴承4的气膜厚度由定位环3与主轴6的台肩厚度差确定，定位环3上设有排气孔3A与大气相联通。
上述前轴承4的前端面轴向止推节流孔4A与前轴承4的径向轴承共用第一列静压气腔4E。
上述前轴承4的前端面轴向止推节流孔4A与前轴承4的径向轴承第一列静压气腔4E内的径向节流孔数量一致，且对应位置的节流孔间正交联通。
上述中轴承7为径向气体静压轴承，具有双列均布的径向节流孔；上述后轴承11为径向气体静压轴承，具有双列均布的径向节流孔。
上述电机定子水套9上有螺旋冷却水道，在主轴外套筒5内设有入水通道19和出水通道20，其中入水通道19一端与电机定子水套9的入水端相联，另一端联接到入水管接头15，输入冷却水；出水通道20一端与电机定子水套9的出水端相联，另一端联接到出水管接头16，将电机的发热量通过冷却水热交换而排出。
上述止推轴承2、前轴承4、中轴承7以及后轴承11的气腔与设在电主轴外套筒5上的供气通道18相连；后端盖12安装在电主轴外套筒5靠近后轴承11的一端，供气通道18通过与安装在后端盖12上的进气管接头13与外部供气系统联接。
上述后端盖12上装有电源接头14。
上述主轴6的一端与后轴承11之间装有轴套17，后轴承11的气膜厚度由后轴承11的内径与轴套17的外径差确定。
本发明由于采用了具有多支承并联一体化结构的气体静压轴承为前支承、普通小孔节流的气体静压轴承结构为中轴承和后轴承的复合三支承结构，其中具有多支承并联一体化结构的前轴承4主要承担主轴的径向载荷，也能承受较大的轴向倾覆力矩，中轴承提高主轴的支承刚度，减少主轴因为截面变化而引起主轴变形和承载能力降低，后轴承用于提高主轴的径向承载能力和抗弯能力。
这种结构的设计最大的优点在于充分发挥了每个轴承的作用，消除了全支承轴承中存在的中间冗余环节，减小了前轴承的并联数量，从而降低了轴承的加工工艺难度和制造成本，同时有效地改善了主轴的动态特性，提高了主轴的刚度和承载能力。采用这种结构的气体静压轴承电主轴具有较高的刚度、承载能力和良好的动态和热态特性，可以适用于精密高速车/铣加工的需要。
附图说明
下面结合附图说明本发明的具体结构：
图1为本发明的复合多支承气体静压轴承电主轴的结构示意图。
图2为本发明的电主轴关键件一前轴承的结构示意图。
图3为本发明的关键件前轴承的A-A剖视图。
其中
1-前端盖  2-止推轴承  3-定位环  3A-排气孔  4-前轴承  4A-止推节流孔
4B-径向节流孔  4C-平衡气槽  4D-排气槽  4E-第一列静压气腔  5-外套筒
5A-排气孔  6-主轴  7-中轴承  8-电机定子  9-电机定子水套
10-电机转子  11-后轴承  12-后端盖  13-进气管接头  14-电源接头
15-入水管接头  16-出水管接头  17-轴套  18-供气通道  19入水通道
20-出水通道
具体实施方式
本发明的结构示意图如图1所示，前端盖1用以阻挡加工时所产生的铁屑和冷却液进入外套筒5内部，止推轴承2和前轴承4起轴承载作用，止推轴承2和前轴承4的止推轴承的气膜间隙由定位环3与主轴轴肩的轴向尺寸差来确定。如图一所示，前端盖1、定位环3、前轴承4、中轴承7、电机定子8、电机定子水套9、后轴承11及后端盖12安装在主轴外套筒5上，主轴6由止推轴承2、前轴承4、中轴承7以及后轴承11共同支承。止推轴承2、前轴承4、中轴承7和后轴承11通过外套筒5的供气通道18与供气系统的进气管接头13相联，通过进气管接头13联结外部提供的压缩空气。电机定子水套的入水口和出水口分别通过与主轴外套筒5上的入水通道19和出水通道20相联，入水通道19通过后端盖12上的入水管接头15与供水系统相联，出水通道20通过后端盖上的出水管接头16与排水系统相联，构成电机的冷却系统。主轴电机的定子4通过电源接头14与电源相联，构成驱动控制电路。
该主轴由前、中、后三个不同结构的静压气体轴承构成复合多支承结构。前轴承4结构如图2所示，为径向支承和止推一体化轴承，采用多支承并联一体化结构，两个轴承之间设有环型排气槽，同时两个轴承单元的静压气腔通过平衡气槽4C相连通，这种轴承结构的承载系数和刚度都较大的提高，能有显著提高主轴的承载能力和刚度。因为在电机处主轴截面变化较大，且轴向尺寸较长，采用传统的前后两支承结构不能满足主轴承载能力和刚度的要求，因此，本主轴截面变化处增加一个具有双排节流孔结构的气体静压轴承7作为中支承，用以减少主轴在变截面处的弯曲变形，提高主轴的刚度。主轴电机组件位于中轴承7和后轴承11之间。轴套17装在主轴上，后轴承11和轴套17的作用主要用于提供主轴的后支承，防止主轴后端向上倾斜，提高主轴的径向承载能力和刚度。

Claims (8)

1.一种高速高刚度复合多支承气体静压轴承电主轴，包括有前轴承(4)、中轴承(7)、主轴(6)、后轴承(11)，其中主轴(6)由前轴承(4)、中轴承(7)和后轴承(11)支承，主轴前轴承(4)、中轴承(7)和后轴承(11)安装在主轴的外套筒(5)上；在主轴(6)的中部位于中轴承(7)和后轴承(11)之间装有包括电机定子(8)、电机定子水套(9)、电机转子(10)的电机组件，其中电机定子(8)套装在电机定子水套(9)的内部，通过电机水套(9)套装在电主轴的外套筒(5)内，电机转子(10)套装在主轴(6)上；上述中轴承(7)为径向气体静压轴承，具有双列均布的径向节流孔；上述后轴承(11)为径向气体静压轴承，具有双列均布的径向节流孔；其特征在于上述前轴承(4)为径向支承和止推一体化轴承，采用多支承并联一体化结构，由两个具有双列均布径向节流孔(4B)的静压轴承并联而成，中间由环型排气槽(4D)分开，排气槽(4D)通过主轴外套筒(5)上的径向排气孔(5A)与大气相联通，轴承(4)的所有静压气腔通过一条平衡气槽(4C)相联通。
2.根据权利要求1所述的高速高刚度复合多支承气体静压轴承电主轴，其特征在于上述前轴承(4)的前端面圆周方向上均布一系列轴向止推节流孔(4A)，构成第一止推轴承；同时前轴承(4)与前端盖(1)之间装有第二止推轴承(2)，第二止推轴承(2)与前轴承(4)组成止推轴承副；第二止推轴承(2)与前轴承(4)之间装有定位环(3)，第二止推轴承(2)与前轴承(4)的气膜厚度由定位环(3)与主轴(6)的台肩厚度差确定，定位环(3)上设有排气孔(3A)与大气相联通。
3.根据权利要求2所述的高速高刚度复合多支承气体静压轴承电主轴，其特征在于上述前轴承(4)的前端面轴向止推节流孔(4A)与前轴承(4)的径向轴承共用第一列静压气腔(4E)。
4.根据权利要求3所述的高速高刚度复合多支承气体静压轴承电主轴，其特征在于上述前轴承(4)的前端面轴向止推节流孔(4A)与前轴承(4)的径向轴承第一列静压气腔(4E)内的径向节流孔数量一致，且对应位置的节流孔间正交联通。
5.根据权利要求1所述的高速高刚度复合多支承气体静压轴承电主轴，其特征在于上述电机定子水套(9)上有螺旋冷却水道，在主轴外套筒(5)内设有入水通道(19)和出水通道(20)，其中入水通道(19)一端与电机定子水套(9)的入水端相联，另一端联接到入水管接头(15)，输入冷却水；出水通道(20)一端与电机定子水套(9)的出水端相联，另一端联接到出水管接头(16)，将电机的发热量通过冷却水热交换而排出。
6.根据权利要求2或3或4所述的高速高刚度复合多支承气体静压轴承电主轴，其特征在于上述第二止推轴承(2)、前轴承(4)、中轴承(7)以及后轴承(11)的气腔与设在电主轴外套筒(5)上的供气通道(18)相连；后端盖(12)安装在电主轴外套筒(5)靠近后轴承(11)的一端，供气通道(18)通过与安装在后端盖(12)上的进气管接头(13)与外部供气系统联接。
7.根据权利要求6所述的高速高刚度复合多支承气体静压轴承电主轴，其特征在于上述后端盖(12)上装有电源接头(14)。
8.根据权利要求1所述的高速高刚度复合多支承气体静压轴承电主轴，其特征在于上述主轴(6)的一端与后轴承(11)之间装有轴套(17)，后轴承(11)的气膜厚度由后轴承(11)的内径与轴套(17)的外径差确定。
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