CN102489726A - 一种气浮高速电主轴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气浮高速电主轴，具体地说是一种高转速、高精度的机电一体化基础件。它公开了所述上气浮轴承座组件（6）及下气浮轴承座组件（14）轴向通孔中分别固定有上气浮轴承（7）和下气浮轴承（15），有一轴芯（8）贯通于上气浮轴承（7）、定子和下气浮轴承（15）三者间的轴向通孔；所述轴芯（8）的外壁与上气浮轴承（7）及下气浮轴承（15）的内壁之间存在0.03~0.035mm间隙。它是结构简单、紧凑，安装方便，使用变频电源，转速可变，使用寿命长，便于推广及应用。

Description

一种气浮高速电主轴
技术领域
    本发明涉及一种机械加工设备，具体地说是一种高转速、高精度的机电一体化基础件。
背景技术
在现有技术中，气浮高速电主轴用的铝水套组件，结构复杂，不利于主轴散热，安装不方便，功能单一，装配精度不容易把握。轴承座组件，结构单一，加工困难，装卸不便，散热能力低，振动幅度大。主轴夹头附件，用于固定夹头尾部，增加夹头稳定性，但由于在主轴高速转动时，轴芯与轴承间的距离太小会产生摩擦，距离太大则轴芯工作时不稳定。定子使用非变频电源，因此转子工作转数不可变动，功能单一，且疾速起动下转子容易损坏，影响电主轴的使用寿命。
发明内容
本发明涉及一种气浮高速主轴，它是高转数、高精度的机电一体化基础件，结构简单、紧凑，安装方便，使用变频电源，转速可变，使用寿命长，便于推广及应用。
本发明技术解决方案是包括有带管接头1的换刀气缸组件2，换刀气缸组件2的底部固定有带电源线、气源孔及冷却水源的铝水套组件5的顶端，铝水套组件5的底端固定有机体组件10顶端，机体组件10的轴向通孔顶部、中部及底部分别固定有上气浮轴承座组件6、固定有带温度传感器的定子9及下气浮轴承座组件14，本发明特别在于所述上气浮轴承座组件6及下气浮轴承座组件14轴向通孔中分别固定有上气浮轴承7和下气浮轴承15，有一轴芯8贯通于上气浮轴承7、定子和下气浮轴承15三者间的轴向通孔；所述轴芯8内的轴向通孔底部设有夹头组件11，夹头组件11的顶部设有换刀气缸组件2底部延伸出的推杆4，推杆4在铝水套组件5处固定有气缸复件弹簧3，下气浮轴承座组件14底端固定有间隙隔离板13，间隙隔离板13底端面固定有推力轴承12；所述轴芯8的外壁与上气浮轴承7及下气浮轴承15的内壁之间存在0.03~0.035mm间隙。
以上本发明所述的夹头附件11的顶部、中部底部分别由轴霸主体11.1，蝶形弹簧11.2及夹头11.3组成。
以上所述的铝水套组件5，它包括了作为铝水套的连接座，连接座的上端口和近轴承座处外壁均设有密封圈5.3，连接座正中部设有轴向贯通的推杆孔，两密封圈5.3之间的连接座的外壁设有冷却水槽，连接座的一侧壁开有与冷却水槽相连通的进水孔，进水孔与侧壁的开孔处设有堵头5.2；推杆孔的内壁设有至少一个滑套5.1；有进气孔和回水孔分别设置在连接座的侧壁，两者均与连接座的底端面相连通；在轴承座相对的侧壁处设有回气孔及电源接头，均与轴承座内腔相连通，推杆孔内壁的上、下端均设有滑套5.1。
以上本发明所述的上气浮轴承座组件6，它包括了上气浮轴承座主体6.1，上气浮轴承座主体6.1轴承凸台的上下方外壁均设有水气密封圈6.4，轴承的环形裙边处设置有出气孔6.5，上气浮轴承座主体6.1的轴承凸台前部设置有进气孔6.6，轴承凸台的前端面由沉头螺钉6.3固定有上气浮轴承盖板6.2。
以上本发明所述的上气浮轴承座组件6，它包括了上气浮轴承座主体6.1，上气浮轴承座主体6.1轴承凸台的上下方外壁均设有水气密封圈6.4，轴承的环形裙边处设置有上进气孔6.5，上气浮轴承座主体6.1的轴承凸台前部设置有下进气孔6.6，轴承凸台的前端面由沉头螺钉6.3固定有上气浮轴承盖板6.2。
所述下气浮轴承座组件14包括了近圆柱状的下气浮轴承座主体14.1，下气浮轴承座主体14.1上、下方外壁均设有水气密封圈14.4，下气浮轴承座主体14.1的上部设置有上进气孔14.7，轴承座主体上端面由沉头螺钉14.6固定有下气浮轴承盖板14.2，轴承座主体下端面由内六角螺钉14.5固定有下气浮轴承推力板14.3，下气浮轴承推力板14.3外壁设置有下进气孔14.8。
本发明的工作原理是：
1、气浮原理：压缩气体从铝水套组件的气浮轴承进气孔进入，流入机体组件，然后在进入上气浮轴承座、上气浮轴承、下气浮轴承座和下气浮轴承，上气浮轴承和下气浮轴承的内孔圆周上分别均匀分布两排若干个导气孔，流入的气体均匀的沿内孔的导气孔流出，轴芯的两端分别安装在上气浮轴承和下气浮轴承的内孔中，并有微小间隙，由于流进环气流和推力轴承截流作用，使轴芯处于完全悬浮状态，削除了轴芯与轴承之间的机械摩擦。
2、高速旋转原理：轴芯上集成有铜导条和端环，形成鼠笼形转子，当定子内通往三相交流变频电流时，定子产生感应磁场，由于电磁感应原理，转子导条内产生感应电流和电磁力，驱动处于气浮状态的轴芯旋转。由于变频电流的变频范围0~5000Hz变化，轴芯的最高转速可达300000rpm，可实现对工件高转速、高精度加工。
3、自动换刀原理：当压缩气体从管接头进入换刀气缸组件时，压缩气体推动换刀气缸组件的活塞向下运动。与之相连的推杆也随之向下，顶到并推动夹头组件的上端面，夹头组件的下锥面孔内径随之增大，刀具随从夹头组件中脱落，完成卸刀过程。反之，当刀具插入夹头组件的下锥面孔内后，撤销压缩气体，换刀气缸组件的活塞由于气缸复位弹簧的作用向上运动。推杆也向上移动并脱开夹头组件的上端面。由于夹头组件的碟簧作用，下锥面孔夹紧刀具，完成装刀过程。
4、冷却循环原理：从机体组件的进水孔通往符合要求的冷却水，通过推力轴承的顶部，上气浮轴承的冷却水槽，机体组件的内外夹层水槽，及下气浮轴承的冷却水槽后，排出机体组件外，将空气摩擦和电机产生的大部分热量带走，保证电主轴在低温下稳定、可靠地运行，实现冷却循环。
5、定子的定子绕组端部安装有温度传感器，可进行相应的反馈保护，对电主轴本身和相关的设备有效的监测和保护。
本发明的优点在于：
 1、轴芯工作时实现气浮悬空，削除与相关零部件的机械摩擦，将摩擦减小到最小，满足了实现高精度、高转速的主要条件；
2、电主轴交流变频电源的频率可以在0~5000Hz范围内变化，最高转速可达300000rpm，可以满足不同转速下使用，实现高转速、高精度的动力要求。
3、电主轴内安装有自动换刀装置，刀具可以自动更换，实现设备高度自动化。
4、电主轴内安装循环冷却系统，并安装有温度传感器测温，保证电主轴整个设备在低温下运行，增加设备的使用寿命和安全性。
5、轴芯的结构可实现快速起动性能，又可满足起动惯性，轴芯和上气浮轴承与下气浮轴承之间的间隙在0.03~0.035mm之间，并在每个轴承中采用两组气浮支撑结构，提高了气浮轴承的刚度和支撑力。
6、电主轴电机转子采用鼠笼结构，并集成在轴芯上，电机结构简单、紧凑，轴芯采用空心结构，并有气流通过，转子散热性好，适合电机高速下旋转。
7、夹头组件采用碟形弹簧产生夹持力，弹力大，对称性好，可满足设备支持、旋转要求。
8、整套设备结构紧凑，功能较多，适用于多种机械加工场合。
附图说明
图1是本发明的主轴剖面的构造示意图。
图2是本发明的轴芯及夹头组件构造示意图。
图3是本发明的上气浮轴承座组件构造示意图。
图4是本发明的上气浮轴承座组件构造示意图。
图5是本发明的铝水套组件剖面构造示意图。
图6是本发明的铝水套组件俯视构造示意图。
具体实施方式
实施例1
根据图1至图6的各图所示，本发明在现有的带管接头1的换刀气缸组件2，换刀气缸组件2的底部固定有带电源线、气源孔及冷却水源的铝水套组件5的顶端，铝水套组件5的底端固定有机体组件10顶端，机体组件10的轴向通孔顶部、中部及底部分别固定有上气浮轴承座组件6、固定有带温度传感器的定子9及下气浮轴承座组件14的基础上，本发明特别在于所述上气浮轴承座组件6及下气浮轴承座组件14轴向通孔中分别固定有上气浮轴承7和下气浮轴承15，有一轴芯8贯通于上气浮轴承7、定子和下气浮轴承15三者间的轴向通孔；所述轴芯8内的轴向通孔底部设有夹头组件11，夹头组件11的顶部设有换刀气缸组件2底部延伸出的推杆4，推杆4在铝水套组件5处固定有气缸复件弹簧3，下气浮轴承座组件14底端固定有间隙隔离板13，间隙隔离板13底端面固定有推力轴承12；所述轴芯8的外壁与上气浮轴承7及下气浮轴承15的内壁之间存在0.03~0.035mm间隙。
实施例2
与实施例1相同，只是所述的夹头附件11的顶部、中部底部分别由轴霸主体11.1，蝶形弹簧11.2及夹头11.3组成。
实施例3
与实施例1相同，只是所述的铝水套组件5，它包括了作为铝水套的连接座，连接座的上端口和近轴承座处外壁均设有密封圈5.3，连接座正中部设有轴向贯通的推杆孔，两密封圈5.3之间的连接座的外壁设有冷却水槽，连接座的一侧壁开有与冷却水槽相连通的进水孔，进水孔与侧壁的开孔处设有堵头5.2；推杆孔的内壁设有至少一个滑套5.1；有进气孔和回水孔分别设置在连接座的侧壁，两者均与连接座的底端面相连通；在轴承座相对的侧壁处设有回气孔及电源接头，均与轴承座内腔相连通，推杆孔内壁的上、下端均设有滑套5.1。
实施例4
与实施例1相同，只是所述的上气浮轴承座组件6，它包括了上气浮轴承座主体6.1，上气浮轴承座主体6.1轴承凸台的上下方外壁均设有水气密封圈6.4，轴承的环形裙边处设置有出气孔6.5，上气浮轴承座主体6.1的轴承凸台前部设置有进气孔6.6，轴承凸台的前端面由沉头螺钉6.3固定有上气浮轴承盖板6.2。
实施例5
与实施例1相同，只是所述的上气浮轴承座组件6，它包括了上气浮轴承座主体6.1，上气浮轴承座主体6.1轴承凸台的上下方外壁均设有水气密封圈6.4，轴承的环形裙边处设置有上进气孔6.5，上气浮轴承座主体6.1的轴承凸台前部设置有下进气孔6.6，轴承凸台的前端面由沉头螺钉6.3固定有上气浮轴承盖板6.2。
实施例6
与上述各实施例任一例相同，只是所述下气浮轴承座组件14包括了近圆柱状的下气浮轴承座主体14.1，下气浮轴承座主体14.1上、下方外壁均设有水气密封圈14.4，下气浮轴承座主体14.1的上部设置有上进气孔14.7，轴承座主体上端面由沉头螺钉14.6固定有下气浮轴承盖板14.2，轴承座主体下端面由内六角螺钉14.5固定有下气浮轴承推力板14.3，下气浮轴承推力板14.3外壁设置有下进气孔14.8。

Claims (6)

1.一种气浮高速电主轴，它包括有带管接头（1）的换刀气缸组件（2），换刀气缸组件（2）的底部固定有带电源线、气源孔及冷却水源的铝水套组件（5）的顶端，铝水套组件（5）的底端固定有机体组件（10）顶端，机体组件（10）的轴向通孔顶部、中部及底部分别固定有上气浮轴承座组件（6）、固定有带温度传感器的定子（9）及下气浮轴承座组件（14），本发明特别在于所述上气浮轴承座组件（6）及下气浮轴承座组件（14）轴向通孔中分别固定有上气浮轴承（7）和下气浮轴承（15），有一轴芯（8）贯通于上气浮轴承（7）、定子和下气浮轴承（15）三者间的轴向通孔；所述轴芯（8）内的轴向通孔底部设有夹头组件（11），夹头组件（11）的顶部设有换刀气缸组件（2）底部延伸出的推杆（4），推杆（4）在铝水套组件（5）处固定有气缸复件弹簧（3），下气浮轴承座组件（14）底端固定有间隙隔离板（13），间隙隔离板（13）底端面固定有推力轴承（12）；所述轴芯（8）的外壁与上气浮轴承（7）及下气浮轴承（15）的内壁之间存在0.03~0.035mm间隙。
2.根据权利要求1所述的一种气浮高速电主轴，其特征在于所述的夹头附件（11）的顶部、中部底部分别由轴霸主体（11.1），蝶形弹簧（11.2）及夹头（11.3）组成。
3.根据权利要求1所述的一种气浮高速电主轴，其特征在于所述的铝水套组件（5），它包括了作为铝水套的连接座，连接座的上端口和近轴承座处外壁均设有密封圈（5.3），连接座正中部设有轴向贯通的推杆孔，两密封圈（5.3）之间的连接座的外壁设有冷却水槽，连接座的一侧壁开有与冷却水槽相连通的进水孔，进水孔与侧壁的开孔处设有堵头（5.2）；推杆孔的内壁设有至少一个滑套（5.1）；有进气孔和回水孔分别设置在连接座的侧壁，两者均与连接座的底端面相连通；在轴承座相对的侧壁处设有回气孔及电源接头，均与轴承座内腔相连通，推杆孔内壁的上、下端均设有滑套（5.1）。
4.根据权利要求1所述的一种气浮高速电主轴，其特征在于所述的上气浮轴承座组件（6），它包括了上气浮轴承座主体（6.1），上气浮轴承座主体（6.1）轴承凸台的上下方外壁均设有水气密封圈（6.4），轴承的环形裙边处设置有出气孔（6.5），上气浮轴承座主体（6.1）的轴承凸台前部设置有进气孔（6.6），轴承凸台的前端面由沉头螺钉（6.3）固定有上气浮轴承盖板（6.2）。
5.根据权利要求1所述的一种气浮高速电主轴，其特征在于所述的上气浮轴承座组件（6），它包括了上气浮轴承座主体（6.1），上气浮轴承座主体（6.1）轴承凸台的上下方外壁均设有水气密封圈（6.4），轴承的环形裙边处设置有上进气孔（6.5），上气浮轴承座主体（6.1）的轴承凸台前部设置有下进气孔（6.6），轴承凸台的前端面由沉头螺钉（6.3）固定有上气浮轴承盖板（6.2）。
6.根据权利要求1所述的一种气浮高速电主轴，其特征在于所述下气浮轴承座组件（14）包括了近圆柱状的下气浮轴承座主体（14.1），下气浮轴承座主体（14.1）上、下方外壁均设有水气密封圈（14.4），下气浮轴承座主体（14.1）的上部设置有上进气孔（14.7），轴承座主体上端面由沉头螺钉（14.6）固定有下气浮轴承盖板（14.2），轴承座主体下端面由内六角螺钉（14.5）固定有下气浮轴承推力板（14.3），下气浮轴承推力板（14.3）外壁设置有下进气孔（14.8）。
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