CN103302316B - 高速精密气动微主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速精密气动微主轴，涡轮轴(16)采用后端轴承(1)和中间轴承(5)安装在箱体(11)内，涡轮轴(16)与涡轮(22)制成一体且涡轮(22)的外径不大于涡轮轴(16)的外径，箱体(11)内设有与涡轮(22)对应的气流冲击驱动的喷嘴，排气口(27)设置在涡轮(22)的涡轮室两端，执行机构采用前端轴承(8)安装在箱体(11)内，涡轮轴(16)通过一体式微柔性连接机构与执行机构连接。本发明设计新颖合理、结构简单紧促，体积小，制造工艺简单，转速高，跳动误差小，可作为微机床的微主轴用于微细切削微细磨削加工及其它作高速超高速、高精度回转运动的机电设备或手动工具机的微主轴等。

Description

高速精密气动微主轴

技术领域

本发明涉及一种主轴，特别是涉及一种高速精密气动微主轴。

背景技术

零件的小型化和尺寸的高精度化对其加工设备提出了越来越高的要求。微主轴作为微机床的关键部件，直接决定了微机床的性能及微细切削微细磨削加工技术的发展和应用。现有微主轴主要有两种：一种是微电主轴。受散热条件及回转精度等限制，其最高转速一般在200000rpm以下，个别达到了300000rpm；另一种是微气动涡轮主轴。如NSK公司开发的各种气动涡轮主轴产品。采用气流驱动和支承的涡轮式微主轴由于气流的温升小、摩擦系数低、流速高，且发热及摩擦损耗小，所以可达到很高的转速。但是其转速提高的同时，跳动误差也不断增大。因此为了获得高回转精度，往往要限制微主轴转速。此外，目前很多微主轴都是通过弹簧夹头将刀具直接装夹到微主轴中，微主轴的制造安装误差、跳动误差和弹簧夹头的制造安装误差等会直接传递到刀具上，大大降低刀具的回转精度。如国外研发机构开发的牙钻的转速已能够达到500000rpm，但跳动误差约10μm，这实际上比微细切削的切屑厚度还大。为此美国麻省理工学院研发了刀具与主轴制成一体的微主轴，但也仅避免了夹具的装夹误差，而且刀具磨损时需连同主轴转子一起更换，实际应用是不现实的。综上所述，目前的微主轴单元，其刀具要么回转速度高但回转精度低，要么回转精度高但回转速度低，且无法实现高回转精度下刀具的自由更换。因此，要使微主轴单元在超高转速回转时仍具有高回转精度且刀具可自由更换是研究人员亟待解决的难题。

对于上述微主轴，如果通过提高其零部件的加工精度来减小微主轴的制造误差和安装误差，提高轴承的精度和刚度来减小微主轴超高转速回转时的跳动误差，从而提高刀具的回转精度，其成本会很高，甚至难以实现。所以非常有必要设计开发出新型的微主轴，满足微细切削刀具微细磨棒的超精密、超高转速回转及可自由更换的要求，实现对微小型零件进行高速/超高速微铣、微钻、微磨等超精密微细切削微细磨削加工。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种回转精度高、回转速度高、且能实现高回转精度下执行机构的自由更换的高速精密气动微主轴。

为了解决上述技术问题，本发明提供的高速精密气动微主轴，包括箱体、涡轮轴、涡轮、排气口和执行机构，所述的涡轮轴采用后端轴承和中间轴承安装在所述的箱体内，所述的涡轮轴与所述的涡轮制成一体且所述的涡轮的外径不大于所述的涡轮轴的外径，所述的箱体内设有与所述的涡轮对应的气流冲击驱动的喷嘴，所述的排气口设置在所述的涡轮的涡轮室两端，所述的执行机构采用前端轴承安装在所述的箱体内，所述的涡轮轴通过一体式微柔性连接机构与所述的执行机构连接。

为了解决上述技术问题，本发明提供的高速精密气动微主轴，包括箱体、涡轮轴、喷嘴，涡轮、排气口和执行机构，其特征是：所述的涡轮轴采用后端轴承和中间轴承安装在所述的箱体内，所述的涡轮轴与所述的涡轮制成一体且所述的涡轮的外径不大于所述的涡轮轴的外径，所述的箱体内设有与所述的涡轮对应气流冲击驱动的喷嘴，所述的喷嘴设置有两圈或多圈小孔，所述的排气口设置在所述的涡轮的涡轮室两端，所述的执行机构中采用前端轴承安装在所述的箱体内，所述的前端轴承内安装有微刀具或其它微执行轴，所述的涡轮轴通过一体式微柔性连接机构与所述的执行机构内的微刀具连接。

所述的一体式微柔性连接机构由一体式微弹性联轴节、一体式微夹爪、形状记忆合金夹环组成，直接设置在涡轮轴上，所述的一体式微弹性联轴节中心设置有中心孔，所述的一体式微弹性联轴节设置有至少一组微薄片，所述的一组微薄片由两对相互垂直的第一对微薄片和第二对微薄片组成，所述每一对微薄片垂直于所述涡轮轴轴线并对称设置在所述的涡轮轴上，所述的一体式微弹性联轴节一端与涡轮轴连接，另一端与一体式微夹爪连接，所述的一体式微夹爪在轴向上均布设置至少2个微切槽，在根部设置有退刀槽，所述的形状记忆合金夹环安装在所述的一体式微夹爪的外圆周上组成一体式微夹头，所述的执行机构的末端安装在所述的一体式微夹爪内。

所述的形状记忆合金夹环采用TiNi合金制造，经热—机械训练后具有双程形状记忆效应。

所述的涡轮轴设有安装在所述的中间轴承与所述的前端轴承之间的挡板，所述的后端轴承设置有支承所述的涡轮轴的第一气体静压径向轴承，所述的中间轴承设置有支承所述的涡轮轴的第二气体静压径向轴承和支承所述的挡板的第一气体静压推力轴承，所述的前端轴承设置有支承所述的挡板的第二气体静压推力轴承和支承所述的执行机构的第三气体静压径向轴承；所述的箱体设置有与所述的第一气体静压径向轴承连通的第一进气口、与所述的喷嘴连通的第二进气口、与所述的第二气体静压径向轴承和所述的第一气体静压推力轴承连通的第三进气口、与所述的第二气体静压推力轴承和所述的第三气体静压径向轴承的第四进气口。

采用上述技术方案的高速精密气动微主轴，一体式微柔性连接机构在传递转速和转矩的同时，能够消除动力主轴即涡轮轴的制造、安装和跳动等误差，且一体式结构不带入新的误差。在消除动力主轴的误差后由微执行机构保证刀具的回转精度。由双列或多列喷嘴的高速气流冲击涡轮轴驱动，涡轮轴径向上由后端轴承设置的气体静压径向轴承、中间轴承设置的气体静压径向轴承支承定位，轴向上通过涡轮轴上设置的挡板由中间轴承设置的气体静压推力轴承、所述前端轴承设置的气体静压推力轴承支承定位；一体式微柔性连接机构，包括一体式微弹性联轴节、基于形状记忆合金的微夹头，微弹性联轴节直接设置在涡轮轴上，微夹头包括一体式微夹爪和采用形状记忆合金制造的夹环，所述的一体式微夹爪直接设置在动力主轴中的涡轮轴的末端，所述的形状记忆合金夹环经热——机械训练后具有双程形状记忆效应，安装在所述微夹爪上形成微夹头；一体式微柔性连接机构也可用在其他高速精密回转机械中。执行机构，将所述的刀具的刀柄末端夹持在微夹头内，刀柄作为转子直接安装在所述的前端轴承中，依靠前端轴承中设置的气体静压径向轴承支承以保证其回转精度。

本发明中，动力主轴中采用两圈或多圈微小孔作为喷嘴，从而形成双列或多列喷嘴。

本发明中，后端轴承、中间轴承并不仅限制为气体静压轴承，也可设置为其他类型轴承如滚动轴承支承涡轮轴。

本发明中，微柔性连接机构中的微弹性联轴节、微夹爪与涡轮轴制成一体，从而形成一体式微柔性连接机构。

本发明中，执行机构中将刀具作为转子，直接安装在前端轴承中。

本发明中，前端轴承并不仅限于气体静压轴承，也可采用其他轴承如滚动轴承来支承刀具。

本发明中，执行机构中的刀具也可为其它执行轴。

本发明中，动力主轴并不仅限于气动涡轮驱动，也可采用其他形式动力主轴如微电主轴驱动。

采用上述技术方案的高速精密气动微主轴，与现有技术相比其优点和积极效果是显著的，主要体现在以下方面：

1.双列喷嘴冲击式气动微涡轮结构。现有类似气动涡轮常采用单列喷嘴驱动，经试验发现涡轮轴前后端跳动误差大小不同，严重影响涡轮轴运行的平稳性，这实际上是由于喷嘴并不能完全正对涡轮叶片正中央，高速冲击气流产生的附加载荷引起前后端轴承承载力大小不同造成的；而采用双列或多列喷嘴驱动，即使涡轮叶片与喷嘴相对位置有偏差，由于高速冲击气流产生的径向附加载荷并不集中在同一轴向位置，而是分开分布，故能较好地减弱甚至消除高速冲击气流产生的附加载荷引起前后端轴承承载力大小不同的问题，有效提升了涡轮轴运行的平稳性。同时，为了达到超高转速，喷嘴的尺寸要小，但是受喷嘴与排气口单列布置结构及主轴尺寸限制，喷嘴数量不能大幅增加，这势必会造成主轴转矩和功率很小，满足不了微细切削微细磨削加工要求。而在径向上采用双列或多列喷嘴布置且去除排气口结构，可大幅增加喷嘴数量的设置，进而在保证主轴超高转速的前提下，有效提升微主轴的转矩和功率。

2.直筒式涡轮轴结构。现有一般微主轴中很多带有挡板结构或者涡轮的直径大于轴直径，则装配时需先将涡轮轴装进一个支承轴承后才能装配另一端支承轴承，这势必会造成两端轴承因装配误差形成的轴承孔几何中心不对中的问题，如果采用气体轴承支承，则几毫米的小尺寸气体轴承的气膜间隙往往只有几微米，而几何中心不对中造成的误差也在微米级，这就与气膜间隙尺寸在一个数量级别，严重影响了轴承的刚度、承载力等承载性能，甚至会造成高转速过程中涡轮轴因跳动大而发生卡死现象。而本发明采用直桶式涡轮轴，则装配时可以先将两端轴承即后端轴承、中间轴承连同喷嘴结构件固定连接好，然后采用一根研磨棒同时研磨两端轴承的轴承孔，然后再将涡轮轴直接插入两个轴承的轴承孔中，这样不仅保证了两端轴承的轴承孔中心的对中性，而且保证了两端气体静压轴承都在同一微米级气膜间隙，即两端轴承的气膜间隙一致，有效地提升了轴承的刚度、承载力等性能，从而避免了涡轮轴在运行过程中因前后两端轴承不对中造成的与轴承幅产生摩擦甚至卡死的现象，减少了磨损，提升了微主轴的转速和稳定性。

3.气流直排式结构。现有主轴中常将排气口与喷嘴设置在同一径向和轴向位置处，这势必会引起喷嘴气流与排气口气流产生混流，从而造成较大的喷嘴气流损失，且排气口受喷嘴结构尺寸限制，不能太大，进一步造成涡轮室内气流压力不能及时排出去而引起涡轮室内背压力很高，严重影响了涡轮转速的提高。而本发明将排气口设置在涡轮室两端，当喷嘴来流冲击到半圆形涡轮叶片上完成做功后从叶片两边流走，大幅减少了喷嘴气流与排气口气流产生混流所造成的喷嘴气流损失，有效提升了涡轮转速，且排气口设置在涡轮室两端直接通向外部，不仅排气口大小不受喷嘴结构的限制，而且避免了排气通道结构，因此可有效提升排气量，减小涡轮室内的背压力，非常有利于主轴转速的大幅提高。

4.动力主轴与刀具的分离式结构及一体式微柔性连接机构。现有的微主轴一般都是将刀具直接安装到主轴转子中，这样主轴的制造误差、安装误差、跳动误差等会直接传递到刀具上，造成刀具的跳动误差很大。本发明将动力主轴与刀具分离，并采用一体式微柔性连接机构来连接动力主轴中的涡轮轴和刀具，利用一体式微弹性联轴节在传递动力主轴的转速和转矩的同时，消除主轴误差，且一体式微弹性联轴节无需安装和维护，所以也未带入新的安装误差。

5.基于形状合金的一体式微夹头。现有微主轴一般采用弹簧夹头夹持，这不仅带入弹簧夹头的安装制造误差，且使主轴转子的动平衡性能变差。本发明直接在涡轮轴的末端设置一体式的微夹爪，避免了采用单独夹具所带来的安装误差，同时将经过热——机械训练的形状记忆合金夹环安装在微夹爪上，利用其双程形状记忆效应，即通过改变其温度来实现刀具的夹持和更换要求，操作方便，且夹环结构动平衡性能好。

6.刀柄/转子结构。将微细切削刀具或微细磨棒的刀柄作为转子，直接由轴承支承，从而在消除动力主轴的误差后实现刀具的超精密回转要求。

7.整个转子结构简单并对称。微主轴装配后其涡轮轴、形状记忆合金夹环、微刀具组成转子结构，形状记忆合金夹环和微刀具为圆柱或圆筒形结构，而涡轮轴上虽设置了涡轮、挡板、微弹性联轴节、微夹爪，但是整体结构并不复杂，且完全对称，因此该微主轴的转子动平衡性能好，可以达到很高的转速。

综上所述，本发明设计新颖合理，结构简单紧促，体积小，制造工艺简单，转速高，跳动误差小，安全可靠，特别适合于微小型零件的高速/超高速微铣、微钻、微磨等微细切削微细磨削加工，可作为微细切削加工机床的微主轴及其它作高速超高速、高精度回转运动的机电设备或手动工具机的微主轴。

附图说明

图1是本发明实施例的主剖视图。

图2是本发明实施例的俯视图。

图3是本发明中一体式微柔性连接机构。

图4是本发明图1的A-A剖视图(即气动涡轮)。

图5是本发明图1的B-B剖视图（即涡轮排气口）。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作详细说明。

参见附图1、图2、图3、图4和图5，涡轮轴16采用后端轴承1和中间轴承5安装在箱体11内，涡轮轴16与涡轮22制成一体且涡轮22的外径不大于涡轮轴16的外径，箱体11内设有与涡轮22对应喷射驱动的双列喷嘴3，双列喷嘴3设置有两圈小孔4，排气口27设置在涡轮22的涡轮室两端，执行机构采用前端轴承8安装在箱体11内，涡轮轴16设有安装在中间轴承5与前端轴承8之间的挡板17，后端轴承1设置有支承涡轮轴16的第一气体静压径向轴承2，中间轴承5设置有支承所述的涡轮轴16的第二气体静压径向轴承6和支承挡板17的第一气体静压推力轴承7，前端轴承8设置有支承挡板17的第二气体静压推力轴承9和支承执行机构的第三气体静压径向轴承10；箱体11设置有与第一气体静压径向轴承2连通的第一进气口12、与双列喷嘴3连通的第二进气口13、与第二气体静压径向轴承6和第一气体静压推力轴承7连通的第三进气口14、与第二气体静压推力轴承9和第三气体静压径向轴承10的第四进气口15。涡轮轴16通过一体式微柔性连接机构与微刀具21连接，一体式微柔性连接机构由一体式微弹性联轴节18、一体式微夹爪19、形状记忆合金夹环20组成，所述的一体式微弹性联轴节18中心设置有中心孔23以提高微弹性联轴节中微薄片24、28的弹性变形能力，所述的一体式微弹性联轴节18一端与所述的涡轮轴16连接，另一端设有至少一组微薄片29与所述的一体式微夹爪19连接，所述的一组微薄片29由两对相互垂直的第一微薄片24和第二微薄片28组成，所述每一对第一微薄片24和第二微薄片28垂直于所述涡轮轴16轴线并对称设置在所述的涡轮轴16上，所述的一体式微夹爪19在轴向上均布设置至少2个微切槽26，在根部设置有退刀槽25，所述的形状记忆合金夹环20安装在所述的一体式微夹爪19的外圆周上，微刀具21的末端安装在一体式微夹爪19内，形状记忆合金夹环20采用TiNi合金制造。

参见附图1、图2、图3、图4和图5，后端轴承1设置有第一气体静压径向轴承2，双列喷嘴3设置有两圈小孔4、中间轴承5设置有第二气体静压径向轴承6和第一气体静压推力轴承7，前端轴承8设置有第二气体静压推力轴承9和第三气体静压径向轴承10；后端轴承1、双列喷嘴3、中间轴承5、前端轴承8安装在箱体11中；箱体11设置有前端轴承的第一进气口12、第二进气口13、第三进气口14和第四进气口15；涡轮轴16设置有涡轮22、挡板17、一体式微弹性联轴节18和一体式微夹爪19；涡轮轴16安装在后端轴承1、中间轴承5的轴承孔中，通过后端轴承1的第一气体静压径向轴承2、中间轴承5的第二气体静压径向轴承6实现径向上的支承，及中间轴承5的第一气体静压推力轴承7和前端轴承8的第二气体静压推力轴承9实现轴向上的支承；同时涡轮轴16的涡轮22与双列喷嘴3的小孔4对应；微刀具21末端安装在一体式微夹爪19内，形状记忆合金环20安装在一体式微夹爪19的外圆周上，用以夹持微刀具21；微刀具21安装在前端轴承8中，并通过前端轴承8的第三气体静压径向轴承10实现径向上的支承。

一体式微柔性连接机构由一体式微弹性联轴节18、一体式微夹爪19、形状记忆合金夹环20组成。一体式微弹性联轴节18中心设置中心孔23以提高微弹性联轴节中微薄片24、28的弹性变形能力，外部设置至少一组微薄片29，每一组微薄片29由两对相互垂直的第一微薄片24和第二微薄片28组成，每一对第一微薄片24和第二微薄片28垂直于涡轮轴16轴线并对称设置在涡轮轴16上。根据矢量合成原理，如果设置一组2对相互垂直的第一微薄片24和第二微薄片28，可以补偿任一角度误差，而如果设置两组共4对的第一微薄片24和第二微薄片28，则可以补偿任一径向上的误差，保证所连接两轴轴线的平行。虽然设置更多对的微薄片29可以增加补偿能力，但同时却降低了刚度，增大了长度尺寸。为此本发明建议在微小型仪器设备中设置两组共4对微薄片29。一体式微夹爪19在轴向上均布设置至少2个微切槽26，在根部设置有退刀槽25，用以减小夹持过程中微夹爪的变形抗力，提高微夹具的夹持能力，本实施例中一体式微夹爪19在轴向上均布设置4个微切槽26。形状记忆合金环20需经热——机械训练使其具有双程形状记忆效应。为了验证其夹持能力，进行了样机的试制及试验。采用TiNi合金（Ti49.6%，Ni50.4%）制造的形状记忆合金微夹环20（内径Φ4.9mm）经热——机械训练后其双程形状记忆量（高、低温下内径的变化量）达到100μm,在-5℃即可实现刀具的安装与拆卸，在室温（15℃）时即可夹紧，且随着温度继续升高，夹持力也增大。

本发明的工作原理简述于下：气源经第一进气口12进入后端轴承1，经第三进气口14进入中间轴承5，经第四进气口15进入前端轴承8，通过各第一气体静压径向轴承2、第二气体静压径向轴承6、第一气体静压推力轴承7、第二气体静压推力轴承9和第三气体静压径向轴承10实现对涡轮轴16径向和轴向上的支承定位，及微刀具21径向上的支承，可以有效降低主轴高速转动时的摩擦损耗；气源经2个第二进气口13进入双列喷嘴3，进而推动涡轮轴16高速旋转，随后通过涡轮22两边的直排口27排出；一体式微柔性连接机构将转速和转矩传递给微刀具21，实现对工件的加工。本发明采用一体式微柔性连接机构连接动力主轴中的涡轮轴16和微刀具21，在传递转速和转矩的同时补偿动力主轴的制造误差、安装误差、跳动误差等，且不带来新的制造安装误差，从而实现零误差地传递转速和转矩；将微刀具21作为转子直接采用轴承支承，在消除动力主轴即涡轮轴16的误差后实现微刀具21高回转速度下的低跳动误差；采用形状记忆合金夹环20夹持，不仅未增加装夹误差，且操作方便，在-5℃即可实现刀具21的可更换要求。

Claims (3)

1.一种高速精密气动微主轴，包括箱体(11)、涡轮轴(16)、喷嘴(3)，涡轮(22)、排气口(27)和执行机构，所述的涡轮轴(16)采用后端轴承(1)和中间轴承(5)安装在所述的箱体(11)内，所述的涡轮轴(16)与所述的涡轮(22)制成一体且所述的涡轮(22)的外径不大于所述的涡轮轴(16)的外径，所述的箱体(11)内设有与所述的涡轮(22)对应气流冲击驱动的喷嘴(3)，所述的喷嘴(3)设置有两圈或多圈小孔(4)，所述的排气口(27)设置在所述的涡轮(22)的涡轮室两端，所述的执行机构中采用前端轴承(8)安装在所述的箱体(11)内，所述的前端轴承(8)内安装有微刀具(21)，所述的涡轮轴(16)通过一体式微柔性连接机构与所述的执行机构内的微刀具(21)连接，其特征是：所述的一体式微柔性连接机构由一体式微弹性联轴节(18)、一体式微夹爪(19)、形状记忆合金夹环(20)组成，直接设置在涡轮轴(16)上，所述的一体式微弹性联轴节(18)中心设置有中心孔(23)，所述的一体式微弹性联轴节(18)设置有至少一组微薄片(29)，所述的一组微薄片(29)由两对相互垂直的第一对微薄片(28)和第二对微薄片(24)组成，所述每一对微薄片(24、28)垂直于所述涡轮轴(16)轴线并对称设置在所述的涡轮轴(16)上，所述的一体式微弹性联轴节(18)一端与涡轮轴连接，另一端与一体式微夹爪(19)连接，所述的一体式微夹爪(19)在轴向上均布设置至少2个微切槽(26)，在根部设置有退刀槽(25)，所述的形状记忆合金夹环(20)安装在所述的一体式微夹爪(19)的外圆周上组成一体式微夹头，所述的执行机构的末端安装在所述的一体式微夹爪(19)内。

2.根据权利要求1所述的高速精密气动微主轴，其特征是：所述的形状记忆合金夹环(20)采用TiNi合金制造，经热—机械训练后具有双程形状记忆效应。

3.根据权利要求1所述的高速精密气动微主轴，其特征是：所述的涡轮轴(16)设有安装在所述的中间轴承(5)与所述的前端轴承(8)之间的挡板(17)，所述的后端轴承(1)设置有支承所述的涡轮轴(16)的第一气体静压径向轴承(2)，所述的中间轴承(5)设置有支承所述的涡轮轴(16)的第二气体静压径向轴承(6)和支承所述的挡板(17)的第一气体静压推力轴承(7)，所述的前端轴承(8)设置有支承所述的挡板(17)的第二气体静压推力轴承(9)和支承所述的执行机构的第三气体静压径向轴承(10)；所述的箱体(11)设置有与所述的第一气体静压径向轴承(2)连通的第一进气口(12)、与所述的喷嘴连通的第二进气口(13)、与所述的第二气体静压径向轴承(6)和所述的第一气体静压推力轴承(7)连通的第三进气口(14)、与所述的第二气体静压推力轴承(9)和所述的第三气体静压径向轴承(10)连通的第四进气口(15)。