CN103846459B - 一种动静压集成气体轴承支承的电主轴 - Google Patents

一种动静压集成气体轴承支承的电主轴 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动静压集成气体轴承支承的电主轴。它包括转轴、前径向动静压集成气体轴承、前止推气体轴承、止推盘、后止推气体轴承、紧固螺栓、壳体、电机转子、电机定子、后径向动静压集成气体轴承和后端盖。本发明通过采用动静压集成的气体轴承来支承电主轴，通过先对轴承的静压气体轴承进行一段时间的供气，使其能将转子浮起，再通过提高转速，利用动压气体轴承的动压效应，来支承负载，在不改变轴承结构的基础上，既减少了静压气体轴承的供气时间，降低成本，又充分利用了动压气体轴承的动压效应来支承负载，提高承载力和稳定性，保持电主轴正常工作。

Description

一种动静压集成气体轴承支承的电主轴
技术领域
本发明涉及机电工程领域中的一种应用于数控机床的主轴单元，特别是一种动静压集成气体轴承支承的电主轴。
背景技术
数控机床使用的高速电主轴是一种将刀具主轴与驱动电机集成在一起，以实现电机和主轴功能一体化的功能部件。随着加工技术的进步，加工机床对电主轴单元的速度和精度要求越来越高。然而，滚动轴承摩擦磨损大、相比其他轴承精度较低、寿命短，以逐渐不再适用于高速工况；磁悬浮轴承相关技术尚不成熟、造价昂贵、控制结构复杂、易造成电磁污染，因此无法得到大规模应用；液体滑动轴承承载力和刚度都很高，但由于液体阻尼大，造成其发热量也大，所以速度受到很大限制；气体轴承是以气体作为润滑剂的无接触支承方式，气体粘度小、无污染及匀化效应等特点，决定了气体轴承具备更高的转速、更好的精度以及接近无限的寿命，且其润滑材料容易取得，无污染等优点使得气体轴承成为高速电主轴最理想的轴承支承方式。
目前，气体轴承支承的电主轴主要采用静压气体轴承和动静压气体轴承，但静压气体轴承需要外部气源持续供气，使用成本非常高，而且静压气体轴承的刚度和承载力比较低；动静压气体轴承虽然提高了轴承的稳定性和承载性，但其结构复杂，加工难度大。因此需要开发一种电主轴，通过动静压集成的气体轴承进行支承，其中通过先对静压气体轴承进行一段时间的供气，使其能将转子浮起，再通过提高转速，利用动压气体轴承的动压效应，来支承负载，在不改变轴承结构的基础上，既减少了静压气体轴承的供气时间，降低成本，又充分利用了动压气体轴承的动压效应来支承负载，提高承载力和稳定性，保持电主轴正常工作。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种动静压集成气体轴承支承的电主轴，简化电主轴支承轴承的结构，提高电主轴工作转速，同时利用气体动、静压轴承各自的特点，克服传统气体轴承电主轴结构复杂且需要外部起源持续供气的缺点，降低成本，简化结构。为达到上述目的，本发明的构思是：本发明开发一种动静压集成气体轴承支承的电主轴，通过先对静压气体轴承进行一段时间的供气，使其能将转子浮起，再通过提高转速，利用动压气体轴承的动压效应，来支承负载，在不改变轴承结构的基础上，既减少了静压气体轴承的供气时间，降低成本，又充分利用了动压气体轴承的动压效应来支承负载，提高承载力和稳定性，保持电主轴正常工作。
根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：
一种动静压集成气体轴承支承的电主轴，包括转轴、前径向动静压集成气体轴承、前止推气体轴承、止推盘、后止推气体轴承、壳体、电机转子、电机定子、后径向动静压集成气体轴承、和后端盖。其特征在于：所述电主轴的电机转子嵌套于转轴上，随转轴一起转动；所述电机定子紧固嵌套于壳体上；所述转轴前后两端分别由前径向动静压集成气体轴承和后径向动静压集成气体轴承支承；所述止推盘与转轴固定成一体，其前后止推环面分别由前止推气体轴承和后止推气体轴承止推；所述壳体的前后端分别固定连接前径向动静压集成气体轴承和后端盖。
上述前止推气体轴承以及后径向动静压集成气体轴承分别加工有进气孔，以辅助气体轴承形成气膜并将转轴浮起；所述转轴与前径向动静压集成气体轴承、后径向动静压集成气体轴承配合的部分加工有螺旋槽，用以加强动压轴承的动压效应，在高转速的工况下能使动压效应更加显著；前径向动静压集成气体轴承和前止推气体轴承分别加工了径向节流孔和轴向节流孔，用以控制气体的流量，调节承载力；该径向节流孔和轴向节流孔接通处在前止推气体轴承上的一个前进气孔；而后端盖上有后进气孔接通后径向动静压集成气体轴承上的径向节流孔；前止推气体轴承、后止推气体轴承的止推面都加工有阶梯槽，用以形成动压效应来承受轴向负载；在前径向动静压集成气体轴承和后径向动静压集成气体轴承均加工排气孔，使气体循环通畅，能形成稳定的润滑气膜。
上述前径向动静压集成气体轴承在加工气路的外端安装了堵头，以防止漏气，影响气膜的形成；所述前进气孔和后进气孔分别与前后径向动静压集成气体轴承连接处均安装了密封圈，以保证整个气体循环的通畅与稳定。
上述动静压集成气体轴承支承的电主轴，其特征在于：所述壳体上加工有进水口、出水口，并在壳体内部安装、冷却水槽，用以冷却内装电机定子，保证整个电主轴的正常工作；所述壳体还安装了紧固螺栓，用于固定后止推气体轴承。
本发明与现有技术相比较，具有以下突出实质性的特点和显著进步：
(1)通过采用动静压轴承组来支承电主轴，先给静压轴承供一段时间气体，将转轴浮起，然后利用动压轴承的动压效应进一步支承转轴，这样能节省气体的供应，节约成本。
(2)通过动压轴承支承，可以利用提高转速来加强支承效果，这样能电主轴的转速越高，支承性能越好，整个系统更加稳定、摩擦力越小，电主轴的性能条件也越好。
附图说明
图1是本发明动静压集成气体轴承支承的电主轴的一个具体实施例结构示意图。
图2是图1中前径向动静压集成气体轴承结构图。
图3是图1中前后止推气体轴承结构图。
图4是图3中后止推气体轴承的右视图。
图5是图1中后径向动静压集成气体轴承结构图。
图6是图1的电主轴外壳和电机结构图。
具体实施方式
实施例一：
参见图1，本动静压集成的气体轴承支承的电主轴，包括转轴1、前径向动静压集成气体轴承2、前止推气体轴承11、前进气孔12、前排气孔4、止推盘9、后止推气体轴承13、紧固螺栓14、壳体15、电机转子16、电机定子17、进水口18、出水口19、冷却水槽20、后径向动静压集成气体轴承21、密封圈23、后进气孔24、后排气孔22、后端盖25。其特征在于：所述电主轴的电机转子16嵌套于转轴1上，随转轴1一起转动；所述电机定子17紧固嵌套于壳体15上；所述转轴1前后两端分别由前径向动静压集成气体轴承2和后径向动静压集成气体轴承21支承；所述止推盘9与转轴1固定成一体，其前后止推环面分别由前止推气体轴承11和后止推气体轴承13止推；所述壳体15的前后端分别固定连接前径向动静压集成气体轴承2和后端盖25。
实施例二：
参见图2、3、4、5，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述的动静压集成气体轴承支承的电主轴，其特征在于：所述前止推气体轴承11以及后径向动静压集成气体轴承21分别加工有进气孔12、24，以辅助气体轴承形成气膜并将转轴浮起；所述转轴1与前径向动静压集成气体轴承2、后径向动静压集成气体轴承21配合的部分加工有螺旋槽3、26，用以加强动压轴承的动压效应，在高转速的工况下能使动压效应更加显著；前径向动静压集成气体轴承2和前止推气体轴承11分别加工了径向节流孔5和轴向节流孔8，用以控制气体的流量，调节承载力；该径向节流孔5和轴向节流孔8接通处在前止推气体轴承11上的一个前进气孔12；而后端盖25上有后进气孔24接通后径向动静压集成气体轴承21上的径向节流孔；前止推气体轴承11、后止推气体轴承13的止推面都加工有阶梯槽10，用以形成动压效应来承受轴向负载；在前径向动静压集成气体轴承2和后径向动静压集成气体轴承21均加工排气孔4、22，使气体循环通畅，能形成稳定的润滑气膜。
实施例三：
参见图1，本实施例二基本相同，特别之处如下：
所述前径向动静压集成气体轴承2在加工气路的外端安装了堵头6，以防止漏气，影响气膜的形成；所述前进气孔12和后进气孔24分别与前后径向动静压集成气体轴承2、21连接处均安装了密封圈7、23，以保证整个气体循环的通畅与稳定。
实施例四：
参见图6，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述壳体15上加工有进水口18、出水口19，并在壳体15内部安装、冷却水槽20，用以冷却内装电机定子17，保证整个电主轴的正常工作；所述壳体15还安装了紧固螺栓14，用于固定后止推气体轴承13。

Claims (4)

1.一种动静压集成气体轴承支承的电主轴，包括转轴(1)、前径向动静压集成气体轴承(2)、前止推气体轴承(11)、止推盘(9)、后止推气体轴承(13)、壳体(15)、电机转子(16)、电机定子(17)、后径向动静压集成气体轴承(21)和后端盖(25)；其特征在于：所述电主轴的电机转子(16)嵌套于转轴(1)上，随转轴(1)一起转动；所述电机定子(17)紧固嵌套于壳体(15)上；所述转轴(1)前后两端分别由前径向动静压集成气体轴承(2)和后径向动静压集成气体轴承(21)支承；所述止推盘(9)与转轴(1)固定成一体，其前后止推环面分别由前止推气体轴承(11)和后止推气体轴承(13)止推；所述壳体(15)的前后端分别固定连接前径向动静压集成气体轴承(2)和后端盖(25)。
2.根据权利要求1所述的动静压集成气体轴承支承的电主轴，其特征在于：所述前止推气体轴承(11)以及后径向动静压集成气体轴承(21)分别加工有进气孔(12、24)，以辅助气体轴承形成气膜并将转轴浮起；所述转轴(1)与前径向动静压集成气体轴承(2)、后径向动静压集成气体轴承(21)配合的部分加工有螺旋槽(3、26)，用以加强动压轴承的动压效应，在高转速的工况下能使动压效应更加显著；前径向动静压集成气体轴承(2)和前止推气体轴承(11)分别加工了径向节流孔(5)和轴向节流孔(8)，用以控制气体的流量，调节承载力；该径向节流孔(5)和轴向节流孔(8)接通处在前止推气体轴承(11)上的一个前进气孔(12)；而后端盖(25)上有后进气孔(24)接通后径向动静压集成气体轴承(21)上的径向节流孔；前止推气体轴承(11)和后止推气体轴承(13)的止推面都加工有阶梯槽(10)，用以形成动压效应来承受轴向负载；在前径向动静压集成气体轴承(2)和后径向动静压集成气体轴承(21)均加工排气孔(4、22)，使气体循环通畅，能形成稳定的润滑气膜。
3.根据权利要求2所述的动静压集成气体轴承支承的电主轴，其特征在于：所述前径向动静压集成气体轴承(2)在加工气路的外端安装了堵头(6)，以防止漏气，影响气膜的形成；所述前进气孔(12)和后进气孔(24)分别与前后径向动静压集成气体轴承(2、21)连接处均安装了密封圈(7、23)，以保证整个气体循环的通畅与稳定。
4.根据权利要求1所述的动静压集成气体轴承支承的电主轴，其特征在于：所述壳体(15)上加工有进水口(18)、出水口(19)，并在壳体(15)内部安装冷却水槽(20)，用以冷却内装电机定子(17)，保证整个电主轴的正常工作；所述壳体(15)还安装了紧固螺栓(14)，用于固定后止推气体轴承(13)。
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