CN105673685A - 一种高速主轴系统的轴承游隙主动式调控装置 - Google Patents

一种高速主轴系统的轴承游隙主动式调控装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高速主轴系统的轴承游隙主动式调控装置，包括内圈，内圈中设置有凸体结构，凸体结构的内壁与高速主轴的轴承过盈配合，内圈的外侧均布有圆弧形凹槽，凹槽中安装有电磁发生器，内圈的两侧分别设置有左外端盖和右外端盖，内圈的外环设置有外圈；凸体结构上均布有柔性弹簧型腔体和环型腔道，左外端盖、右外端盖与柔性弹簧型腔体和环型腔道形成多个S型封闭腔，S型封闭腔中充有磁流变液。本发明轴承游隙主动式调控装置，具有低成本、高精度和高敏捷度的特点，以及刚度值或形变调整范围宽的优势，可有效解决高速超精密装备中高速主轴系统轴承游隙所引发的振动或刚性差问题。

Description

一种高速主轴系统的轴承游隙主动式调控装置
技术领域
本发明属于机械设计与制造技术领域，具体涉及一种高速主轴系统的轴承游隙主动式调控装置。
背景技术
高速主轴是高速超精密装备(例如高速超精密磨床、半导体曝光机等)加工操作过程中最重要的机械部件，其动态特性将直接影响到加工刀具的动态稳定性、切削力及材料去除效率。然而，由于高速主轴系统结构的复杂性及加工条件的多样性，如何在保证正常加工的条件下，实时精准地调控高速主轴的动态特征，从而确保加工零部件的尺寸精度和表面质量，一直是超精密制造装备研究的热点和关键问题。在通常情况下，高速主轴的动态失稳主要是由于主轴系统的质量不平衡、装配精度、轴承游隙及主轴系统温升等因素所导致，其中高速主轴轴承游隙的动态调控是最为关键的瓶颈问题。近年来，国内外学者关于高速主轴轴承游隙的动态调控问题进行了大量的研究，采用了包括主动磁激励、压电激励或磁流变凝聚膜等多种方法来控制轴承游隙，但到目前为止，尚未得到很好的解决。究其主要原因是这些动态调控方法的制造成本过高且动态载荷的承载能力差，因而很难应用于实际的高速超精密装备。
由此可见，在高效低成本的前提下，研发能够对高速超精密装备主轴系统轴承游隙动态特性进行主动式调控的装置，对推动高速超精密制造装备的创新开发和发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速主轴系统的轴承游隙主动式调控装置，解决现有高速主轴运行过程中由于轴承游隙引起的振动问题。
本发明所采用的技术方案是，一种高速主轴系统的轴承游隙主动式调控装置，包括内圈，内圈中设置有凸体结构，凸体结构的内壁与高速主轴的轴承过盈配合，内圈的外侧均布有圆弧形凹槽，凹槽中安装有电磁发生器，内圈的两侧分别设置有左外端盖和右外端盖，内圈的外环设置有外圈；凸体结构上均布有柔性弹簧型腔体和环型腔道，左外端盖、右外端盖与柔性弹簧型腔体和环型腔道形成多个S型封闭腔，S型封闭腔中充有磁流变液。
本发明的特点还在于，
电磁发生器包括圆弧形的线圈支撑套，线圈支撑套上缠绕环形线圈，环形线圈的外侧安装有隔磁套。
左外端盖和右外端盖均设有与环形线圈相连通的电源线连接通道。
左外端盖和右外端盖与内圈均通过螺钉连接，形成了一个封闭体。
凸体结构的两侧设置有分隔槽。
内圈上设置有用于加工S型封闭腔的加工导线孔。
内圈的外侧均布有4个圆弧形凹槽。
本发明的有益效果是：本发明一种高速主轴系统的轴承游隙主动式调控装置，利用封装于调控装置中S型腔体内的少量磁流变液快速、连续以及可逆转化的特点，结合类似弹簧的柔性支撑体，形成一种高速主轴系统的主动式轴承游隙调控结构布局形式。通过调整环形线圈电流，驱使磁流变液对柔性支撑体刚度及其形变进行修正，进而控制装置中不同区域凸体的动态刚度和位置，最终达到调整轴承局部游隙和刚性的功能。本发明装置具有低成本、高精度和高敏捷度的特点，以及刚度值或形变调整范围宽的优势，有效解决了高速超精密装备中高速主轴系统轴承游隙所引发的振动或刚性差问题。
附图说明
图1是本发明轴承游隙主动式调控装置的结构爆炸图；
图2是本发明轴承游隙主动式调控装置的横向剖视图；
图3是本发明轴承游隙主动式调控装置的纵向剖视图；
图4是本发明轴承游隙主动式调控装置中电磁发生器的结构示意图；
图5是本发明轴承游隙主动式调控装置中凸体结构的局部视图。
图中，1.螺钉，2.左外端盖，3.外圈，4.隔磁套，5.线圈支撑套，6.环形线圈，7.内圈，8.磁流变液，9.加工导线孔，10.电源线连接通道，11.右外端盖，12.环型腔道，13.柔性弹簧型腔体，14.凹槽，15.高速主轴，16.轴承，17.挡圈，18.电磁发生器，19.凸体结构，20.分隔槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种高速主轴系统的轴承游隙主动式调控装置的结构爆炸图如图1所示，横向剖视图和纵向剖视图分别如图2和图3所示，包括内圈7，内圈7中设置有凸体结构19，凸体结构19的内壁与高速主轴15的轴承16过盈配合，凸体结构19的两侧设置有分隔槽20，使得凸体结构19具有局部伸缩和刚性调节功能；内圈7的外侧均布有4个圆弧形凹槽14，凹槽14中安装有电磁发生器18，电磁发生器18结构如图4所示，包括圆弧形的线圈支撑套5，线圈支撑套5上缠绕环形线圈6，环形线圈6的外侧安装有隔磁套4，内圈7的两侧分别通过螺钉1与左外端盖2和右外端盖11连接，内圈7的外环设置有外圈3，形成了一个封闭体将内圈7密封，左外端盖2和右外端盖11均设有与环形线圈6相连通的电源线连接通道10，电源线通过电源线连接通道10引出，用以和外接电源相连；如图5所示，凸体结构19上均布有柔性弹簧型腔体13和环型腔道12，构成一种柔性弹簧体结构用于支撑凸体结构19，左外端盖2、右外端盖11与柔性弹簧型腔体13和环型腔道12形成多个S型封闭腔，S型封闭腔中充有磁流变液8，形成固态和液态逆变场；内圈7上设置有用于加工S型封闭腔的加工导线孔9。
如图3所示，高速主轴15上安装有用于轴承16的轴向定位的挡圈17，此外右外端盖11也能帮助轴承16实现轴向定位。
本发明中左外端盖2、右外端盖11、外圈3和内圈7的材质均是采用20#钢，隔磁套4采用铝制材料。
本发明中轴承16和凸体结构19内壁之间采用过盈配合，使得轴承16外圈的运动变形和支撑刚性与凸体结构19的伸长量和刚性形成关联关系。
本发明一种高速主轴系统的轴承游隙主动式调控装置，使用时，环形线圈6通过电源线连接通道10与外部直流电源接通，电源通电后使得环形线圈6的周围产生磁场。在磁场的作用下，柔性弹簧型腔体13和环型腔道12中的磁流变液8可以在固态和液态之间进行毫秒级快速可逆转化，从而影响支撑装置中不同区域内凸体结构19的伸长量和刚性，进而调整轴承16中滚珠与局部轴承外圈的间隙和刚性，最终导致高速主轴15自身的振动状况发生改变。
由于内圈7中凸体结构19与轴承16为过盈配合，如果增加不同区域环形线圈6中的电流，则会使该区域S型封闭腔内磁场增强，促使磁流变液8相变固化，使得凸体结构19中柔性弹簧型腔体13和环型腔道12的支撑刚性增加，同时柔性弹簧型腔体13的伸长量也随之增大；反之，如果减小不同区域环形线圈6中的电流，则会使该区域凸体结构19中柔性弹簧型腔体13和环型腔道12的支撑刚性和伸长量减少。此外，由于内圈7的外侧安装有4个电磁发生器18，且每个电磁发生器18是由独立外接电源控制，因而可通过控制不同区域电磁发生器18中环形线圈6的电流，控制内圈7中4个方向凸体结构19的伸长量和刚性。通过上述调整过程，最终达到利用调控装置中S型封闭腔内的少量磁流变液8和类似弹簧的柔性支撑凸体结构19，主动调控高速主轴系统支承轴承的间隙和刚度，进而在低成本、高精度和高敏捷度的前提下，有效解决了高速超精密装备中高速主轴系统轴承游隙所引发的振动或刚性差问题。

Claims (7)

1.一种高速主轴系统的轴承游隙主动式调控装置，其特征在于，包括内圈(7)，内圈(7)中设置有凸体结构(19)，凸体结构(19)的内壁与高速主轴(15)的轴承(16)过盈配合，内圈(7)的外侧均布有圆弧形凹槽(14)，凹槽(14)中安装有电磁发生器(18)，内圈(7)的两侧分别设置有左外端盖(2)和右外端盖(11)，内圈(7)的外环设置有外圈(3)；
凸体结构(19)上均布有柔性弹簧型腔体(13)和环型腔道(12)，左外端盖(2)、右外端盖(11)与柔性弹簧型腔体(13)和环型腔道(12)形成多个S型封闭腔，S型封闭腔中充有磁流变液(8)。
2.根据权利要求1所述的一种高速主轴系统的轴承游隙主动式调控装置，其特征在于，所述电磁发生器(18)包括圆弧形的线圈支撑套(5)，线圈支撑套(5)上缠绕环形线圈(6)，环形线圈(6)的外侧安装有隔磁套(4)。
3.根据权利要求2所述的一种高速主轴系统的轴承游隙主动式调控装置，其特征在于，所述左外端盖(2)和右外端盖(11)均设有与所述环形线圈(6)相连通的电源线连接通道(10)。
4.根据权利要求1所述的一种高速主轴系统的轴承游隙主动式调控装置，其特征在于，所述左外端盖(2)和右外端盖(11)与所述内圈(7)均通过螺钉(1)连接，形成了一个封闭体。
5.根据权利要求1所述的一种高速主轴系统的轴承游隙主动式调控装置，其特征在于，所述凸体结构(19)的两侧设置有分隔槽(20)。
6.根据权利要求1所述的一种高速主轴系统的轴承游隙主动式调控装置，其特征在于，所述内圈(7)上设置有用于加工所述S型封闭腔的加工导线孔(9)。
7.根据权利要求1所述的一种高速主轴系统的轴承游隙主动式调控装置，其特征在于，所述内圈(7)的外侧均布有4个所述圆弧形凹槽(14)。
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