CN108380910B - 空气悬浮式超声超高速电主轴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气悬浮式超声超高速电主轴，壳体内穿装有空心主轴，主轴的中部连接有转子，转子与定子对应，壳体下部与主轴之间设置有上旋转支撑块及下旋转支撑块，上旋转支撑块与壳体之间设置有上供气通道，下旋转支撑块与壳体之间设置有下供气通道，进气口分别与上供气通道及下供气通道连通，主轴下部内穿装有变幅杆及换能器，变幅杆的下端连接有刀具，上旋转支撑块及下旋转支撑块均由多孔材质加工而成。本发明的多孔材质的旋转支撑块在通高压气体后使主轴空气悬浮，使主轴超高速旋转，通过“一面两销”的定位方式实现超声加工的变幅杆与主轴的定位连接，使法兰处于不振动状态，防止超声振动传递给主轴，保证主轴超高速稳定旋转。

Description

空气悬浮式超声超高速电主轴

技术领域：

本发明属于超声加工制造技术领域，具体涉及一种空气悬浮式超声超高速电主轴。

背景技术：

超声波电主轴利用刀具在轴向高频振动，使得刀具高速旋转切削工件，可以减小加工阻力，提高加工效率，明显提高加工面的加工精度，降低加工面表面粗糙度，刀具因本身高频振动而不沾残屑，刀具润滑、冷却比较好，刀具自锐性好，不需要反复的修磨，极大延长刀具使用寿命，适合淬硬钢、强化玻璃、石英晶体、陶瓷以及半导体零件的加工。现有的超声加工电主轴的高速旋转采用普通电主轴结构，采用轴承作为转动连接部件，在使用过程中不可避免的产生摩擦发热，同时普通轴承的转动连接，无法达到超高速旋转的需要。另外，超声加工的刀具一般通过法兰与电主轴连接，为防止刀具的振动传递到主轴上，通常需要将法兰的安装位置与超声振动波形的零点位置对应，如图1所示，超声振动波形的零点位置振幅为0，因此，在此位置没有振动，即法兰不振动，但是，该零点位置为一个点，而法兰不可避免的具有一定的厚度，如将法兰的中线位置对应超声振动波形的0点位置，则法兰中线两侧必然会有振动，而且，超声波刀具的高频振动不仅仅是轴向振动，在其径向也有微小振动，即使做到法兰轴向不振动，其径向也会有振动，而法兰的径向振动，会使法兰与主轴的接触面发生径向摩擦，产生热量，影响主轴旋转精度及使用寿命，严重时会将法兰与主轴的连接螺栓振断，尤其是在主轴超高速旋转时，存在一定的安全隐患。

发明内容：

综上所述，为了克服现有技术问题的不足，本发明提供了一种空气悬浮式超声超高速电主轴，它是采用多孔材质制造出主轴支撑部件，利用多孔材质在通入高压气体后会在主轴的外壁产生静压气膜，该气膜可以将主轴悬浮起来，实现主轴的空气悬浮，使主轴超高速旋转，通过冷却流道及冷却介质的循环流动实现定子的冷却，通过“一面两销”的定位方式实现超声加工的变幅杆与主轴的定位连接，通过定位面与超声振动波形轴向零点位置对应，两个定位销及连接螺栓的分度圆位于超声波径向振动波形的径向零点位置，从而消除法兰的轴向振动及径向振动，使法兰处于不振动状态，防止超声振动传递给主轴，保证主轴超高速稳定旋转。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：

一种空气悬浮式超声超高速电主轴，其中：包括壳体、主轴、定子、转子、上旋转支撑块、下旋转支撑块、换能器、变幅杆及刀具，所述的壳体上端设置有接线块，壳体内穿装有主轴，所述的主轴为空心主轴，主轴的上端与接线块连接，主轴的中部连接有转子，所述的壳体内设置有定子，转子与定子对应，所述的定子通过电线连接接线块，所述的壳体下部与主轴之间设置有上旋转支撑块及下旋转支撑块，上旋转支撑块与壳体之间设置有上供气通道，下旋转支撑块与壳体之间设置有下供气通道所述的壳体上设置有两个进气口，两个进气口分别与上供气通道及下供气通道连通，所述的主轴下部内穿装有变幅杆，所述的变幅杆上端设置有换能器，所述的换能器通过穿装在空心主轴内的电线连接接线块，所述的变幅杆上设置有连接法兰，变幅杆通过连接法兰与主轴下端连接，所述的变幅杆的下端连接有刀具，所述的上旋转支撑块及下旋转支撑块均由多孔材质加工而成。

本发明的技术方案还可以是这样实现的，所述的壳体包括内筒、外筒、上端盖及下端盖，所述的内筒穿装在外筒内，所述的内筒及外筒的上端与上端盖紧固连接，所述的下端盖与外筒的下端紧固连接，所述的接线块设置在上端盖上，所述的定子设置在内筒的内壁上，所述的上旋转支撑块设置在内筒与主轴之间，上旋转支撑块的外壁与内筒的内壁过盈配合连接，上供气通道设置在上旋转支撑块与内筒之间，所述的下旋转支撑块设置在下端盖与主轴之间，下旋转支撑块的外壁与下端盖之间设置有下供气通道。

本发明的技术方案还可以是这样实现的，所述的接线块包括外线端子、上感应座、上绕组、下绕组及下感应座，所述的外线端子设置在上端盖上，外线端子连接电源，所述的上感应座与上端盖紧固连接，上感应座内设置有上绕组，所述的下感应座与上感应座对应，下感应座紧固连接在主轴的上端，下感应座内设置有下绕组，所述的上绕组通过电线连接外线端子，所述的下绕组通过穿装在主轴内的电线连接换能器，所述的外线端子通过电线连接定子。

本发明的技术方案还可以是这样实现的，所述的壳体的内筒的外壁上设置有螺旋沟槽，所述的内筒内设置有冷却通道，所述的冷却通道连通螺旋沟槽，所述的螺旋沟槽为双螺旋沟槽，双螺旋沟槽相互连通，所述的壳体的上端盖上设置有冷媒进口及冷媒出口，冷媒进口及冷媒出口连通冷却通道。

本发明的技术方案还可以是这样实现的，所述的多孔材质为多孔石墨；或为铜锡合金，铜与锡的质量比为9:1。

本发明的技术方案还可以是这样实现的，所述的变幅杆上设置有连接法兰，所述的连接法兰的与转轴端面相对的一面设置有环形凸台，所述的环形凸台与转轴贴合的一面为定位面，定位面设置在超声振动波形的轴向0点位置，所述的连接法兰上均匀布置有多个透孔，透孔设置在环形凸台上，连接法兰与主轴的下端面通过穿过透孔的螺栓紧固连接，通过穿过透孔的定位销定位，所述的多个透孔的所在的分度圆位于环形凸台的中间位置，且该分度圆设置在超声振动波形的径向0点位置。

本发明的技术方案还可以是这样实现的，所述的定子与内筒的内壁粘结固定或者过盈配合连接，所述的转子与主轴粘结固定或者过盈配合连接。

本发明的技术方案还可以是这样实现的，所述的换能器为设置在变幅杆上端的多组压电陶瓷。

本发明的技术方案还可以是这样实现的，所述的主轴下部的外壁与上旋转支撑块的内壁之间设置有上间隙，所述的主轴的下部的外壁与下旋转支撑块的内壁之间设置有下间隙，所述的上间隙及下间隙的宽度均为0.01-0.02mm。

本发明的技术方案还可以是这样实现的，所述的上供气通道及下供气通道内通入的气体的压力为0.6~0.8MPa。

本发明的有益效果为：

1、本发明的旋转支撑块由多孔材质加工而成，通过旋转支撑块支撑主轴旋转，利用多孔材质在通入高压气体后会在主轴的外壁产生静压气膜，该静压气膜可以将主轴悬浮起来，实现主轴的空气悬浮支撑，使主轴超高速旋转，而且主轴回转精度高，其回转精度能够控制在1微米以内，空气悬浮支撑主轴旋转，主轴与旋转支撑块之间不接触，主轴与旋转支撑块之间旋转阻力非常小，不存在摩擦磨损，能够有效的保证主轴的使用寿命长。

2、本发明的主轴采用空气悬浮支撑，从而使主轴超高速旋转，则必然使定子发热量增大，为此本发明在内筒的外壁上设置螺旋沟槽，螺旋沟槽连通冷却通道，冷媒进口及冷媒出口连通冷却通道，使用时，通过冷媒进口箱冷却通道及螺旋沟槽内通入冷却介质，该冷却介质可以是冷却油、冷却水也可以是冷风，通过冷却介质对本发明的定子进行冷却处理，保证定子使用寿命，使定子满足本发明的主轴超高速旋转的需要，保证本发明安全稳定的运转。

3、本发明的变幅杆与主轴下端通过连接法兰连接，连接法兰的上端面为定位面，连接法兰上设置多个透孔，连接法兰通过穿过透孔的螺栓与主轴下端面连接，通过穿过透孔的定位销定位，连接法兰的上端面设置在超声振动波形的轴向0点位置，连接法兰上的透孔的分度圆设置在超声振动波形的径向0点位置，从而有效的消除连接法兰的轴向振动及径向振动，使连接法兰处于不振动状态，能够防止超声振动传递给主轴，保证主轴超高速稳定旋转。

4、本发明的接线块的上感应座内的上绕组连接外接线端子，将外来电流转化为磁，下感应座内的下绕组将磁再次转化为电流，为设置在空心主轴内的换能器提供电流，换能器将电流转换为超声波振动，接线块的设置实现电流的无线传输，从而避免主轴转动过程中电线发生缠绕问题，保证主轴安全稳定的超高速旋转。

5、本发明的空气悬浮实现主轴的超高速旋转。采用高速、超高速加工可以有效的提高加工效率，节省刀具，通常随着刀具转速升高，切削热会在刀具和工件上进行累积加快刀具磨损，但是在高速加工时，工件上切削热累积到一定程度会使工件变软，成为高速加工时的“热软化效应”，工件发生热软化，此时刀具的切削热会陡降，从而节省刀具，减少切削热对刀具的损害。

附图说明：

图1为超声振动波形示意图。

图2为本发明的结构示意图；

壳体1；主轴2；定子3；转子4；上旋转支撑块5；换能器6；变幅杆7；刀具8；接线块9；上供气通道10；内筒11；外筒12；上端盖13；下端盖14；螺旋沟槽15；下旋转支撑块17；下供气通道18；连接法兰71；定位面72；透孔73；外线端子91；上感应座92；上绕组93；下绕组94；下感应座95；进气口101，进气口102。

图3为本发明的图2的俯视结构示意图。

图4为本发明的图3的A-A剖视结构示意图；

壳体1；主轴2；定子3；转子4；上旋转支撑块5；换能器6；变幅杆7；刀具8；接线块9；上供气通道10；内筒11；外筒12；上端盖13；下端盖14；螺旋沟槽15；冷却通道16；下旋转支撑块17；下供气通道18；连接法兰71；定位面72；透孔73；外线端子91；上感应座92；上绕组93；下绕组94；下感应座95；进气口101。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图2、图3及图4所示，一种空气悬浮式超声超高速电主轴，包括壳体1、主轴2、定子3、转子4、上旋转支撑块5、换能器6、变幅杆7及刀具8，所述的壳体1包括内筒11、外筒12、上端盖13及下端盖14，所述的内筒11穿装在外筒12内，所述的内筒11及外筒12的上端与上端盖13紧固连接，所述的下端盖14与外筒12的下端紧固连接，所述的上端盖13上设置有接线块9，所述的接线块9包括外线端子91、上感应座92、上绕组93、下绕组94及下感应座95，所述的外线端子91设置在上端盖13上，外线端子91连接电源，所述的上感应座92与上端盖13紧固连接，上感应座92内设置有上绕组93，所述的下感应座95与上感应座92对应，下感应座95紧固连接在主轴2的上端，下感应座95内设置有下绕组94，所述的上绕组93通过电线连接外线端子91。

所述的内筒11内穿装有主轴2，所述的主轴2为空心主轴2，主轴2的上端与接线块9的下感应座95连接，主轴2的中部连接有转子4，转子4与主轴2过盈配合，所述的内筒11的内壁上设置有定子3，定子3粘结固定在内筒11的内壁上，转子4与定子3对应，所述的定子3通过电线连接接线块9，所述的内筒11上设置有穿装电线用的线槽，内筒11的外壁上设置有螺旋沟槽15，所述的内筒11内设置有冷却通道16，所述的冷却通道16连通螺旋沟槽15，所述的螺旋沟槽15为双螺旋沟槽15，双螺旋沟槽15相互连通，所述的壳体1的上端盖13上设置有冷媒进口及冷媒出口，冷媒进口及冷媒出口连通冷却通道16。本发明的主轴2位空心轴，其上部轴径小，其下部轴径大，转子4与主轴2的上部轴径小的部位过盈配合连接，主轴2的下部轴径大部分的内腔内设置换能器6及变幅杆7，上旋转支撑块5的内壁与主轴2的下部轴径大的部分对应。

内筒11的下部设置有上旋转支撑块5，所述的上旋转支撑块5由多孔材质加工而成，多孔材质为多孔石墨，或为铜锡合金，多孔材质为铜锡合金时，铜与锡的质量比为9:1，上旋转支撑块5的外壁与内筒11的内壁过盈配合连接，上旋转支撑块5的内壁与主轴2的下部对应，主轴2下部的外壁与上旋转支撑块5的内壁之间设置有上间隙，上间隙的宽度为0.01-0.02mm，所述的上旋转支撑块5与内筒11之间设置有上供气通道10，所述的壳体1上设置有进气口101，进气口101与上供气通道10连通，上供气通道10内通入的气体的压力为0.6~0.8MPa。

下端盖14与主轴2的下部之间设置有下旋转支撑块17，所述的下旋转支撑块17由多孔材质加工而成，多孔材质为多孔石墨，或为铜锡合金，多孔材质为铜锡合金时，铜与锡的质量比为9:1，下旋转支撑块17的外壁与下端盖14过盈配合连接，下旋转支撑块17与主轴2的下部之间设置有下间隙，下间隙宽度为0.01-0.02mm，下旋转支撑块17与下端盖14之间设置有下供气通道18，所述的壳体1上设置有进气口102，进气口102与下供气通道18连通，下供气通道18内通入的气体的压力为0.6~0.8MPa。

所述的主轴2下部内穿装有变幅杆7，所述的变幅杆7上端设置有换能器6，换能器6为设置在变幅杆7上端的多组压电陶瓷。所述的换能器6通过穿装在空心主轴2内的电线连接接线块9的下绕组94，所述的变幅杆7上设置有连接法兰71，所述的连接法兰71的与转轴1端面相对的一面设置有环形凸台，所述的环形凸台与转轴1贴合的一面为定位面72，定位面72设置在超声振动波形的轴向0点位置，所述的连接法兰71上均匀布置有多个透孔73，透孔73设置在环形凸台上，连接法兰71与主轴2的下端面通过穿过透孔73的螺栓紧固连接，通过穿过透孔73的定位销定位，所述的多个透孔73的所在的分度圆位于环形凸台的中间位置，且该分度圆设置在超声振动波形的径向0点位置。

使用时，接线块9的外线端子91连接电源，进气口101及进气口102通过管路连接高压供气设备，冷媒进口及冷媒出口连接冷却介质输送设备，冷却介质可以是冷却油，也可以是冷却水，还可以是冷风，冷却介质输送设备可以是油泵，也可以是冷却水泵，还可以是冷却风机。

外线端子91连接电源后，定子3得电，根据电机工作原理，定子3使转子4转动，从而使主轴2转动，高压供气设备通过进气口101向上供气通道10内送入高压气体，由于上旋转支撑块5采用多孔材质制成，则高压气体进入多孔材质的微孔内，在主轴2的外壁产生静压气膜，该静压气膜可以将主轴2悬浮起来，实现主轴2的空气悬浮支撑，主轴2的空气悬浮支撑在转动时，主轴2转动阻力小，主轴2高速、超高速旋转。主轴2高速、超高速转动，定子3会产生大量的热量，为保证设备正常稳定运行，必须对定子3进行冷却，此时，冷却介质输送设备通过冷媒进口及冷却通道16向螺旋沟槽15内通入冷却介质，冷却接在在螺旋沟槽15内流动，最终从冷媒出口流出，定子3产生的热量传递到内筒11后被冷却介质带走，定子3冷却降温。

空心主轴2下端连接变幅杆7，变幅杆7上端设置换能器6，换能器6通过穿装在主轴2内腔内的电线连接接线块9的下绕组94，则外线端子91连接电源后，电流进入上绕组93，电磁效应使上绕组93产生磁场，主轴2转动过程中上感应座92转动，下绕组94产生电流，电流经电线传递到换能器6，换能器6将电能转换为超声振动，从而使变幅杆7产生超声振动，变幅杆7与主轴2连接，则变幅杆7在转动同时产生超声振动，变幅杆7带动刀具8加工工件。

变幅杆7上的连接法兰71连接在主轴2的下端面，为保证超声振动不影响主轴2，必须使连接法兰71处于超声振动波形的轴向0点位置及径向0点位置，为此，本发明的连接法兰71的环形凸台的上端面为定位面72，紧贴主轴2的下端面，所述的定位面72设置在超声振动波形的轴向0点位置，所述的连接法兰71上均匀布置有多个透孔73，连接法兰71与主轴2的下端面通过穿过透孔73的螺栓紧固连接，通过穿过透孔73的定位销定位，所述的多个透孔73位于环形凸台上，且多个透孔13的所在的分度圆在超声振动波形的径向0点位置。连接法兰71通过“一面两销”的定位方式与主轴2下端定位连接，从而使连接法兰71不振动，有效的避免超声振动传递到主轴2上。

要说明的是，以上所述实施例是对本发明技术方案的说明而非限制，所属技术领域普通技术人员的等同替换或者根据现有技术而做的其它修改，只要没超出本发明技术方案的思路和范围，均应包含在本发明所要求的权利范围之内。

Claims (8)

1.一种空气悬浮式超声超高速电主轴，其特征在于：包括壳体（1）、主轴（2）、定子（3）、转子（4）、上旋转支撑块（5）、下旋转支撑块（17）、换能器（6）、变幅杆（7）及刀具（8），所述的壳体（1）上端设置有接线块（9），壳体（1）内穿装有主轴（2），所述的主轴（2）为空心主轴，主轴（2）的上端与接线块（9）连接，主轴（2）的中部连接有转子（4），所述的壳体（1）内设置有定子（3），转子（4）与定子（3）对应，所述的定子（3）通过电线连接接线块（9），所述的壳体（1）下部与主轴（2）之间设置有上旋转支撑块（5）及下旋转支撑块（17），上旋转支撑块（5）与壳体（1）之间设置有上供气通道（10），下旋转支撑块（17）与壳体（1）之间设置有下供气通道（18）所述的壳体（1）上设置有两个进气口，两个进气口分别与上供气通道（10）及下供气通道（18）连通，所述的主轴（2）下部内穿装有变幅杆（7），所述的变幅杆（7）上端设置有换能器（6），所述的换能器（6）通过穿装在空心主轴（2）内的电线连接接线块（9），所述的变幅杆（7）上设置有连接法兰（71），变幅杆（7）通过连接法兰（71）与主轴（2）下端连接，所述的变幅杆（7）的下端连接有刀具（8），所述的上旋转支撑块（5）及下旋转支撑块（17）均由多孔材质加工而成，所述的接线块（9）包括外线端子（91）、上感应座（92）、上绕组（93）、下绕组（94）及下感应座（95），所述的外线端子（91）设置在上端盖（13）上，外线端子（91）连接电源，所述的上感应座（92）与上端盖（13）紧固连接，上感应座（92）内设置有上绕组（93），所述的下感应座（95）与上感应座（92）对应，下感应座（95）紧固连接在主轴（2）的上端，下感应座（95）内设置有下绕组（94），所述的上绕组（93）通过电线连接外线端子（91），所述的下绕组（94）通过穿装在主轴（2）内的电线连接换能器（6），所述的外线端子（91）通过电线连接定子（3），所述的变幅杆（7）上设置有连接法兰（71），所述的连接法兰（71）的与主轴（2）端面相对的一面设置有环形凸台，所述的环形凸台与主轴（2）贴合的一面为定位面（72），定位面（72）设置在超声振动波形的轴向0点位置，所述的连接法兰（71）上均匀布置有多个透孔（73），透孔（73）设置在环形凸台上，连接法兰（71）与主轴（2）的下端面通过穿过透孔（73）的螺栓紧固连接，通过穿过透孔（73）的定位销定位，所述的多个透孔（73）的所在的分度圆位于环形凸台的中间位置，且该分度圆设置在超声振动波形的径向0点位置。

2.根据权利要求1所述的空气悬浮式超声超高速电主轴，其特征在于：所述的壳体（1）包括内筒（11）、外筒（12）、上端盖（13）及下端盖（14），所述的内筒（11）穿装在外筒（12）内，所述的内筒（11）及外筒（12）的上端与上端盖（13）紧固连接，所述的下端盖（14）与外筒（12）的下端紧固连接，所述的接线块（9）设置在上端盖（13）上，所述的定子（3）设置在内筒（11）的内壁上，所述的上旋转支撑块（5）设置在内筒（11）与主轴（2）之间，上旋转支撑块（5）的外壁与内筒（11）的内壁过盈配合连接，上供气通道（10）设置在上旋转支撑块（5）与内筒（11）之间，所述的下旋转支撑块（17）设置在下端盖（14）与主轴（2）之间，下旋转支撑块（17）的外壁与下端盖（14）之间设置有下供气通道（18）。

3.根据权利要求2所述的空气悬浮式超声超高速电主轴，其特征在于：所述的壳体（1）的内筒（11）的外壁上设置有螺旋沟槽（15），所述的内筒（11）内设置有冷却通道（16），所述的冷却通道（16）连通螺旋沟槽（15），所述的螺旋沟槽（15）为双螺旋沟槽，双螺旋沟槽相互连通，所述的壳体（1）的上端盖（13）上设置有冷媒进口及冷媒出口，冷媒进口及冷媒出口连通冷却通道（16）。

4.根据权利要求1所述的空气悬浮式超声超高速电主轴，其特征在于：所述的多孔材质为多孔石墨；或为铜锡合金，铜与锡的质量比为9:1。

5.根据权利要求2所述的空气悬浮式超声超高速电主轴，其特征在于：所述的定子（3）与内筒（11）的内壁粘结固定或者过盈配合连接，所述的转子（4）与主轴（2）粘结固定或者过盈配合连接。

6.根据权利要求1所述的空气悬浮式超声超高速电主轴，其特征在于：所述的换能器（6）为设置在变幅杆（7）上端的多组压电陶瓷。

7.根据权利要求2所述的空气悬浮式超声超高速电主轴，其特征在于：所述的主轴（2）下部的外壁与上旋转支撑块（5）的内壁之间设置有上间隙，所述的主轴（2）的下部的外壁与下旋转支撑块（17）的内壁之间设置有下间隙，所述的上间隙及下间隙的宽度均为0.01-0.02mm。

8.根据权利要求2所述的空气悬浮式超声超高速电主轴，其特征在于：所述的上供气通道（10）及下供气通道（18）内通入的气体的压力为0.6~0.8MPa。