CN109571062B - 一种小孔-多孔质节流组合式气浮主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小孔‑多孔质节流组合式气浮主轴，包括气缸组件、机体组件、定子盖、定子组件、气浮轴承、轴芯组件、推力轴承组件和盖板组件。本发明采高速永磁转子后置的轴芯结构，轴承采用小孔‑多孔质混合节流方式，提高轴承的精度，承载力和稳定性；轴芯中轴霸设置割槽薄壁，采用螺旋弹簧，与气缸构成特殊打刀机构，主轴前端气封和密封独特设计，可有效的保护主轴。

Description

一种小孔-多孔质节流组合式气浮主轴

技术领域

本发明涉及机床加工领域，尤其涉及一种小孔-多孔质节流组合式气浮主轴。

背景技术

随着经济发展和技术腾飞的需求，越来越多的新技术不断涌现，机械加工行业也在异军突起，尤其是占据领先地位的主轴行业技术创新非常明显。由于油泵、油嘴磨削，有色金属的成型加工以及高光行业的精度越来越高，迫使主轴向着高转速、高功率、高精度，高镜面加工效果方向发展。传统的滚珠轴承电主轴受制于轴承的限制，其转速很难进一步提高。因此，主轴行业的高转速必须在气浮主轴上进行研发。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种小孔-多孔质节流组合式气浮主轴。其能解决主轴因轴承质量而在高转速、高功率、高精度方面受限的问题。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种小孔-多孔质节流组合式气浮主轴，包括气缸组件、机体组件、定子盖、定子组件、气浮轴承、轴芯组件、推力轴承组件和盖板组件，气缸组件设置在机体组件的上方，机体组件的内部设有定子盖，定子组件设置在所述定子盖的下方，设置在所述轴芯组件的顶端的转子与所述定子组件配合，所述气浮轴承内部套设所述轴芯组件，推力轴承组件设置在所述盖板组件的上部，所述主轴的下端为夹头组件。

优选的，所述气缸组件包括气缸复位弹簧和推杆，其中所述气缸复位弹簧设置在所述定子盖上设置的弹簧座内，所述推杆下段插入所述轴芯组件中间的通孔内。

优选的，所述气浮轴承包括多孔质石墨和轴承本体，在所述轴承本体的径向开设多个径向阻尼塞，并在所述径向阻尼塞对应的轴承本体的内壁上开设石墨环槽，所述多孔质石墨嵌入所述石墨环槽内，且在所述多孔质石墨与轴承本体之间设置至少一个气腔，所述多孔质石墨、气腔和径向阻尼塞以及对应的轴承本体段构成气浮轴承的径向轴承部分。

优选的，所述气浮轴承上设置两段所述径向轴承部分。

优选的，轴承本体的下端径向外延形成盘状，并在下端的端面上设置环状凹槽用于径向环状的多孔质石墨的嵌入，所述多孔质石墨与所述轴承本体之间形成至少一个气腔，并在所述轴承本体的下端沿轴向均布设置多个轴向阻尼塞，所述轴承本体的下端、多孔质石墨、气腔和轴向阻尼塞构成气浮轴承的止推轴承部分。

优选的，在所述轴芯组件的下面与所述气浮轴承相对的设置推力轴承组件，所述推力轴承组件包括推力轴承本体上设置的推力轴承轴向阻尼塞和在所述推力轴承本体上方开设的环状凹槽内嵌设的推力轴承多孔质石墨。

优选的，所述轴芯组件包括轴芯本体、转子、转子套、轴霸和弹簧，所述轴芯本体为中空管，所述转子套的下段卡接进所述轴芯本体的上部，所述转子套的上面安装所述转子，在所述轴芯本体的下段内部设置轴霸和与之连接的弹簧。

优选的，所述转子包括磁钢和周向环抱所述磁钢设置的护套。

优选的，所述轴霸包括中心开设通孔的轴霸本体，在所述轴霸本体的外周开设多个环状的储油槽，在所述轴霸的外圆处开设薄壁割槽，薄壁割槽的外面的薄壁会在离心力的作用下张开并与轴芯本体内壁死死贴合，组合式气浮主轴停转时，薄壁收缩回弹，与所述轴芯本体成间隙状态，方便主轴松刀拉刀。

优选的，所述盖板组件包括前密封端板、内密封挡板和外密封挡板，在所述前密封端板与轴芯组件的夹头段前端留设间隙，并在所述前密封端板下侧设置排泄孔。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明采高速永磁转子后置的轴芯结构，轴承采用小孔-多孔质混合节流方式，提高轴承的精度，承载力和稳定性；轴芯中轴霸设置割槽薄壁，采用螺旋弹簧，与气缸构成特殊打刀机构，主轴前端气封和密封独特设计，可有效的保护主轴。

附图说明

图1为本发明一种小孔-多孔质节流组合式气浮主轴的一个视角的结构示意图；

图2为气浮主轴的另一视角的结构示意图；

图3为气浮轴承的结构示意图；

图4为芯轴的结果示意图；

图5为轴霸的结构示意图；

图6为轴霸的俯视图；

图7为图2中A处的局部放大示意图。

图中：1、气缸组件；1.1、推杆；1.2、气缸复位弹簧；2、机体组件；3、定子盖；4、定子组件；5、气浮轴承；5.1、多孔质石墨；5.2、轴承本体；5.3、径向阻尼塞；5.4、轴向阻尼塞；6、轴芯组件；6.1、转子；6.1.1、磁钢；6.1.2、护套；6.2、转子套；6.3、轴霸；6.4、弹簧；6.5、轴芯本体；7、推力轴承组件；7.1、推力轴承轴向阻尼塞；7.2、推力轴承多孔质石墨；8、盖板组件；8.1、前密封端板；8.1.1、排泄孔；8.2、内密封挡板；8.3、外密封挡板。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明属于一种将机床主轴、主轴电机融为一体的特种加工单元，涉及一种特种加工设备，具体地说是一种高转速、高精度、大功率的机电一体化组件，一种小孔-多孔质节流组合式气浮主轴。

轴承方面：因精度高，转速高。气浮轴承是首选，目前比较成熟的气浮轴承节流方式均为小孔节流，很少采用多孔质节流方式。多孔质节流方式是一种新型的节流方式，具有承载力高，稳定性好的优点，是最有发展前景的节流方式。因多孔质节流，主要是解决材料的渗透率（材料的空隙率），具有高渗透率的材料加工成本高。

本发明综合小孔节流和多控制节流方式，研发了一种混合节流方式的轴承，并用于主轴，综合了两种节流方式的优点，极大地提高的主轴的使用性能。

电机方面：现有气浮高速电主轴的功率往往不如滚珠轴承，这主要是因为气浮轴芯的结构限制，为了节省空间，现有气浮轴芯多采用嵌铜鼠笼结构，轴承一般采用上下分布，定子设置于主轴中间，其功率增大存在一个瓶颈。并且，嵌铜工艺的复杂性，使轴芯加工周期偏长，良品率低下，且嵌铜工艺多使用硬磁材料，无材料选择性，导致电主轴电机磁损较大，发热严重，极大地影响了电主轴的加工成本与使用性能。本发明轴芯采用采用转子后置结构，转子采用高功率密度的磁钢，主要为钕铁硼或钐钴等永磁材料，外加高温合金或者碳纤维做成的护套，并合理设计冷却水道，最大限度的提高电机性能。

拉刀机构方面：对于高速旋转轴芯，拉高机构越简单越好，因高速旋转时，复杂的拉刀结构因零件制造或者装配等原因造成高速不平衡现象，此次主轴高速性能会急剧下降。本发明，轴霸不再采用内外套结构，同时外圆割薄壁槽，在高速离心力的作用下，与轴芯内孔过盈配合，静止时间隙配合，并采用一体式螺旋弹簧，极大地简化了结构，高速性能极好。

密封方面：主轴在进行高光加工时，为了冷却刀具，或者使得加工工件表面光洁度更好，有必要喷切屑液进行冷却，此时会因加工工件产品的粉尘、切屑液形成的水、雾慢慢渗入主轴内部，时间长了粉尘会堵塞轴承节流孔、水雾会造成主轴电机短路、击穿，对主轴或者机床甚至是操作工人都会造成潜在危险。因此有必要设计可靠性高的密封结构。本发明，采用气封、螺旋密封、迷宫密封等组合方式的结构，让进入主轴内部的尘、水、雾的概率几乎为零，可有效降低主轴的下机率。

一、结构原理

本发明涉及的气浮高速电主轴，主要用于油泵、油嘴磨削，有色金属的成型加工以及高光行业。其主要工作原理如下。

参见图1-图3，高压空气从图2中虚线箭头所示的轴承进气口经过机体组件2后，直接进入气浮轴承5、推力轴承组件7的阻尼塞和多孔质石墨，这些阻尼塞都是由小孔节流，且孔径大小不同，高压空气经过小孔后向四周扩散，同时多孔质石墨具有很高的渗透率，气体经过石墨后会从石墨中的空隙进入轴芯与轴承的间隙，然后向四周扩散，使得轴芯组件6与气浮轴承5、推力轴承组件7之间形成一层高压气膜，支承轴芯组件6无接触悬浮，并确保轴芯组件6具有一定的承载能力与刚度。

转子6.1镶嵌在轴芯组件6尾端，与定子组件4组成永磁同步电机，通过驱动器向定子组件4通入直流电，使得定子与转子6.1之间构成磁场，铜质的转子6.1中的铜条产生感应电流，进而转子6.1受到旋转扭矩，带动整个轴芯组件6一起作高速旋转。

二、具体结构

高效气浮轴承。

参见图3，气浮轴承5包含多孔质石墨5.1、轴承本体5.2、径向阻尼塞5.3、轴向阻尼塞5.4几个部分。

多孔质石墨5.1与轴承本体5.2之间根据需要可设计为一个或多个气腔，当气体进入气腔后，可由多孔质石墨5.1的空隙进入轴承与轴芯的间隙，同时气体也可从阻尼塞中的小孔进入轴承与轴芯的间隙。

轴承采用一体式设计，可理解为包括2段径向轴承图3中上面两个虚框部分，1端段设计为止推轴承图3中下面虚框部分，可有效保证各轴承之间的形位公差。

其中，径向阻尼塞5.3采用多排对称结构，空气从小孔流出后均匀流向间隙，多孔质石墨5.1具有很高的渗透率，气体经5.1空隙更加均匀流向间隙，小孔节流和多孔质节流配合，可保证径向承载力，可耐更大的冲击，保证主轴的使用性能；

同理，轴向阻尼塞5.4和多孔质石墨5.1保证轴向承载力。

轴承上还设有排气孔，参见图2中的气路，排气孔中的气体，大部分沿着气缸组件1方向流动，后经过转子6.1与定子4之间的间隙，带走转子6.1产生的热量，少部分沿着盖板组件8流动，后经过主轴前端的密封结构形成气封，能有效组织外来水、雾的侵入。

该轴承将小孔节流和多孔质节流结合起来，不仅可有效提高主轴的刚度，同时可有效提高主轴的承载能力，使主轴的使用寿命更长。

轴芯组件结构。

转子部分：参见图4，转子6.1镶嵌于轴芯组件6的尾端转子套6.2上，转子套6.2中间有通孔，可方便气缸组件1中的推杆1.1穿过，在气压作用下，接触于轴芯组件6中的轴霸6.3，从而实现松刀、拉刀。

转子6.1由护套6.1.2和磁钢6.1.1组成，磁钢6.1.1为钕铁硼或者钐钴等永磁材料制成，具有高的功率密度。但在高速旋转下，因离心力作用，容易碎裂，故采用护套6.1.2加以保护，护套采用高温合金或者碳纤维等材料，可有效提高整个电机的电磁性能。

拉刀机构部分：参见图5和图6，轴霸6.3采用特殊结构，外圆处有薄壁割槽6.3.2。在主轴高速旋转下，薄壁6.3.3会在离心力的作用下张开，与轴芯本体6.5内壁死死贴合，极大地提高了高速振动性能；停止时，薄壁收缩回弹，与轴芯本体6.5成间隙状态，方便主轴松刀拉刀。

由于前述结构的优势，弹簧6.4不再使用碟形弹簧，直接用一个高强度的螺旋弹簧，极大地减少了每次松拉刀时弹簧的变化情况，主轴的稳定性会更好。

主轴前端密封设计：参见图7，盖板组件8，前密封端板8.1与轴芯夹头段8.3前端留有小间隙，系统中气体可通过该间隙流向外面，同时也起到气封作用；在所述前密封端板8.1下侧设置排泄孔8.1.1。内密封挡板8.2的轴向段带有螺纹，在高速旋转时，水、尘等会沿着螺旋被甩出，同时内密封挡板8.2和外密封挡板8.3在前端设有多道锯齿状交叉型迷宫密封结构，也能阻止水、尘、雾的进入。即使杂质穿过螺旋，也会在气封的作用下沿着排泄孔8.1.1被吹出主轴外。

此结构采用多重密封结构，可保外部水、尘、雾等杂质进入主轴内部的可能性为零。

三、实施方案

一种小孔-多孔质节流组合式气浮主轴，包括气缸组件1、机体组件2、定子盖3、定子组件4、气浮轴承5、轴芯组件6、推力轴承组件7和盖板组件8。

用于换刀操控的气缸组件1设置在机体组件2的上方，机体组件2的内部设有定子盖3，定子组件4设置在定子盖3的下方，设置在轴芯组件6的顶端的转子6.1与定子组件4配合，气浮轴承5内部套设轴芯组件6，推力轴承组件7设置在盖板组件8的上部，主轴的下端为夹头组件。

其中，气缸组件1包括气缸复位弹簧1.2和推杆1.1，其中气缸复位弹簧1.2设置在定子盖3上设置的弹簧座内，推杆1.1下段插入轴芯组件6中间的通孔内。

其中，气浮轴承5包括多孔质石墨5.1和轴承本体5.2，在轴承本体5.2的径向开设多个径向阻尼塞5.3，并在径向阻尼塞5.3对应的轴承本体5.2的内壁上开设石墨环槽，所多孔质石墨5.1嵌入石墨环槽内，且在多孔质石墨5.1与轴承本体5.2之间设置至少一个气腔，多孔质石墨5.1、气腔和径向阻尼塞5.3以及对应的轴承本体5.2段构成气浮轴承5的径向轴承部分。

可选的，气浮轴承5上设置两段或更多径向轴承部分。即至少两段设置多孔质石墨5.1、气腔及径向阻尼塞5.3。

进一步的，轴承本体5.2的下端径向外延形成盘状，并在下端的端面上设置环状凹槽用于径向环状的多孔质石墨5.1的嵌入，多孔质石墨5.1与轴承本体5.2之间形成至少一个气腔，并在轴承本体5.2的下端沿轴向均布设置多个轴向阻尼塞5.4，轴承本体5.2的下端、多孔质石墨5.1、气腔和轴向阻尼塞5.4构成气浮轴承5的止推轴承部分。

在主轴的下端，在轴芯组件6的下面与气浮轴承5相对的设置推力轴承组件7，推力轴承组件7包括推力轴承本体上设置的推力轴承轴向阻尼塞7.1和在推力轴承本体上方开设的环状凹槽内嵌设的推力轴承多孔质石墨7.2。

其中，轴芯组件6包括轴芯本体6.5、转子6.1、转子套6.2、轴霸6.3和弹簧6.4，轴芯本体6.5为中空管，转子套6.2的下段卡接进轴芯本体6.5的上部，转子套6.2的上面安装转子6.1，在轴芯本体6.5的下段内部设置轴霸6.3和与之连接的弹簧6.4。

进一步的，转子6.1包括磁钢6.1.1和周向环抱磁钢6.1.1设置的护套6.1.2。

轴霸采用特殊结构，轴霸6.3包括中心开设通孔的轴霸本体，在轴霸本体的外周开设多个环状的储油槽6.3.1，在轴霸6.3的外圆处开设薄壁割槽6.3.2，薄壁割槽6.3.2的外面的薄壁6.3.3会在离心力的作用下张开并与轴芯本体6.5内壁死死贴合，组合式气浮主轴停转时，薄壁6.3.3收缩回弹，与轴芯本体6.5成间隙状态，方便主轴松刀拉刀。

盖板组件8包括前密封端板8.1、内密封挡板8.2和外密封挡板8.3，在前密封端板8.1与轴芯组件6的夹头段前端留设间隙，并在前密封端板8.1下侧设置排泄孔8.1.1。

目前国内外，气浮高速电主轴有很多，大部分应用于PCB钻孔行业，而高转速、高功率、高精度的气浮电主轴，是未来电主轴发展的新方向，本发明所阐述的结构对于解决大功率、高精度、高速电主轴的发展有重要的指导意义，同时采用小孔-多孔质节流组合方式的轴承属首次，同时采用特殊拉刀结构，结构结构简单、紧凑，简化了核心部件的加工工艺，主轴前端密封采用气封、迷宫密封、螺旋密封等3中密封方式组合，确保主轴前端的密封性能，也延长了主轴的使用寿命。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小孔-多孔质节流组合式气浮主轴，包括气缸组件、机体组件、定子盖、定子组件、气浮轴承、轴芯组件、推力轴承组件和盖板组件，其特征在于：气缸组件设置在机体组件的上方，机体组件的内部设有定子盖，定子组件设置在所述定子盖的下方，设置在所述轴芯组件的顶端的转子与所述定子组件配合，所述气浮轴承内部套设所述轴芯组件，推力轴承组件设置在所述盖板组件的上部，所述主轴的下端为夹头组件；

所述轴芯组件包括轴芯本体、转子、转子套、轴霸和弹簧，所述轴芯本体为中空管，所述转子套的下段卡接进所述轴芯本体的上部，所述转子套的上面安装所述转子，在所述轴芯本体的下段内部设置轴霸和与之连接的弹簧；

所述轴霸包括中心开设通孔的轴霸本体，在所述轴霸本体的外周开设多个环状的储油槽，在所述轴霸的外圆处开设薄壁割槽，薄壁割槽的外面的薄壁会在离心力的作用下张开并与轴芯本体内壁死死贴合，组合式气浮主轴停转时，薄壁收缩回弹，与所述轴芯本体成间隙状态，方便主轴松刀拉刀。

2.根据权利要求1所述的组合式气浮主轴，其特征在于：所述气缸组件包括气缸复位弹簧和推杆，其中所述气缸复位弹簧设置在所述定子盖上设置的弹簧座内，所述推杆下段插入所述轴芯组件中间的通孔内。

3.根据权利要求1所述的组合式气浮主轴，其特征在于：所述气浮轴承包括多孔质石墨和轴承本体，在所述轴承本体的径向开设多个径向阻尼塞，并在所述径向阻尼塞对应的轴承本体的内壁上开设石墨环槽，所述多孔质石墨嵌入所述石墨环槽内，且在所述多孔质石墨与轴承本体之间设置至少一个气腔，所述多孔质石墨、气腔和径向阻尼塞以及对应的轴承本体段构成气浮轴承的径向轴承部分。

4.根据权利要求3所述的组合式气浮主轴，其特征在于：所述气浮轴承上设置两段所述径向轴承部分。

5.根据权利要求3所述的组合式气浮主轴，其特征在于：轴承本体的下端径向外延形成盘状，并在下端的端面上设置环状凹槽用于径向环状的多孔质石墨的嵌入，所述多孔质石墨与所述轴承本体之间形成至少一个气腔，并在所述轴承本体的下端沿轴向均布设置多个轴向阻尼塞，所述轴承本体的下端、多孔质石墨、气腔和轴向阻尼塞构成气浮轴承的止推轴承部分。

6.根据权利要求5所述的组合式气浮主轴，其特征在于：在所述轴芯组件的下面与所述气浮轴承相对的设置推力轴承组件，所述推力轴承组件包括推力轴承本体上设置的推力轴承轴向阻尼塞和在所述推力轴承本体上方开设的环状凹槽内嵌设的推力轴承多孔质石墨。

7.根据权利要求1所述的组合式气浮主轴，其特征在于：所述转子包括磁钢和周向环抱所述磁钢设置的护套。

8.根据权利要求1所述的组合式气浮主轴，其特征在于：所述盖板组件包括前密封端板、内密封挡板和外密封挡板，在所述前密封端板与轴芯组件的夹头段前端留设间隙，并在所述前密封端板下侧设置排泄孔。

Images