CN111408744A - 一种刀柄式气浮高速电主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刀柄式气浮高速电主轴包括机体组件、气浮轴承组件、后座、气缸组件、转子组件及拉刀机构，所述机体组件为空腔结构，所述机体组件上、下部的贯通孔内设有气浮轴承组件，所述机体组件中部贯通孔内设置有定子，所述转子组件轴向穿设于所述定子内腔并通过所述气浮轴承组件承托。本发明采用气浮轴承作为轴芯的支承机构，轴芯在工作时处于悬浮状态，此时仅存在相比机械摩擦小得多的空气阻力，其阻尼大大减小，提高了主轴的稳定性、加工精度和加工效率，实现了高精度、高转速的应用需求。

Description

一种刀柄式气浮高速电主轴

技术领域

本发明涉及气浮电主轴技术领域，具体是指一种径向承载能力强且智能化高的刀柄式气浮高速电主轴。

背景技术

在3C行业中，随着电子元器件微型化及各类电子产品材料的多样化，产品个性化设计种类越来越多，加工环境越来越复杂，对电主轴的性能，如稳定性、使用寿命及使用条件等都提出了更高的要求和期望。目前，滚珠类电主轴转速不能满足高速类加工需求。

在现有技术中，气浮主轴在气浮轴承和推力轴承的高压气体作用下无接触悬浮式高速旋转，相较于滚珠轴能达到更高的转速，但受机体规格的限制，其轴向、径向承载力、主轴刚度及主轴抓刀方式均有一定的局限性，此外，传统的气浮主轴其高速刀具采用夹头式，夹头通过螺纹连接方式与转子轴霸连接固定在主轴中，这种装夹方式的缺点是刀具的径向约束和径向刚性较小，在进行钻大孔及锣边加工时，径向加工精度和加工效率难以同时保证。此外，目前大多数高速数控机床除了装有回转刀架、排式刀架外，更多的依赖于带有刀库的自动换刀装置，这是因为排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都数量有限，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。当因加工需求需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。

而市场现有气浮电主轴所具备的自动换刀性能仅限于同一规格刀具的交替更换，其应用方式仅停留在更换磨损刀具，而不能实现不同工种的刀具之间的自由互换，此种换刀性能的局限性大大遏制了高速数控机床的加工效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种电主轴，具体是指一种径向承载能力强且智能化高的刀柄式气浮高速电主轴。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种刀柄式气浮高速电主轴，其包括机体组件、气浮轴承组件、后座、气缸组件、转子组件及拉刀机构，所述机体组件为空腔结构，所述机体组件上、下部的贯通孔内设有气浮轴承组件，所述机体组件中部贯通孔内设置有定子，所述转子组件轴向穿设于所述定子内腔并通过所述气浮轴承组件承托；

所述机体组件包括有壳体及内胆，所述内胆前后端面沿轴向分别设置有进气主通道，所述内胆内壁径向设置有贯通轴向主通道的进气孔与出气孔；

所述气浮轴承组件包括分置于轴芯上下两侧的前气浮轴承、后气浮轴承及推力轴承；所述气浮轴承组件外圆设置有至少两排进气通道，每排进气通道都周向分布有若干个排气孔，所述进气通道外侧端延伸至轴承的外侧面并设置有连通排气孔的环形气槽，所述环形气槽通过设置在机体内胆内壁的径向进气孔与所述进气主通道连通；所述排气孔内径向设有阻尼塞，所述阻尼塞上由进口向着出口依序的设置有与安装孔连通的进气孔、连通于进气孔内侧端的节流孔以及连通于节流孔内侧端的稳定室；稳定室开设于阻尼塞靠近轴芯外壁的一面，且稳定室呈由外向内直径逐渐增大的锥形喇叭状，所述稳定室内侧端连通于轴芯和气浮轴承之间的气浮间隙；所述前气浮轴承上设置有将进气孔连通的汇流孔，所述汇流孔延伸至前气浮轴承的法兰端面，所述法兰端面设置有若干个按一定距离均匀分布并平行于轴向的空气供给通道，所述空气供给通道内轴向设置有阻尼塞；

所述后座设置在所述机体组件后端并与顶端的气缸组件相互连接，所述后座外壁设有主气接头，主气接头与机体内胆进气主通道连接；所述后座后端内凹形成一空腔，在该空腔底面形成一安装凸部，所述凸部外壁套设有回位弹簧，所述回位弹簧一端抵在后座的内端面上，另一端顶触在气缸组件下方；

所述气缸组件为多级活塞式联合推动结构，包括有气缸隔层片、气缸盖及气缸上活塞、气缸下活塞，所述气缸隔层片与气缸盖沿轴线层叠设置，并形成第一腔室，所述后座与所述气缸隔层片形成第二腔室，在两个腔室内分别设置有气缸上活塞、气缸下活塞，所述上活塞包括活塞本体和位于所述活塞本体前端的凸部，所述气缸隔层片设置有贯孔及轴向盲槽，所述上活塞的凸部沿轴线容置于所述气缸隔层片的贯孔内；所述气缸盖内侧设有可容纳气体的下腔室，后端面尾部设有卸刀气接头，亦为主轴吹尘气源；所述上活塞、下活塞后端设有排气凹槽；所述气缸盖、气缸隔层片前端设置有轴向排气孔与连接各级气腔室的径向排气槽；所述气缸上、下活塞内侧设置有位于同一轴线的容置孔，所述下活塞的前端中心处设置有顶杆，所述顶杆后端设有螺纹孔，前端设有过气贯孔，所述气缸上活塞、气缸下活塞通过紧固螺钉与顶杆后端连接并随顶杆前后移动，以形成活塞组合，所述紧固螺钉沿轴线贯穿所有层气缸活塞并与气缸活塞容置孔存在一定间隙；

所述转子组件包括有轴芯、拉杆、顶杆及碟簧组件，所述轴芯为中空筒状结构，所述拉杆、顶杆、碟簧组件及拉刀机构均设于轴芯内腔；所述碟簧组件由若干个碟形弹簧组成，并穿设于所述拉杆外壁，所述拉杆的前端设置有一拉刀机构，所述拉刀机构嵌入所述轴芯内腔并与拉杆通过螺纹固定连接，所述轴芯的前端伸出并设置有一飞盘，所述飞盘被夹持在前气浮轴承与推力轴承之间；所述拉杆内部设置有一空气供给通道，所述空气供给通道延伸至拉杆后端部形成一进气口，空气供给通道延伸至拉杆前端部形成一出气口；所述顶杆前端与所述拉杆接触式连接，配合所述气缸组件、所述回位弹簧与所述碟簧组件实现所述拉刀机构的自动换刀。

上述技术方案中，所述拉刀机构包括夹爪和刀柄，所述夹爪为一体式结构，包括夹爪主体和偶数瓣均匀张开的滑压爪片，所述夹爪主体为内部设置有固锁螺纹的筒式连接件，外壁设置有凹陷处，所述凹陷处设有耐磨环，所述滑压爪片扣接于所述刀柄上，所述滑压爪片外圆设置有台阶部，所述台阶部和所述轴芯前腔内分别设置有相互配合的倾斜面。

上述技术方案中，所述后座前端设有容纳腔，所述容纳腔内设置有位置传感器组件；所述位置传感器组件包括若干接近开关，所述接近开关呈阶梯形状沿拉杆轴向位移方向分布，所述接近开关的感应端径向朝向所述拉杆的后端，所述拉杆后端设有一凸起感应部，所述若干接近开关分别感应所述感应部随拉杆轴向位移的不同位置并输出不同电信号。

上述技术方案中，所述内胆外周面设置有冷却环槽及双螺旋循环冷却水道，所述冷却环槽独立存在并与所述双螺旋循环冷却水道相互连接；所述内胆前后端面沿轴向分别设置有进水主通道及出水主通道，所述内胆内壁径向设置有贯通轴向主通道的进、出水孔，并与所述气浮轴承组件外圆的冷却水道相互连通；所述机体组件的内胆上的冷却水道均通过壳体密封，所述机体组件上的冷却水道与气浮轴承组件上的冷却水道、推力轴承上的冷却水道形成回路，组成水路冷却循环系统。

上述技术方案中，所述定子由一铁芯基体、分别设于铁芯基体两端的绝缘板以及连接在绝缘板两端的绕线部组成，各绕线部分别绕制有线圈；所述铁芯基体由若干个等高的矽钢片迭压而成，所述绕线部由若干等径的漆包线缠绕而成，所述绕线部内嵌有热敏电阻。

上述技术方案中，所述轴芯用作转轴体并穿设于定子内，轴芯的外周壁中部设有用于嵌铜的嵌槽，所述嵌槽包括沿轴芯轴向延伸的环形斜槽段以及分别连通于该环形斜槽段两端的短路环段，所述环形斜槽段的截面呈半圆形，所述环形斜槽段内嵌铜形成有铜段，短路环段内嵌铜形成有短路环；所述铜段与所述定子同轴线对齐。

上述技术方案中，所述后座外壁设有若干水接头，所述水接头包括进水接头及出水接头，并分别与机体内胆上的进水主通道、出水主通道相通，所述后座侧面设有排气孔、电源接头及传感器接头，并分别与主轴机体组件相对应的位置连接，所述后座中腔与顶杆接触位置内装有无油润滑衬套，可防止后座与顶杆进行机械干涉。

上述技术方案中，所述排气孔内设有阻性式消声器，所述消声器为多孔吸声材料并固定在气流通道的排气孔内壁上。

上述技术方案中，所述碟簧组件中部设置有第一弹片垫环，底部设置有第二弹片垫环，所述第二弹片垫环抵于轴芯内台阶处，所述拉杆和所述第一弹片垫环均设置有耐磨环。

上述技术方案中，所述壳体前端内腔安装有推力轴承，所述轴芯的前端形成有飞盘，所述飞盘设于所述推力轴承与所述前气浮轴承法兰之间，所述推力轴承靠近飞盘的端面上设置有多个呈一定距离且均匀分布的排气孔，其背面设置有与所述排气孔连通的环形气槽，所述环形气槽与所述进气主通道相通，所述排气孔内轴向设置有阻尼塞，所述阻尼塞外侧朝向所述轴芯飞盘。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用气浮轴承作为轴芯的支承机构，轴芯在工作时处于悬浮状态，此时仅存在相比机械摩擦小得多的空气阻力，其阻尼大大减小，提高了主轴的稳定性、加工精度和加工效率，实现了高精度、高转速的应用需求。此外，本气浮电主轴气浮轴承的阻尼塞内出气端向外扩张形成锥形喇叭状。当气体从阻尼塞的进气端到达出气端时，流速增大，增加对轴芯的承载能力，且气流通过喇叭状的出气尾端时，不会形成涡流，气膜的压力损失减小，从而增大了对轴芯的支撑力，并有效减少发热量。

2、相比传统的夹头式夹刀方式，本发明采用的拉刀机构为刀柄式，将一体式夹爪与刀柄有效结合，由于刀柄结构强度增加，使本气浮主轴比传统主轴具有更大的刀具握持力、径向承载力和主轴刚性，既能进行光洁度要求较高的锣边等高光作业，又能进行钻大孔等大尺寸加工，具备较强的适应性和实用性。

3、本发明设置有与外部PLC控制中心连接的位置传感器，通过位置传感器输出的电信号检测拉杆前后运动的位置信息，从而实现对主轴前端刀柄状态的实时监测，有效提高了主轴的安全性和主轴使用寿命，较好地满足了应用需求。此外采用自动换刀机构，可支持带刀库的加工机床，不同规格刀柄相互之间能实现互换，在电主轴高强度的工作环境下，拉刀机构出现一定程度的磨损，影响加工精度时，只需更换刀柄即可，节省了使用及维护成本，具有更高的互换性和经济效益，同时提高了工作效率，实现加工过程的高度自动化。

4、转子轴芯使用碟形弹簧组，主轴换刀时运动行程长，具备更稳定的弹力及更长的使用寿命。同时作为转子的组成部分，可使主轴具有更好的稳定性。

5、电主轴内安装循环冷却系统，并在定子线圈内嵌有温度传感器测温，保证电主轴整个设备在低温下运行，提高设备的使用寿命和安全性，有效避免由于热膨胀等因素产生的加工误差。

6、本发明改进了转子鼠笼的设计形式，由垂直于线圈磁场的导体条改为倾斜一定角度的导体条，提高了转子的启动转矩，能够在较短的时间内迅速提速到较高转速，减少了启动时间，提高了产品加工的生产效率。同时本发明导体条斜槽段的截面呈半圆形，更利于嵌铜，在工艺上可以实现一次性嵌铜，所形成的短路环又能避免尖端放电，有效节省主轴的生产成本。

7、本发明设计安装有阻性式消声器，利用多孔吸声材料来降低噪音。将吸声材料固定在气流通道的排气孔内壁上，当声波进入阻性消声器时，一部分声波能在多孔材料的孔隙中摩擦而转化成热能耗散掉，使通过消声器的声波大幅度减弱，从而使主轴达到低噪音的效果。

附图说明

图1为本发明气浮电主轴整体内部结构剖视图。

图2为本发明气浮电主轴进气通道的结构示意图。

图3为本发明气浮电主轴进水通道的结构示意图。

图4为本发明气浮电主轴排水通道的结构示意图。

图5为本发明气浮电主轴机体内胆进水的循环示意图。

图6为本发明气浮电主轴机体内胆出水的循环示意图。

图7为本发明气浮电主轴轴芯未嵌铜前外观示意图。

图8为本发明气浮电主轴后座的外观示意图。

图9为本发明气浮电主轴转子的结构示意图。

1-机体组件；2-气浮轴承组件；3-后座；4-气缸组件；5-转子组件；6-拉刀机构；7-定子；8-推力间隙环；9-防尘盖；10-壳体；11-内胆；12-冷却环槽；13-双螺旋循环冷却水道；14-进气主通道；15-进水主通道；16-排水主通道；17-第一“O”型密封圈；18-气缸隔层片；19-气缸盖；20-气缸上活塞；21-气缸下活塞；22-第二“O”型密封圈；23-卸刀气接头；24-第三“O”型密封圈；25-顶杆；26-紧固螺钉；27-拉杆；28-回位弹簧；29-碟簧组件；30-主气接头；31-进水接头；32-出水接头；33-排气孔；34-电源接头；35-传感器接头；36-容纳腔；37-位置传感器组件；38-接近开关；39-基座；40-无油润滑衬套；41-凸起感应部；42-前气浮轴承；43-后气浮轴承；44-推力轴承；45-前轴承内胆；46-前轴承外套；47-端盖；48-后轴承内胆；49-后轴承外套；50-第四“O”型密封圈；51-第五“O”型密封圈；52-阻尼塞；53-轴芯；54-飞盘；55-第一碟簧垫环；56-第二碟簧垫环；57-耐磨环；58-夹爪；59-刀柄；60-夹爪主体；61-滑压爪片；62-铁芯基体；63-绝缘板；64-绕线部；65-环形斜槽段；66-短路环段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1-9所示，一种刀柄式气浮高速电主轴，包括机体组件1、气浮轴承组件2、后座3、气缸组件4、转子组件5及拉刀机构6，所述机体组件1为空腔结构，具有一定的容置空间，所述机体组件1上、下部的贯通孔内设有气浮轴承组件2，所述机体组件1中部贯通孔内设置有定子7，所述转子组件5轴向穿设于所述定子7内腔并通过所述气浮轴承组件2承托。所述后座3设置在所述机体组件1后端并与顶端的气缸组件4相互连接，所述机体组件1前端依次设置有推力间隙环8、推力轴承44及防尘盖9。

具体的，所述机体组件1包括有壳体10及内胆11，所述内胆11外周面设置有冷却环槽12及双螺旋循环冷却水道13，所述冷却水槽12独立存在并与所述双螺旋循环冷却水道13相互连接，所述双螺旋循环冷却水道13的截面形状设置为矩形，一方面能够增加冷却液的流量，另一方面可使得加工简单、降低成本。所述内胆11前后端面沿轴向分别设置有进气主通道14、进水主通道15及出水主通道16，所述内胆11内壁径向设置有贯通轴向主通道的进、出水孔与气孔，并与所述气浮轴承组件2外圆的冷却水道相互连通。所述主轴机体组件1的内胆11上的冷却水道均通过壳体11密封，并在内胆11两端分别设置有防止冷却液渗出的第一“O”型密封圈17，所述机体组件1上的冷却水道与气浮轴承组件2冷却水道、推力轴承44上的冷却水道形成回路，组成水路冷却循环系统。

具体的，所述气缸组件4为多级活塞式联合推动结构，包括有气缸隔层片18、气缸盖19及气缸上活塞20、气缸下活塞21，所述气缸隔层片18与气缸盖19沿轴线层叠设置，并形成第一腔室，所述后座3与所述气缸隔层片18形成第二腔室，在两个腔室内分别设置有气缸上活塞20、气缸下活塞21，所述上活塞20包括活塞本体和位于所述活塞本体前端的凸部，所述气缸隔层片18设置有贯孔及轴向盲槽，所述上活塞20的凸部沿轴线容置于所述气缸隔层片18的贯孔内，所述凸部外壁与所述隔层片18的贯孔之间设置第二“O”型密封圈22，所述第二“O”型密封圈22容置于所述轴向盲槽内。所述气缸盖19内侧设有可容纳气体的下腔室，后端面尾部设有卸刀气接头23，亦为主轴吹尘气源。所述上活塞20、下活塞21后端设有排气凹槽，上活塞20与气缸盖19之间、下活塞21与气缸隔层片18之间均设有第三“O”型密封圈24。所述气缸盖19、气缸隔层片18前端设置有轴向排气孔与连接各级气腔室的径向排气槽。所述气缸上、下活塞内侧设置有位于同一轴线的容置孔，所述下活塞21的前端中心处设置有顶杆25，所述顶杆25后端设有螺纹孔，前端设有过气贯孔，所述气缸上活塞20、气缸下活塞21通过紧固螺钉26与顶杆25后端连接并随顶杆25前后移动，以形成活塞组合，所述紧固螺钉26沿轴线贯穿所有层气缸活塞并与气缸活塞容置孔存在一定间隙。所述顶杆25前端与所述拉杆27接触式连接，配合所述气缸组件4、所述回位弹簧28与所述碟簧组件29实现所述拉刀机构6的自动换刀。

具体的，所述后座3后端内凹形成一空腔，在该空腔底面形成一安装凸部，所述凸部外壁套设有回位弹簧28，所述回位弹簧28一端抵在后座的内端面上，另一端顶触在气缸组件4下方。所述后座3外壁设有若干水、气接头，所述主气接头30为第一进气孔，即为主气源，所述第一进气孔与机体内胆11进气主通道14连接，所述水接头包括进水接头31及出水接头32，并分别与机体内胆11上的进水主通道15、出水主通道16相通，所述后座3侧面设有排气孔33、电源接头34及传感器接头35，并分别与主轴机体组件1相对应的位置连接，所述后座3前端设有容纳腔36，所述容纳腔36内设置有位置传感器组件37，所述后座3中腔与顶杆25接触位置内装有无油润滑衬套40，可防止后座3与顶杆25进行机械干涉。

具体的，所述排气孔33内设有阻性式消声器，所述消声器为多孔吸声材料并固定在气流通道的排气孔33内壁上。

具体的，所述位置传感器组件37包括若干接近开关38和基座39。所述基座39通过螺钉固定在后气浮轴承43的法兰端面上，所述基座39为铝合金材质，其表面通过硬质阳极氧化工艺并覆盖相对厚度的有氧化膜层。所述接近开关38通过基米螺丝固定在基座39预设位置上，并呈阶梯形状沿拉杆27轴向位移方向分布，所述接近开关38的感应端径向朝向所述拉杆27的后端，所述拉杆27后端设有一凸起感应部41，所述若干接近开关38分别感应所述感应部41随拉杆27轴向位移的不同位置并输出不同电信号。

具体的，所述气浮轴承组件2包括分置于所述轴芯53上下两侧的前气浮轴承42、后气浮轴承43及推力轴承44；所述前气浮轴承42包括套设在所述轴芯53外壁的前轴承内胆45、套设在所述前轴承内胆45外的前轴承外套46以及端盖47；所述后气浮轴承43包括套设在所述轴芯53外壁的后轴承内胆48、套设在所述后轴承内胆48外的后轴承外套49以及端盖47，所述前轴承内胆45和所述前轴承外套46之间、前轴承外套46与机体内胆11之间以及后轴承内胆48和所述后轴承外套49之间、后轴承外套49与机体内胆11之间分别设置有若干防止气体或冷却液溢出的第四“O”型密封圈50、第五“O”型密封圈51。

具体的，所述气浮轴承组件2外圆设置有至少两排进气通道，每排进气通道都周向分布有若干个排气孔，所述进气通道外侧端延伸至轴承的外侧面并设置有连通排气孔的环形气槽，所述环形气槽通过设置在机体内胆11内壁的径向进气孔与所述进气主通道14连通，所述排气孔内径向设有阻尼塞52，所述阻尼塞52上由进口向着出口依序的设置有与安装孔连通的进气孔、连通于进气孔内侧端的节流孔以及连通于节流孔内侧端的稳定室，稳定室开设于阻尼塞52靠近轴芯53外壁的一面，且稳定室呈由外向内直径逐渐增大的锥形喇叭状，所述稳定室内侧端连通于轴芯53和气浮轴承之间的气浮间隙，所述节流孔的直径小于进气口的直径。所述前气浮轴承42上设置有将进气孔连通的汇流孔，所述汇流孔延伸至前气浮轴承42的法兰端面，所述法兰端面设置有若干个按一定距离均匀分布并平行于轴向的空气供给通道，所述空气供给通道内轴向设置有阻尼塞52。

具体的，所述壳体10前端内腔安装有推力轴承44，所述轴芯53的前端形成有飞盘54，所述飞盘54设于所述推力轴承与所述前气浮轴承法兰之间，所述推力轴承44靠近飞盘54的端面上设置有多个呈一定距离且均匀分布的排气孔，其背面设置有与所述排气孔的环形气槽，所述环形气槽与所述气路相通，所述排气孔内轴向设置有阻尼塞52，所述阻尼塞52外侧朝向所述轴芯53飞盘54。

具体的，所述转子组件5包括有轴芯53、拉杆27、顶杆25、碟簧组件29及拉刀机构6，所述轴芯53为中空筒状结构，所述拉杆27、顶杆25、碟簧组件29及拉刀机构6均设于轴芯53内腔，所述碟簧组件29由若干个碟形弹簧组成，并穿设于所述拉杆27外壁，所述拉杆27的前端设置有一拉刀机构6，所述拉刀机构6嵌入所述轴芯53内腔并与拉杆27通过螺纹固定连接，所述轴芯53的前端伸出并设置有一飞盘54，所述飞盘54被夹持在前气浮轴承42与推力轴承44之间，所述前气浮轴承42与推力轴承44还设有推力间隙环8。

具体的，所述碟簧组件29中部设置有第一弹片垫环55，底部设置有第二弹片垫环56，所述第二弹片垫环56抵于轴芯53内台阶处，所述拉杆27和所述第一弹片垫环55均设置有耐磨环57。

具体的，所述拉刀机构6包括夹爪58和刀柄59，所述夹爪58为一体式结构，包括夹爪主体60和偶数瓣均匀张开的滑压爪片61，所述夹爪主体60为内部设置有固锁螺纹的筒式连接件，外壁设置有凹陷处，所述凹陷处设有耐磨环57，所述滑压爪片61扣接于所述刀柄59上，所述滑压爪片61外圆设置有台阶部，所述台阶部和所述轴芯53前腔内分别设置有相互配合的倾斜面。

具体的，所述拉杆27内部设置有一空气供给通道，所述空气供给通道延伸至拉杆后端部形成一进气口，空气供给通道延伸至拉杆前端部形成一出气口。

具体的，所述定子7由一铁芯基体62、分别设于铁芯基体62两端的绝缘板63以及连接在绝缘板63两端的绕线部64组成，各绕线部64分别绕制有线圈。所述铁芯基体62由若干个等高的矽钢片迭压而成，所述定子绕线部64由若干等径的漆包线缠绕而成，所述定子绕线部64内嵌有热敏电阻。

具体的，所述轴芯53用作转轴体并穿设于定子7内，轴芯53的外周壁中部设有用于嵌铜的嵌槽，所述嵌槽包括沿轴芯53轴向延伸的环形斜槽段65以及分别连通于该环形斜槽段65两端的短路环段66，所述环形斜槽段65的截面呈半圆形，所述环形斜槽段65内嵌铜形成有铜段，短路环段66内嵌铜形成有短路环。所述铜段与所述定子7同轴线对齐。

本发明工作原理：外界高压气源自开设在后座3外壁的主气接头30进入，并经过后气浮轴承43法兰盘的进气口，进入机体内胆11的进气主通道14，然后依次进入后气浮轴承43、前气浮轴承42、推力轴承44。首先，气体通过后气浮轴承43内的进气孔，进入到进气孔内侧端的节流孔以及连通于节流孔内侧端的稳定室，最后喷向后轴承内胆48与轴芯53之间的微小间隙，均匀分布的多个径向阻尼塞52在轴芯53外周缘形成均匀、稳定的高压气膜，对轴芯53的后端起到径向支承的作用。其次，气体通过前气浮轴承42内的进气孔，进入到前轴承内胆45与轴芯53之间的微小间隙，形成高压气膜，对轴芯53的前端起到径向支撑的作用。最后，气体通过延伸至前气浮轴承42的法兰端面的汇流孔进入到轴向分布的阻尼塞52，喷向前气浮轴承42与轴芯53飞盘54之间形成的微小间隙，形成高压气膜，对轴芯53起到向下的轴向支撑作用；最后，气体经进气主通道14进入推力轴承44进气孔及轴向通气孔，进入到推力轴承44与轴芯53飞盘54之间形成的微小间隙，形成高压气膜，对轴芯53起到向上的轴向支撑作用。在高压气膜的径向支撑和轴向支撑作用下，使轴芯53能够处于无接触悬浮状态，并确保轴芯53具有一定的承载能力与刚度。此外，铜转子镶嵌在轴芯53中间，与定子7组成三相异步感应电机，通过外部设备向定子7通入高频交变电流，在定子7与铜转子之间构建交变磁场，由于电磁感应原理，轴芯53中嵌有的铜导条产生感应电流和电磁力，促使铜转子受到旋转扭矩，进而驱动整个轴芯53高速旋转。

本发明排气时，气路结构的工作过程为：高压气体通过进气主通道14分别进入主轴各个分进气通道，然后进入前气浮轴承42、后气浮轴承43及推力轴承44与轴芯53之间的间隙，使得轴芯53悬浮，之后经各个分排气通道进入主排气通道，最后流入后座3侧面的排气孔33，继而排出电主轴外。

本发明进行刀具更换时，从气缸盖19的卸刀气接头23接入压缩高压空气，气体通过气槽依次进入各腔室形成气压并产生多层动力，推动活塞向下移动，与活塞固连的顶杆25亦随之向下，继而推动轴芯53内的拉杆27及夹爪58，同时，碟簧组件29受力下压，滑压爪片61呈锥形向外均匀张开，直至脱离轴芯53内壁限制而自由张开，促使刀柄59下移至锥孔直径相对大的位置，从而卸下刀柄59和装入新的刀柄59。反之，切断气缸开刀气源，顶杆25及气缸活塞在回位弹簧28的作用下向上移动，拉刀机构6在碟簧组件29回弹力的作用下，收缩至锥面贴合，夹紧刀具，完成装刀过程。此过程中，气体从卸刀气接头23进入后，通过刀把清洁通道流通到拉杆27空气供给通道中，并喷向刀柄59，对刀柄59进行空气清洁，同时防止粉尘、碎屑等外界杂物附着在轴芯53内孔壁上，保证主轴能长时间稳定工作，节省主轴维修成本。同时，气缸的卸刀动作和中心吹气采用同一气路，较好地满足了同步要求。

本发明工作时，冷却液从后座3进水接头31接入后，分为两路水路，其中一路通过机体内胆11上的双螺旋循环冷却水道13循环冷却主轴机体1及定子7，另一路通过进水主通道15进入到后气浮轴承43的冷却环槽中，循环冷却一周后流入机体内胆11的分进水通道，然后进入到前气浮轴承42的冷却环槽中，随之通过推力间隙环中8的过水孔流入推力轴承44的冷却水道内，按后气浮轴承43-前气浮轴承42-推力轴承44的先后顺序进行独立直接冷却，再通过推力轴承44的冷却水道将水反向输送回机体内胆11的排水主通道16中，最终经后座3上的出水接头32排出电主轴外，实现水冷。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制，本行业的技术人员，在本技术方案的启迪下，可以做出一些变形与修改，凡是依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种刀柄式气浮高速电主轴，其特征在于：包括机体组件（1）、气浮轴承组件（2）、后座（3）、气缸组件（4）、转子组件（5）及拉刀机构（6），所述机体组件（1）为空腔结构，所述机体组件（1）上、下部的贯通孔内设有气浮轴承组件（2），所述机体组件（1）中部贯通孔内设置有定子（7），所述转子组件（5）轴向穿设于所述定子（7）内腔并通过所述气浮轴承组件（2）承托；

所述机体组件（1）包括有壳体（10）及内胆（11），所述内胆（11）前后端面沿轴向分别设置有进气主通道（14），所述内胆（11）内壁径向设置有贯通轴向主通道的进气孔与出气孔；

所述气浮轴承组件（2）包括分置于轴芯（53）上下两侧的前气浮轴承（42）、后气浮轴承（43）及推力轴承（44）；所述气浮轴承组件（2）外圆设置有至少两排进气通道，每排进气通道都周向分布有若干个排气孔，所述进气通道外侧端延伸至轴承的外侧面并设置有连通排气孔的环形气槽，所述环形气槽通过设置在机体内胆（11）内壁的径向进气孔与所述进气主通道（14）连通；所述排气孔内径向设有阻尼塞（52），所述阻尼塞（52）上由进口向着出口依序的设置有与安装孔连通的进气孔、连通于进气孔内侧端的节流孔以及连通于节流孔内侧端的稳定室；稳定室开设于阻尼塞（52）靠近轴芯（53）外壁的一面，且稳定室呈由外向内直径逐渐增大的锥形喇叭状，所述稳定室内侧端连通于轴芯（53）和气浮轴承之间的气浮间隙；所述前气浮轴承（42）上设置有将进气孔连通的汇流孔，所述汇流孔延伸至前气浮轴承（42）的法兰端面，所述法兰端面设置有若干个按一定距离均匀分布并平行于轴向的空气供给通道，所述空气供给通道内轴向设置有阻尼塞（52）；

所述后座（3）设置在所述机体组件（1）后端并与顶端的气缸组件（4）相互连接，所述后座（3）外壁设有主气接头（30），主气接头（30）与机体内胆（11）进气主通道（14）连接；所述后座（3）后端内凹形成一空腔，在该空腔底面形成一安装凸部，所述凸部外壁套设有回位弹簧（28），所述回位弹簧（28）一端抵在后座的内端面上，另一端顶触在气缸组件（4）下方。

2.根据权利要求1所述的一种刀柄式气浮高速电主轴，其特征在于：所述拉刀机构（6）包括夹爪（58）和刀柄（59），所述夹爪（58）为一体式结构，包括夹爪主体（60）和偶数瓣均匀张开的滑压爪片（61），所述夹爪主体（60）为内部设置有固锁螺纹的筒式连接件，外壁设置有凹陷处，所述凹陷处设有耐磨环（57），所述滑压爪片（61）扣接于所述刀柄（59）上，所述滑压爪片（61）外圆设置有台阶部，所述台阶部和所述轴芯（53）前腔内分别设置有相互配合的倾斜面。

3.根据权利要求1所述的一种刀柄式气浮高速电主轴，其特征在于：所述气缸组件（4）为多级活塞式联合推动结构，包括有气缸隔层片（18）、气缸盖（19）及气缸上活塞（20）、气缸下活塞（21），所述气缸隔层片（18）与气缸盖（19）沿轴线层叠设置，并形成第一腔室，所述后座（3）与所述气缸隔层片（18）形成第二腔室，在两个腔室内分别设置有气缸上活塞（20）、气缸下活塞（21），所述上活塞（20）包括活塞本体和位于所述活塞本体前端的凸部，所述气缸隔层片（18）设置有贯孔及轴向盲槽，所述上活塞（20）的凸部沿轴线容置于所述气缸隔层片（18）的贯孔内；所述气缸盖（19）内侧设有可容纳气体的下腔室，后端面尾部设有卸刀气接头（23），亦为主轴吹尘气源；所述上活塞（20）、下活塞（21）后端设有排气凹槽；所述气缸盖（19）、气缸隔层片（18）前端设置有轴向排气孔与连接各级气腔室的径向排气槽；所述气缸上、下活塞内侧设置有位于同一轴线的容置孔，所述下活塞（21）的前端中心处设置有顶杆（25），所述顶杆（25）后端设有螺纹孔，前端设有过气贯孔，所述气缸上活塞（20）、气缸下活塞（21）通过紧固螺钉（26）与顶杆（25）后端连接并随顶杆（25）前后移动，以形成活塞组合，所述紧固螺钉（26）沿轴线贯穿所有层气缸活塞并与气缸活塞容置孔存在一定间隙。

4.根据权利要求1所述的一种刀柄式气浮高速电主轴，其特征在于：所述转子组件（5）包括有轴芯（53）、拉杆（27）、顶杆（25）及碟簧组件（29），所述轴芯（53）为中空筒状结构，所述拉杆（27）、顶杆（25）、碟簧组件（29）及拉刀机构（6）均设于轴芯（53）内腔；所述碟簧组件（29）由若干个碟形弹簧组成，并穿设于所述拉杆（27）外壁，所述拉杆（27）的前端设置有一拉刀机构（6），所述拉刀机构（6）嵌入所述轴芯（53）内腔并与拉杆（27）通过螺纹固定连接，所述轴芯（53）的前端伸出并设置有一飞盘（54），所述飞盘（54）被夹持在前气浮轴承（42）与推力轴承（44）之间；所述拉杆（27）内部设置有一空气供给通道，所述空气供给通道延伸至拉杆后端部形成一进气口，空气供给通道延伸至拉杆前端部形成一出气口；所述顶杆（25）前端与所述拉杆（27）接触式连接，配合所述气缸组件（4）、所述回位弹簧（28）与所述碟簧组件（29）实现所述拉刀机构（6）的自动换刀。

5.根据权利要求1所述的一种刀柄式气浮高速电主轴，其特征在于：所述后座（3）前端设有容纳腔（36），所述容纳腔（36）内设置有位置传感器组件（37）；所述位置传感器组件（37）包括若干接近开关（38），所述接近开关（38）呈阶梯形状沿拉杆（27）轴向位移方向分布，所述接近开关（38）的感应端径向朝向所述拉杆（27）的后端，所述拉杆（27）后端设有一凸起感应部（41），所述若干接近开关（38）分别感应所述感应部（41）随拉杆（27）轴向位移的不同位置并输出不同电信号。

6.根据权利要求1所述的一种刀柄式气浮高速电主轴，其特征在于：所述内胆（11）外周面设置有冷却环槽（12）及双螺旋循环冷却水道（13），所述冷却环槽（12）独立存在并与所述双螺旋循环冷却水道（13）相互连接；所述内胆（11）前后端面沿轴向分别设置有进水主通道（15）及出水主通道（16），所述内胆（11）内壁径向设置有贯通轴向主通道的进、出水孔，并与所述气浮轴承组件（2）外圆的冷却水道相互连通；所述机体组件（1）的内胆（11）上的冷却水道均通过壳体（11）密封，所述机体组件（1）上的冷却水道与气浮轴承组件（2）上的冷却水道、推力轴承（44）上的冷却水道形成回路，组成水路冷却循环系统。

7.根据权利要求1所述的一种刀柄式气浮高速电主轴，其特征在于：所述定子（7）由一铁芯基体（62）、分别设于铁芯基体（62）两端的绝缘板（63）以及连接在绝缘板（63）两端的绕线部（64）组成，各绕线部（64）分别绕制有线圈；所述铁芯基体（62）由若干个等高的矽钢片迭压而成，所述绕线部（64）由若干等径的漆包线缠绕而成，所述绕线部（64）内嵌有热敏电阻。

8.根据权利要求1所述的一种刀柄式气浮高速电主轴，其特征在于：所述轴芯（53）用作转轴体并穿设于定子（7）内，轴芯（53）的外周壁中部设有用于嵌铜的嵌槽，所述嵌槽包括沿轴芯（53）轴向延伸的环形斜槽段（65）以及分别连通于该环形斜槽段（65）两端的短路环段（66），所述环形斜槽段（65）的截面呈半圆形，所述环形斜槽段（65）内嵌铜形成有铜段，短路环段（66）内嵌铜形成有短路环；所述铜段与所述定子（7）同轴线对齐。

9.根据权利要求1所述的一种刀柄式气浮高速电主轴，其特征在于：所述后座（3）外壁设有若干水接头，所述水接头包括进水接头（31）及出水接头（32），并分别与机体内胆（11）上的进水主通道（15）、出水主通道（16）相通，所述后座（3）侧面设有排气孔（33）、电源接头（34）及传感器接头（35），并分别与主轴机体组件（1）相对应的位置连接，所述后座（3）中腔与顶杆（25）接触位置内装有无油润滑衬套（40），可防止后座（3）与顶杆（25）进行机械干涉。

10.根据权利要求1所述的一种刀柄式气浮高速电主轴，其特征在于：所述壳体（10）前端内腔安装有推力轴承（44），所述轴芯（53）的前端形成有飞盘（54），所述飞盘（54）设于所述推力轴承（44）与所述前气浮轴承（42）法兰之间，所述推力轴承（44）靠近飞盘（54）的端面上设置有多个呈一定距离且均匀分布的排气孔，其背面设置有与所述排气孔连通的环形气槽，所述环形气槽与所述进气主通道（14）相通，所述排气孔内轴向设置有阻尼塞（52），所述阻尼塞（52）外侧朝向所述轴芯（53）飞盘（54）。

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