CN111842942A - 一种气浮主轴和机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气浮主轴和机床，气浮主轴包括机体，设有轴孔和气流通道；轴芯，穿置于轴孔，轴芯设有止推飞盘；气体静压轴承，包括第一气体静压轴承、第二气体静压轴承和止推轴承，第一气体静压轴承、第二气体静压轴承均设在轴孔中，第一气体静压轴承、第二气体静压轴承均与轴芯的外圆支承面配合，止推轴承与止推飞盘配合，第一气体静压轴承、第二气体静压轴承和止推轴承均具有与气流通道接通的进气孔；气体动压轴承，设在轴孔中，且位于第一气体静压轴承、第二气体静压轴承之间，气体动压轴承与轴芯的外圆支承面配合。同时使用气体动压轴承和气体静压轴承，能保证主轴保持高转速的同时，增大主轴的径向承载能力，提高产品性能，降低加工难度。

Description

一种气浮主轴和机床

技术领域

本发明用于机床领域，特别是涉及一种气浮主轴和机床。

背景技术

气浮主轴由于其低损耗、摩擦小的特点和误差均化现象，可在高转速下进行高光加工等高精度加工。但是相比滚珠支承或液压支承的主轴，大多数气浮主轴存在承载力小和刚度不足等问题，一般通过增大气浮轴承尺寸来增大承载力，这会极大地增大零件的加工难度和成本，同时主轴的极限转速也会降低；另外对于电机后置的主轴，可通过使用全支承气体静压轴承来增大承载力，同样地，由于全支承气体静压轴承的长度较长，其加工难度也相对较大。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种气浮主轴和机床，同时使用气体动压轴承和气体静压轴承，能保证主轴保持高转速的同时，增大主轴的径向承载能力，提高产品性能，降低加工难度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一方面，一种气浮主轴，包括：

机体，设有轴孔和气流通道；

轴芯，穿置于所述轴孔，所述轴芯设有止推飞盘；

气体静压轴承，包括第一气体静压轴承、第二气体静压轴承和止推轴承，所述第一气体静压轴承、第二气体静压轴承均设在所述轴孔中，所述第一气体静压轴承、第二气体静压轴承均与所述轴芯的外圆支承面配合，所述止推轴承与所述止推飞盘配合，所述第一气体静压轴承、第二气体静压轴承和止推轴承均具有与所述气流通道接通的进气孔；

气体动压轴承，设在所述轴孔中，且位于所述第一气体静压轴承、第二气体静压轴承之间，所述气体动压轴承与所述轴芯的外圆支承面配合。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述机体上设有槽，所述槽于所述机体上形成用于将所述气体动压轴承放入所述轴孔的缺口，所述轴孔包括位于所述缺口两侧的第一轴孔和第二轴孔，所述第一气体静压轴承位于所述第一轴孔中，所述第二气体静压轴承位于所述第二轴孔中。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述轴芯具有等外径的外圆支承面。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述第一气体静压轴承与所述气体动压轴承之间具有第一排气间隙，所述第二气体静压轴承与所述气体动压轴承之间具有第二排气间隙。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，还包括：

电机组件，位于所述轴芯的一端。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述电机组件包括定子和转子，所述定子位于所述第一轴孔内，所述定子与所述机体连接，所述转子与所述轴芯连接。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述止推飞盘位于所述轴芯远离所述电机组件的一端，所述轴芯在所述止推飞盘的外侧形成动力输出端。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述机体于所述第一轴孔和/或所述第二轴孔外侧设有冷却水套。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述轴孔于所述第一气体静压轴承和所述气体动压轴承之间的位置设有台阶面，所述气体动压轴承外侧设有检测装置。

第二方面，一种机床，包括第一方面中任一实现方式所述的气浮主轴。

上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：摒弃了现有技术中采用全支承气体静压轴承的结构形式，通过使用双轴承结构，将气体动压轴承和气体静压轴承同时应用于主轴中，不但保持了简单的主轴结构，不增加零件加工难度，而且，能保证主轴保持高转速的同时，增大了主轴的径向承载能力，提高了产品性能，提高了主轴稳定性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例结构剖面图；

图2是图1中A处局部放大图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参见图1，本发明的实施例提供了一种气浮主轴，包括机体1、轴芯2、气体静压轴承和气体动压轴承3，机体1是装配主轴的载体，机体1设有轴孔，轴芯2穿置于轴孔，轴芯2具有外圆支承面，外圆支承面即与轴承配合的外圆面，轴芯2设有止推飞盘21，外圆支承面和止推飞盘21用于轴芯2的径向和周向定位和支撑。

参见图1，气体静压轴承包括第一气体静压轴承41、第二气体静压轴承42和止推轴承43，第一气体静压轴承41、第二气体静压轴承42均设在轴孔中，并与机体1固定连接，第一气体静压轴承41、第二气体静压轴承42均与轴芯2的外圆支承面配合，第一气体静压轴承41、第二气体静压轴承42均与轴芯2的外圆支承面之间形成气膜间隙，止推轴承43与止推飞盘21配合，止推轴承43与止推飞盘21之间形成气膜间隙。其中，机体1设有气流通道(图中未示出)，第一气体静压轴承41、第二气体静压轴承42和止推轴承43均具有与气流通道接通的进气孔44。通过外部供气，气体通过气流通道进入第一气体静压轴承41、第二气体静压轴承42和止推轴承43，并由进气孔44流出，从而在轴芯2与第一气体静压轴承41、第二气体静压轴承42和止推轴承43之间形成压力气膜，支承轴芯2处于悬浮状态。

其中，止推轴承43可以位于止推飞盘21的一侧或两侧，例如在图1所示的实施例中，止推轴承43沿轴向位于止推飞盘21的外侧，止推飞盘21的内侧与第二气体静压轴承42配合形成气膜间隙，即在图1所示的实施例中，止推轴承43和第二气体静压轴承42共同与止推飞盘21配合，以提供轴向的支撑、限位。

参见图1，气体动压轴承3设在轴孔中，且位于第一气体静压轴承41、第二气体静压轴承42之间，气体动压轴承3与轴芯2的外圆支承面配合，当轴芯2进行高速旋转时，轴芯2与气体动压轴承3间形成的流体动力楔，对轴芯2产生额外的支承力。

轴芯2通过气体静压轴承和气体动压轴承3支承于机体1，轴芯2能够在电机或其他驱动部件的驱动下进行高速旋转。

本发明的实施例摒弃了现有技术中采用全支承气体静压轴承的结构形式，通过使用双轴承结构，将气体动压轴承3和气体静压轴承同时应用于主轴中，不但保持了简单的主轴结构，不增加零件加工难度，而且，能保证主轴保持高转速的同时，增大了主轴的径向承载能力，提高了产品性能，提高了主轴稳定性。

第一气体静压轴承41、气体动压轴承3和第二气体静压轴承42沿轴芯2的轴向依次套接在轴芯2的外圆支承面，安装时可将第一气体静压轴承41、气体动压轴承3和第二气体静压轴承42依次装入轴孔，然后将轴芯2穿过各轴承。

为了便于安装和更换气体动压轴承3，在一些实施例中，参见图1，机体1上设有槽11，槽11于机体1上形成用于将气体动压轴承3放入轴孔的缺口。换言之，槽11将轴孔在气体动压轴承3放入的位置剖开，槽11垂直于轴芯轴线的截面形状为半圆形或大半圆形。轴孔包括位于缺口两侧的第一轴孔和第二轴孔，第一气体静压轴承41位于第一轴孔中，第二气体静压轴承42位于第二轴孔中。安装时，先将第一气体静压轴承41、第二气体静压轴承42安装于槽11两侧的轴孔中，在固定于机体1前需要进行同轴度校正，当校正完成后，即可在不拆装第一气体静压轴承41、第二气体静压轴承42的情况下进行气体动压轴承3的拆装，并保证了第一气体静压轴承41、第二气体静压轴承42的同轴度。

进一步的，在一些实施例中，参见图1、图2，气体动压轴承3外侧设有传感器等检测装置(图中未示出)，用于对承载力、气膜厚度等参数进行动态检测，研究动压箔片轴承在高转速情况下的动态特性。即通过对气体动压轴承3的安装方式进行改装后，可用于试验中进气体动压轴承3的动态特性研究，使本发明的用途更加广泛。

轴芯2可采用等外径或非等外径的外圆支承面，例如在图1所示的实施例中，轴芯2具有等外径的外圆支承面，即该实施例中，轴芯2采用支承面全段等外径设计，结构简单，加工难度小，而且在穿过各轴承时，也不会发生干涉。

参见图2，第一气体静压轴承41与气体动压轴承3之间具有第一排气间隙51，第二气体静压轴承42与气体动压轴承3之间具有第二排气间隙52，即第一气体静压轴承41、第二气体静压轴承42与气体动压轴承3之间留有0.5mm或其它厚度的排气间隙，通入第一气体静压轴承41、第二气体静压轴承42的高压气均从此排气间隙中排出，排出的高压气体能阻挡外部灰尘经机体1组件的开槽11进入主轴内部。而且，第一气体静压轴承41、第二气体静压轴承42段长较短且无设置排气槽11，最大化利用支承面面积，令轴承刚度最优，使主轴运转更稳定。

在一些实施例中，参见图1，气浮主轴还包括电机组件，电机组件与轴芯2连接，形成气浮电主轴。同时，电机组件位于轴芯2的一端，采用电机后置结构，即气浮位非分别设置在电机两侧的结构，现有技术中一般使用此结构的主轴采用的是全支承气体静压轴承，此类轴承的特点在于轴承内孔的圆柱度极高，因此使用此轴承的主轴的径向承载力会比使用上、下分体式轴承的主轴大10％～20％，但缺点在于此类轴承内孔段长较长，加工难度极大，且轴承段间需要设有排气槽，反而减小了支承面的面积。本发明的实施例通过在主轴里同时使用气体动压轴承3和气体静压轴承，能增大主轴的径向承载能力，将主轴的径向承载能力提高20％～30％，并且第一气体静压轴承41、第二气体静压轴承42段长较短且无设置排气槽，最大化利用支承面面积，令轴承刚度最优，使主轴运转更稳定，保持主轴能高转速运转，同时，也大大降低了气浮轴承加工难度。

电机组件可独立于机体1和/或轴芯2，或者与机体1和/或轴芯2相结合，例如在图1所示的实施例中，电机组件包括定子61和转子62，定子61位于第一轴孔内，定子61与机体1连接，转子62位于轴芯2的一端，转子62与轴芯2连接，轴芯2随转子62在轴孔中高速旋转。即通过将电机组件与机体1和轴芯2相结合，简化了气浮电主轴的结构，使结构更加紧凑。

进一步的，参见图1，止推飞盘21位于轴芯2远离电机组件的一端，轴芯2在止推飞盘21的外侧形成动力输出端，气浮主轴在安装时，先将定子61安装于第一轴孔的一端，在轴芯2上安装转子62，将第一气体静压轴承41、第二气体静压轴承42安装于槽11两侧的轴孔中，进行同轴度校正，然后将气体动压轴承3通过槽11放入轴孔中，将轴芯2穿置于轴孔中的各轴承，整个安装过程简单便捷。

更进一步的，参见图1，机体1于第一轴孔和/或第二轴孔外侧设有冷却水套12。冷却水套12和/或机体1上设置用于通水的水槽，机体1和冷却水套12共同形成密闭循环的结构。冷却液从连接块14进入，冷却液在机体1与冷却水套间的水槽流动提供冷却作用。冷却液依次对电机组件、第一气体静压轴承41、第二气体静压轴承42进行冷却，最终排出，实现电机和轴承的同步冷却，电主轴的工作温度更加可控，精度更高，电主轴的寿命更长。

参见图2，轴孔于第一气体静压轴承41和气体动压轴承3之间的位置设有台阶面13，即轴孔采用阶梯孔，第一气体静压轴承41的端部抵住台阶面13，进行轴向定位。

参见图1，在一些实施例中，为了方便冷却水、外部供气的引入，在机体1的一端设置连接块14，连接块14上设有水接头和气接头。

本发明的实施例还提供了一种机床，包括以上任一实施例中的气浮主轴。气浮主轴的轴芯2与机床的刀具连接，将电机等驱动部件的动力传递至刀具，气浮主轴由于其低损耗、摩擦小的特点和误差均化现象，可在高转速下进行高光加工等高精度加工。本发明的实施例同时使用气体动压轴承3与气体静压轴承的气浮高速电主轴，在实现高转速运转的基础上，增大主轴的承载能力，降低气体轴承的加工难度。

在本说明书的描述中，参考术语“示例”、“实施例”或“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种气浮主轴，其特征在于，包括：

机体，设有轴孔和气流通道；

轴芯，穿置于所述轴孔，所述轴芯设有止推飞盘；

气体静压轴承，包括第一气体静压轴承、第二气体静压轴承和止推轴承，所述第一气体静压轴承、第二气体静压轴承均设在所述轴孔中，所述第一气体静压轴承、第二气体静压轴承均与所述轴芯的外圆支承面配合，所述止推轴承与所述止推飞盘配合，所述第一气体静压轴承、第二气体静压轴承和止推轴承均具有与所述气流通道接通的进气孔；

气体动压轴承，设在所述轴孔中，且位于所述第一气体静压轴承、第二气体静压轴承之间，所述气体动压轴承与所述轴芯的外圆支承面配合。

2.根据权利要求1所述的气浮主轴，其特征在于，所述机体上设有槽，所述槽于所述机体上形成用于将所述气体动压轴承放入所述轴孔的缺口，所述轴孔包括位于所述缺口两侧的第一轴孔和第二轴孔，所述第一气体静压轴承位于所述第一轴孔中，所述第二气体静压轴承位于所述第二轴孔中。

3.根据权利要求2所述的气浮主轴，其特征在于，所述轴芯具有等外径的外圆支承面。

4.根据权利要求2所述的气浮主轴，其特征在于，所述第一气体静压轴承与所述气体动压轴承之间具有第一排气间隙，所述第二气体静压轴承与所述气体动压轴承之间具有第二排气间隙。

5.根据权利要求2所述的气浮主轴，其特征在于，还包括：

电机组件，位于所述轴芯的一端。

6.根据权利要求5所述的气浮主轴，其特征在于，所述电机组件包括定子和转子，所述定子位于所述第一轴孔内，所述定子与所述机体连接，所述转子与所述轴芯连接。

7.根据权利要求5所述的气浮主轴，其特征在于，所述止推飞盘位于所述轴芯远离所述电机组件的一端，所述轴芯在所述止推飞盘的外侧形成动力输出端。

8.根据权利要求2～7中任一项所述的气浮主轴，其特征在于，所述机体于所述第一轴孔和/或所述第二轴孔外侧设有冷却水套。

9.根据权利要求1～7中任一项所述的气浮主轴，其特征在于，所述轴孔于所述第一气体静压轴承和所述气体动压轴承之间的位置设有台阶面，所述气体动压轴承外侧设有检测装置。

10.一种机床，其特征在于，包括权利要求1～9中任一项所述的气浮主轴。

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