CN112059902A - 一种气浮电主轴和磨削机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气浮电主轴和磨削机床，包括：机体，设有轴孔；轴芯，穿置于轴孔，轴芯上设有止推飞盘；电机组件，用于驱动轴芯转动；气浮轴承，设在轴孔中，并与轴芯的外圆支承面配合；止推轴承，包括前止推轴承和后止推轴承，前止推轴承与止推飞盘的前表面配合，后止推轴承与止推飞盘的后表面配合；进气通道，包括主进气通道，主进气通道分出分支进气通道，分支进气通道包括第一分支进气通道和第二分支进气通道，第一分支进气通道接入前止推轴承，第二分支进气通道接入后止推轴承，第一分支进气通道和第二分支进气通道的孔径为0.8～1.0mm。可有效避免止推轴承产生气振，大幅提升主轴刚性和动态回转精度。

Description

一种气浮电主轴和磨削机床

技术领域

本发明用于电主轴领域，特别是涉及一种气浮电主轴和磨削机床。

背景技术

现代制造业正在向着高速、高精度、高效率的方向发展，而高速电主轴作为高性能机床的“心脏”，是实现上述功能的最重要保证。相比滚珠轴承，由于作为润滑介质的空气粘度很小，因此空气静压轴承具有摩擦磨损小、发热少、耐高低温和寿命长等优点，同时气膜的误差均化效应使得其具有非常高的回转精度，这些优点可以使得空气静压电主轴能够达到很高的运转速度和旋转精度，从而具备实现高速和高精度切削的条件。

高刚性气浮主轴普遍存在一个技术难点：止推轴承易产生静态气振(或气锤振动)，给主轴刚性提升带来很大的困扰，至今没有有效的解决方案。

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，提供一种气浮电主轴和磨削机床，可有效避免止推轴承产生气振，大幅提升主轴刚性和动态回转精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一方面，一种气浮电主轴，包括：

机体，设有轴孔；

轴芯，穿置于所述轴孔，所述轴芯上设有止推飞盘；

电机组件，用于驱动所述轴芯转动；

气浮轴承，设在所述轴孔中，并与所述轴芯的外圆支承面配合；

止推轴承，包括前止推轴承和后止推轴承，所述前止推轴承与所述止推飞盘的前表面配合，所述后止推轴承与所述止推飞盘的后表面配合；

进气通道，包括主进气通道，所述主进气通道分出分支进气通道，所述分支进气通道包括第一分支进气通道和第二分支进气通道，所述第一分支进气通道接入所述前止推轴承，所述第二分支进气通道接入所述后止推轴承，所述第一分支进气通道和第二分支进气通道的孔径为0.8～1.0mm。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，多个所述第一分支进气通道沿前止推轴承的周向分布，各所述第一分支进气通道均沿所述前止推轴承的轴向延伸，并在所述前止推轴承的后表面上形成出气口；多个所述第二分支进气通道沿后止推轴承的周向分布，各所述第二分支进气通道沿所述后止推轴承的轴向延伸，并在所述后止推轴承的前表面上形成出气口。

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，所述电机组件采用永磁同步电机。

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，所述转子与所述轴芯连接，所述定子与所述机体连接，所述定子的内圆面上设有斜槽，多个所述斜槽沿定子内圆面的周向分布，所述斜槽沿转子轴线延伸，并与转子轴线互成夹角。

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，所述轴芯的输出端连接磨轮。

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，所述轴芯的输出端设有外锥面，所述磨轮具有与所述外锥面配合的内锥孔，所述磨轮套接于所述轴芯的输出端，并通过轴向锁紧结构锁紧。

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，所述轴芯的输出端的端面上设有螺纹孔，所述磨轮在所述内锥孔的孔底设有螺钉孔，所述磨轮通过连接于所述螺纹孔的螺钉锁紧。

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，所述内锥孔和螺纹孔均与所述轴芯的轴线重合，所述轴芯于螺纹孔的外侧设有同轴定位孔，所述螺钉具有与所述同轴定位孔配合的同轴定位段。

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，所述磨轮的前端设有盲孔，所述螺钉位于所述盲孔中。

第二方面，一种磨削机床，包括第一方面中任一实现方式所述的气浮电主轴。

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：为了解决静态气振给主轴刚性提升带来的困扰，本发明的实施例经过多次实验最终确定分支进气截面直径0.8～1.0mm范围时，可以使止推轴承的止推方向频率避开轴系频率，有效避免止推轴承产生气振，该实验结论已在多款气浮主轴做过验证有效，具有公开推广意义。本方案实施后主轴刚性大幅提升，主轴动态回转精度达到0.05μm内，加工数据达到国外同类水平。

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是本发明气浮电主轴的一个实施例结构示意图；

图2是图1中A处局部放大图；

图3是图1所示的一个实施例电机组件的定子结构示意图；

图4是不同分支进气通道孔径对应的止推方向频率f1与轴系频率f2曲线图。

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。

其中，图1和图2给出了本发明实施例的参考方向坐标系，以下结合图1和图2所示的方向，对本发明的实施例进行说明。

参见图1，本发明的实施例提供了一种气浮电主轴，包括机体1、轴芯2、电机组件7、气浮轴承3、止推轴承4和进气通道6，机体1是装配主轴的载体，设置有冷却轴向水道。机体1设有轴孔，前端通过螺钉固定气浮轴承3部件，后端内孔配装电机组件7，后端通过螺钉连接后盖。部件轴芯2穿置于轴孔，轴芯2上设有止推飞盘21。气浮轴承3设在轴孔中，并与轴芯2的外圆支承面配合。止推轴承4包括前止推轴承41和后止推轴承42，前止推轴承41与止推飞盘21的前表面配合，后止推轴承42与止推飞盘21的后表面配合，前止推轴承41和后止推轴承42通过间隙板43调整与止推飞盘21的间距，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。前止推轴承41的外侧设有防护盖5。

参见图1、图2，进气通道6包括主进气通道61，主进气通道61可设置一个或多个，主进气通道61分出分支进气通道6，分支进气通道6包括第一分支进气通道62和第二分支进气通道63，第一分支进气通道62接入前止推轴承41，以在前止推轴承41和止推飞盘21之间形成气膜间隙。对应的，第二分支进气通道63接入后止推轴承42，以在前止推轴承41和止推飞盘21之间形成气膜间隙。

以某一实施例的工作过程进行说明，气浮轴承3及止推轴承4支撑轴芯2悬浮状态，再连接主轴和冷却设备进出水管，最后接通变频驱动器和主轴电机连线，电机驱动轴芯2高速运转。

为了解决静态气振给主轴刚性提升带来的困扰，本发明的实施例经过多次实验最终确定第一分支进气通道62和第二分支进气通道63的孔径为0.8～1.0mm，参见图4，当分支进气截面直径0.8～1.0mm范围时，可以使止推轴承4的止推方向频率避开轴系频率，有效避免止推轴承4产生气振，解决高刚性止推轴承4易产生静态气振的问题，该实验结论已在多款气浮主轴做过验证有效，具有公开推广意义。本方案实施后主轴刚性大幅提升，主轴动态回转精度达到0.05μm内，加工数据达到国外同类水平。

参见图2，多个第一分支进气通道62沿前止推轴承41的周向分布，各第一分支进气通道62均沿前止推轴承41的轴向延伸，并在前止推轴承41的后表面上形成出气口，以在止推飞盘21的前侧形成均匀的气膜间隙；多个第二分支进气通道63沿后止推轴承42的周向分布，各第二分支进气通道63沿后止推轴承42的轴向延伸，并在后止推轴承42的前表面上形成出气口，以在止推飞盘21的后侧形成均匀的气膜间隙。

电机组件7用于驱动轴芯2高速转动，在一些实施例中，电机组件7采用永磁同步电机，和异步电机相比，永磁同步电机具有损耗小，转子无电流产生温升更低，有利于主轴获得更好回转精度，功率因数高，效率高同尺寸电机可输出更大功率，还有更好动态响应特性及运转平稳性，主轴电机驱动精度大幅提升，有利于加工品质提高。

进一步地，参见图1、图3，电机组件7包括定子71和转子72，转子72与轴芯2连接，定子71与机体1连接，定子71的内圆面上设有斜槽73，多个斜槽73沿定子71内圆面的周向分布，斜槽73沿转子72轴线延伸，并与转子72轴线互成夹角。通过采用铁芯斜槽73技术，改变齿槽振动频率，避开对主轴转速范围内影响。削弱定子71高频谐波振动，有效解决电机齿槽振动对主轴振动的影响，实现主轴全转速范围内无振动峰值，高速性能更稳定，振动更小。

在一些实施例中，参见图1、图2，轴芯2的输出端连接磨轮8，形成气浮磨削电主轴，可以用于例如核心零部件喷油嘴内孔及内锥孔的磨削加工，超硬材料抛光磨削，实现更高表面质量、形状及尺寸精度，具有高刚性、低振动、低伸长量的性能特点。

磨轮8安装不良造成主轴振动偏大、加工品质不良是行业普遍存在现象，参见图2，轴芯2的输出端设有外锥面22，磨轮8具有与外锥面22配合的内锥孔，内锥孔和外锥面22的锥度可采用小角度长锥(1:20锥度)，磨轮8套接于轴芯2的输出端，并通过轴向锁紧结构锁紧，内锥孔与外锥面22相互配合，自动实现定心，并确保重复装配精度1μm内。该实施例创新采用更换刀具自定心锁紧结构，有效降低磨轮8安装产生的质量偏心，不需要再平衡校正，实现更高的回转精度和低振动性能特点，加工品质显著提升。

轴向锁紧结构可采用卡扣、螺钉、拉钉等，例如在一些实施例中，参见图2，轴芯2的输出端的端面上设有螺纹孔，磨轮8在内锥孔的孔底设有螺钉孔，磨轮8通过连接于螺纹孔的螺钉9锁紧。螺纹锁紧，确保螺纹锁紧力直线传递给刀具，达到锁紧目的，也不影响刀具装配精度，实现加工品质提升和主轴低振动。

其中，内锥孔和螺纹孔均与轴芯2的轴线重合，轴芯2于螺纹孔的外侧设有同轴定位孔23，螺钉9具有与同轴定位孔23配合的同轴定位段91。同轴定位孔23与同轴定位段91相互配合，实现锁紧，达到锁紧目的的同时，也不影响刀具装配精度，实现加工品质提升和主轴低振动。

为了避免螺钉影响磨轮8磨削，也避免螺钉在磨削中受损，磨轮8的前端设有盲孔81，螺钉位于盲孔中，进行隐藏。

一种磨削机床，包括以上任一实施例的气浮电主轴。能够实现更高加工精度，更高效率加工，满足市场新的需求。

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，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种气浮电主轴，其特征在于，包括：

机体，设有轴孔；

轴芯，穿置于所述轴孔，所述轴芯上设有止推飞盘；

电机组件，用于驱动所述轴芯转动；

气浮轴承，设在所述轴孔中，并与所述轴芯的外圆支承面配合；

止推轴承，包括前止推轴承和后止推轴承，所述前止推轴承与所述止推飞盘的前表面配合，所述后止推轴承与所述止推飞盘的后表面配合；

进气通道，包括主进气通道，所述主进气通道分出分支进气通道，所述分支进气通道包括第一分支进气通道和第二分支进气通道，所述第一分支进气通道接入所述前止推轴承，所述第二分支进气通道接入所述后止推轴承，所述第一分支进气通道和第二分支进气通道的孔径为0.8～1.0mm。

2.根据权利要求1所述的气浮电主轴，其特征在于，多个所述第一分支进气通道沿前止推轴承的周向分布，各所述第一分支进气通道均沿所述前止推轴承的轴向延伸，并在所述前止推轴承的后表面上形成出气口；多个所述第二分支进气通道沿后止推轴承的周向分布，各所述第二分支进气通道沿所述后止推轴承的轴向延伸，并在所述后止推轴承的前表面上形成出气口。

3.根据权利要求1所述的气浮电主轴，其特征在于，所述电机组件采用永磁同步电机。

4.根据权利要求3所述的气浮电主轴，其特征在于，所述电机组件包括定子和转子，所述转子与所述轴芯连接，所述定子与所述机体连接，所述定子的内圆面上设有斜槽，多个所述斜槽沿定子内圆面的周向分布，所述斜槽沿转子轴线延伸，并与转子轴线互成夹角。

5.根据权利要求1所述的气浮电主轴，其特征在于，所述轴芯的输出端连接磨轮。

6.根据权利要求5所述的气浮电主轴，其特征在于，所述轴芯的输出端设有外锥面，所述磨轮具有与所述外锥面配合的内锥孔，所述磨轮套接于所述轴芯的输出端，并通过轴向锁紧结构锁紧。

7.根据权利要求6所述的气浮电主轴，其特征在于，所述轴芯的输出端的端面上设有螺纹孔，所述磨轮在所述内锥孔的孔底设有螺钉孔，所述磨轮通过连接于所述螺纹孔的螺钉锁紧。

8.根据权利要求7所述的气浮电主轴，其特征在于，所述内锥孔和螺纹孔均与所述轴芯的轴线重合，所述轴芯于螺纹孔的外侧设有同轴定位孔，所述螺钉具有与所述同轴定位孔配合的同轴定位段。

9.根据权利要求7所述的气浮电主轴，其特征在于，所述磨轮的前端设有盲孔，所述螺钉位于所述盲孔中。

10.一种磨削机床，其特征在于，包括权利要求1～9中任一项所述的气浮电主轴。

Images