CN114273685B - 一种气浮轴承及气浮轴承支承的高压气浮电主轴 - Google Patents

Abstract

一种气浮轴承及气浮轴承支承的高压气浮电主轴，它涉及机械加工领域。本发明解决了现有气浮轴承的周向均压槽结构在提高轴承的承载力时存在不能有效地将高压承载区域沿轴向扩展，不能够适用于轴向长度较大的气浮轴承的问题。本发明的轴承主体上沿轴向由前至后依次加工有n排径向供气孔组，每排径向供气孔组中的m个径向供气孔沿圆周方向均布在轴承主体上，所有径向供气孔均沿径向贯通轴承主体，轴承主体外表面沿轴向由前至后依次加工有n排环形连通槽，每排环形连通槽将与对应径向供气孔组中的m个径向供气孔连通，轴承主体内表面沿圆周方向均匀开设m个轴向均压槽，每轴向均压槽从轴承主体内表面将n排径向供气孔组中与其对应的m个径向供气孔沿轴向连通。本发明在切削作业过程中可以增大切屑力，加工硬度更高的材料。

Description

一种气浮轴承及气浮轴承支承的高压气浮电主轴

技术领域

本发明涉及机械加工领域，具体涉及一种气浮轴承及气浮轴承支承的高压气浮电主轴。

背景技术

随着静压气体润滑技术的不断完善，其用途越来越广，采用静压气体润滑的气浮轴承及气浮电主轴被广泛应用于数控机床，对各种零部进行精密和超精密的加工处理。这类气浮电主轴利用外部气源供压，在转轴和轴承间产生高速气流，形成承载气膜，并以此为润滑实现转轴的高速转动，具有速度高、精密度高、摩擦损耗小、耐高温、无污染等优点。

但是，现有的静压气浮轴承及气浮电主轴往往出现径向承载力不足的问题。增加供气压力是提高主轴径向承载力和刚度的有效方法，但是当供气压力过高时，气体流速加快，从亚音速跨越到超音速，使轴承产生激波甚至负压等现象，降低轴承的承载力和刚度，直接导致气浮电主轴在作业过程中径向承载力不足的问题，目前气浮电主轴的供气压力通常设置在0.4～0.6MPa之间，气浮轴承无法通过进一步提高供气压力来获得更大的径向负重，这在很大程度上限制了气浮轴承及气浮电主轴优点的发挥。

将静压气浮轴承内壁开设微通槽，并与轴承的供气孔连通而组成的新型微槽孔结构，是近年来提高静压气浮轴承承载力的重要方法，也是改善高供气压力下气浮轴承性能的有效手段，对于提高气浮电主轴加工时的供气压力、进而提升切削力和工作效率，扩展气浮主轴的应用范围有很大的借鉴意义。现有空气静压轴承电主轴存在供气压力偏低、径向负重不足的问题。

基于以上所述，公开号为CN104551028A、公开日为2015年04月29日的发明专利公开了一种气浮轴承及气浮高速高光电主轴，该气浮轴承内壁的前、后端内环形连通槽按照周向布局，能够在一定程度上提高轴承的承载力，虽然周向均压槽在圆周方向均压效果较好，但是不能有效地将高压承载区域沿轴向扩展，当气浮轴承的轴向长度较大时，对轴向压力的均压作用有限；而且周向均压槽的结构若想继续通过均压槽增加承载力，只能增加与之相连的供气孔的排数，这将造成较大的耗气量和资源的浪费。综上，现有气浮轴承的周向均压槽结构在提高轴承的承载力时存在不能有效地将高压承载区域沿轴向扩展，不能够适用于轴向长度较大的气浮轴承的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有气浮轴承的周向均压槽结构在提高轴承的承载力时存在不能有效地将高压承载区域沿轴向扩展，不能够适用于轴向长度较大的气浮轴承的问题，进而提供一种气浮轴承及气浮轴承支承的高压气浮电主轴。

本发明的技术方案是：

一种气浮轴承，它包括圆筒状且两端无底的轴承主体21和2n个气浮轴承轴向密封圈27，轴承主体21的一端加工有法兰盘，所述法兰盘上沿轴向加工有第一过渡气路通道，轴承主体21上沿轴向由前至后依次加工有n排径向供气孔组，每排径向供气孔组中的m个径向供气孔沿圆周方向均匀布置在轴承主体21上，每排径向供气孔组中的径向供气孔的数量均相等，且每前后相邻两排径向供气孔组中的m个径向供气孔均沿气浮轴承的轴向一一对应，所有径向供气孔均沿径向贯通轴承主体21，所述径向供气孔靠近轴承主体21的外表面一端为径向供气孔的进气口，所述径向供气孔靠近轴承主体21的内表面一端为径向供气孔的出气口；轴承主体21的外表面沿轴向由前至后依次加工有n排环形连通槽，n排环形连通槽分别与n排径向供气孔组一一对应，每排环形连通槽将与对应径向供气孔组中的m个径向供气孔连通；轴承主体21的内表面沿圆周方向均匀开设m个轴向均压槽26，所述轴向均压槽26沿轴向布置，m个轴向均压槽26分别与每排径向供气孔组中的m个径向供气孔的出气口一一对应，每个轴向均压槽26从轴承主体21的内表面将n排径向供气孔组中与其对应的m个径向供气孔沿轴向连通；轴承主体21的外表面的每排环形连通槽的前后两侧分别加工有一个环形密封槽，每个环形密封槽内安装气浮轴承轴向密封圈27，其中n大于等于2，m大于等于3，且n，m均为正整数。

一种气浮轴承支承的高压气浮电主轴，它包括机体1、前气浮轴承2、气浮推力轴承3、推力间隙环4、主轴5、定子6、后气浮轴承7、水路/气路组件8、气缸组件9和顶杆10，气浮推力轴承3、前气浮轴承2、定子6和后气浮轴承7由前至后依次安装在机体1内部，主轴5由前至后依次贯穿于推力轴承3、前气浮轴承2、定子6和后气浮轴承7，前气浮轴承2与气浮推力轴承3之间设有推力间隙环4，使前气浮轴承2的法兰盘前端与气浮推力轴承3的后端之间形成容置主轴5的主轴飞盘57的容置空间，水路/气路组件8安装在机体1的后端，水路/气路组件8包括水路/气路组件本体81，水路/气路组件本体81前端加工有供气接头83，供气接头83通过通气道84依次与后气浮轴承7的第一过渡气路通道和机体内套11的轴向气路主通道15连通，向前气浮轴承2、后气浮轴承7及气浮推力轴承3供气，气缸组件9安装在水路/气路组件8的后端，顶杆10与水路/气路组件8和气缸组件9配装并沿轴向插设在主轴5的内部，机体1呈圆筒状，机体1包括机体内套11，机体内套11内沿轴向加工有轴向气路主通道15，轴向气路主通道15前端通过n个径向气路通道分别与前气浮轴承2的n排环形连通槽连通，轴向气路主通道15后端通过n个径向气路通道分别与后气浮轴承7的n排环形连通槽连通，其中前气浮轴承2和后气浮轴承7均为具体实施方式三所述的气浮轴承，前气浮轴承2与后气浮轴承7的区别在于，前气浮轴承2前端的法兰盘上沿轴向加工有与多个前排径向供气孔22相连通的多个法兰盘端面供气孔29，法兰盘端面供气孔29的前端向主轴飞盘57的后侧面供气，使主轴飞盘57气浮，推力间隙环4上沿轴向加工有依次与前气浮轴承2的第一过渡气路通道和机体内套11的轴向气路主通道15相连通的第二过渡气路通道，气浮推力轴承3上加工有与推力间隙环4的第二过渡气路通道连通的径向气路通道31，气浮推力轴承3的前端加工有与径向气路通道31相连通的推力轴承气路环槽，气浮推力轴承3上沿轴向加工有与推力轴承气路环槽相连通的多个轴向供气孔32，轴向供气孔32的后端向主轴飞盘57的前侧面供气，使主轴飞盘57气浮。本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明所述的气浮轴承，是一种将静压气浮原理和微槽孔结构结合的气浮轴承，能有效提高气浮轴承在高供气压力下的承载力、刚度及稳定性，与一般的小孔节流气浮轴承相比，该气浮轴承可以在更高的供气压力下正常工作，并具有更大的径向负重；

2、本发明所述的气浮轴承支承的高压气浮电主轴通过静压气体润滑技术实现非接触式润滑，保证了高压气浮电主轴的转速可以达到60，000rpm，实现转轴的高速转动，并具有精密度高、摩擦损耗小、耐高温、无污染等优点，保证加工产品的精度。

3、由于本发明所述的气浮轴承支承的高压气浮电主轴采用了微槽孔静压气体轴承润滑技术，因此与一般的小孔节流气浮轴承支承的高压气浮电主轴相比，可以使高压气浮电主轴在供气压力达到0.9～1.5MPa时进行工作，并使高压气浮电主轴在高供气压力下的径向承载力和刚度提高70％以上，在一定程度上克服了空气静压轴承径向负重不足的瓶颈，取得了较好的负载效果。本发明所述的高压气浮电主轴，是一种采用上述气浮轴承，在高供气压力下对工件进行加工的电主轴，本发明可以在切削作业过程中增大切屑力、加工硬度更高的材料和提高工作效率，扩展了气浮主轴的应用范围。

4、由于本发明采用了微槽孔静压气体轴承润滑技术，在高供气压力时，高压气浮电主轴的振动等动态性能得到了保障，目前本发明的高压气浮电主轴在1.5MPa为供气压力，60，000rpm转速的测试条件下，振幅≤4μm，回转精度提高23％～30％，在加工作业中可以更好的保证加工精度，同时提高加工效率，降低成本。

5、在本发明所述的气浮轴承支承的高压气浮电主轴工作时，通过机体内套上的冷却循环通道对气浮轴承及电机部件进行冷却，带走电机热损耗和空气磨擦发热，保证主轴长期稳定工作。

6、本发明所述的气浮轴承支承的高压气浮电主轴利用气缸组件，配合复位弹簧和顶杆可实现自动更换各种所需刀具。

7、本发明所述的气浮轴承支承的高压气浮电主轴采用特种工艺在主轴基体中部直接安装铜鼠笼做为电机转子，使传动结构更合理、紧凑，同时比钢材实心转子功率损耗和转轴温升大大降低，也更有利于高速高负载下可靠工作。

附图说明

图1是本发明的微槽孔结构气浮轴承支承的高压气浮电主轴的剖面结构图；

图2是本发明的后气浮轴承7的剖面结构图；

图3是本发明的前气浮轴承2的剖面结构图；

图4是本发明的机体1的剖面结构图；

图5是本发明的机体内套11的侧视图；

图6是本发明的微槽孔结构气浮轴承支承的高压气浮电主轴前端的剖面结构图；

图7是本发明的主轴5的剖面结构图；

图8是本发明的定子6的剖面结构图；

图9是本发明的水路/气路组件8的剖面结构图；

图10是本发明的水路/气路组件8的侧视图；

图11是本发明的气缸组件9的剖面结构图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的一种气浮轴承，它包括圆筒状且两端无底的轴承主体21和2n个气浮轴承轴向密封圈27，轴承主体21的一端加工有法兰盘，所述法兰盘上沿轴向加工有第一过渡气路通道，轴承主体21上沿轴向由前至后依次加工有n排径向供气孔组，每排径向供气孔组中的m个径向供气孔沿圆周方向均匀布置在轴承主体21上，每排径向供气孔组中的径向供气孔的数量均相等，且每前后相邻两排径向供气孔组中的m个径向供气孔均沿气浮轴承的轴向一一对应，所有径向供气孔均沿径向贯通轴承主体21，所述径向供气孔靠近轴承主体21的外表面一端为径向供气孔的进气口，所述径向供气孔靠近轴承主体21的内表面一端为径向供气孔的出气口；轴承主体21的外表面沿轴向由前至后依次加工有n排环形连通槽，n排环形连通槽分别与n排径向供气孔组一一对应，每排环形连通槽将与对应径向供气孔组中的m个径向供气孔连通；轴承主体21的内表面沿圆周方向均匀开设m个轴向均压槽26，所述轴向均压槽26沿轴向布置，m个轴向均压槽26分别与每排径向供气孔组中的m个径向供气孔的出气口一一对应，每个轴向均压槽26从轴承主体21的内表面将n排径向供气孔组中与其对应的m个径向供气孔沿轴向连通；轴承主体21的外表面的每排环形连通槽的前后两侧分别加工有一个环形密封槽，每个环形密封槽内安装气浮轴承轴向密封圈27，其中n大于等于2，m大于等于3，且n，m均为正整数。

本实施方式的每排环形连通槽的前后两侧分别安装气浮轴承轴向密封圈27，使环形连通槽沿轴向被密封。本实施方式中，气浮轴承上的径向供气孔组和环形连通槽的数量均为两排，径向供气孔组和环形连通槽的数量也可以根据实际工况进行调整。

本实施方式中，气浮轴承上的每排径向供气孔组中的径向供气孔和轴向均压槽26的数量均为八个，径向供气孔和轴向均压槽26的数量也可以根据实际工况进行调整。

本实施方式中，气浮轴承轴向密封圈27的数量为四个，气浮轴承轴向密封圈27的数量也可以根据实际工况进行调整。

具体实施方式二：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的轴承主体21外表面上每前后相邻两排径向供气孔组之间加工有一个水路环槽28。如此设置，冷却水流经轴承主体21的水路环槽28实现冷却。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的所述气浮轴承采用双排供气，轴承主体21上沿轴向由前至后依次加工有前排径向供气孔组和后排径向供气孔组，前排径向供气孔组中的多个前排径向供气孔22沿圆周方向均匀布置在轴承主体21上，后排径向供气孔组中的多个后排径向供气孔23沿圆周方向均匀布置在轴承主体21上；在轴承主体21的外表面分别设置前排环形连通槽24和后排环形连通槽25，前排环形连通槽24的位置与前排径向供气孔22的进气口对应并将前排径向供气孔22连通，后排环形连通槽25的位置与后排径向供气孔23的进气口对应并将后排径向供气孔23连通。如此设置，通过前排径向供气孔22和后排径向供气孔23向均压槽26供气，使主轴飞盘57气浮。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

本实施方中，所述气浮轴承为一种气浮轴承20，包括圆筒状且两端无底的轴承主体21，轴承采用双排供气，在轴承主体21装配前排径向供气孔22和后排径向供气孔23，前排径向供气孔22和后排径向供气孔23的数量相同，位置沿轴承的轴向一一对应；前排径向供气孔22和后排径向供气孔23沿径向贯通轴承主体21，形成径向供气孔的进气口和出气口，进气口与轴承主体21的外表面连接，出气口与轴承主体21的内表面连接。

在轴承主体21的外表面分别设置前排环形连通槽24和后排环形连通槽25，前排环形连通槽24的位置与前排径向供气孔22的进气口对应并将前排径向供气孔22连通，后排环形连通槽25的位置与后排径向供气孔23的进气口对应并将后排径向供气孔23连通；前排环形连通槽24和后排环形连通槽25的前后两侧分别安装密封圈27，使前排环形连通槽24和后排环形连通槽25分别沿轴向被密封。

在轴承主体21内表面沿轴向开设轴向均压槽26，轴向均压槽26的位置与前排径向供气孔22和后排径向供气孔23的出气口对应，并从轴承主体21的内表面将前排径向供气孔22和后排径向供气孔23沿轴向连通，组成新型的微槽孔结构，以增大轴承的径向承载力和刚度；轴向均压槽26的两端可继续沿轴向向轴承主体前、后两端延伸，但不与轴承主体21的前、后两端面连通。

在轴承主体21外壁上，前排环形连通槽24与后排环形连通槽25之间设置起排热冷却作用的水路环槽28，使冷却水在槽内流动，起排热冷却作用。

具体实施方式四：结合图1至图11说明本实施方式，本实施方式的一种气浮轴承支承的高压气浮电主轴，它包括机体1、前气浮轴承2、气浮推力轴承3、推力间隙环4、主轴5、定子6、后气浮轴承7、水路/气路组件8、气缸组件9和顶杆10，气浮推力轴承3、前气浮轴承2、定子6和后气浮轴承7由前至后依次安装在机体1内部，主轴5由前至后依次贯穿于推力轴承3、前气浮轴承2、定子6和后气浮轴承7，前气浮轴承2与气浮推力轴承3之间设有推力间隙环4，使前气浮轴承2的法兰盘前端与气浮推力轴承3的后端之间形成容置主轴5的主轴飞盘57的容置空间，使主轴飞盘57在此容置空间中转动，水路/气路组件8安装在机体1的后端，水路/气路组件8包括水路/气路组件本体81，水路/气路组件本体81前端加工有供气接头83，供气接头83通过通气道84依次与后气浮轴承7的第一过渡气路通道和机体内套11的轴向气路主通道15连通，向前气浮轴承2、后气浮轴承7及气浮推力轴承3供气，气缸组件9安装在水路/气路组件8的后端，顶杆10与水路/气路组件8和气缸组件9配装并沿轴向插设在主轴5的内部，机体1呈圆筒状，机体1包括机体内套11，机体内套11内沿轴向加工有轴向气路主通道15，轴向气路主通道15前端通过n个径向气路通道分别与前气浮轴承2的n排环形连通槽连通，轴向气路主通道15后端通过n个径向气路通道分别与后气浮轴承7的n排环形连通槽连通，其中前气浮轴承2和后气浮轴承7均为具体实施方式三所述的气浮轴承，前气浮轴承2与后气浮轴承7的区别在于，前气浮轴承2前端的法兰盘上沿轴向加工有与多个前排径向供气孔22相连通的多个法兰盘端面供气孔29，法兰盘端面供气孔29的前端向主轴飞盘57的后侧面供气，使主轴飞盘57气浮，推力间隙环4上沿轴向加工有依次与前气浮轴承2的第一过渡气路通道和机体内套11的轴向气路主通道15相连通的第二过渡气路通道，气浮推力轴承3上加工有与推力间隙环4的第二过渡气路通道连通的径向气路通道31，气浮推力轴承3的前端加工有与径向气路通道31相连通的推力轴承气路环槽，气浮推力轴承3上沿轴向加工有与推力轴承气路环槽相连通的多个轴向供气孔32，轴向供气孔32的后端向主轴飞盘57的前侧面供气，使主轴飞盘57气浮。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1、图4和图5说明本实施方式，本实施方式的机体1还包括机体外套12和两个水路槽密封圈14，机体内套11插设在机体外套12内部，机体内套11与机体外套12之间为过盈配合，机体内套11的外壁加工有供冷却水流通的螺旋状水路槽13，螺旋状水路槽13的两端安装有水路槽密封圈14，螺旋状水路槽13分别通过机体内套11内部的连接管路与前气浮轴承2的水路环槽28和后气浮轴承7的水路环槽28接通。如此设置，冷却水通过螺旋状水路槽13分别流向前气浮轴承2的水路环槽28和后气浮轴承7的水路环槽28，用于实现对前气浮轴承2和后气浮轴承7的有效冷却。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1和图6说明本实施方式，本实施方式的气浮推力轴承3包括一号气路密封圈33、二号气路密封圈34、堵塞螺丝35、紧固螺丝36、防尘罩37和防尘环38，前气浮轴承2的第一过渡气路通道的前端及后端分别通过一号气路密封圈33与推力间隙环4及机体内套11密封连接，径向气路通道31的一端通过二号气路密封圈34与推力间隙环4密封连接，径向气路通道31的另一端安装有堵塞螺丝35，气浮推力轴承3、推力间隙环4和前气浮轴承2由前至后依次通过紧固螺丝36与机体内套11固定连接，气浮推力轴承3的最前端安装有防尘罩37，气浮推力轴承3和防尘罩37与主轴5之间安装有防尘环38。如此设置，气浮推力轴承3通过轴向供气孔32向主轴飞盘57的前侧面供气，使主轴飞盘57气浮。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1和图7说明本实施方式，本实施方式的主轴5包括主轴基体51、主轴轴芯52、主轴缸套53、夹头54、夹头镶杆55、圈式弹片56、主轴飞盘57和铜鼠笼58，主轴基体51呈圆筒状且两端无底，主轴轴芯52的外壁与主轴基体51的内壁之间套设有主轴缸套53，夹头54插设在主轴轴芯52的最前端，主轴轴芯52与夹头54分别与夹头镶杆55沿轴向螺旋连接，主轴基体51前端内部设置轴向阶梯空间，在阶梯空间内由前至后依次安装有圈式弹片56和主轴轴芯52，主轴基体51前端加工有主轴飞盘57，主轴基体51中部外表面装有铜鼠笼58做为电机转子。如此设置，在主轴基体51中部直接安装铜鼠笼58做为电机转子，使传动结构更合理、紧凑，同时比钢材实心转子功率损耗和转轴温升大大降低，也更有利于高速高负载下可靠工作。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1和图8说明本实施方式，本实施方式的定子6包括定子外套61、定子基体62、前端导线绕组63和后端导线绕组64，定子外套61及定子基体62呈圆筒状，定子基体62插设在定子外套61的内部，前端导线绕组63和后端导线绕组64通过配置的绝缘片65分别绝缘绕制在定子基体62轴向的前后两端，导线绕组出线头66导电连接三相交流电源。如此设置，对定子6提供符合要求的三相交流电源，使定子6相对于主轴基体51上的铜鼠笼58产生异步磁场力，在磁场力的作用下，主轴5逐步加速至工作转速。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：结合图1、图9和图10说明本实施方式，本实施方式的水路/气路组件8还包括镶件82，镶件82插设在水路/气路组件本体81的中心孔内，水路/气路组件本体81的前端及后端分别设有与后气浮轴承7及气缸组件9装配所需的容置空间，镶件82上加工有用于让顶杆10穿过的轴向孔，水路/气路组件本体81后端设置气室85，气室85通过通气道84与气缸组件9的缸体91上设置的轴向供气道105连通，工作后的气体通过通气道84收回到气室85，并经过与气室85连通的排气口86过滤排出机体1外，水路/气路组件本体81上加工有冷却水进水接头87和冷却水出水接头88，冷却水进水接头87和冷却水出水接头88分别与机体内套11上的螺旋状水路槽13接通，冷却水首先从冷却水进水接头87流进，然后经螺旋状水路槽13分别流经前气浮轴承2的水路环槽28及后气浮轴承7的水路环槽28，最后从冷却水出水接头88排出，水路/气路组件本体81通过螺栓孔89与机体内套11、后气浮轴承7及缸体91连接。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。

具体实施方式十：结合图1和图11说明本实施方式，本实施方式的气缸组件9包括后盖100、连接螺母95、进气接头102、复位弹簧107、x个缸体91、x个隔板92、x个动力板垫环94和x+1个动力板93，x个缸体91沿轴向由前至后依次布置，x个缸体91中位于最后侧的缸体91的后端固定安装有后盖100，x个缸体91的前端分别固定安装有x个隔板92组成x个缸室，每个隔板92中心沿轴向加工有隔板内孔，动力板垫环94插设在隔板内孔内，后盖100的前侧以及每个隔板92的前侧均设有一个动力板93，动力板93的后侧壁中部加工有气体容纳槽，动力板垫环94的前侧壁中部沿径向加工有多个与气体容纳槽相连通的垫环供气通道，动力板93、后盖100和隔板92平行设置，后盖100、缸体91、隔板92通过相互配合的螺栓孔89和螺丝101与水路/气路组件本体81固定连接，动力板93和动力板垫环94的中心均加工有顶杆装配通孔，顶杆10后端由前至后依次贯穿于所有动力板93和动力板垫环94，顶杆10的后部靠近最前侧动力板93的外壁沿径向加工有环形挡板，所有动力板93和动力板垫环94通过连接螺母95与顶杆10固定连接并随顶杆10前后移动形成活塞组合，复位弹簧107沿轴向套设在顶杆10上，复位弹簧107的前端与水路/气路组件本体81相抵，复位弹簧107的后端与最前侧的动力板93相抵，顶杆10的环形挡板与动力板93的端面之间安装有第一密封圈96，动力板垫环94与动力板93的端面之间安装有第二密封圈97，动力板垫环94与隔板92的隔板内孔之间安装有第三密封圈98，动力板93与缸体91之间、动力板93与水路/气路组件本体81之间分别安装有第四密封圈99，后盖100上安装有进气接头102，顶杆10后端沿轴向加工有顶杆内孔103，顶杆10上沿径向加工有x排径向动力孔组，每排径向动力孔组沿圆周方向均匀加工有多个与垫环供气通道相连通的径向动力孔104，气体从进气接头102进入顶杆内孔103并通过径向动力孔104送入气缸组件的各缸室，缸体91上加工有轴向供气道105，缸体91上加工有分别与各缸室和轴向供气道105相连通的径向供气道106，其中，x大于等于2，且x为正整数。如此设置，当需要更换不同规格的刀具时，首先停止驱动设备，待电主轴停止运转后，从气缸组件9接入一定压力的空气，气缸组件9驱使顶杆10下移并推动夹头镶杆55下移，夹头54一同下移并张开，即可进行换刀作业。关闭压缩空气后，复位弹簧107使顶杆10后退至初始位置并与夹头镶杆55脱离接触，主轴5内的圈式弹片56推动主轴轴芯52，带动夹头镶杆55和夹头54上移，使夹头54再次夹紧刀具。其它组成和连接关系与具体实施方式的一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。

本实施方式中，缸体91、隔板92和动力板垫环94的数量为两个，动力板93的数量为三个，缸体91、隔板92、动力板垫环94和动力板93的数量也可以根据实际工况进行调整。

工作原理

结合图1至图11说明本发明的气浮轴承支承的高压气浮电主轴的工作原理：电主轴工作时，从水路/气路组件8接入高压空气，经过机体内套11的轴向气路主通道15，分别供给后气浮轴承7、前气浮轴承2及气浮推力轴承3，使主轴5完全处于悬浮状态，转动时不会与任何配件接触；对定子6提供符合要求的三相交流电源，使定子6相对于主轴基体51上的铜鼠笼58产生异步磁场力，在磁场力的作用下，主轴5逐步加速至工作转速；顶杆10前顶面与夹头镶杆55端面有一定间隙，主轴轴芯52与夹头54分别与夹头镶杆55旋接并随夹头镶杆55一起上下移动，当需要更换不同规格的刀具时，首先停止驱动设备，待电主轴停止运转后，从气缸组件9接入一定压力的空气，气缸组件9驱使顶杆10下移并推动夹头镶杆55下移，夹头54一同下移并张开，即可进行换刀作业。关闭压缩空气后，复位弹簧107使顶杆10后退至初始位置并与夹头镶杆55脱离接触，主轴5内的圈式弹片56推动主轴轴芯52，带动夹头镶杆55和夹头54上移，使夹头54再次夹紧刀具。当主轴5工作时，其主要发热源包括电机损耗发热和主轴5与空气摩擦产生热量，为了保证电主轴在高供气压力下能够稳定、可靠的工作，从水路/气路组件8接入冷却水流向机体内套11、前气浮轴承2、后气浮轴承7进行循环排出热量。若安装在自动化机床上进行控制便可进行高速、高效的加工作业，电主轴中装有温度传感器可进行相应的反馈保护。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种气浮轴承，包括圆筒状且两端无底的轴承主体(21)和2n个气浮轴承轴向密封圈(27)，轴承主体(21)的一端加工有法兰盘，所述法兰盘上沿轴向加工有第一过渡气路通道，轴承主体(21)上沿轴向由前至后依次加工有n排径向供气孔组，每排径向供气孔组中的m个径向供气孔沿圆周方向均匀布置在轴承主体(21)上，每排径向供气孔组中的径向供气孔的数量均相等，且每前后相邻两排径向供气孔组中的m个径向供气孔均沿气浮轴承的轴向一一对应，所有径向供气孔均沿径向贯通轴承主体(21)，所述径向供气孔靠近轴承主体(21)的外表面一端为径向供气孔的进气口，所述径向供气孔靠近轴承主体(21)的内表面一端为径向供气孔的出气口；轴承主体(21)的外表面沿轴向由前至后依次加工有n排环形连通槽，n排环形连通槽分别与n排径向供气孔组一一对应，每排环形连通槽将与对应径向供气孔组中的m个径向供气孔连通；轴承主体(21)的外表面的每排环形连通槽的前后两侧分别加工有一个环形密封槽，每个环形密封槽内安装气浮轴承轴向密封圈(27)；

其特征在于：轴承主体(21)的内表面沿圆周方向均匀开设m个轴向均压槽(26)，所述轴向均压槽(26)沿轴向布置，m个轴向均压槽(26)分别与每排径向供气孔组中的m个径向供气孔的出气口一一对应，每个轴向均压槽(26)从轴承主体(21)的内表面将n排径向供气孔组中与其对应的m个径向供气孔沿轴向连通；其中n大于等于2，m大于等于3，且n，m均为正整数。

2.根据权利要求1所述的一种气浮轴承，其特征在于：轴承主体(21)外表面上每前后相邻两排径向供气孔组之间加工有一个水路环槽(28)。

3.根据权利要求1或2所述的一种气浮轴承，其特征在于：所述气浮轴承采用双排供气，轴承主体(21)上沿轴向由前至后依次加工有前排径向供气孔组和后排径向供气孔组，前排径向供气孔组中的多个前排径向供气孔(22)沿圆周方向均匀布置在轴承主体(21)上，后排径向供气孔组中的多个后排径向供气孔(23)沿圆周方向均匀布置在轴承主体(21)上；在轴承主体(21)的外表面分别设置前排环形连通槽(24)和后排环形连通槽(25)，前排环形连通槽(24)的位置与前排径向供气孔(22)的进气口对应并将前排径向供气孔(22)连通，后排环形连通槽(25)的位置与后排径向供气孔(23)的进气口对应并将后排径向供气孔(23)连通。

4.一种气浮轴承支承的高压气浮电主轴，它包括机体(1)、前气浮轴承(2)、气浮推力轴承(3)、推力间隙环(4)、主轴(5)、定子(6)、后气浮轴承(7)、水路/气路组件(8)、气缸组件(9)和顶杆(10)，气浮推力轴承(3)、前气浮轴承(2)、定子(6)和后气浮轴承(7)由前至后依次安装在机体(1)内部，主轴(5)由前至后依次贯穿于气浮推力轴承(3)、前气浮轴承(2)、定子(6)和后气浮轴承(7)，前气浮轴承(2)与气浮推力轴承(3)之间设有推力间隙环(4)，使前气浮轴承(2)的法兰盘前端与气浮推力轴承(3)的后端之间形成容置主轴(5)的主轴飞盘(57)的容置空间，水路/气路组件(8)安装在机体(1)的后端，水路/气路组件(8)包括水路/气路组件本体(81)，水路/气路组件本体(81)前端加工有供气接头(83)，供气接头(83)通过通气道(84)依次与后气浮轴承(7)的第一过渡气路通道和机体内套(11)的轴向气路主通道(15)连通，向前气浮轴承(2)、后气浮轴承(7)及气浮推力轴承(3)供气，气缸组件(9)安装在水路/气路组件(8)的后端，顶杆(10)与水路/气路组件(8)和气缸组件(9)配装并沿轴向插设在主轴(5)的内部，机体(1)呈圆筒状，机体(1)包括机体内套(11)，机体内套(11)内沿轴向加工有轴向气路主通道(15)，轴向气路主通道(15)前端通过n个径向气路通道分别与前气浮轴承(2)的n排环形连通槽连通，轴向气路主通道(15)后端通过n个径向气路通道分别与后气浮轴承(7)的n排环形连通槽连通，其中前气浮轴承(2)和后气浮轴承(7)均为权利要求3所述的气浮轴承，前气浮轴承(2)与后气浮轴承(7)的区别在于，前气浮轴承(2)前端的法兰盘上沿轴向加工有与多个前排径向供气孔(22)相连通的多个法兰盘端面供气孔(29)，法兰盘端面供气孔(29)的前端向主轴飞盘(57)的后侧面供气，使主轴飞盘(57)气浮，推力间隙环(4)上沿轴向加工有依次与前气浮轴承(2)的第一过渡气路通道和机体内套(11)的轴向气路主通道(15)相连通的第二过渡气路通道，气浮推力轴承(3)上加工有与推力间隙环(4)的第二过渡气路通道连通的径向气路通道(31)，气浮推力轴承(3)的前端加工有与径向气路通道(31)相连通的推力轴承气路环槽，气浮推力轴承(3)上沿轴向加工有与推力轴承气路环槽相连通的多个轴向供气孔(32)，轴向供气孔(32)的后端向主轴飞盘(57)的前侧面供气，使主轴飞盘(57)气浮；

其特征在于：轴承主体(21)的内表面沿圆周方向均匀开设m个轴向均压槽(26)，所述轴向均压槽(26)沿轴向布置，m个轴向均压槽(26)分别与每排径向供气孔组中的m个径向供气孔的出气口一一对应，每个轴向均压槽(26)从轴承主体(21)的内表面将n排径向供气孔组中与其对应的m个径向供气孔沿轴向连通；其中n大于等于2，m大于等于3，且n，m均为正整数。

5.根据权利要求4所述的一种气浮轴承支承的高压气浮电主轴，其特征在于：机体(1)还包括机体外套(12)和两个水路槽密封圈(14)，机体内套(11)插设在机体外套(12)内部，机体内套(11)与机体外套(12)之间为过盈配合，机体内套(11)的外壁加工有供冷却水流通的螺旋状水路槽(13)，螺旋状水路槽(13)的两端安装有水路槽密封圈(14)，螺旋状水路槽(13)分别通过机体内套(11)内部的连接管路与前气浮轴承(2)的水路环槽(28)和后气浮轴承(7)的水路环槽(28)接通。

6.根据权利要求4或5所述的一种气浮轴承支承的高压气浮电主轴，其特征在于：气浮推力轴承(3)包括一号气路密封圈(33)、二号气路密封圈(34)、堵塞螺丝(35)、紧固螺丝(36)、防尘罩(37)和防尘环(38)，前气浮轴承(2)的第一过渡气路通道的前端及后端分别通过一号气路密封圈(33)与推力间隙环(4)及机体内套(11)密封连接，径向气路通道(31)的一端通过二号气路密封圈(34)与推力间隙环(4)密封连接，径向气路通道(31)的另一端安装有堵塞螺丝(35)，气浮推力轴承(3)、推力间隙环(4)和前气浮轴承(2)由前至后依次通过紧固螺丝(36)与机体内套(11)固定连接，气浮推力轴承(3)的最前端安装有防尘罩(37)，气浮推力轴承(3)和防尘罩(37)与主轴(5)之间安装有防尘环(38)。

7.根据权利要求6所述的一种气浮轴承支承的高压气浮电主轴，其特征在于：主轴(5)包括主轴基体(51)、主轴轴芯(52)、主轴缸套(53)、夹头(54)、夹头镶杆(55)、圈式弹片(56)、主轴飞盘(57)和铜鼠笼(58)，主轴基体(51)呈圆筒状且两端无底，主轴轴芯(52)的外壁与主轴基体(51)的内壁之间套设有主轴缸套(53)，夹头(54)插设在主轴轴芯(52)的最前端，主轴轴芯(52)与夹头(54)分别与夹头镶杆(55)沿轴向螺旋连接，主轴基体(51)前端内部设置轴向阶梯空间，在阶梯空间内由前至后依次安装有圈式弹片(56)和主轴轴芯(52)，主轴基体(51)前端加工有主轴飞盘(57)，主轴基体(51)中部外表面装有铜鼠笼(58)作为电机转子。

8.根据权利要求4、5或7所述的一种气浮轴承支承的高压气浮电主轴，其特征在于：定子(6)包括定子外套(61)、定子基体(62)、前端导线绕组(63)和后端导线绕组(64)，定子外套(61)及定子基体(62)呈圆筒状，定子基体(62)插设在定子外套(61)的内部，前端导线绕组(63)和后端导线绕组(64)通过配置的绝缘片(65)分别绝缘绕制在定子基体(62)轴向的前后两端，导线绕组出线头(66)导电连接三相交流电源。

9.根据权利要求8所述的一种气浮轴承支承的高压气浮电主轴，其特征在于：水路/气路组件(8)还包括镶件(82)，镶件(82)插设在水路/气路组件本体(81)的中心孔内，水路/气路组件本体(81)的前端及后端分别设有与后气浮轴承(7)及气缸组件(9)装配所需的容置空间，镶件(82)上加工有用于让顶杆(10)穿过的轴向孔，水路/气路组件本体(81)后端设置气室(85)，气室(85)通过通气道(84)与气缸组件(9)的缸体(91) 上设置的轴向供气道(105)连通，工作后的气体通过通气道(84)收回到气室(85)，并经过与气室(85)连通的排气口(86)过滤排出机体(1)外，水路/气路组件本体(81)上加工有冷却水进水接头(87)和冷却水出水接头(88)，冷却水进水接头(87)和冷却水出水接头(88)分别与机体内套(11)上的螺旋状水路槽(13)接通，冷却水首先从冷却水进水接头(87)流进，然后经螺旋状水路槽(13)分别流经前气浮轴承(2)的水路环槽(28)及后气浮轴承(7)的水路环槽(28)，最后从冷却水出水接头(88)排出，水路/气路组件本体(81)通过螺栓孔(89)与机体内套(11)、后气浮轴承(7)及缸体(91)连接。

10.根据权利要求9所述的一种气浮轴承支承的高压气浮电主轴，其特征在于：气缸组件(9)包括后盖(100)、连接螺母(95)、进气接头(102)、复位弹簧(107)、x个缸体(91)、x个隔板(92)、x个动力板垫环(94)和x+1个动力板(93)，x个缸体(91)沿轴向由前至后依次布置，x个缸体(91)中位于最后侧的缸体(91)的后端固定安装有后盖(100)，x个缸体(91)的前端分别固定安装有x个隔板(92)组成x个缸室，每个隔板(92)中心沿轴向加工有隔板内孔，动力板垫环(94)插设在隔板内孔内，后盖(100)的前侧以及每个隔板(92)的前侧均设有一个动力板(93)，动力板(93)的后侧壁中部加工有气体容纳槽，动力板垫环(94)的前侧壁中部沿径向加工有多个与气体容纳槽相连通的垫环供气通道，动力板(93)、后盖(100)和隔板(92)平行设置，后盖(100)、缸体(91)、隔板(92)通过相互配合的螺栓孔(89)和螺丝(101)与水路/气路组件本体(81)固定连接，动力板(93)和动力板垫环(94)的中心均加工有顶杆装配通孔，顶杆(10)后端由前至后依次贯穿于所有动力板(93)和动力板垫环(94)，顶杆(10)的后部靠近最前侧动力板(93)的外壁沿径向加工有环形挡板，所有动力板(93)和动力板垫环(94)通过连接螺母(95)与顶杆(10)固定连接并随顶杆(10)前后移动形成活塞组合，复位弹簧(107)沿轴向套设在顶杆(10)上，复位弹簧(107)的前端与水路/气路组件本体(81)相抵，复位弹簧(107)的后端与最前侧的动力板(93)相抵，顶杆(10)的环形挡板与动力板(93)的端面之间安装有第一密封圈(96)，动力板垫环(94)与动力板(93)的端面之间安装有第二密封圈(97)，动力板垫环(94)与隔板(92)的隔板内孔之间安装有第三密封圈(98)，动力板(93)与缸体(91)之间、动力板(93)与水路/气路组件本体(81)之间分别安装有第四密封圈(99)，后盖(100)上安装有进气接头(102)，顶杆(10)后端沿轴向加工有顶杆内孔(103)，顶杆(10)上沿径向加工有x排径向动力孔组，每排径向动力孔组沿圆周方向均匀加工有多个与垫环供气通道相连通的径向动力孔(104)，气体从进气接头(102)进入顶杆内孔(103)并通过径向动力孔(104)送入气缸组件的各缸室，缸体(91)上加工有轴向供气道(105)，缸体(91)上加工有分别与各缸室和轴向供气道(105)相连通的径向供气道(106)，其中，x大于等于2，且x为正整数。

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