CN116765442B - 一种轴承元件和轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机床主轴设备的技术领域，尤其是一种轴承元件和轴承，其包括电气模块和机械模块，所述电气模块包括处理器、定子及位移传感器，所述定子、所述位移传感器均与处理器通信连接，所述机械模块包括主轴、外壳，所述外壳的内部固定连接有两个推力轴承、两个通气径向轴承，所述定子、两个所述推力轴承的内部及两个所述通气径向轴承的内部均套接于主轴的外表面。本发明具有减缓通气孔二室内高压气体雍塞和冗余的现象，使得气膜具有一定承载力和刚度，有利于提高气浮主轴的承载能力，通过循环水冷与高压气体流动的方式，带走主轴上的大部分的热量，保证电机工作区域、轴承工作区域温度的平稳的效果。

Description

一种轴承元件和轴承

技术领域

本发明涉及机床主轴设备的技术领域，尤其是涉及一种轴承元件和轴承。

背景技术

传统的铣磨、车削等生产方式效率低，被加工工件表面粗糙度和面型精度不高,而通过超精密磨削的方式可以获得高效的材料去除率、优良的面型精度和表面粗糙度，因此针对硬脆材料的加工，超精密磨削的应用范围最广。目前市场上可以实现精密磨削加的主轴，主要有油润滑的电主轴、电磁主轴、瓷气混合润滑主轴等，这些主轴的共同特点都是使用了液体润滑轴承，相比与空气静压轴承，在转子回转时温升较大，可能产生较大的热变形，进一步影响加工精度。因此，目前应用在超精密机床上的主要是气浮主轴。

气浮主轴是由空气静压轴承作为支撑，动力部分为电机驱动转子或者压缩空气驱动涡轮，带动主轴转子前端的砂轮高速运转，实现对光学非球面元件的磨削加工。气浮主轴又名空气主轴，是用气体作为润滑剂的滑动轴承。

现有的一部分气浮主轴的承载能力较低，不适用于小口径硬脆光学模具加工。

发明内容

为了提高气浮主轴的承载能力，适用于光学模具的加工，本发明提供一种轴承元件和轴承。

本发明提供的一种轴承元件和轴承采用如下的技术方案：

一种轴承元件和轴承，包括电气模块和机械模块，所述电气模块包括处理器、定子及位移传感器，所述定子、所述位移传感器均与处理器通信连接，所述机械模块包括主轴、外壳，所述外壳的内部固定连接有两个推力轴承、两个通气径向轴承，所述定子、两个所述推力轴承的内部及两个所述通气径向轴承的内部均套接于主轴的外表面，所述主轴的内部卡接有夹持组件，所述外壳的内部开设有气路通道；

每个所述通气径向轴承的外表面均开设有若干个通气孔二，每个所述推力轴承的外表面均开设有若干个通气孔一，每个所述通气孔一、每个所述通气孔二的内部均与气路通道的内部相连通，每个所述通气孔一的内部均固定连接有小孔节流器，所述小孔节流器的内部开设有双锥形气腔。

通过采用上述技术方案，员工通过控制处理器，改变外部电源供给定子的电流，电磁场带动主轴发生转动，进而主轴带动夹持组件发生转动，从而夹持组件夹持刀具对待加工件光学模具进行磨、削、切工作，两个止推轴承与磨削加工时收到的轴向载荷平衡，高压强气体通过进气通道进入气路通道的内部，进而进行通气孔一、通气孔二的内部，最后通过出气通道、通气孔三离开外壳；通过双锥形气腔使得通气孔一内的压力分布的形状变得平缓，配合节流器的节流作用，使得使润滑气膜具有一定承载力和刚度。

优选的，每个所述通气径向轴承的内壁开设有阶梯槽，每个所述阶梯槽的内部均与对应的两个通气孔二的内部相连通。

通过采用上述技术方案，通过阶梯槽环节抑制远离通气孔二处气膜压力的衰减，减缓通气孔二室内高压气体雍塞和冗余的现象。

优选的，所述外壳包括壳体、前封盖及后封盖，所述后封盖的内部开设有进气通道、出气通道，所述进气通道的内部、所述出气通道的内部均与气路通道的内部相连通，所述后封盖的外表面固定连接有防尘件。

通过采用上述技术方案，高压气体从进气通道进入之气路通道，进而分散于通气孔一、通气孔二的内部，最后从出气通道离开外壳的内部。

优选的，所述防尘件包括的内部开设有通气孔三，所述防尘件的内部开设有滑槽，所述滑槽的内部、所述出气通道的内部均与通气孔三的内部相连通，所述滑槽的内部套接有滑板。

通过采用上述技术方案，当气体排出时，滑板位于通气孔三的上方，使得气体正常排出，加工过程中产生的碎屑漂浮在空气中，当气体排完后，滑板堵塞通气孔散的出口，避免碎屑进入通气孔三的内部。

优选的，所述滑板的外表面固定连接有弧形板，所述滑板的顶部固定连接有指示板。

通过采用上述技术方案，通过弧形板引导排出气体的走向，同时阻挡碎屑进入滑板与滑槽间的缝隙中。

优选的，所述夹持组件包括夹持头、复位块，所述复位块的一端固定连接有弹簧，所述弹簧的另一端固定连接于主轴的内部，所述夹持头套接于前封盖的内部。

优选的，所述夹持头的一端固定连接于复位块的内部，所述复位块滑动连接于主轴的内部。

通过采用上述技术方案，通过弹簧的弹力带动更换完刀具的夹持头回到主轴的内部，进而当主轴发生转动时，带动刀具对待加工件进行加工。

优选的，所述后封盖的一侧固定连接有气缸，所述气缸输出轴套的外表面接于主轴的内部，所述气缸输出轴的末端搭接于复位块的一侧。

通过采用上述技术方案，气缸带动复位块进行移动，从而使得夹持组件向远离前封盖的方向移动，进而使得夹持头松弛，更换加工刀具。

优选的，所述主轴的外表面固定连接有止推盘，两个所述推力轴承呈对称分布于止推盘的两侧，两个所述通气径向轴承位于定子的两侧呈对称分布，所述外壳的内部开设有水冷通道。

通过采用上述技术方案，通过水冷循环，带走外壳内部主轴上的摩擦热。

综上所述，本发明具有如下的有益技术效果：

1.本发明设置有阶梯槽，阶梯型深度变化的均压槽，阶梯槽结构的均压槽可以抑制远离通气孔二处气膜压力的衰减，同时减缓通气孔二室内高压气体雍塞和冗余的现象，同时在通气径向轴承的内部注入高压气体下，使得主轴的振幅显著下降，方便于改善主轴振动，使得气膜具有一定承载力和刚度，有利于提高气浮主轴的承载能力，适用于光学模具的加工；

2.本发明设置有防尘件，当气体通过出气通道进入气孔三后，气孔三的气体吹出，使得滑板的顶部与滑槽内壁的顶部相贴，指示板与凹槽之间的距离变大，从而气体从滑板与滑槽间的空隙离开防尘件，当气体排完后防尘件回落于滑槽的底部，滑板重新覆盖通气孔三，员工可根据指示板的高度，得知高压气体是否全部排出，通过气体被弧形板引导，从防尘件的四周逸散入空气中，避免将外壳表面加工件的碎屑吹起，阻挡员工观察的视线，同时通过弧形板阻挡加工时加工件因磨削产生的碎屑进入滑槽的内部，进而进入通气孔三的内部，避免堵塞出气通道；

3.本发明设置有水冷通道，向水冷通道内注入充满添加防锈剂的冷却液，通过循环水冷与高压气体流动的方式，带走主轴上的大部分的热量，保证了电机工作区域、轴承工作区域温度的平稳。

附图说明

图1是本发明一种轴承元件和轴承的立体结构爆炸示意图。

图2是图1中C向视图。

图3是图2中沿A-A线的剖视图；

图4是图2中沿B-B线的剖视图；

图5是本发明一种轴承元件和轴承的立体结构示意图；

图6是本发明一种轴承元件和轴承中小孔节流器31的剖视图。

附图标记说明：

1、主轴；2、外壳；21、前封盖；22、后封盖；

3、止推轴承；31、小孔节流器；32、通气孔一；

4、通气径向轴承；41、阶梯槽；42、通气孔二；

5、夹持组件；51、夹持头；52、复位块；53、弹簧；

6、气缸；7、防尘件；71、滑板；72、弧形板；73、指示板。

实施方式

以下结合附图1-6对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例公开一种轴承元件和轴承，参照图1-3，包括电气模块和机械模块，电气模块包括处理器（公知技术）、定子及位移传感器（公知技术），定子、位移传感器均与处理器通信连接，处理器采用现有的，具有接收、处理、控制功能的PLC处理器，通过位移传感器得知主轴1在外壳2内部的位置，从而员工通过操纵处理器，改变外部电流，从而改变主轴1的转速，主轴1作为转子，通过定子，使得电机驱动主轴1发生高速转动，从而对加工件进行磨削加工，机械模块包括主轴1、外壳2，外壳2的内部固定连接有两个止推轴承3、两个通气径向轴承4，两个止推轴承3与磨削加工时收到的轴向载荷平衡，定子、两个止推轴承3的内部及两个通气径向轴承4的内部均套接于主轴1的外表面，主轴1的内部卡接有夹持组件5，外壳2的内部开设有气路通道，高压强气体通过进气通道进入气路通道的内部，进而进行通气孔一32、通气孔二42的内部，最后通过出气通道、通气孔三离开外壳2；

参照图3、6，每个通气径向轴承4的外表面均开设有若干个通气孔二42，每个止推轴承3的外表面均开设有若干个通气孔一32，每个通气孔一32、每个通气孔二42的内部均与气路通道的内部相连通，每个通气孔一32的内部均固定连接有小孔节流器31（公知技术），小孔节流器31的内部开设有双锥形气腔，防止通气孔一32内刚过压力下降，通过双锥形气腔使压力分布的形状变得平缓，进而节流器产生的节流作用，再配合主轴1起始、结束时，偏心引起的气膜厚度变化，使润滑气膜具有一定承载力和刚度。

参照图3、4，每个通气径向轴承4的内壁开设有阶梯槽41，阶梯槽41为阶梯型深度变化的均压槽，阶梯槽41结构的均压槽可以抑制远离通气孔二42处气膜压力的衰减，同时减缓通气孔二42室内高压气体雍塞和冗余的现象，每个阶梯槽41的内部均与对应的两个通气孔二42的内部相连通。

参照图2，外壳2包括壳体、前封盖21及后封盖22，前封盖21与壳体间、后封盖22与壳体间均采用内六角螺栓紧固，前封盖21与壳体间的连接，可以减小止推轴承3的定位误差，也防止了主轴1在运转过程中由于振动而使止推轴承3脱落现象的发生，后封盖22与壳体间的连接，一方面可以防止主轴1上零件的松动，另一方面限制了止推轴承3的轴向平动，保证了止推轴承3与止推盘之间的气膜间隙，稳定了轴向承载力，保证了多孔质气浮主轴1的轴向定位的精确性，后封盖22的内部开设有进气通道、出气通道，进气通道的内部、出气通道的内部均与气路通道的内部相连通，后封盖22的外表面固定连接有防尘件7。

参照图4、5，防尘件7包括的内部开设有通气孔三，防尘件7的内部开设有滑槽，滑槽的内部、出气通道的内部均与通气孔三的内部相连通，滑槽的内部套接有滑板71，当气体通过出气通道进入气孔三后，气孔三的气体吹出，使得滑板71的顶部与滑槽内壁的顶部相贴，指示板73与凹槽之间的距离变大，从而气体从滑板71与滑槽间的空隙离开防尘件7，当气体排完后防尘件7回落于滑槽的底部，滑板71重新覆盖通气孔三。

参照图4、5，滑板71的外表面固定连接有弧形板72，滑板71的顶部固定连接有指示板73，员工可根据指示板73的高度，得知高压气体是否全部排出，气体被弧形板72引导，从防尘件7的四周逸散入空气中，避免将外壳2表面加工件的碎屑吹起，阻挡员工观察的视线，同时通过弧形板72阻挡加工时加工件因磨削产生的碎屑进入滑槽的内部，进而进入通气孔三的内部，避免堵塞出气通道。

参照图3，夹持组件5包括夹持头51、复位块52，复位块52的一端固定连接有弹簧53，弹簧53的另一端固定连接于主轴1的内部，夹持头51套接于前封盖21的内部，前封盖21的内部卡接于主轴1的外表面，从而对止推轴承3进行限位。

参照图3，夹持头51的一端固定连接于复位块52的内部，复位块52滑动连接于主轴1的内部。

参照图2，后封盖22的一侧固定连接有气缸6，气缸6输出轴套的外表面接于主轴1的内部，气缸6输出轴的末端搭接于复位块52的一侧，气缸6的输出轴推动复位块52向夹持头51的方向移动，压动弹簧53，使得夹持头51松开，便可以安装刀具，安装完毕后，气缸6的输出轴后退，弹簧53的回弹，带动复位块52向靠近气缸6的方向移动，直至夹持头51被夹紧于主轴1的内部。

参照图2，主轴1的外表面固定连接有止推盘，两个止推轴承3呈对称分布于止推盘的两侧，两个通气径向轴承4位于定子的两侧呈对称分布，外壳2的内部开设有水冷通道，通过在外壳2内置水冷通道，向水冷通道内注入充满添加防锈剂的冷却液，通过循环水冷方式，将主轴1内的热量快速传递到外部。

本发明实施例一种轴承元件和轴承的实施原理为：

1.员工操作气缸6，使得气缸6的输出轴推动复位块52向夹持头51的方向移动，使得夹持头51松开，便可以安装刀具，安装完毕后，气缸6的输出轴后退，弹簧53的弹力带动复位块52向靠近气缸6的方向移动，使得夹持头51带动夹紧后的刀具卡接于主轴1的内部；

2.员工通过操作空压机等设备将高压强的气体注入进气通道的内部，进而高压强气体作为润滑介质，使得主轴1产生空气膜，浮空于止推轴承3、通气径向轴承4、定子的内部，主轴1作为转子，当外部电源供给定子电流后，电磁场带动主轴1发生转动，进而主轴1带动夹持组件5发生转动，从而夹持组件5夹持刀具对待加工件光学模具进行磨、削、切工作；

3.空气膜间隙往往只有十几微米，因此在高转速情况下，即便是空气轴承，也会产生一定量的摩擦热，通过循环水冷与气体流动的方式，带走主轴1上的大部分的热量，保证了轴承工作区域温度的平稳。

以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种轴承，包括电气模块和机械模块，所述电气模块包括处理器、定子及位移传感器，所述定子、所述位移传感器均与处理器通信连接，其特征在于：所述机械模块包括主轴（1）、外壳（2），所述外壳（2）的内部固定连接有两个止推轴承（3）、两个通气径向轴承（4），所述定子、两个所述止推轴承（3）的内部及两个所述通气径向轴承（4）的内部均套接于主轴（1）的外表面，所述主轴（1）的内部卡接有夹持组件（5），所述外壳（2）的内部开设有气路通道；

每个所述通气径向轴承（4）的外表面均开设有若干个通气孔二（42），每个所述止推轴承（3）的外表面均开设有若干个通气孔一（32），每个所述通气孔一（32）、每个所述通气孔二（42）的内部均与气路通道的内部相连通，每个所述通气孔一（32）的内部均固定连接有小孔节流器（31），所述小孔节流器（31）的内部开设有双锥形气腔；

每个所述通气径向轴承（4）的内壁开设有阶梯槽（41），每个所述阶梯槽（41）的内部均与对应的两个通气孔二（42）的内部相连通；

所述外壳（2）包括壳体、前封盖（21）及后封盖（22），所述后封盖（22）的内部开设有进气通道、出气通道，所述进气通道的内部、所述出气通道的内部均与气路通道的内部相连通，所述后封盖（22）的外表面固定连接有防尘件（7）；

所述防尘件（7）包括的内部开设有通气孔三，所述防尘件（7）的内部开设有滑槽，所述滑槽的内部、所述出气通道的内部均与通气孔三的内部相连通，所述滑槽的内部套接有滑板（71）；

两个所述通气径向轴承（4）位于定子的两侧呈对称分布，所述外壳（2）的内部开设有水冷通道。

2.根据权利要求1所述的一种轴承，其特征在于：所述滑板（71）的外表面固定连接有弧形板（72），所述滑板（71）的顶部固定连接有指示板（73）。

3.根据权利要求2所述的一种轴承，其特征在于：所述夹持组件（5）包括夹持头（51）、复位块（52），所述复位块（52）的一端固定连接有弹簧（53），所述弹簧（53）的另一端固定连接于主轴（1）的内部，所述夹持头（51）套接于前封盖（21）的内部。

4.根据权利要求3所述的一种轴承，其特征在于：所述夹持头（51）的一端固定连接于复位块（52）的内部，所述复位块（52）滑动连接于主轴（1）的内部。

5.根据权利要求4所述的一种轴承，其特征在于：所述后封盖（22）的一侧固定连接有气缸（6），所述气缸（6）输出轴套的外表面接于主轴（1）的内部，所述气缸（6）输出轴的末端搭接于复位块（52）的一侧。