CN212217109U - 一种超精密微切削高速空气静压电主轴 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超精密微切削高速空气静压电主轴，包括后座、顶杆、换刀气缸、换刀弹簧、前径向轴承、主轴轴芯、自动循环冷却组件、外壳、碟形弹簧、前止推轴承、后止推轴承、后径向轴承、密封圈和三相交流异步电机，主轴轴芯由轴芯本体、止推盘、微结构螺纹槽组、刀具夹头和测速槽组成，该实用新型，采用空气静压轴承支撑，轴对称结构设计，三相交流异步电机，高速电机置于前、后径向轴承之间，轴芯采用轻量化设计，表面开有30°倾角微结构螺纹槽，使径向空气静压轴承动压效应显著增强，止推盘放置在轴芯前端部位，冷却系统先冷却低温区再冷却高温区，具有主轴刚度大，输出功率大，结构紧凑，动态特性和热稳定性好，转速高等特点。

Description

一种超精密微切削高速空气静压电主轴

技术领域

本实用新型涉及高速电主轴技术领域，具体为一种超精密微切削高速空气静压电主轴。

背景技术

目前，高速电主轴主要采用滚动轴承支撑、液体静压轴承支撑、磁悬浮轴承支撑和气浮轴承支撑等类型。高速电机主要采用三相异步交流电机和永磁无刷直流电机两种类型。滚动轴承支撑电主轴高速运转时滚动体摩擦发热比较严重；液体静压轴承支撑电主轴高转速运行时产生大量剪切摩擦热，影响电主轴高速旋转特性；磁悬浮轴承支撑电主轴成本较高，还没有得到广泛应用；气浮轴承支撑电主轴高速回转离心力大，容易引起主轴振动，影响回转精度，容易出现空气轴承抱轴现象，对结构还需要不断改进。因此设计一种超精密微切削高速空气静压电主轴是十分有必要的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种超精密微切削高速空气静压电主轴，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：一种超精密微切削高速空气静压电主轴，包括后座、顶杆、换刀气缸、换刀弹簧、前径向轴承、主轴轴芯、自动循环冷却组件、外壳、碟形弹簧、前止推轴承、后止推轴承、后径向轴承、密封圈和三相交流异步电机，所述外壳的尾端固定安装有后座，且后座内部嵌入安装有换刀气缸，所述换刀气缸的活塞与顶杆的端部连接，所述顶杆的另一端与主轴轴芯的一端连接，且顶杆上套接有换刀弹簧，所述主轴轴芯整体套设于外壳内部；

所述主轴轴芯由轴芯本体、止推盘、微结构螺纹槽组、刀具夹头和测速槽组成，所述轴芯本体的一端嵌入安装有刀具夹头，且刀具夹头位于轴芯本体内部的端部套接有碟形弹簧，所述刀具夹头旁边的轴芯本体上固定套设有止推盘，所述止推盘两侧的轴芯本体上分别套设有前止推轴承和后止推轴承，且前止推轴承位于刀具夹头与止推盘之间，所述后止推轴承另一侧的轴芯本体上对应开设有两组微结构螺纹槽组，所述微结构螺纹槽组包括两个螺纹方向相反的、倾角为30°的30μm微结构螺纹槽，且每组微结构螺纹槽之间的轴芯本体上分别套设有前径向轴承和后径向轴承，所述前径向轴承和后径向轴承之间的轴芯本体上安装有三相交流异步电机；

所述三相交流异步电机包括电机定子、电机转子和转子绕组，所述电机定子由定子铁芯和定子绕组组成，所述定子绕组采用12槽2极双层叠式绕组，且为Y形接线方式，所述定子绕组线圈组内正向串联，线圈组间反向串联，U、V、W三相在定子铁芯的引出槽角度互成120°，所述电机定子套设在电机转子外部，所述电机转子电镀在轴芯本体的侧面表面，且电机转子为13槽，所述后径向轴承靠近轴芯本体的另一端，且该端侧面沿圆周均布有6个测速槽，所述测速槽与微型高速磁敏传感器的输出端配合设置。

进一步的，所述自动循环冷却组件由水泵、水箱、热交换器、温控器、流量计及电机定子、前径向轴承、前止推轴承、后止推轴承、后径向轴承处开设的冷却通道组成，所述冷却通道内填充有冷却剂，且冷却剂为含防锈添加剂的冷却水，所述冷却通道通过出水口与水泵连通，所述水泵通过管道与水箱内部连通，且管道上安装有流量计，所述水箱内部安装有热交换器和温控器，且水箱通过另一管道与进水口连通。

进一步的，所述换刀气缸与高压气体供给系统连接，所述高压气体供给系统由空气压缩机、储气罐、冷干机和空气过滤器组成，且储气罐的输出端与换刀气缸的输入端连接，储气罐的输入端通过管道依次与冷干机、空气过滤器和空气压缩机连接。

进一步的，所述前径向轴承和后径向轴承的规格、结构完全相同，所述前止推轴承和后止推轴承的规格、结构完全相同。

进一步的，所述前径向轴承的侧面开设的双排第一供气节流小孔内均设置有第一节流器，且每排均布12个第一节流小孔，所述第一节流器的气腔为上端圆柱形和下端锥形设计，且节流直径为0.13mm，节流小孔深度为0.3mm，节流小孔气腔外径为0.6mm，所述第一节流器供气孔直径为0.8mm，初始气膜厚度为23μm。

进一步的，所述前径向轴承、前止推轴承、后止推轴承和后径向轴承的间隔处均设置有密封圈，且密封圈为O型橡胶密封圈。

进一步的，所述前止推轴承侧面等距离环绕开设的8个第二供气节流小孔内均设置有第二节流器，且第二供气节流小孔的节流直径为0.18mm，节流小孔深度、节流小孔气腔外径、第二节流器供气孔直径尺寸均与前径向轴承的相同，初始气膜厚度为28μm，所述前止推轴承沿供气节流小孔所在圆开设了均压槽。

进一步的，所述三相交流异步电机还与高频变频器电性连接，且三相交流异步电机的转速和电源的频率成正比。

与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果是：

1.轴芯采用轻量化设计，表面开有30度倾角、30um微结构螺纹槽，使空气静压径向轴承动压效应显著增强；

2.空气静压径向轴承节流器气腔采用上端圆柱形和下端锥形设计，降低了气流最大端动，降低了轴承的振动，提高了轴承的稳定性；

3.空气静压止推轴承均压槽的设计，降低了节流孔附近的局部气膜压力，提高了节流孔之外区域的气膜压力，使轴承整体气膜压力得到提高；

4.配备了快速换刀机构，减少换刀时间，提高生产效率；

5.冷却系统采用先冷却低温区再冷却高温区顺序设计，通过强制冷却，确保了电主轴在工作时处于允许的温度范围之内。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型的整体结构剖视图；

图2是本实用新型的主轴轴芯立体结构示意图；

图3是本实用新型的三相交流异步电机结构剖视图；

图4是本实用新型的自动循环冷却组件结构示意图；

图5是本实用新型的前径向轴承的第一节流器截面示意图；

图6是本实用新型的前径向轴承的第一节流器分布截面图；

图7是图6中的A区域的结构放大图；

图8是本实用新型的前止推轴承侧面结构示意图；

图9是本实用新型的前止推轴承的第二节流器截面示意图；

图中：1、后座；2、顶杆；3、换刀气缸；4、换刀弹簧；5、前径向轴承；51、第一节流器；6、主轴轴芯；61、轴芯本体；62、止推盘；63、微结构螺纹槽组；64、刀具夹头；65、测速槽；7、自动循环冷却组件；71、冷却通道；72、进水口；73、出水口；8、外壳；9、碟形弹簧；10、前止推轴承；101、第二节流器；102、均压槽；11、后止推轴承；12、后径向轴承；13、密封圈；14、三相交流异步电机；141、电机定子；142、电机转子；143、定子铁芯；144、定子绕组；145、转子绕组。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-9，本实用新型提供一种技术方案：一种超精密微切削高速空气静压电主轴，包括后座1、顶杆2、换刀气缸3、换刀弹簧4、前径向轴承5、主轴轴芯6、自动循环冷却组件7、外壳8、碟形弹簧9、前止推轴承10、后止推轴承11、后径向轴承12、密封圈13和三相交流异步电机14，外壳8的尾端固定安装有后座1，且后座1内部嵌入安装有换刀气缸3，换刀气缸3与高压气体供给系统连接，高压气体供给系统由空气压缩机、储气罐、冷干机和空气过滤器组成，且储气罐的输出端与换刀气缸3的输入端连接，储气罐的输入端通过管道依次与冷干机、空气过滤器和空气压缩机连接，空气压缩机为本新型提供稳定持续的高压气体，储气罐保证高压气体压力和流量的稳定，冷干机和空气过滤器用于对压缩空气进行干燥和除水、除油和除尘的清洁过滤，换刀气缸3的活塞与顶杆2的端部连接，顶杆2的另一端与主轴轴芯6的一端连接，且顶杆2上套接有换刀弹簧4，主轴轴芯6整体套设于外壳8内部；

主轴轴芯6由轴芯本体61、止推盘62、微结构螺纹槽组63、刀具夹头64和测速槽65组成，轴芯本体61的一端嵌入安装有刀具夹头64，且刀具夹头64位于轴芯本体61内部的端部套接有碟形弹簧9，刀具夹头64旁边的轴芯本体61上固定套设有止推盘62，止推盘62两侧的轴芯本体61上分别套设有前止推轴承10和后止推轴承11，且前止推轴承10位于刀具夹头64与止推盘62之间，前径向轴承5的侧面开设的双排第一供气节流小孔内均设置有第一节流器51，且每排均布12个第一节流小孔，第一节流器51的气腔为上端圆柱形和下端锥形设计，且节流直径为0.13mm，节流小孔深度为0.3mm，节流小孔气腔外径为0.6mm，第一节流器51供气孔直径为0.8mm，初始气膜厚度为23μm；前止推轴承10侧面等距离环绕开设的8个第二供气节流小孔内均设置有第二节流器101，且第二供气节流小孔的节流直径为0.18mm，节流小孔深度、节流小孔气腔外径、第二节流器101供气孔直径尺寸均与前径向轴承5的相同，初始气膜厚度为28μm，前止推轴承10沿供气节流小孔所在圆开设了均压槽102，前径向轴承5和后径向轴承12的规格、结构完全相同，前止推轴承10和后止推轴承11的规格、结构完全相同，前径向轴承5、前止推轴承10、后止推轴承11和后径向轴承12的间隔处均设置有密封圈13，且密封圈13为0型橡胶密封圈，后止推轴承11另一侧的轴芯本体61上对应开设有两组微结构螺纹槽组63，微结构螺纹槽组63包括两个螺纹方向相反的、倾角为30°的30μm微结构螺纹槽，且每组微结构螺纹槽之间的轴芯本体61上分别套设有前径向轴承5和后径向轴承12，前径向轴承5和后径向轴承12之间的轴芯本体61上安装有三相交流异步电机14，三相交流异步电机14还与高频变频器电性连接，且三相交流异步电机14的转速和电源的频率成正比；

三相交流异步电机14包括电机定子141、电机转子142和转子绕组145，电机定子141由定子铁芯143和定子绕组144组成，定子绕组144采用12槽2极双层叠式绕组，且为Y形接线方式，定子绕组144线圈组内正向串联，线圈组间反向串联，U、V、W三相在定子铁芯143的引出槽角度互成120°，电机定子141套设在电机转子142外部，电机转子142电镀在轴芯本体61的侧面表面，且电机转子142为13槽，后径向轴承12靠近轴芯本体61的另一端，且该端侧面沿圆周均布有6个测速槽65，测速槽65与微型高速磁敏传感器的输出端配合设置；自动循环冷却组件7由水泵、水箱、热交换器、温控器、流量计及电机定子141、前径向轴承5、前止推轴承10、后止推轴承11、后径向轴承12处开设的冷却通道71组成，冷却通道71内填充有冷却剂，且冷却剂为含防锈添加剂的冷却水，冷却通道71通过出水口73与水泵连通，水泵通过管道与水箱内部连通，且管道上安装有流量计，水箱内部安装有热交换器和温控器，且水箱通过另一管道与进水口72连通；该实用新型工作时，首先将空气压缩机先将高压气体供给前径向轴承5、前止推轴承10、后止推轴承11和后径向轴承12，自动循环冷却组件7将冷却水通入冷却通道71，待轴芯本体61完全浮起能正常转动后，接通电源；换刀时采用带锥度的刀具夹头64和碟形弹簧9组合夹持刀具，通过换刀气缸3活塞推动顶杆2施力给碟形弹簧9，实现换刀；轴芯本体61与三相交流异步电机14的电机转子142一起高速旋转，高频变频器控制电源频率调节主轴轴芯6转速，主轴轴芯6转速用微型高速磁敏传感器测量，由沿圆周均布的6个测速槽65为速度传感器提供脉冲信号，冷却水依次经过前径向轴承5、前止推轴承10、后止推轴承11、后径向轴承12和内置电机定子141对精密微切削加工高速电主轴进行冷却，停机时，先切断电源，轴芯本体61完全停止后，冷却水和高压气体关闭，高压气体从前径向轴承5、前止推轴承10、后止推轴承11和后径向轴承12排气孔慢慢排除、冷却水从出水口73流回水箱，精密微切削高速空气静压电主轴恢复到静态初始状态。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超精密微切削高速空气静压电主轴，包括后座(1)、顶杆(2)、换刀气缸(3)、换刀弹簧(4)、前径向轴承(5)、主轴轴芯(6)、自动循环冷却组件(7)、外壳(8)、碟形弹簧(9)、前止推轴承(10)、后止推轴承(11)、后径向轴承(12)、密封圈(13)和三相交流异步电机(14)，其特征在于：所述外壳(8)的尾端固定安装有后座(1)，且后座(1)内部嵌入安装有换刀气缸(3)，所述换刀气缸(3)的活塞与顶杆(2)的端部连接，所述顶杆(2)的另一端与主轴轴芯(6)的一端连接，且顶杆(2)上套接有换刀弹簧(4)，所述主轴轴芯(6)整体套设于外壳(8)内部；

所述主轴轴芯(6)由轴芯本体(61)、止推盘(62)、微结构螺纹槽组(63)、刀具夹头(64)和测速槽(65)组成，所述轴芯本体(61)的一端嵌入安装有刀具夹头(64)，且刀具夹头(64)位于轴芯本体(61)内部的端部套接有碟形弹簧(9)，所述刀具夹头(64)旁边的轴芯本体(61)上固定套设有止推盘(62)，所述止推盘(62)两侧的轴芯本体(61)上分别套设有前止推轴承(10)和后止推轴承(11)，且前止推轴承(10)位于刀具夹头(64)与止推盘(62)之间，所述后止推轴承(11)另一侧的轴芯本体(61)上对应开设有两组微结构螺纹槽组(63)，所述微结构螺纹槽组(63)包括两个螺纹方向相反的、倾角为30°的30μm微结构螺纹槽，且每组微结构螺纹槽之间的轴芯本体(61)上分别套设有前径向轴承(5)和后径向轴承(12)，所述前径向轴承(5)和后径向轴承(12)之间的轴芯本体(61)上安装有三相交流异步电机(14)；

所述三相交流异步电机(14)包括电机定子(141)、电机转子(142)和转子绕组(145)，所述电机定子(141)由定子铁芯(143)和定子绕组(144)组成，所述定子绕组(144)采用12槽2极双层叠式绕组，且为Y形接线方式，所述定子绕组(144)线圈组内正向串联，线圈组间反向串联，U、V、W三相在定子铁芯(143)的引出槽角度互成120°，所述电机定子(141)套设在电机转子(142)外部，所述电机转子(142)电镀在轴芯本体(61)的侧面表面，且电机转子(142)为13槽，所述后径向轴承(12)靠近轴芯本体(61)的另一端，且该端侧面沿圆周均布有6个测速槽(65)，所述测速槽(65)与微型高速磁敏传感器的输出端配合设置。

2.根据权利要求1所述的一种超精密微切削高速空气静压电主轴，其特征在于：所述自动循环冷却组件(7)由水泵、水箱、热交换器、温控器、流量计及电机定子(141)、前径向轴承(5)、前止推轴承(10)、后止推轴承(11)、后径向轴承(12)处开设的冷却通道(71)组成，所述冷却通道(71)内填充有冷却剂，且冷却剂为含防锈添加剂的冷却水，所述冷却通道(71)通过出水口(73)与水泵连通，所述水泵通过管道与水箱内部连通，且管道上安装有流量计，所述水箱内部安装有热交换器和温控器，且水箱通过另一管道与进水口(72)连通。

3.根据权利要求1所述的一种超精密微切削高速空气静压电主轴，其特征在于：所述换刀气缸(3)与高压气体供给系统连接，所述高压气体供给系统由空气压缩机、储气罐、冷干机和空气过滤器组成，且储气罐的输出端与换刀气缸(3)的输入端连接，储气罐的输入端通过管道依次与冷干机、空气过滤器和空气压缩机连接。

4.根据权利要求1所述的一种超精密微切削高速空气静压电主轴，其特征在于：所述前径向轴承(5)和后径向轴承(12)的规格、结构完全相同，所述前止推轴承(10)和后止推轴承(11)的规格、结构完全相同。

5.根据权利要求1所述的一种超精密微切削高速空气静压电主轴，其特征在于：所述前径向轴承(5)的侧面开设的双排第一供气节流小孔内均设置有第一节流器(51)，且每排均布12个第一节流小孔，所述第一节流器(51)的气腔为上端圆柱形和下端锥形设计，且节流直径为0.13mm，节流小孔深度为0.3mm，节流小孔气腔外径为0.6mm，所述第一节流器(51)供气孔直径为0.8mm，初始气膜厚度为23μm。

6.根据权利要求1所述的一种超精密微切削高速空气静压电主轴，其特征在于：所述前径向轴承(5)、前止推轴承(10)、后止推轴承(11)和后径向轴承(12)的间隔处均设置有密封圈(13)，且密封圈(13)为O型橡胶密封圈。

7.根据权利要求1或5所述的一种超精密微切削高速空气静压电主轴，其特征在于：所述前止推轴承(10)侧面等距离环绕开设的8个第二供气节流小孔内均设置有第二节流器(101)，且第二供气节流小孔的节流直径为0.18mm，节流小孔深度、节流小孔气腔外径、第二节流器(101)供气孔直径尺寸均与前径向轴承(5)的相同，初始气膜厚度为28μm，所述前止推轴承(10)沿供气节流小孔所在圆开设了均压槽(102)。

8.根据权利要求1所述的一种超精密微切削高速空气静压电主轴，其特征在于：所述三相交流异步电机(14)还与高频变频器电性连接，且三相交流异步电机(14)的转速和电源的频率成正比。

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