專利名稱：高速高剛度復(fù)合多支承氣體靜壓軸承電主軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)的機(jī)床技術(shù)，是一種可用于高速精密車/銑/磨加工機(jī)床用的高速高剛度電主軸技術(shù)，具體涉及一種高速高剛度復(fù)合多支承氣體靜壓軸承電主軸。
背景技術(shù)：
高速電主軸是高速機(jī)床的核心部件，高速電主軸采用的軸承主要有滾動(dòng)軸承、磁懸浮軸承和氣體靜壓軸承三種基本類型。滾動(dòng)軸承電主軸結(jié)構(gòu)簡單、剛度好、標(biāo)準(zhǔn)化高，但是高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)磨損快，精度壽命和實(shí)用壽命短(一般在三個(gè)月左右需更換軸承)振動(dòng)和噪音大。磁懸浮軸承電主軸轉(zhuǎn)速高、精度好，但是其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、控制難度大，技術(shù)不夠成熟。
目前空氣靜壓軸承電主軸有兩種基本結(jié)構(gòu)，一種是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的氣體靜壓軸承支承的電主軸，它具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝難度低、精度高、壽命長等特點(diǎn)，主要適用于精密磨削加工，但由于其承載能力和剛度較低，不能滿足高速精密銑削和車削等加工工藝的要求。第二種是近年來開發(fā)的“全支承”結(jié)構(gòu)的空氣靜壓軸承電主軸，它的承載能力和剛度較傳統(tǒng)支承結(jié)構(gòu)的空氣靜壓主軸相比有較大程度的提高，但是這種類型的電主軸存在耗氣量較大、工藝難度高、成本高等缺點(diǎn)，影響了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用。本實(shí)用新型結(jié)合了“全支承”結(jié)構(gòu)氣體靜壓軸承和普通結(jié)構(gòu)氣體靜壓軸承的優(yōu)點(diǎn)，采用流固耦合設(shè)計(jì)理論對(duì)空氣軸承電主軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化的基礎(chǔ)上，提出的一種新型高速高剛度復(fù)合多支承氣體靜壓電主軸結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種高速高剛度復(fù)合多支承氣體靜壓軸承電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的氣體靜壓軸承支承的電主軸的承載能力和剛度較低的技術(shù)問題，同時(shí)又能克服全支承靜壓氣體軸承的電主軸存在的耗氣量較大、工藝難度高、成本高等缺點(diǎn)。
本實(shí)用新型電主軸采用三支承結(jié)構(gòu)，該主軸的剛度和承載能力與全支承空氣軸承電主軸相同，且具有結(jié)構(gòu)簡單，可顯著降低軸承和主軸單元的機(jī)械加工工藝難度，耗氣量顯著減少，產(chǎn)品成本也有顯著的降低。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖如附圖一所示，高速高剛度復(fù)合多支承氣體靜壓軸承電主軸，包括有前軸承4、中軸承7、主軸6、后軸承11，其中主軸6由前軸承4、中軸承7和后軸承11支承，主軸前軸承4、中軸承7和后軸承11安裝在主軸的外套筒5上；在主軸6的中部位于中軸承7和后軸承11之間裝有包括電機(jī)定子8、電機(jī)定子水套9、電機(jī)轉(zhuǎn)子10的電機(jī)組件，其中電機(jī)定子8套裝在電機(jī)定子水套9的內(nèi)部，通過電機(jī)水套9套裝在電主軸的外套筒5內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)子10套裝在主軸6上。
上述前軸承4為徑向支承和止推一體化軸承，采用多支承并聯(lián)一體化結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)具有雙列均布徑向節(jié)流孔4B的靜壓軸承并聯(lián)而成，中間由環(huán)型排氣槽4D分開，排氣槽4D通過主軸外套筒5上的徑向排氣孔5A與大氣相聯(lián)通，軸承4的所有靜壓氣腔通過一條平衡氣槽4C相聯(lián)通。
上述前軸承4的前端面圓周方向上均布一系列軸向止推節(jié)流孔4A，構(gòu)成止推軸承；同時(shí)前軸承4與前端蓋1之間裝有止推軸承2，止推軸承2與前軸承4組成止推軸承副，共同承擔(dān)主軸的軸向載荷，確定主軸的軸向平衡位置；止推軸承2與前軸承4之間裝有定位環(huán)3，止推軸承2與前軸承4的氣膜厚度由定位環(huán)3與主軸6的臺(tái)肩厚度差確定，定位環(huán)3上設(shè)有排氣孔3A與大氣相聯(lián)通。
上述前軸承4的前端面軸向止推節(jié)流孔4A與前軸承4的徑向軸承共用第一列靜壓氣腔4E。
上述前軸承4的前端面軸向止推節(jié)流孔4A與前軸承4的徑向軸承第一列靜壓氣腔4E內(nèi)的徑向節(jié)流孔數(shù)量一致，且對(duì)應(yīng)位置的節(jié)流孔間正交聯(lián)通。
上述中軸承7為徑向氣體靜壓軸承，具有雙列均布的徑向節(jié)流孔；上述后軸承11為徑向氣體靜壓軸承，具有雙列均布的徑向節(jié)流孔。
上述電機(jī)定子水套9上有螺旋冷卻水道，在主軸外套筒5內(nèi)設(shè)有入水通道19和出水通道20，其中入水通道19一端與電機(jī)定子水套9的入水端相聯(lián)，另一端聯(lián)接到入水管接頭15，輸入冷卻水；出水通道20一端與電機(jī)定子水套9的出水端相聯(lián)，另一端聯(lián)接到出水管接頭16，將電機(jī)的發(fā)熱量通過冷卻水熱交換而排出。
上述止推軸承2、前軸承4、中軸承7以及后軸承11的氣腔與設(shè)在電主軸外套筒5上的供氣通道18相連；后端蓋12安裝在電主軸外套筒5靠近后軸承11的一端，供氣通道18通過與安裝在后端蓋12上的進(jìn)氣管接頭13與外部供氣系統(tǒng)聯(lián)接。
上述后端蓋12上裝有電源接頭14。
上述主軸6的一端與后軸承11之間裝有軸套17，后軸承11的氣膜厚度由后軸承11的內(nèi)徑與軸套17的外徑差確定。
本實(shí)用新型由于采用了具有多支承并聯(lián)一體化結(jié)構(gòu)的氣體靜壓軸承為前支承、普通小孔節(jié)流的氣體靜壓軸承結(jié)構(gòu)為中軸承和后軸承的復(fù)合三支承結(jié)構(gòu)，其中具有多支承并聯(lián)一體化結(jié)構(gòu)的前軸承4主要承擔(dān)主軸的徑向載荷，也能承受較大的軸向傾覆力矩，中軸承提高主軸的支承剛度，減少主軸因?yàn)榻孛孀兓鹬鬏S變形和承載能力降低，后軸承用于提高主軸的徑向承載能力和抗彎能力。
這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)最大的優(yōu)點(diǎn)在于充分發(fā)揮了每個(gè)軸承的作用，消除了全支承軸承中存在的中間冗余環(huán)節(jié)，減小了前軸承的并聯(lián)數(shù)量，從而降低了軸承的加工工藝難度和制造成本，同時(shí)有效地改善了主軸的動(dòng)態(tài)特性，提高了主軸的剛度和承載能力。采用這種結(jié)構(gòu)的氣體靜壓軸承電主軸具有較高的剛度、承載能力和良好的動(dòng)態(tài)和熱態(tài)特性，可以適用于精密高速車/銑加工的需要。
以下結(jié)合
本實(shí)用新型的具體結(jié)構(gòu)圖一為本實(shí)用新型的復(fù)合多支承氣體靜壓軸承電主軸的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖二為本實(shí)用新型的電主軸關(guān)鍵件--前軸承的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖三為本實(shí)用新型的關(guān)鍵件前軸承的A-A剖視圖。
其中1-前端蓋2-止推軸承3-定位環(huán)3A-排氣孔4-前軸承4A-止推節(jié)流孔4B-徑向節(jié)流孔4C-平衡氣槽4D-排氣槽4E-第一列靜壓氣腔5-外套筒5A-排氣孔6-主軸7-中軸承8-電機(jī)定子9-電機(jī)定子水套10-電機(jī)轉(zhuǎn)子11-后軸承12-后端蓋13-進(jìn)氣管接頭14-電源接頭15-入水管接頭16-出水管接頭17-軸套18-供氣通道19 入水通道20-出水通道具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖一所示，前端蓋1用以阻擋加工時(shí)所產(chǎn)生的鐵屑和冷卻液進(jìn)入外套筒5內(nèi)部，止推軸承2和前軸承4起軸承載作用，止推軸承2和前軸承4的止推軸承的氣膜間隙由定位環(huán)3與主軸軸肩的軸向尺寸差來確定。如圖一所示，前端蓋1、定位環(huán)3、前軸承4、中軸承7、電機(jī)定子8、電機(jī)定子水套9、后軸承11及后端蓋12安裝在主軸外套筒5上，主軸6由止推軸承2、前軸承4、中軸承7以及后軸承11共同支承。止推軸承2、前軸承4、中軸承7和后軸承11通過外套筒5的供氣通道18與供氣系統(tǒng)的進(jìn)氣管接頭13相聯(lián)，通過進(jìn)氣管接頭13聯(lián)結(jié)外部提供的壓縮空氣。電機(jī)定子水套的入水口和出水口分別通過與主軸外套筒5上的入水通道19和出水通道20相聯(lián)，入水通道19通過后端蓋12上的入水管接頭15與供水系統(tǒng)相聯(lián)，出水通道20通過后端蓋上的出水管接頭16與排水系統(tǒng)相聯(lián)，構(gòu)成電機(jī)的冷卻系統(tǒng)。主軸電機(jī)的定子4通過電源接頭14與電源相聯(lián)，構(gòu)成驅(qū)動(dòng)控制電路。
該主軸由前、中、后三個(gè)不同結(jié)構(gòu)的靜壓氣體軸承構(gòu)成復(fù)合多支承結(jié)構(gòu)。前軸承4結(jié)構(gòu)如圖二所示，為徑向支承和止推一體化軸承，采用多支承并聯(lián)一體化結(jié)構(gòu)，兩個(gè)軸承之間設(shè)有環(huán)型排氣槽，同時(shí)兩個(gè)軸承單元的靜壓氣腔通過平衡氣槽4C相連通，這種軸承結(jié)構(gòu)的承載系數(shù)和剛度都較大的提高，能有顯著提高主軸的承載能力和剛度。因?yàn)樵陔姍C(jī)處主軸截面變化較大，且軸向尺寸較長，采用傳統(tǒng)的前后兩支承結(jié)構(gòu)不能滿足主軸承載能力和剛度的要求，因此，本主軸截面變化處增加一個(gè)具有雙排節(jié)流孔結(jié)構(gòu)的氣體靜壓軸承7作為中支承，用以減少主軸在變截面處的彎曲變形，提高主軸的剛度。主軸電機(jī)組件位于中軸承7和后軸承11之間。軸套17裝在主軸上，后軸承11和軸套17的作用主要用于提供主軸的后支承，防止主軸后端向上傾斜，提高主軸的徑向承載能力和剛度。
權(quán)利要求1.一種高速高剛度復(fù)合多支承氣體靜壓軸承電主軸，其特征在于包括有前軸承(4)、中軸承(7)、主軸(6)、后軸承(11)，其中主軸(6)由前軸承(4)、中軸承(7)和后軸承(11)支承，主軸前軸承(4)、中軸承(7)和后軸承(11)安裝在主軸的外套筒(5)上；在主軸(6)的中部位于中軸承(7)和后軸承(11)之間裝有包括電機(jī)定子(8)、電機(jī)定子水套(9)、電機(jī)轉(zhuǎn)子(10)的電機(jī)組件，其中電機(jī)定子(8)套裝在電機(jī)定子水套(9)的內(nèi)部，通過電機(jī)水套(9)套裝在電主軸的外套筒(5)內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)子(10)套裝在主軸(6)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速高剛度復(fù)合多支承氣體靜壓軸承電主軸，其特征在于上述前軸承(4)為徑向支承和止推一體化軸承，采用多支承并聯(lián)一體化結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)具有雙列均布徑向節(jié)流孔(4B)的靜壓軸承并聯(lián)而成，中間由環(huán)型排氣槽(4D)分開，排氣槽(4D)通過主軸外套筒(5)上的徑向排氣孔(5A)與大氣相聯(lián)通，軸承(4)的所有靜壓氣腔通過一條平衡氣槽(4C)相聯(lián)通。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速高剛度復(fù)合多支承氣體靜壓軸承電主軸，其特征在于上述前軸承(4)的前端面圓周方向上均布一系列軸向止推節(jié)流孔(4A)，構(gòu)成止推軸承；同時(shí)前軸承(4)與前端蓋(1)之間裝有止推軸承(2)，止推軸承(2)與前軸承(4)組成止推軸承副；止推軸承(2)與前軸承(4)之間裝有定位環(huán)(3)，止推軸承(2)與前軸承(4)的氣膜厚度由定位環(huán)(3)與主軸(6)的臺(tái)肩厚度差確定，定位環(huán)(3)上設(shè)有排氣孔(3A)與大氣相聯(lián)通。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速高剛度復(fù)合多支承氣體靜壓軸承電主軸，其特征在于上述前軸承(4)的前端面軸向止推節(jié)流孔(4A)與前軸承(4)的徑向軸承共用第一列靜壓氣腔(4E)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速高剛度復(fù)合多支承氣體靜壓軸承電主軸，其特征在于上述前軸承(4)的前端面軸向止推節(jié)流孔(4A)與前軸承(4)的徑向軸承第一列靜壓氣腔(4E)內(nèi)的徑向節(jié)流孔數(shù)量一致，且對(duì)應(yīng)位置的節(jié)流孔間正交聯(lián)通。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速高剛度復(fù)合多支承氣體靜壓軸承電主軸，其特征在于上述中軸承(7)為徑向氣體靜壓軸承，具有雙列均布的徑向節(jié)流孔；上述后軸承(11)為徑向氣體靜壓軸承，具有雙列均布的徑向節(jié)流孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速高剛度復(fù)合多支承氣體靜壓軸承電主軸，其特征在于上述電機(jī)定子水套(9)上有螺旋冷卻水道，在主軸外套筒(5)內(nèi)設(shè)有入水通道(19)和出水通道(20)，其中入水通道(19)一端與電機(jī)定子水套(9)的入水端相聯(lián)，另一端聯(lián)接到入水管接頭(15)，輸入冷卻水；出水通道(20)一端與電機(jī)定子水套(9)的出水端相聯(lián)，另一端聯(lián)接到出水管接頭(16)，將電機(jī)的發(fā)熱量通過冷卻水熱交換而排出。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或6或7所述的高速高剛度復(fù)合多支承氣體靜壓軸承電主軸，其特征在于上述止推軸承(2)、前軸承(4)、中軸承(7)以及后軸承(11)的氣腔與設(shè)在電主軸外套筒(5)上的供氣通道(18)相連；后端蓋(12)安裝在電主軸外套筒(5)靠近后軸承(11)的一端，供氣通道(18)通過與安裝在后端蓋(12)上的進(jìn)氣管接頭(13)與外部供氣系統(tǒng)聯(lián)接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速高剛度復(fù)合多支承氣體靜壓軸承電主軸，其特征在于上述后端蓋(12)上裝有電源接頭(14)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速高剛度復(fù)合多支承氣體靜壓軸承電主軸，其特征在于上述主軸(6)的一端與后軸承(11)之間裝有軸套(17)，后軸承(11)的氣膜厚度由后軸承(11)的內(nèi)徑與軸套(17)的外徑差確定。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種高速高剛度復(fù)合多支承氣體靜壓軸承電主軸，包括有前軸承、中軸承、主軸、后軸承，其中主軸由前軸承、中軸承和后軸承支承，主軸前軸承、中軸承和后軸承安裝在主軸的外套筒上，其中前軸承采用多支承并聯(lián)一體化結(jié)構(gòu)；在主軸的中部位于中軸承和后軸承之間裝有包括電機(jī)定子、電機(jī)定子水套、電機(jī)轉(zhuǎn)子的電機(jī)組件；本實(shí)用新型采用多支承并聯(lián)一體化結(jié)構(gòu)氣體靜壓軸承和普通結(jié)構(gòu)氣體靜壓軸承相結(jié)合的復(fù)合多支承結(jié)構(gòu)作為主軸的支承形式，該結(jié)構(gòu)不但可以顯著提高主軸的承載能力和剛度，而且可以減少主軸的耗氣量，降低軸承加工的工藝難度和制造成本，該主軸具有高速、大功率、高回轉(zhuǎn)精度，高承載力、大剛性、壽命長和運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23B19/02GK2832364SQ20052006630
公開日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月26日
發(fā)明者馬平, 李劼科, 李鍛能 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)