一种混合气浮式的高速超精密气驱零膨胀主轴的制作方法

一种混合气浮式的高速超精密气驱零膨胀主轴
【技术领域】
1.本发明涉及机械制造技术领域，尤其涉及一种混合气浮式的高速超精密气驱零膨胀主轴。


背景技术：

2.随着国防、航空航天、医学以及光电通讯产业的迅速发展，对实现硬脆材料高效高质量加工的要求也越来越高，因此，开发一款高速超精密的主轴显得尤为重要。现阶段，通常采用的为气浮电主轴，相比于传统的轴承支撑方式，其具有功耗小、转速高的特点，但现有技术下的气浮轴承通常采用静压支撑，且只采用单一的径向节流孔，节流方式单一，在支撑力和支撑刚度方面具有不足。此外，现有的气浮电主轴通常采用内置电机，主轴转动时产生的热量较高，不易耗散，容易导致主轴的热变形，从而降低加工精度；同时，现有气浮电主轴的结构复杂，加工及装配工艺较难，难以保证装配过程中的同轴度误差，因此，进一步的限制了电主轴的加工精度。


技术实现要素：

3.本发明公开了一种高精度、高承载、高刚度、易加工、易装配的混合气浮式的高速超精密气驱零膨胀主轴，其可以解决背景技术中涉及的技术问题。
4.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
5.一种混合气浮式的高速超精密气驱零膨胀主轴，其特征在于，包括前端盖、外壳、后端盖、止推轴承、径向气浮轴承以及主轴，所述前端盖设置于所述外壳的前端，所述止推轴承和所述后端盖依次设置于所述外壳的后端，所述径向气浮轴承固定安装于所述外壳内，所述主轴可转动且气浮式的组配于所述径向气浮轴承内，所述主轴的尾端设有气驱动所述主轴旋转的涡轮，所述后端盖设有与外部压缩空气源连通的涡轮供气孔，所述止推轴承设有与所述涡轮供气孔连通并正对所述涡轮设置以驱动所述涡轮转动的涡轮喷嘴。
6.作为本发明的一种优选改进，所述主轴由零膨胀材料、氧化锆或者氮化硅材料制备。
7.作为本发明的一种优选改进，所述后端盖还设有与外部压缩空气源连通的轴承供气孔和与所述轴承供气孔连通的径向轴承供气通道，所述止推轴承设有与所述径向轴承供气通道连通的止推轴承进气通道，所述外壳设有与所述止推轴承进气通道连通的外壳供气通道，所述径向气浮轴承设有与所述外壳供气通道连通的径向节流孔和切向节流孔，所述径向气浮轴承还设有与所述径向节流孔和所述切向节流孔连通的径向气浮轴承凹槽。
8.作为本发明的一种优选改进，所述后端盖还设有与所述轴承供气孔连通的止推轴承供气通道，通过所述止推轴承供气通道给止推轴承提供产生轴向推力所需的气体。
9.作为本发明的一种优选改进，还包括装配于所述径向气浮轴承凹槽内的多孔质轴承。
10.作为本发明的一种优选改进，所述主轴包括与其表面凹陷形成并与所述多孔质轴
承相对设置的主轴人字槽微结构。
11.作为本发明的一种优选改进，所述止推轴承临近所述径向气浮轴承的一端设有与所述径向节流孔和切向节流孔连通的止推轴承节流器孔，所述止推轴承节流器孔内设有多孔质嵌入式节流器。
12.作为本发明的一种优选改进，还包括设置于所述涡轮外周侧的间隙调整垫。
13.作为本发明的一种优选改进，所述主轴的后端面设有对主轴进行动平衡的平衡螺钉孔。
14.作为本发明的一种优选改进，还包括设置于所述前端盖内并对主轴的转速进行实时测量的电涡流传感器。
15.本发明的有益效果如下：
16.1、利用后端盖上的涡轮进气口对涡轮进行驱动，实现主轴的高速转动；
17.2、利用径向气浮轴承和止推轴承构成的轴承副对主轴进行支撑，可以有效降低主轴高速转动时的摩擦磨损和跳动误差，提高支撑力和支撑刚度；
18.3、利用嵌入式小孔-多孔质复合节流器，可实现小孔节流和多孔质材料的结合，简化了加工工艺，降低了加工难度；
19.4、利用零膨胀材料、氮化硅或氧化锆等陶瓷材料制备主轴和涡轮，可降低主轴转动时的热变形，减小主轴重量，满足主轴高回转精度的要求；
20.5、利用主轴上的平衡螺钉孔，可较快实现主轴的动平衡；
21.6、利用安装在前端盖上的电涡流传感器实现对主轴转速的实时测量。
【附图说明】
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
23.图1为本发明一种混合气浮式的高速超精密气驱零膨胀主轴整体剖视图；
24.图2为本发明主轴结构示意图；
25.图3为本发明主轴结构端面示意图；
26.图4为本发明后端盖背面示意图；
27.图5为沿图4中a-a线的剖视图；
28.图6为沿图4中b-b线的剖视图；
29.图7为本发明后端盖正面示意图
30.图8为本发明止推轴承示意图；
31.图9为沿图8中c-c线的剖视图；
32.图10为本发明径向气浮轴承的第一剖视图；
33.图11为本发明径向气浮轴承的第二剖视图；
34.图12为本发明多孔质嵌入式节流器剖视图。
【具体实施方式】
35.下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
36.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
37.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
40.请参阅图1所示，本发明提供一种混合气浮式的高速超精密气驱零膨胀主轴，包括前端盖内六角螺栓1、径向气浮轴承2、主轴3、外壳4、后端盖内六角螺栓5、防水罩内六角螺栓6、后端盖7、止推轴承8、间隙调整垫9、多孔质嵌入式节流器10、防水罩11、内六角平端紧定螺钉12、多孔质轴承13、电涡流传感器14以及前端盖15。
41.所述前端盖15通过所述前端盖内六角螺栓1固定于所述外壳4的前端，所述止推轴承8和所述后端盖7通过所述后端盖内六角螺栓5依次固定于所述外壳4的后端。
42.所述径向气浮轴承2固定安装于所述外壳4内，具体的，所述径向气浮轴承2与所述外壳4过盈配合。
43.再结合图2和3所示，所述主轴3可转动且气浮式的组配于所述径向气浮轴承2内，所述主轴3的尾端设有气驱动所述主轴3旋转的涡轮3-4，具体的，所述主轴3与涡轮3-4一体设置，可简化主轴结构。另外，所述主轴3与涡轮3-4均采用因瓦合金、超因瓦合金等零膨胀金属材料、氮化硅或氧化锆等陶瓷材料制成，从而可降低主轴转动时的热变形，减小主轴重量，满足主轴高回转精度的要求。
44.再结合图4-7所示，所述后端盖7设有轴承供气孔7-1、径向轴承供气通道7-2、止推轴承供气通道7-3、涡轮供气孔7-4、连接外壳螺栓孔7-5以及固定防水罩螺栓孔7-6。所述轴承供气孔7-1和所述涡轮供气孔7-4分别与外部压缩空气源连通。所述径向轴承供气通道7-2和止推轴承供气通道7-3均与所述轴承供气孔7-1连通。
45.所述后端盖7通过所述后端盖内六角螺栓5与所述连接外壳螺栓孔7-5配合以次固定于所述外壳4的后端。
46.再结合图8和9所示，所述止推轴承8设有与所述涡轮供气孔7-4连通并正对所述涡轮3-4设置以驱动所述涡轮3-4转动的涡轮喷嘴8-1。
47.再结合图10和11所示，所述止推轴承8还设有与所述径向轴承供气通道7-2连通的止推轴承进气通道8-3，所述外壳4设有与所述止推轴承进气通道8-3连通的外壳供气通道4-1，所述径向气浮轴承2设有与所述外壳供气通道4-1连通的径向节流孔2-1和切向节流孔2-2，所述径向气浮轴承2还设有与所述径向节流孔2-1和所述切向节流孔2-2连通的径向气浮轴承凹槽2-3。
48.所述多孔质轴承13装配于所述径向气浮轴承凹槽2-3内，具体的，所述多孔质轴承13与所述径向气浮轴承凹槽2-3过盈配合，所述多孔质轴承3由多孔质石墨、陶瓷或金属制成。
49.所述主轴3包括与其表面凹陷形成并与所述多孔质轴承13相对设置的主轴人字槽微结构3-3，通过所述多孔质轴承13提供进气来实现径向气浮轴承2的动静压效应复合，提高径向气浮轴承2的气膜压力。
50.所述主轴3的后端面设有对主轴3进行动平衡的平衡螺钉孔3-5，所述平衡螺钉孔3-5的数量为多个，且多个所述平衡螺钉孔3-5环绕所述主轴3的轴心均匀阵列。
51.所述主轴3的前端面设有夹头3-1，将砂轮通过螺帽与夹头3-1进行夹紧连接，省去了复杂的换刀结构，极大的简化了主轴3的结构。
52.所述间隙调整垫9设置于所述涡轮3-4外周侧且通过后端盖内六角螺栓5与所述外壳4固定连接，所述间隙调整垫9设有连通所述止推轴承进气通道8-3和所述外壳供气通道4-1的间隙调整垫进气通道9-1。
53.外部压缩空气源产生的压缩空气由所述轴承供气孔7-1进入后，一部分通过所述止推轴承供气通道7-3给所述止推轴承8提供产生轴向推力所需的气体，另一部分通过所述径向轴承供气通道7-2，经所述止推轴承进气通道8-3、间隙调整垫进气通道9-1、外壳供气通道4-1、径向节流孔2-1、切向节流孔2-2、多孔质轴承13对所述主轴3产生径向推力所需的气体。
54.再结合图12所示，所述止推轴承8临近所述径向气浮轴承2的一端设有与所述径向节流孔2-1和切向节流孔2-2连通的止推轴承节流器孔8-2，所述止推轴承节流器孔8-2内设有多孔质嵌入式节流器10，具体的，多孔质复合节流器10采用多孔质石墨、陶瓷或金属制成，利用嵌入式小孔-多孔质复合节流器，可实现小孔节流和多孔质材料的结合，简化了加工工艺，降低了加工难度。
55.所述防水罩11设置于所述止推轴承8的外周并通过所述防水罩内六角螺栓6与所述固定防水罩螺栓孔7-6配合固定于所述后端盖7。
56.所述电涡流传感器14设置于所述前端盖15内，所述主轴3的前端面设置有四个凹槽3-2,其与电涡流传感器14相对应设置，实现对所述主轴3的转速进行实时测量。
57.本发明提供的混合气浮式的高速超精密气驱零膨胀主轴的工作原理如下：
58.外部压缩空气通过轴承供气孔7-1进入止推轴承8和径向气浮轴承2，对主轴3进行径向和轴向的支撑定位；将砂轮通过螺帽与夹头3-1进行夹紧连接；外部压缩空气通过涡轮供气孔7-4进入后，直接提供给涡轮3-4，使涡轮产生高速转动，实现对工件的高效高质量加工。
59.本发明的有益效果如下：
60.1、利用后端盖上的涡轮进气口对涡轮进行驱动，实现主轴的高速转动；
61.2、利用径向气浮轴承和止推轴承构成的轴承副对主轴进行支撑，可以有效降低主轴高速转动时的摩擦磨损和跳动误差，提高支撑力和支撑刚度；
62.3、利用嵌入式小孔-多孔质复合节流器，可实现小孔节流和多孔质材料的结合，简化了加工工艺，降低了加工难度；
63.4、利用零膨胀材料、氮化硅或氧化锆等陶瓷材料制备主轴和涡轮，可降低主轴转动时的热变形，减小主轴重量，满足主轴高回转精度的要求；
64.5、利用主轴上的平衡螺钉孔，可较快实现主轴的动平衡；
65.6、利用安装在前端盖上的电涡流传感器实现对主轴转速的实时测量。
66.尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。