CN103286679B - 一种超高速空气轴承电主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高速空气轴承电主轴，包括外壳、设置在外壳中的静压径向空气轴承、设置在静压径向空气轴承内的转子、与转子连接的电机轴、与电机轴连接的电机转子、设置于静压径向空气轴承一端的后止推轴承和前止推轴承，以及设置在转子一端的止推盘和设置在电机轴一端的非接触式的气体密封环，转子一端通过止推盘与后止推轴承和前止推轴承安装连接，转子另一端与电机轴安装连接。本发明极限转速高，轴承温升低，回转精度高；减轻了主轴重量，提高了主轴的动态特性；解决了小直径深孔磨削冷却问题，还起到冷却主轴电机转子作用，提高了轴承的支撑刚度和主轴的回转精度。

Description

一种超高速空气轴承电主轴

技术领域

本发明属于高速磨削加工装备领域，涉及一种超高速空气静压轴承电主轴。

背景技术

小直径深孔内圆磨削是高速加工亟待解决的难题之一，超高速电主轴是小直径深孔内圆磨削的必要装备，其工作转速要求超过10万转/分。传统的超高速电主轴大多采用滚动轴承支撑，工程应用表明：高速运行严重地制约了滚动轴承的寿命。首先滚动轴承的润滑尚需完善，传统的脂润滑达不到理想的润滑效果，而油气润滑将额外配置油气润滑***，提高生产成本；其次，滚动轴承在高速下还表现出温升高、支撑刚度变小，这些都将直接影响主轴的旋转精度。超高速滚动轴承宜采用小直径混合陶瓷球轴承，价格昂贵，需进口。若采用油润滑或者水润滑滑动轴承，在高速情况下，由于流体间的剪切作用，将产生大量的热，促使流体温度升高，从而导致其粘度下降，承载力和支撑刚度降低，同时由于流体温度的升高，轴颈和轴瓦将产生温度变形，从而导致轴承间隙变化，影响轴承的性能。

对于小直径深孔内圆磨削工艺，其磨削冷却液的供给也是一大难题。采用外部供液方式，冷却液无法顺利到达磨削区；而采用电主轴内部通冷却液的方式，由于主轴为细长轴，必须通入加压冷却液，给此主轴内部的密封提出了新的挑战。

发明内容

技术问题：针对上述问题，本发明提供了一种极限转速高，轴承温升低，回转精度高的超高速空气轴承电主轴。

技术方案：本发明的一种超高速空气轴承电主轴，包括外壳、设置在外壳中的静压径向空气轴承、设置在静压径向空气轴承内的转子、与转子连接的电机轴、与电机轴连接的电机转子、设置于静压径向空气轴承一端的后止推轴承和前止推轴承，以及设置在转子一端的止推盘和设置在电机轴一端的非接触式的气体密封环，转子一端通过止推盘与后止推轴承和前止推轴承安装连接，转子另一端与电机轴安装连接。

本发明中，转子的长径比大于10。

本发明中，转子为薄壁中空转子，中心设有阶梯通孔，包括大通孔和小通孔，大通孔和小通孔的连接处为锥面，大通孔内部设置有薄壁整体结构的细长中空管，细长中空管中设置有中心通孔，细长中空管的一端密封安装在大孔和小孔的过渡锥面上，另一端密封安装在电机轴内

本发明中，转子与电机轴过盈安装连接，形成整体结构，电机轴外部为为阶梯轴，包括大径部分、中径部分和小径部分三段，大径部分过盈安装在转子的大通孔内，并与细长中空管固定连接，中径部分与电机转子安装连接，小径部分与气体密封环安装连接；电机轴中心设有阶梯通孔，包括依次连接的电机轴大孔、电机轴小孔和电机轴中孔。

本发明的关键在于，主轴采用大长径比（达到10以上）空气静压轴承支承，径向采用四个静压空气轴承，轴向采用一组闭式静压止推轴承支撑；主轴为中空薄壁结构，内部设有薄壁细长管路，用于通入冷却液。此结构能够有效降低主轴的质量和转动惯量，高速时静压空气轴承可以提供足够的支撑刚度，因此电主轴具有较高的临界转速，满足了小直径深孔内圆磨削的技术需求。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明采用大长径比静压空气轴承支撑，极限转速高，轴承温升低，回转精度高；主轴采用中空结构，减轻主轴重量，提高主轴的动态特性；采用主轴中孔供给磨削冷却液技术，解决了小直径深孔磨削冷却问题，还起到冷却主轴电机转子作用，提高了轴承的支撑刚度和主轴的回转精度；为防止冷却液泄漏，冷却液供给端采用非接触式的气体密封技术。

本发明与传统的滚动轴承电主轴或流体润滑轴承相比，相同之处在于：采用内置电机驱动并由冷却水套循环冷却。不同之处在于：相比传统的滚动轴承和流体润滑滑动轴承，大长径比空气轴承具有径向刚度大，随着转速升高，动压效应增强，从而提升承载刚度。主轴采用中空结构，大幅提高主轴临界转速；采用中孔供给磨削冷却液，可进一步降低主轴电机温升；高效的非接触式的气体密封，不影响主轴功耗与回转精度。

附图说明

图1为本发明超高速空气轴承电主轴的结构示意图。

图2为本发明超高速空气轴承电主轴的结构示意图。

图3为转子结构示意图。

图4为电机轴部分结构示意图。

图5为静压径向空气轴承结构示意图。

图中有：外壳1，电机冷却水进口101，第一压缩空气进气孔105、第二压缩空气进气孔104、第三压缩空气进气孔103，第四压缩空气进气孔102，第一进气环201、第二进气环202、第三进气环203、第四进气环204，进气通道106，静压轴承进气孔107，第一出气孔108、第二出气孔109、第三出气孔110，冷却液进口1101，第一外部出气槽205、第二外部出气槽206、第三外部出气槽207，排气通道113，第一排气孔111，第二排气孔112，非接触式气体密封压缩空气进气孔114，转子20、大通孔2002、小通孔2001，细长中空管18、中心通孔1801、电机轴17、大孔1702、中孔1701、小孔1703、静压径向空气轴承2、第一内部出气槽208、第二内部出气槽209、第三内部出气槽210，第一连通孔211、第二连通孔212、第三连通孔213，止推轴承进气孔215，小孔节流器214，后止推轴承3、节流孔301、后止推轴承进气槽302，前止推轴承4、前止推轴承进气槽401、前止推轴承节流孔402，端盖5、端盖进气孔501，冷却水套6、电机定子7、电机转子8、冷却水溢出套9、进水管11、出水管13、气体密封环14、止推盘19、调整环16、主轴后端盖12、砂轮接杆21、

具体实施方式

如图1所示为一种超高速空气轴承电主轴示意图，主要包括：外壳1、静压径向空气轴承2、一对闭式静压止推空气轴承（后止推轴承3和前止推轴承4）、转子20、电机组件以及电机端气体密封装置。转子20为薄壁中空转子，其中心设有阶梯通孔，包括大通孔2002和小通孔2001，大通孔2002和小通孔2001的连接处为锥面。转子20的大通孔2002内部装有细长中空管18，细长中空管18设有中心通孔1801。细长中空管18的一端安装在大通孔2002和小通孔2001的过渡锥面上，并采用密封圈密封，另一端安装在电机轴17内，并采用密封圈密封。电机轴17为阶梯轴，共分为三段：大径部分过盈安装在转子20的大通孔2002内，并固定细长中空管18，中径部分过盈安装电机转子8，小径部分安装非接触式的气体密封环14。电机轴17中心设置有阶梯通孔，包括电机轴大孔1702、电机轴中孔1701和电机轴小孔1703，电机轴大孔1702和电机轴中孔1701之间采用电机轴小孔1703过渡，电机轴中孔1701内间隙安装冷却水溢出套9。转子20的外侧装有静压径向空气轴承2，静压径向空气轴承2共设有8排节流孔，同时设有4个进气环，分别为第一进气环201、第二进气环202、第三进气环203和第四进气环204，每个进气环内安装有两排节流孔，在静压径向空气轴承2的外壁上设置有位于两个相邻进气环之间的外部出气槽，分别为：第一外部出气槽205、第二外部出气槽206、第三外部出气槽207，内壁上设置有与外部出气槽对应的内部出气槽，分别为：第一内部出气槽208、第二内部出气槽209、第三内部出气槽210。内外出气槽之间设有连通孔，分别为：第一连通孔211、第二连通孔212和第三连通孔213。轴承2的前端设有一个止推轴承进气孔215，止推轴承进气孔215与进气环201连通。静压径向空气轴承2的外部装有外壳1，外壳1上设有一个电机冷却水进口101，用于通入外部冷却水进入电机冷却水套6。外壳1上设有4个轴承压缩空气进气孔，分别为：第一压缩空气进气孔105、第二压缩空气进气孔104、第三压缩空气进气孔103和第四压缩空气进气孔102，这4个压缩空气进气孔分别与第一进气环201、第二进气环202、第三进气环203和第四进气环204进气环连通，同时4个压缩空气进气孔通过一个进气通道106相互连通，并通过设在外壳1上的静压轴承进气孔107由外部气源通入压缩空气。外壳1上设有3个轴承内部空气出气孔，分别为第一出气孔108、第二出气孔109和第三出气孔110，3个出气孔分别与轴承2外壁上的第一外部出气槽205、第二外部出气槽206、第三外部出气槽207相连通，三个出气孔通过外壳1上的排气通道113相连通，排气通道113通过外壳1上的第一排气孔111和第二排气孔112与外界相通，用于排除轴承内部的空气。静压径向空气轴承2的前端装有一对闭式止推轴承3和4，后止推轴承3安装在静压径向空气轴承2的内，后止推轴承3上设有后止推轴承进气槽302和若干个后止推轴承节流孔301，节流孔301和进气槽302相连通，进气槽302通过静压径向空气轴承2上的止推轴承进气孔孔215与静压径向空气轴承2上的第一进气环201相通。后止推轴承3临近端盖5的一端设有止推盘19，止推盘19过盈安装在转子20上。止推盘19的前端装有前止推轴承4，前止推轴承4上设有前止推轴承进气槽401和若干个前止推轴承节流孔402，前止推轴承进气槽401和节流孔402相通，前止推轴承进气槽401通过设置在端盖5上的端盖进气孔501与外部气源相通。止推盘的外部装有调整环16，用于调整闭式止推轴承3和4的气膜间隙。电机轴17的后端装有非接触式气体密封装置，此气体密封装置通过外壳1上的非接触式气体密封压缩空气进气孔114通入压缩空气。

由非接触式气体密封压缩空气进气孔114、静压轴承进气孔107以及端盖进气孔501通入压缩空气，由电机冷却水进口101通入冷却水，由冷却液进口1101通入冷却液。冷却液依次流经冷却液进口1101、电机轴阶梯的通孔中孔1701、小孔1703以及大孔1702、细长中空管18的中心通孔1801以及转子20的小通孔2001，进入砂轮接杆的内孔，最终进入加工区域。非接触式的气体密封防止冷却水溢出套9和电机轴17之间的泄漏冷却液进入电机。由静压轴承进气孔107和端盖进气孔501通入的压缩空气，在静压空气轴承的间隙内形成承载气膜，由于空气相比其它液体润滑剂极低，因此摩擦功耗低、温升小，同时由于空气轴承在转子高速旋转时的动压效应，随着转子转速的升高，轴承的支撑刚度也随之增大，以保证电主轴在高速时的稳定运转。

Claims (3)

1.一种超高速空气轴承电主轴，其特征在于，该电主轴包括外壳（1）、设置在所述外壳（1）中的静压径向空气轴承（2）、设置在所述静压径向空气轴承（2）内的转子（20）、与所述转子（20）连接的电机轴（17）、与所述电机轴（17）连接的电机转子（8）、设置于所述静压径向空气轴承（2）一端的后止推轴承（3）和前止推轴承（4），以及设置在所述转子（20）一端的止推盘（19）和设置在所述电机轴（17）一端的非接触式的气体密封环（14），转子（20）一端通过止推盘（19）与后止推轴承（3）和前止推轴承（4）安装连接，转子（20）另一端与电机轴（17）安装连接；

所述转子（20）为薄壁中空转子，中心设有阶梯通孔，包括大通孔（2002）和小通孔（2001），所述大通孔（2002）和小通孔（2001）的连接处为锥面，大通孔（2002）内部设置有薄壁整体结构的细长中空管（18），所述细长中空管（18）中设置有中心通孔（1801），细长中空管（18）的一端密封安装在大通孔（2002）和小通孔（2001）的过渡锥面上，另一端密封安装在电机轴（17）内。

2.根据权利要求1所述的超高速空气轴承电主轴，其特征在于，所述转子（20）的长径比大于10。

3.根据权利要求1或2所述的超高速空气轴承电主轴，其特征在于，所述转子（20）与电机轴（17）过盈安装连接，形成整体结构，所述电机轴（17）外部为阶梯轴，包括大径部分、中径部分和小径部分三段，所述大径部分过盈安装在转子（20）的大通孔（2002）内，并与细长中空管（18）固定连接，所述中径部分与电机转子（8）安装连接，所述小径部分与气体密封环（14）安装连接；电机轴（17）中心设有阶梯通孔，包括依次连接的电机轴大孔（1702）、电机轴小孔（1703）和电机轴中孔（1701）。