專利名稱：超高精度氣靜壓軸承主軸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)床主軸系統(tǒng)，尤其是超高精度氣靜壓軸承主軸系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在超精密加工機(jī)床中，主軸系統(tǒng)是機(jī)床的核心部件，其精度直接影響零件的加工精度。氣靜壓軸承由于具有很高的回轉(zhuǎn)精度，在高速旋轉(zhuǎn)時溫升甚小、造成的熱變形誤差很小，因此廣泛應(yīng)用于超精密機(jī)床的主軸系統(tǒng)。在超精密機(jī)床主軸系統(tǒng)的設(shè)計中，應(yīng)該遵循結(jié)構(gòu)簡單、零部件少、裝配性能好、尺寸穩(wěn)定性好的原則，從而使主軸系統(tǒng)達(dá)到極高的回轉(zhuǎn)精度和穩(wěn)定性。常用的氣靜壓軸承根據(jù)轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)形狀分為兩種類型τ型和H型，前者適用于高精度的領(lǐng)域，后者適用于對角剛度要求較高的領(lǐng)域。中國專利CN1012^590A公開了一種超精密氣靜壓電主軸，就是采用H型轉(zhuǎn)軸，具有較大的角剛度，但其止推軸承的間隙調(diào)整比較困難，并且轉(zhuǎn)軸是由多個零件組成、不易達(dá)到特別高的精度要求和動平衡要求；另外該氣靜壓軸承需要一個軸系支架或者主軸箱來支承，在氣靜壓軸承與主軸箱之間需要考慮密封。圖1示出了一種常規(guī)的超精密氣靜壓軸承主軸系統(tǒng)，就是采用T型轉(zhuǎn)軸，包括轉(zhuǎn)軸100、 氣靜壓軸承200、主軸箱300、止推墊環(huán)400、止推板500，利用螺釘600(或其它連接方式) 將氣靜壓軸承200、止推墊環(huán)400和止推板500固聯(lián)在主軸箱300上，轉(zhuǎn)軸100被高壓氣體懸浮在氣靜壓軸承200和止推板500構(gòu)成的氣體軸承結(jié)構(gòu)內(nèi)，并相對于主軸箱旋轉(zhuǎn)；同時在氣靜壓軸承200與主軸箱300之間一般設(shè)置有給節(jié)流孔供氣的環(huán)形槽202，所以在氣靜壓軸承的外表面和主軸箱內(nèi)孔之間需要增加密封元件201以防止高壓氣體泄漏。對于超精密設(shè)備來說，零部件少、裝配簡單才能達(dá)到很高的精度與精度保持性，因此圖2所示的常規(guī)超精密氣靜壓軸承主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜。中國專利C擬810824Y公開了一種超精密高速空氣軸承電主軸，也采用T型主軸，但其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，前后軸承的同軸度很難保證。中國專利 CN101780M7A公開的超精密氣靜壓軸承主軸系統(tǒng)也存在類似的問題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、零部件少、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、超高精度的氣靜壓軸承主軸系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有的超精密機(jī)床中主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多、對裝配要求高以及精度保持性差的一些問題。本發(fā)明解決技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是一種超高精度氣靜壓軸承主軸系統(tǒng)，它包括轉(zhuǎn)軸、主軸箱、主軸箱端蓋，其中該轉(zhuǎn)軸為T型并且依靠氣靜壓軸承支承，用于在該主軸箱內(nèi)轉(zhuǎn)動，氣靜壓軸承集成于主軸箱內(nèi)、與主軸箱一體化，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊設(shè)計并且所使用的部件數(shù)量能夠最少。本說明書中所指的氣靜壓軸承包括軸向氣靜壓軸承，此軸向氣靜壓軸承可充當(dāng)止推軸承。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，將氣靜壓軸承的結(jié)構(gòu)要素，包括軸頸軸承面及其徑向節(jié)流器、止推軸承面及其軸向節(jié)流器、用于形成軸向氣膜間隙的止推墊環(huán)以及必要的氣體流
3道，全部集成在主軸箱上，從而實(shí)現(xiàn)了緊湊和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具體說明如下。主軸箱內(nèi)設(shè)置有主孔腔，主孔腔的內(nèi)表面為圓柱形，其經(jīng)過精密加工可作為軸頸軸承面，其內(nèi)可用于安裝轉(zhuǎn)軸，該轉(zhuǎn)軸具有與主孔腔內(nèi)表面相向的圓柱形外圓面，該轉(zhuǎn)軸的一個端面可連接電動機(jī)或其它動力機(jī)構(gòu)從而驅(qū)動該轉(zhuǎn)軸相對于主軸箱轉(zhuǎn)動。在主孔腔內(nèi)表面上開設(shè)有兩個排氣槽，這兩個排氣槽將軸頸軸承面分為兩部分，或者說分為兩個軸頸軸承，這兩個排氣槽負(fù)責(zé)接收兩個軸頸軸承相應(yīng)部位流出的氣體，并通過相應(yīng)的排氣流道將該氣體排放至主軸箱外部。本說明書的主軸箱，其外形可大致為多面體形狀，也可大致為圓柱體形狀。在主軸箱上設(shè)置有止推凸臺，該止推凸臺具有一個與主孔腔內(nèi)表面的軸線相垂直的法蘭平面。止推凸臺的功能與常規(guī)的氣靜壓軸承的止推墊環(huán)功能類似，用于連接主軸箱端蓋并且形成止推軸承的氣膜間隙。主軸箱還設(shè)置有與主孔腔內(nèi)表面的軸線相垂直的一個平面，該平面經(jīng)精密加工可作為止推軸承的一個止推面。該主軸箱還包括主軸箱端蓋，該端蓋的一個端平面經(jīng)精密加工可作為止推軸承的另一個止推面。這兩個止推面構(gòu)成了閉式氣靜壓止推軸承。在主軸箱內(nèi)的主孔腔內(nèi)表面上設(shè)置有徑向節(jié)流器，高壓氣體經(jīng)過徑向節(jié)流器進(jìn)入主孔腔內(nèi)表面和轉(zhuǎn)軸的外圓面之間的間隙，形成軸頸氣膜，可承受徑向載荷。在主軸箱內(nèi)與主孔腔內(nèi)表面的軸線相垂直的止推面上，設(shè)置有軸向節(jié)流器；在主軸箱端蓋的止推面上也設(shè)置有軸向節(jié)流器。高壓氣體經(jīng)軸向節(jié)流器進(jìn)入這兩個止推面和轉(zhuǎn)軸止推盤之間的間隙，形成止推氣膜，可承受軸向載荷。本說明書中所指的徑向節(jié)流器和軸向節(jié)流器，可以為小孔節(jié)流器，也可以為狹縫節(jié)流器、多孔質(zhì)節(jié)流器。在主軸箱內(nèi)設(shè)置有進(jìn)氣口和相應(yīng)的氣體流道，可將高壓氣體輸送到各徑向節(jié)流器和軸向節(jié)流器；同時設(shè)置有排氣的流道，可將氣體排出主軸箱。以上這些技術(shù)特點(diǎn)可將主軸箱和氣靜壓軸承集成為一體，從而減少了零部件數(shù)量，也簡化了裝配環(huán)節(jié)，從而達(dá)到了結(jié)構(gòu)緊湊、裝配簡單的目的。本發(fā)明的氣靜壓軸承主軸系統(tǒng)還可以包括真空口和相應(yīng)的氣體流道，該氣體流道用于連接真空口和真空吸盤。在真空口和氣體流道的共同作用下，真空吸盤可以吸附工件。 本說明書中的工件可以為其它需要裝夾的部件。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是零部件數(shù)量少、結(jié)構(gòu)簡單，可實(shí)現(xiàn)超高的回轉(zhuǎn)精度，按照目前零部件的制造水平，可達(dá)到0. 02 μ m的回轉(zhuǎn)精度，并且具有裝配簡單、精度保持性好的優(yōu)點(diǎn)，可用于多種加工形式的超精密機(jī)床上，包括但不限于超精密車床、超精密銑床和超精密磨床等。

圖1示出了常規(guī)的超精密氣靜壓軸承主軸系統(tǒng)的剖視圖。圖2A示出了實(shí)施本發(fā)明的超高精度氣靜壓軸承主軸系統(tǒng)的外觀圖；圖2B示出了實(shí)施本發(fā)明的超高精度氣靜壓軸承主軸系統(tǒng)的剖視具體實(shí)施方式
[0021]具體實(shí)施方式
一、圖2A和圖2B示出了本發(fā)明的超高精度氣靜壓軸承主軸系統(tǒng)，它包括轉(zhuǎn)軸1、主軸箱2和主軸箱端蓋3，轉(zhuǎn)軸1安裝于主軸箱2內(nèi)，依靠氣靜壓軸承支承并相對于主軸箱2轉(zhuǎn)動，該氣靜壓軸承集成于主軸箱2和內(nèi)且與主軸箱一體化，從而實(shí)現(xiàn)最簡單的構(gòu)型。主軸箱2內(nèi)設(shè)有主孔腔，該主孔腔內(nèi)表面加為圓柱形、并可用于氣靜壓軸承的軸頸軸承面，該主孔腔內(nèi)表面加的軸線為12，該主孔腔內(nèi)表面加與轉(zhuǎn)軸1的相應(yīng)圓柱形外圓面Ia相向。在主孔腔內(nèi)表面加上可以設(shè)置兩個排氣槽M和相應(yīng)的排氣流道Ma，這兩個排氣槽M將軸頸軸承面分為兩部分，或者說分為兩個軸頸軸承，這兩個排氣槽M負(fù)責(zé)接收兩個軸頸軸承相應(yīng)部位流出的氣體，并通過排氣流道2 將該氣體排放至主軸箱2外部。 在主孔腔內(nèi)表面加上設(shè)置有徑向節(jié)流器21a和21b，通過這些徑向節(jié)流器向主孔腔內(nèi)表面加和轉(zhuǎn)軸外圓面Ia之間的間隙供給高壓氣體，形成軸頸氣膜。徑向節(jié)流器21a和21b的出口都沿著主孔腔內(nèi)表面加的圓周方向均勻分布，分布在主孔腔內(nèi)表面加的一條圓周線上的徑向節(jié)流器構(gòu)成一個系列，或者稱為一排。在主孔腔內(nèi)表面加的軸線12方向，共設(shè)置有 4排徑向節(jié)流器，其中兩排徑向節(jié)流器21a構(gòu)成一個軸頸軸承的節(jié)流總和，兩排徑向節(jié)流器 21b構(gòu)成另一個軸頸軸承的節(jié)流總和。主軸箱2設(shè)置有止推凸臺28，該止推凸臺觀具有一個與主孔腔內(nèi)表面加的軸線 12相垂直的一個法蘭平面2c。該止推凸臺觀的作用相當(dāng)于常規(guī)的氣靜壓軸系的止推墊環(huán)， 用于連接主軸箱端蓋3和形成止推軸承的氣膜間隙。該止推凸臺觀與主軸箱2為一體化的結(jié)構(gòu)，目的是減少零部件的數(shù)量和提高精度與尺寸穩(wěn)定性。主軸箱2內(nèi)設(shè)置有一個止推面2b，該止推面為平面且與主孔腔內(nèi)表面加的軸線 12相垂直；主軸箱端蓋3設(shè)置有另一個止推面3a，該止推面3a也為平面且與止推凸臺觀的法蘭平面2c貼合，并采用螺釘4將主軸箱端蓋3和主軸箱2連接起來。止推面2b與轉(zhuǎn)軸止推盤面Ie相向，止推面3a與轉(zhuǎn)軸止推盤面Id相向。在止推面2b上設(shè)置有軸向節(jié)流器27，該節(jié)流器27的出口繞著主孔腔內(nèi)表面加的軸線12均勻分布在一條圓周線上，并向止推面2b與轉(zhuǎn)軸止推盤面Ie之間的間隙供給高壓氣體，形成一個止推氣膜；在止推面3a 上設(shè)置有軸向節(jié)流器31，該節(jié)流器31的出口也繞著主孔腔內(nèi)表面加的軸線12均勻分布在一條圓周線上，并向止推面3a與轉(zhuǎn)軸止推盤面Id之間的空隙供給高壓氣體，形成另一個止推氣膜。這兩個止推氣膜可以承受沿軸向的雙向載荷，構(gòu)成閉式止推軸承。主軸箱2內(nèi)設(shè)置徑向氣體流道2 和軸向氣體流道22b，主軸箱端蓋3內(nèi)設(shè)置有軸向氣體流道32a、徑向氣體流道32b和軸向氣體流道32c。因?yàn)閺较蚬?jié)流器和軸向節(jié)流器都繞著主孔腔內(nèi)表面加的軸線12均勻分布，所以這些徑向氣體流道和軸向氣體流道也繞著主孔腔內(nèi)表面加的軸線12均勻分布。對于位于同一個軸截面內(nèi)的這些徑向氣體流道和軸向氣體流道以及徑向節(jié)流器21a和21b、軸向節(jié)流器27和31而言，相互之間氣體是可以流通的。主軸箱端蓋3內(nèi)設(shè)置有密封蓋板33，該密封蓋板33與主軸箱端蓋3共同形成了繞主孔腔內(nèi)表面加的軸線12呈環(huán)形的氣體流道34，該氣體流道34與不同軸截面內(nèi)的軸向氣體流道32c都相互連通，因此使不同軸截面內(nèi)的所有徑向氣體流道和軸向氣體流道相互連通。主軸箱2內(nèi)設(shè)置有進(jìn)氣口 26，進(jìn)氣口沈可與任一個氣體流道相連通，高壓氣體經(jīng)進(jìn)氣口沈進(jìn)入主軸箱后，經(jīng)相互連通的氣體流道到達(dá)所有的徑向節(jié)流器和軸向節(jié)流器給氣靜壓軸承供氣。主軸箱2和主軸箱端蓋3設(shè)有密封件23，防止氣體流道內(nèi)的高壓氣體泄漏。[0026]轉(zhuǎn)軸具有兩個端面Ib和lc。轉(zhuǎn)軸的一個端面用于連接電動機(jī)或其它動力機(jī)構(gòu)，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)軸相對于主軸箱旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)軸的另一個端面用于連接真空吸盤，在真空吸盤上吸附工件。轉(zhuǎn)軸的兩個端面中的其中一個連接電動機(jī)、另一個連接真空吸盤，例如如果端面Ib 連接電動機(jī)，則端面Ic連接真空吸盤；如果端面Ic連接電動機(jī)，則端面Ib連接真空吸盤。主軸箱2設(shè)有真空口 29，其用于連接真空泵。主軸箱2的主孔腔內(nèi)表面加上設(shè)有真空環(huán)形槽25，該真空環(huán)形槽25位于兩個排氣槽M之間。在轉(zhuǎn)軸1上開設(shè)有徑向孔13 和軸向孔11，徑向孔13和軸向孔11相互連通，且徑向孔13位于和真空環(huán)形槽25相對的位置，中心孔11連通轉(zhuǎn)軸1的連接真空吸盤的端面。真空口 29、真空環(huán)形槽25以及轉(zhuǎn)軸1 上的徑向孔13和中心孔11共同形成連通的真空氣路通道，當(dāng)轉(zhuǎn)軸1的端面安裝有真空吸盤和工件時，該通道內(nèi)的氣體可被連接在真空口四的真空泵源源不斷的抽走，使該通道內(nèi)的氣體壓力維持在比主軸箱2外的氣壓低一定數(shù)值的程度，從而使工件被吸附在真空吸盤表面，實(shí)現(xiàn)工件的裝夾。轉(zhuǎn)軸1的中心孔11可以為連通兩個端面的通孔，也可以為僅連通安裝真空吸盤的端面的盲孔。轉(zhuǎn)軸1上開設(shè)的徑向孔13的長度可以等于轉(zhuǎn)軸的直徑，也可以等于轉(zhuǎn)軸的半徑。
具體實(shí)施方式
二、結(jié)合圖2B說明本實(shí)施方式，在本實(shí)施方式中，在主軸箱2的主孔腔內(nèi)表面加上所開設(shè)的徑向節(jié)流器21a沿軸線12的方向布置為一排。
具體實(shí)施方式
三、結(jié)合圖2B說明本實(shí)施方式，在本實(shí)施方式中，在主軸箱2的主孔腔內(nèi)表面加上所開設(shè)的徑向節(jié)流器21b沿軸線12的方向布置為一排。
權(quán)利要求1.一種超高精度氣靜壓軸承主軸系統(tǒng)，其中包括轉(zhuǎn)軸(1)、主軸箱( 和主軸箱端蓋 (3)，其中轉(zhuǎn)軸(1)安裝于主軸箱O)內(nèi)，依靠氣靜壓軸承支承并相對于主軸箱(2)轉(zhuǎn)動，該氣靜壓軸承集成于主軸箱O)內(nèi)且與主軸箱(2) —體，其特征在于主軸箱(2)開設(shè)有圓柱形的主孔腔，該主孔腔內(nèi)表面Oa)為軸頸軸承面，主軸箱( 的主孔腔內(nèi)表面Oa)開設(shè)有兩個排氣槽(M)，主軸箱( 設(shè)置有用作止推墊環(huán)的止推凸臺( )，該止推凸臺08)與主軸箱( 一體，所述主軸箱( 還設(shè)置有與主孔腔內(nèi)表面Oa)的軸線(1 相垂直的一個止推面(2b)，所述主軸箱端蓋(3)的一個端平面作為止推軸承的另一個止推面(3a)，在主軸箱內(nèi)的主孔腔內(nèi)表面Oa)上設(shè)置有徑向節(jié)流器Qla，21b)，止推面Qb)上設(shè)置有軸向節(jié)流器(XT)；在主軸箱端蓋(3)的止推面(3a)上也設(shè)置有軸向節(jié)流器(31)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高精度氣靜壓軸承主軸系統(tǒng)，其特征在于，轉(zhuǎn)軸(1)設(shè)有徑向孔(13)和中心孔(11)，主軸箱(2)的主孔腔內(nèi)表面(2a)開設(shè)有真空環(huán)形槽(25)，該真空環(huán)形槽05)位于兩個排氣槽04)之間，主軸箱設(shè)置有真空口(四)，該真空環(huán)形槽05) 與該真空口 09)以及轉(zhuǎn)軸(1)的徑向孔(13)和中心孔(11)共同形成連通的真空氣路通道。
專利摘要一種超高精度氣靜壓軸承主軸系統(tǒng)，其中包括轉(zhuǎn)軸(1)、主軸箱(2)和主軸箱端蓋(3)，其中轉(zhuǎn)軸(1)安裝于主軸箱(2)內(nèi)，依靠氣靜壓軸承支承并相對于主軸箱(2)轉(zhuǎn)動，該氣靜壓軸承集成于主軸箱(2)內(nèi)且與主軸箱一體化，從而實(shí)現(xiàn)最簡單的構(gòu)型。主軸箱(2)中設(shè)置有止推凸臺(28)，用以連接主軸箱端蓋(3)和形成止推軸承的軸向氣膜間隙。主軸箱(2)的主孔腔內(nèi)表面(2a)上設(shè)置有真空環(huán)形槽(25)，該真空環(huán)形槽(25)位于兩個排氣槽(24)之間，主軸箱(2)設(shè)置有真空口(29)，與轉(zhuǎn)軸(1)上的徑向孔(13)和中心孔(11)共同形成連通的真空氣路通道，當(dāng)轉(zhuǎn)軸端面安裝真空吸盤時可用于吸附工件。
文檔編號B23B19/02GK202021347SQ201120125119
公開日2011年11月2日 申請日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者杜建軍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院