一種微細機械加工用微主軸的製作方法

2023-04-26 11:59:43

本發明涉及一種主軸，特別是涉及一種微細機械加工用超高速精密氣動微主軸,屬於機械製造裝備領域。

背景技術：

零件的小型化和尺寸的高精度化對其加工設備提出了越來越高的要求。微主軸作為微工具機的關鍵部件，直接決定了微工具機的性能及微細切削微細磨削等微細機械加工技術的發展和應用。現有微主軸分為微電主軸和微氣動主軸兩種，主要存在以下三個方面問題：一是結構複雜，體積較大限制了微工具機的小型化。要滿足微工具機要求，長徑比不大於3:1；二是受微電主軸中電動機的損耗發熱和採用滾動軸承的摩擦發熱、或者採用小孔節流式靜壓氣體軸承剛度低等問題影響，轉速較低(大多<200000r/min以下)，不僅影響了微細機械加工效率和加工質量，且加劇了微刀具的磨損和更滑速度。微細切削微細磨削用微刀具的外徑一般在幾微米至幾百微米之間，根據材料性能所推薦的微細切削速度可推導得出微主軸的轉速應超過500000r/min；三是現有微主軸採用彈簧夾頭裝夾微刀具，彈簧夾頭的製造安裝誤差等會直接傳遞到刀具上，大幅增加刀具的跳動誤差。如微主軸超高速迴轉時的跳動誤差可達10μm，大大超過了微米級的微細機械加工厚度。因此在實際微細機械加工中為了避免微主軸的大跳動誤差往往會限制微主軸轉速。

如果僅從體積大小來衡量，微主軸只是比傳統主軸體積小。但實際上，隨著體積的大幅減小、轉速的不斷提高，其熱變形、剛度、頻率、振幅等與傳統主軸存在很大的不同。為此，必須從創新結構設計入手，研發出用於微細機械加工的超高速精密微主軸。而微電主軸結構複雜，且受散熱條件限制，轉速較低；採用氣流驅動並支承的氣浮渦輪式微主軸由於氣體的摩擦因數低、溫升小、流速高，可以達到很高的轉速，理論上是能夠滿足高速微細切削加工要求的。本專利發明人已設計出兩臺新型的超高速精密氣動微主軸(見專利：ZL201010116981.8、ZL201310157777.4)，但是體積較大，轉速還不能完全滿足要求。為此，設計出新型的用於微細機械加工的微主軸，其外部結構<直徑30mm×長60mm，最高轉速超過400000r/min。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種轉速高、跳動誤差小，且結構簡單緊湊、製造方便，用於微細銑削、微細鑽削、微細磨削等微細機械加工的超高速精密微主軸。

為了解決上述問題，本發明提供的微細機械加工用微主軸，包括箱體、均壓板、後端軸承支承件、渦輪噴嘴、前端軸承支承件、主軸轉子、微刀具和安裝板，所述渦輪直接在所述主軸轉子中間加工而成，所述渦輪上的葉片為規則圓柱面形，且正對渦輪噴嘴上的小孔，所述渦輪噴嘴設置有兩圈小孔用以提供高速氣流驅動主軸轉子高速旋轉，所述主軸轉子前、後端分別採用前端多孔質靜壓氣體徑向軸承、後端多孔質靜壓氣體徑向軸承徑向支承安裝，所述主軸轉子後端設置有擋板，所述擋板前、後端分別採用前端多孔質靜壓氣體止推軸承、後端多孔質靜壓氣體止推軸承軸向支承安裝，所述主軸轉子後端還設置有後端軸承排氣道用以排出氣流，所述前端多孔質靜壓氣體徑向軸承安裝在前端軸承支承件內，所述前端軸承支承件周向均布有4個前端氣流進氣道，所述後端多孔質靜壓氣體徑向軸承與所述前端多孔質靜壓氣體止推軸承製成一體的「L」形，並安裝在後端軸承支承件內，所述後端軸承支承件周向均布有4個後端氣流進氣道，所述後端多孔質靜壓氣體止推軸承通過均壓板提供氣流，所述均壓板、後端多孔質靜壓氣體止推軸承依次安裝在箱體後端，所述後端軸承支承件、渦輪噴嘴、前端軸承支承件依次安裝在箱體內，並通過安裝板、螺釘固定安裝，所述箱體設置有後端多孔質靜壓氣體止推軸承供氣口及對應的止推軸承進氣道、止推軸承排氣道、止推軸承排氣口、後端多孔質靜壓氣體軸承供氣口、渦輪後端排氣口、噴嘴供氣口、渦輪前端排氣口，前端多孔質靜壓氣體徑向軸承供氣口，所述主軸轉子前端軸線處設置有軸向孔，通過熱脹冷縮效應夾持微銑刀、微鑽頭、微磨棒等微刀具或其它微執行機構，且軸向孔深度大於微刀具刀柄長度，從而可調節微刀具懸伸長度。

所述渦輪噴嘴不限於設置兩圈小孔，可根據輸出轉速、轉矩要求設置單圈或多圈小孔。

所述前端軸承支承件不限於均布4個前端氣流進氣道，所述後端軸承支承件不限於均布4個後端氣流進氣道，所述均壓板也不限於均布4個均壓孔，可根據需要均布設置其它數量的進氣道或均壓孔。

採用上述技術方案的微細機械加工用微主軸，由渦輪噴嘴提供的高速氣流衝擊渦輪驅動主軸轉子高速旋轉，實現微主軸超高轉速性能；主軸轉子前、後端分別採用多孔質靜壓氣體徑向軸承支承定位，主軸轉子後端設置有擋板，擋板前、後端分別採用多孔質靜壓氣體止推軸承支承定位，實現微主軸的超精密迴轉；主軸轉子前端軸線處設置有軸向孔，通過熱脹冷縮效應夾持微刀具。

採用上述技術方案的微細機械加工用微主軸，與現有技術相比其優點和積極效果是顯著的，主要體現在以下方面：

1.兩圈或多圈小孔的噴嘴結構。在衝擊式氣動微渦輪中，為了獲得超高轉速，噴嘴中的小孔尺寸一般要小。但是小孔尺寸越小，其衝擊作用力就越小。如果採用常用的單圈小孔布置結構，受微主軸結構尺寸限制，其數量有限，因此造成微渦輪產生的轉矩和功率較小，難以滿足微細機械加工要求。而在噴嘴中正對渦輪葉片的周向上設置兩圈或多圈小孔，會成倍增加噴嘴小孔數量，不僅可實現氣動微渦輪的超高轉速性能，而且能有效提升其轉矩和功率。

2.主軸轉子與渦輪的一體式結構。現有旋轉機械中支承轉子與渦輪很多是加工後裝配到一起，渦輪的製造安裝等誤差會直接傳遞到支承轉子上，加劇了轉子的不平衡。尤其是超高速精密微主軸，宏觀尺度下很小的不平衡量就有可能導致很大的跳動誤差。而現有動平衡技術還無法解決毫米級轉子幾十萬轉的動平衡校正，因此只能依靠加工精度來保證。而本技術方案將主軸轉子與渦輪製成一體，不僅避免了渦輪的安裝誤差，且渦輪上的葉片為規則圓柱面形，加工精度易保證，因此平衡性能好，從而有利於微主軸轉速和迴轉精度的提高。

3.微小型多孔質靜壓氣體軸承支承結構。超高速精密微主軸受結構尺寸及微小零件加工條件限制，目前主要採用滾動軸承和小孔節流式靜壓氣體軸承支承。滾動軸承高速運行時的溫升較高，需設置冷卻系統，這就使微主軸結構複雜。小孔節流式靜壓氣體軸承承載小、剛度低，造成主軸的跳動隨著轉速的提高而不斷加劇。本技術方案採用微小型多孔質靜壓氣體軸承支承，不僅避免了溫升問題，且承載力和剛度都得以提升，保證了微主軸超高轉速下的高迴轉精度。

4.微刀具的熱脹冷縮夾持方式。現有微主軸常採用微小彈簧夾頭夾持微刀具，彈簧夾頭的製造安裝誤差不僅會直接傳遞到微刀具上，導致微刀具的跳動誤差增大，而且也增大了主軸轉子的不平衡量，影響微主軸的轉速。而本技術方案在主軸轉子前端軸線處設置有軸向孔，通過熱脹冷縮效應夾持微刀具，即通過溫度的改變來實現刀具的夾持和更換要求，以此避免彈簧夾頭的製造安裝誤差及其帶入的不平衡量，從而有利於微主軸迴轉精度及其轉速的提高。

5.微刀具懸伸長度可調節結構。主軸轉子前端軸線處的軸向孔深度大於微刀具刀柄長度，不僅可根據加工要求調節微刀具懸伸長度，以滿足較大尺寸範圍內的加工要求，更重要的是通過調節微刀具懸伸長度可與主軸轉子後端設置的擋板協調保證主軸轉子前後端質量平衡，減小主軸轉子的跳動誤差。

6.主軸轉子結構簡單且對稱。主軸轉子上的渦輪葉片為偶數個規則的圓柱面形，主軸轉子後端設置的擋板與前端設置的軸向孔都為圓柱或圓筒形結構，可見整個主軸轉子結構非常簡單且對稱，加工精度容易保證，也就是說易通過加工製造精度來保證主軸轉子的不平衡量，從而有利於實現微主軸的超高轉速與低跳動誤差性能。

綜上所述，本發明設計新穎合理、結構簡單、體積小(<直徑30mm×長45mm)、製造方便，符合市場化的產品要求，而且轉速高、跳動誤差小，特別適合於超精密微小零件的微細銑削、微細鑽削、微細磨削等微細機械加工，可作為微工具機的微主軸及其它作高速超高速、高精度迴轉運動的機電設備或手動工具機的微主軸。

附圖說明

圖1是本發明實施例的主剖視圖。

圖2是本發明圖1的A-A剖視圖(即後端多孔質靜壓氣體止推軸承進氣均壓通道)。

圖3是本發明圖1的B-B剖視圖(即多孔質靜壓氣體止推軸承排氣通道)。

圖4是本發明圖1的C-C剖視圖(即後端多孔質靜壓氣體徑向軸承進氣通道)。

圖5是本發明圖1的D-D剖視圖(即渦輪後端排氣通道)。

圖6是本發明圖1的E-E剖視圖(即渦輪進氣通道)。

圖7是本發明圖1的F-F剖視圖(即渦輪前端排氣通道)。

圖8是本發明圖1的G-G剖視圖(即主軸轉子後端軸承排氣道)

附圖1-8中：1—箱體，2—後端多孔質靜壓氣體止推軸承，3—前端多孔質靜壓氣體止推軸承，4—後端多孔質靜壓氣體徑向軸承，5—後端氣流進氣道，6—後端多孔質靜壓氣體軸承供氣口，7—小孔，8—噴嘴供氣口，9—前端多孔質靜壓氣體徑向軸承供氣口，10—前端氣流進氣道，11—安裝板，12—螺釘，13—前端多孔質靜壓氣體徑向軸承，14—軸向孔，15—微刀具，16—主軸轉子，17—前端軸承支承件，18—渦輪噴嘴，19—渦輪，20—後端軸承支承件，21—擋板，22—後端多孔質靜壓氣體止推軸承供氣口，23—止推軸承排氣口，24—渦輪後端排氣口，25—渦輪後端排氣道，26—渦輪前端排氣口，27—渦輪前端排氣道，28—止推軸承進氣道，29—葉片，30—均壓板，31—均壓孔，32—止推軸承排氣道，33—後端軸承排氣道。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發明作詳細說明。

參見附圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7和圖8，所述渦輪19直接在所述主軸轉子16中間加工而成，即渦輪19與主軸轉子16製成一體，避免了渦輪16的安裝誤差，所述渦輪19上的葉片29為規則圓柱面形，且正對渦輪噴嘴18上的小孔7，所述渦輪噴嘴18設置有兩圈小孔7用以提供高速氣流驅動主軸轉子16高速旋轉，即採用氣動微渦輪實現微主軸的超高速迴轉，所述主軸轉子16前、後端分別採用前端多孔質靜壓氣體徑向軸承13、後端多孔質靜壓氣體徑向軸承4徑向支承，所述主軸轉子16後端設置有擋板21，所述擋板21前、後端分別採用前端多孔質靜壓氣體止推軸承3、後端多孔質靜壓氣體止推軸承2軸向支承，即採用多孔質靜壓氣體軸承實現微主軸的超精密迴轉，所述主軸轉子16後端還設置有後端軸承排氣道33用以排出氣流，所述前端多孔質靜壓氣體徑向軸承13安裝在前端軸承支承件17內，所述前端軸承支承件17周向均布有4個前端氣流進氣道10，所述後端多孔質靜壓氣體徑向軸承4與所述前端多孔質靜壓氣體止推軸承3製成一體的「L」形，並安裝在後端軸承支承件20內，所述後端軸承支承件20周向均布有4個後端氣流進氣道5，所述後端多孔質靜壓氣體止推軸承2通過均壓板30提供氣流，所述均壓板30、後端多孔質靜壓氣體止推軸承2依次安裝在箱體1後端，所述後端軸承支承件20、渦輪噴嘴18、前端軸承支承件17依次安裝在箱體1內，並通過安裝板11、螺釘12固定安裝，可見整個微主軸的零件數量少、結構簡單、加工成本低，有利於產品的市場化要求，所述箱體1設置有後端多孔質靜壓氣體止推軸承供氣口22及對應的止推軸承進氣道28、止推軸承排氣道32、止推軸承排氣口23、後端多孔質靜壓氣體軸承供氣口6、渦輪後端排氣口24、噴嘴供氣口8、渦輪前端排氣口26，前端多孔質靜壓氣體徑向軸承供氣口9，所述主軸轉子16前端軸線處設置有軸向孔14，通過熱脹冷縮效應夾持微銑刀、微鑽頭、微磨棒等微刀具15或其它微執行機構，避免了採用彈簧夾頭的製造安裝誤差，且軸向孔14深度大於微刀具15刀柄長度，從而可調節微刀具15懸伸長度，不僅可實現較大尺寸範圍的微細機械加工，更重要的是可與主軸轉子16後端設置的擋板21協調保證主軸轉子16前後端質量平衡，減小主軸轉子16的跳動誤差，提升微刀具15的迴轉精度。

參見附圖1和圖6，所述渦輪噴嘴18不限於設置兩圈小孔7，越小尺寸的小孔在一定範圍內能提供更高速度的氣流，但是作用力小，因此可根據輸出轉速、轉矩要求設置單圈或多圈小孔7，即在實現渦輪19超高轉速的同時，還要保證輸出轉矩，以滿足微細機械加工要求。

參見附圖1和圖4，所述前端軸承支承件17不限於均布4個前端氣流進氣道10，所述後端軸承支承件20也不限於均布4個後端氣流進氣道5，所述均壓板30也不限於均布4個均壓孔31，可根據需要設置其它數量的進氣道或均壓孔，但需周向均布設置，目的是減小超高速氣流不對稱衝擊對多孔質軸承變形的影響，進而保證主軸轉子的高迴轉精度。

本發明的工作原理簡述於下：氣源經兩個噴嘴供氣口8進入渦輪噴嘴18內，隨後經小孔7形成超高速氣流，作用於渦輪19上的葉片29，推動主軸轉子16旋轉，隨後排出的氣流一部分經渦輪前端排氣道27、渦輪前端排氣口26，另一部分經渦輪後端排氣道25、渦輪後端排氣口24排出，從而實現微主軸的超高速迴轉性能；主軸轉子16前端的徑向支承是在氣源經前端多孔質靜壓氣體徑向軸承供氣口9進入前端軸承支承件17內，隨後經前端氣流進氣道10流入前端多孔質靜壓氣體徑向軸承13內，通過靜壓作用支承主軸轉子16後一部分氣流直接排出，另一部分氣流經渦輪前端排氣道27、渦輪前端排氣口26排出，主軸轉子16後端的徑向支承是在氣源經後端多孔質靜壓氣體軸承供氣口6進入後端軸承支承件20內，隨後經後端氣流進氣道5進入後端多孔質靜壓氣體徑向軸承4內，通過靜壓作用支承主軸轉子16後一部分氣流經渦輪後端排氣道25、渦輪後端排氣口24排出，另一部分氣流經後端軸承排氣道33、止推軸承排氣道32排出，從而實現對主軸轉子16的徑向支承定位；主軸轉子16的軸向支承是通過設置的擋板21來實現，具體是進入後端軸承支承件20內的一部分氣流會進入擋板21前端多孔質靜壓氣體止推軸承3內，通過靜壓作用支承主軸轉子16的擋板21後一部分經止推軸承排氣口23流出，另一部分經後端軸承排氣道33、止推軸承排氣道32排出，擋板21後端的支承是在氣源從後端多孔質靜壓氣體止推軸承供氣口22、止推軸承進氣道28，均壓板30上的均壓孔31後，進入後端多孔質靜壓氣體止推軸承2內，通過靜壓作用支承主軸轉子16的擋板21後，一部分氣流經止推軸承排氣口23排出，另一部分氣流經止推軸承排氣道32排出，從而實現對主軸轉子16的軸向支承定位，採用多孔質靜壓氣體軸承支承，不僅可有效降低採用滾動軸承支承時的摩擦功率損耗，而且相比小孔節流式靜壓氣體軸承，承載力更高、剛度更大，因此可有效解決微主軸超高速迴轉時的大跳動誤差問題；微刀具15通過熱脹冷縮效應夾持在主軸轉子16的軸向孔14內，避免了採用彈簧夾頭的製造安裝誤差，而且由於軸向孔14的深度大於微刀具15刀柄的長度，因此可調節微刀具15的懸伸長度，這樣不僅可滿足較大尺寸範圍內的加工要求，更重要的是可與主軸轉子16後端設置的擋板21協調實現主軸轉子16前後端的精密平衡要求，非常有利於微主軸超精密迴轉要求的實現。