技术领域
[0001] 本
发明涉及一种主轴，特别是涉及一种微细机械加工用超高速精密
气动微主轴,属于机械制造装备领域。
背景技术
[0002] 零件的小型化和尺寸的高
精度化对其加工设备提出了越来越高的要求。微主轴作为微机床的关键部件，直接决定了微机床的性能及微细切削微细磨削等微细机械加工技术的发展和应用。现有微主轴分为微电主轴和微气动主轴两种，主要存在以下三个方面问题：一是结构复杂，体积较大 限制了微机床的小型化。要满足微机床要
求， 长径比不大于3:1；二是受微电主轴中
电动机的损耗发
热和采用
滚动轴承的摩擦发热、或者采用小孔节流式静压
气体轴承刚度低等问题影响，转速较低(大多<200000r/min以下)，不仅影响了微细机械加工效率和加工
质量，且加剧了微刀具的磨损和更滑速度。微细切削微细磨削用微刀具的外径一般在几微米至几百微米之间，根据材料性能所推荐的微细切削速度可推导得出微主轴的转速应超过500000r/min；三是现有微主轴采用
弹簧夹头装夹微刀具，弹簧夹头的制造安装误差等会直接传递到刀具上，大幅增加刀具的跳动误差。如微主轴超高速回转时的跳动误差可达10μm，大大超过了微米级的微细机械加工厚度。因此在实际微细机械加工中为了避免微主轴的大跳动误差往往会限制微主轴转速。
[0003] 如果仅从体积大小来衡量，微主轴只是比传统主轴体积小。但实际上，随着体积的大幅减小、转速的不断提高，其热
变形、刚度、
频率、振幅等与传统主轴存在很大的不同。为此，必须从创新结构设计入手，研发出用于微细机械加工的超高速精密微主轴。而微电主轴结构复杂，且受
散热条件限制，转速较低；采用气流驱动并支承的气浮
涡轮式微主轴由于气体的摩擦因数低、温升小、流速高，可以达到很高的转速，理论上是能够满足高速微细切削加工要求的。本
专利发明人已设计出两台新型的超高速精密气动微主轴(见专利：ZL201010116981.8、ZL201310157777.4)，但是体积较大，转速还不能完全满足要求。为此，设计出新型的用于微细机械加工的微主轴，其外部结构<直径30mm×长60mm，最高转速超过
400000r/min。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种转速高、跳动误差小，且结构简单紧凑、制造方便，用于微细
铣削、微细钻削、微细磨削等微细机械加工的超高速精密微主轴。
[0005] 为了解决上述问题，本发明提供的微细机械加工用微主轴，包括
箱体、均
压板、后端轴承支承件、涡轮
喷嘴、前端轴承支承件、主轴
转子、微刀具和安装板，所述涡轮直接在所述主轴转子中间加工而成，所述涡轮上的
叶片为规则圆柱面形，且正对涡轮喷嘴上的小孔，所述涡轮喷嘴设置有两圈小孔用以提供高速气流驱动主轴转子高速旋转，所述主轴转子前、后端分别采用前端多孔质静压气体
径向轴承、后端多孔质静压气体径向轴承径向支承安装，所述主轴转子后端设置有
挡板，所述挡板前、后端分别采用前端多孔质静压气体止推轴承、后端多孔质静压气体止推轴承轴向支承安装，所述主轴转子后端还设置有后端轴承排气道用以排出气流，所述前端多孔质静压气体径向轴承安装在前端轴承支承件内，所述前端轴承支承件周向均布有4个前端气流进气道，所述后端多孔质静压气体径向轴承与所述前端多孔质静压气体止推轴承制成一体的“L”形，并安装在后端轴承支承件内，所述后端轴承支承件周向均布有4个后端气流进气道，所述后端多孔质静压气体止推轴承通过均压板提供气流，所述均压板、后端多孔质静压气体止推轴承依次安装在箱体后端，所述后端轴承支承件、涡轮喷嘴、前端轴承支承件依次安装在箱体内，并通过安装板、螺钉固定安装，所述箱体设置有后端多孔质静压气体止推轴承供气口及对应的止推轴承进气道、止推轴承排气道、止推轴承排气口、后端多孔质静压气体轴承供气口、涡轮后端排气口、喷嘴供气口、涡轮前端排气口，前端多孔质静压气体径向轴承供气口，所述主轴转子前端轴线处设置有轴向孔，通
过热胀冷缩效应夹持微
铣刀、微
钻头、微磨棒等微刀具或其它微执行机构，且轴向孔深度大于微刀具刀柄长度，从而可调节微刀具悬伸长度。
[0006] 所述涡轮喷嘴不限于设置两圈小孔，可根据输出转速、转矩要求设置单圈或多圈小孔。
[0007] 所述前端轴承支承件不限于均布4个前端气流进气道，所述后端轴承支承件不限于均布4个后端气流进气道，所述均压板也不限于均布4个均压孔，可根据需要均布设置其它数量的进气道或均压孔。
[0008] 采用上述技术方案的微细机械加工用微主轴，由涡轮喷嘴提供的高速气流冲击涡轮驱动主轴转子高速旋转，实现微主轴超高转速性能；主轴转子前、后端分别采用多孔质静压气体径向轴承支承
定位，主轴转子后端设置有挡板，挡板前、后端分别采用多孔质静压气体止推轴承支承定位，实现微主轴的超精密回转；主轴转子前端轴线处设置有轴向孔，通过热胀冷缩效应夹持微刀具。
[0009] 采用上述技术方案的微细机械加工用微主轴，与
现有技术相比其优点和积极效果是显著的，主要体现在以下方面：
[0010] 1.两圈或多圈小孔的喷嘴结构。在冲击式气动微涡轮中，为了获得超高转速，喷嘴中的小孔尺寸一般要小。但是小孔尺寸越小，其冲击作用
力就越小。如果采用常用的单圈小孔布置结构，受微主轴结构尺寸限制，其数量有限，因此造成微涡轮产生的转矩和功率较小，难以满足微细机械加工要求。而在喷嘴中正对涡轮叶片的周向上设置两圈或多圈小孔，会成倍增加喷嘴小孔数量，不仅可实现气动微涡轮的超高转速性能，而且能有效提升其转矩和功率。
[0011] 2.主轴转子与涡轮的一体式结构。现有
旋转机械中支承转子与涡轮很多是加工后装配到一起，涡轮的制造安装等误差会直接传递到支承转子上，加剧了转子的
不平衡。尤其是超高速精密微主轴，宏观尺度下很小的不平衡量就有可能导致很大的跳动误差。而现有动平衡技术还无法解决毫米级转子几十万转的动平衡校正，因此只能依靠加工精度来保证。而本技术方案将主轴转子与涡轮制成一体，不仅避免了涡轮的安装误差，且涡轮上的叶片为规则圆柱面形，加工精度易保证，因此平衡性能好，从而有利于微主轴转速和回转精度的提高。
[0012] 3.微小型多孔质静压气体轴承支承结构。超高速精密微主轴受结构尺寸及微小零件加工条件限制，目前主要采用
滚动轴承和小孔节流式静压气体轴承支承。滚动轴承高速运行时的温升较高，需设置冷却系统，这就使微主轴结构复杂。小孔节流式静压气体轴承承载小、刚度低，造成主轴的跳动随着转速的提高而不断加剧。本技术方案采用微小型多孔质静压气体轴承支承，不仅避免了温升问题，且承载力和刚度都得以提升，保证了微主轴超高转速下的高回转精度。
[0013] 4.微刀具的热胀冷缩夹持方式。现有微主轴常采用微小弹簧夹头夹持微刀具，弹簧夹头的制造安装误差不仅会直接传递到微刀具上，导致微刀具的跳动误差增大，而且也增大了主轴转子的不平衡量，影响微主轴的转速。而本技术方案在主轴转子前端轴线处设置有轴向孔，通过热胀冷缩效应夹持微刀具，即通过
温度的改变来实现刀具的夹持和更换要求，以此避免弹簧夹头的制造安装误差及其带入的不平衡量，从而有利于微主轴回转精度及其转速的提高。
[0014] 5.微刀具悬伸长度可调节结构。主轴转子前端轴线处的轴向孔深度大于微刀具刀柄长度，不仅可根据加工要求调节微刀具悬伸长度，以满足较大尺寸范围内的加工要求，更重要的是通过调节微刀具悬伸长度可与主轴转子后端设置的挡板协调保证主轴转子前后端质量平衡，减小主轴转子的跳动误差。
[0015] 6.主轴转子结构简单且对称。主轴转子上的涡轮叶片为偶数个规则的圆柱面形，主轴转子后端设置的挡板与前端设置的轴向孔都为圆柱或圆筒形结构，可见整个主轴转子结构非常简单且对称，加工精度容易保证，也就是说易通过加工制造精度来保证主轴转子的不平衡量，从而有利于实现微主轴的超高转速与低跳动误差性能。
[0016] 综上所述，本发明设计新颖合理、结构简单、体积小(<直径30mm×长45mm)、制造方便，符合市场化的产品要求，而且转速高、跳动误差小，特别适合于超精密微小零件的微细铣削、微细钻削、微细磨削等微细机械加工，可作为微机床的微主轴及其它作高速超高速、高精度回转运动的机电设备或手动工具机的微主轴。
附图说明
[0018] 图2是本发明图1的A-A剖视图(即后端多孔质静压气体止推轴承进气均压通道)。
[0019] 图3是本发明图1的B-B剖视图(即多孔质静压气体止推轴承排气通道)。
[0020] 图4是本发明图1的C-C剖视图(即后端多孔质静压气体径向轴承进气通道)。
[0021] 图5是本发明图1的D-D剖视图(即涡轮后端排气通道)。
[0022] 图6是本发明图1的E-E剖视图(即涡轮进气通道)。
[0023] 图7是本发明图1的F-F剖视图(即涡轮前端排气通道)。
[0024] 图8是本发明图1的G-G剖视图(即主轴转子后端轴承排气道)
[0025] 附图1-8中：1—箱体，2—后端多孔质静压气体止推轴承，3—前端多孔质静压气体止推轴承，4—后端多孔质静压气体径向轴承，5—后端气流进气道，6—后端多孔质静压气体轴承供气口，7—小孔，8—喷嘴供气口，9—前端多孔质静压气体径向轴承供气口，10—前端气流进气道，11—安装板，12—螺钉，13—前端多孔质静压气体径向轴承，14—轴向孔，15—微刀具，16—主轴转子，17—前端轴承支承件，18—涡轮喷嘴，19—涡轮，20—后端轴承支承件，21—挡板，22—后端多孔质静压气体止推轴承供气口，23—止推轴承排气口，24—涡轮后端排气口，25—涡轮后端排气道，26—涡轮前端排气口，27—涡轮前端排气道，28—止推轴承进气道，29—叶片，30—均压板，31—均压孔，32—止推轴承排气道，33—后端轴承排气道。
具体实施方式
[0026] 下面结合实施例及附图对本发明作详细说明。
[0027] 参见附图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8，所述涡轮19直接在所述主轴转子16中间加工而成，即涡轮19与主轴转子16制成一体，避免了涡轮16的安装误差，所述涡轮19上的叶片29为规则圆柱面形，且正对涡轮喷嘴18上的小孔7，所述涡轮喷嘴18设置有两圈小孔7用以提供高速气流驱动主轴转子16高速旋转，即采用气动微涡轮实现微主轴的超高速回转，所述主轴转子16前、后端分别采用前端多孔质静压气体径向轴承13、后端多孔质静压气体径向轴承4径向支承，所述主轴转子16后端设置有挡板21，所述挡板21前、后端分别采用前端多孔质静压气体止推轴承3、后端多孔质静压气体止推轴承2轴向支承，即采用多孔质静压气体轴承实现微主轴的超精密回转，所述主轴转子16后端还设置有后端轴承排气道33用以排出气流，所述前端多孔质静压气体径向轴承13安装在前端轴承支承件17内，所述前端轴承支承件17周向均布有4个前端气流进气道10，所述后端多孔质静压气体径向轴承4与所述前端多孔质静压气体止推轴承3制成一体的“L”形，并安装在后端轴承支承件20内，所述后端轴承支承件20周向均布有4个后端气流进气道5，所述后端多孔质静压气体止推轴承
2通过均压板30提供气流，所述均压板30、后端多孔质静压气体止推轴承2依次安装在箱体1后端，所述后端轴承支承件20、涡轮喷嘴18、前端轴承支承件17依次安装在箱体1内，并通过安装板11、螺钉12固定安装，可见整个微主轴的零件数量少、结构简单、加工成本低，有利于产品的市场化要求，所述箱体1设置有后端多孔质静压气体止推轴承供气口22及对应的止推轴承进气道28、止推轴承排气道32、止推轴承排气口23、后端多孔质静压气体轴承供气口
6、涡轮后端排气口24、喷嘴供气口8、涡轮前端排气口26，前端多孔质静压气体径向轴承供气口9，所述主轴转子16前端轴线处设置有轴向孔14，通过热胀冷缩效应夹持微铣刀、微钻头、微磨棒等微刀具15或其它微执行机构，避免了采用弹簧夹头的制造安装误差，且轴向孔
14深度大于微刀具15刀柄长度，从而可调节微刀具15悬伸长度，不仅可实现较大尺寸范围的微细机械加工，更重要的是可与主轴转子16后端设置的挡板21协调保证主轴转子16前后端质量平衡，减小主轴转子16的跳动误差，提升微刀具15的回转精度。
[0028] 参见附图1和图6，所述涡轮喷嘴18不限于设置两圈小孔7，越小尺寸的小孔在一定范围内能提供更高速度的气流，但是作用力小，因此可根据输出转速、转矩要求设置单圈或多圈小孔7，即在实现涡轮19超高转速的同时，还要保证输出转矩，以满足微细机械加工要求。
[0029] 参见附图1和图4，所述前端轴承支承件17不限于均布4个前端气流进气道10，所述后端轴承支承件20也不限于均布4个后端气流进气道5，所述均压板30也不限于均布4个均压孔31，可根据需要设置其它数量的进气道或均压孔，但需周向均布设置，目的是减小超高速气流不对称冲击对多孔质轴承变形的影响，进而保证主轴转子的高回转精度。
[0030] 本发明的工作原理简述于下：气源经两个喷嘴供气口8进入涡轮喷嘴18内，随后经小孔7形成超高速气流，作用于涡轮19上的叶片29，推动主轴转子16旋转，随后排出的气流一部分经涡轮前端排气道27、涡轮前端排气口26，另一部分经涡轮后端排气道25、涡轮后端排气口24排出，从而实现微主轴的超高速回转性能；主轴转子16前端的径向支承是在气源经前端多孔质静压气体径向轴承供气口9进入前端轴承支承件17内，随后经前端气流进气道10流入前端多孔质静压气体径向轴承13内，通过静压作用支承主轴转子16后一部分气流直接排出，另一部分气流经涡轮前端排气道27、涡轮前端排气口26排出，主轴转子16后端的径向支承是在气源经后端多孔质静压气体轴承供气口6进入后端轴承支承件20内，随后经后端气流进气道5进入后端多孔质静压气体径向轴承4内，通过静压作用支承主轴转子16后一部分气流经涡轮后端排气道25、涡轮后端排气口24排出，另一部分气流经后端轴承排气道33、止推轴承排气道32排出，从而实现对主轴转子16的径向支承定位；主轴转子16的轴向支承是通过设置的挡板21来实现，具体是进入后端轴承支承件20内的一部分气流会进入挡板21前端多孔质静压气体止推轴承3内，通过静压作用支承主轴转子16的挡板21后一部分经止推轴承排气口23流出，另一部分经后端轴承排气道33、止推轴承排气道32排出，挡板21后端的支承是在气源从后端多孔质静压气体止推轴承供气口22、止推轴承进气道28，均压板30上的均压孔31后，进入后端多孔质静压气体止推轴承2内，通过静压作用支承主轴转子16的挡板21后，一部分气流经止推轴承排气口23排出，另一部分气流经止推轴承排气道32排出，从而实现对主轴转子16的轴向支承定位，采用多孔质静压气体轴承支承，不仅可有效降低采用滚动轴承支承时的摩擦功率损耗，而且相比小孔节流式静压气体轴承，承载力更高、刚度更大，因此可有效解决微主轴超高速回转时的大跳动误差问题；微刀具15通过热胀冷缩效应夹持在主轴转子16的轴向孔14内，避免了采用弹簧夹头的制造安装误差，而且由于轴向孔14的深度大于微刀具15刀柄的长度，因此可调节微刀具15的悬伸长度，这样不仅可满足较大尺寸范围内的加工要求，更重要的是可与主轴转子16后端设置的挡板21协调实现主轴转子16前后端的精密平衡要求，非常有利于微主轴超精密回转要求的实现。
