精密钻头系统的制作方法

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的精密钻头系统的刀具主轴的支承装置。

背景技术：

在这种精密钻头系统中，经由旋转的刀具主轴以旋转的方式驱动刀夹。在这种情况下，由现有技术已知使用滚动轴承来支承刀具主轴。

此外，由现有技术已知以静液压方式支承刀具主轴。这作为优点提供了高支承精度(端跳、径跳和摆动误差)、高阻尼以及刚度和耐磨性。此外，加工质量在使用寿命内不发生改变。

刀具主轴的静液压支承的缺点是：

-静液压总成的巨大成本，因为必须产生具有非常稳定的压力的很大的流量，

-环境问题，

-由于主轴轴承中的高的相对速度，静液压油在轴承间隙中产生显著的摩擦，

-补救措施(较稀薄的油和较大的轴承间隙以及较小的轴承直径)降低了刚度和承载能力，

-转速限制，

-功率损耗导致效率低下，

-巨大的冷却成本，因为必须导出功率损耗并为静液压油精确调温，以及

-刀具主轴具有热路径，因为刀具主轴的支承装置发热。

技术实现要素：

鉴于此，本发明的任务是提供一种精密钻头系统，其中，刀具主轴的支承装置得以改善。

该任务通过具有权利要求1的特征的精密钻头系统得以解决。

根据本发明的精密钻头系统用于对工件的凹部进行制造或者精密加工或者精细加工。精密钻头系统具有刀具主轴，经由该刀具主轴能以旋转的方式驱动刀夹或者刀具。根据本发明，刀具主轴具有使用气体的气体静力支承装置。由此可以完全避免静液压支承装置的缺点，因为气体与油相比传输非常小的剪切应力，因此摩擦原则上很小。在就外尺寸而言与静液压支承的刀具主轴类似的刀具主轴中，得到了改善的支承精度和更高的刚度。因为气体消耗相对较小，实现了明显更小的配管成本。

优选地，该气体静力支承装置是旋转的芯轴在静止的主轴壳体中的支承装置。

本发明的其他优选的设计方案记载于从属权利要求中。

当气体是空气时，无需油的回引部(根据现有技术)或者无需气体的回引部(根据本发明)，由此显著降低设备技术成本。

气体静力支承装置可以是至少一个向心轴承或者具有至少一个向心轴承。气体静力支承装置可以是至少一个推力轴承或者具有至少一个推力轴承。特别优选的是气体静力支承装置同时具有两种轴承类型。

气体支承装置也可以设计成，设置有两个组合轴承，组合轴承分别将向心轴承和推力轴承组合。

在这种情况下，可以设置至少一个气体静力锥形轴承。它(每个轴承)具有两个截锥体形的空气轴承面。

也可以设置气体静力球面轴承。它(每个轴承)具有凹形弯曲的空气轴承面和凸形弯曲的空气轴承面。

在根据本发明的精密钻头系统的一种特别优选的改进方案中，设置有具有倾斜头(优选膜式倾斜头)的调控刀具，经由调控刀具即使在加工过程中也能相对于旋转轴线来调设刀夹或者刀具。因此可以制造例如喇叭形的凹部。

如果刀具主轴附加地能摆动，那么可以制成椭圆形的凹部。

倾斜头也可以利用根据本发明的支承装置的气体供应部，尤其是压缩空气供应部，并且具有气体静力支承装置。

在这种情况下，可以从后方实现驱控部，它具有拉杆或推杆以及直线定位单元。

优选地，直线定位单元具有机电驱动单元或者液压驱动单元以及电子控制单元。

在一种特别紧凑的精密钻头系统中，将直线定位单元容纳在芯轴中。

因而可以为控制单元的定位信号和/或为驱动单元的供电电流设置滑环电流传输部。作为替选或者补充，定位信号可以借助无线数据传输部进行传送。

在根据本发明的精密钻头系统的另一种特别优选的改进方案中，设置有调控刀具，经由调控刀具即使在加工过程中也能调整刀夹或者刀具与旋转轴线的径向间距。

如果在此调控刀具具有至少一个压电执行器(具有优选径向的作用方向)，那么可以经由压电执行器在刀夹转动一周的期间多次调整它与旋转轴线的间距，由此可以生产非圆形的凹部。

优选设置用于刀夹的转动位置的旋转编码器。由此可以调节例如根据本发明支承的刀具主轴的转速。由此也可以对在转动一周的过程中的对刀夹与旋转轴线的径向间距的调整进行控制。

在一种特别优选的紧凑的改进方案中，精密钻头系统具有电动马达，电动马达与芯轴的至少一个区段一起容纳在主轴壳体中，由此将刀具主轴改造成马达主轴。

具有调控刀具的气体静力支承的刀具主轴的一种特别优选的应用是加工连杆孔。在这种情况下，可以在沿着旋转轴线在第一方向上的运动(驶入)期间预加工连杆孔，并且在与第一运动相反的第二运动(驶出)期间精加工连杆孔。

在一种特别优选的改进中，气体静力支承装置具有空气轴承喷嘴，空气轴承喷嘴分布在芯轴的外周上。空气轴承喷嘴可以是微型喷嘴。

优选地，在向心轴承的情况下，空气轴承喷嘴布置在一个或多个空气轴承喷嘴凸缘中，或者在推力轴承或者锥形轴承的情况下，空气轴承喷嘴布置在一个或多个空气轴承喷嘴环中。一个或多个空气轴承喷嘴环优选居中地布置在空气轴承面的内边沿与外边沿之间。

出于安装技术方面的原因，空气轴承喷嘴可以形成在空气轴承筒中或者置入到空气轴承筒中，该空气轴承筒置入到主轴壳体中。空气轴承筒套筒状地构造并且包围芯轴。在一种实施例中，设置较大的空气轴承筒和较小的空气轴承筒，其中，在较大的空气轴承筒上形成两个向心轴承，并且其中，在两个空气轴承筒上都形成推力轴承。

为了在空气轴承筒的周向上进行空气供给和空气分配，在其中设置有一个或者多个环形槽。环形槽可以布置在空气轴承筒的端侧或者其外周上，并且经由孔与空气轴承喷嘴连接。

在另一种轴承设计方案中，空气轴承面由多孔空气轴承材料形成，从而实现大面积的均匀的支撑。

附图说明

在附图中呈现了根据本发明的精密钻头系统的多个实施例，其中：

图1以示意性纵剖面图示出根据第一实施例的根据本发明的精密钻头系统；

图2以立体纵剖面图示出根据第二实施例的根据本发明的精密钻头系统；

图3以示意性纵剖面图示出根据第三实施例的根据本发明的精密钻头系统；

图4以示意性纵剖面图示出根据第四实施例的根据本发明的精密钻头系统；

图5以纵剖面图示出根据本发明的气体静力支承装置，其适合于根据图1至图4的实施例；

图6以示意性纵剖面图示出根据第五实施例的根据本发明的精密钻头系统；

图7示出根据图5的推力轴承或者根据图6的锥形轴承的静止部分的视图，其中的曲线图示出取决于半径的压力走向；

图8示出适合用于根据图1至图4的实施例的推力轴承的静止部分或者根据图6的锥形轴承的静止部分的视图，其中的曲线图示出取决于半径的压力走向；

图9示出适合用于根据图1至图4的实施例的推力轴承的静止部分或者根据图6的锥形轴承的静止部分的视图，其中的曲线图示出取决于半径的压力走向；

图10示出适合用于根据图1至图4的实施例的推力轴承的静止部分或者根据图6的锥形轴承的静止部分的视图，其中的曲线图示出取决于半径的压力走向；并且

图11以示意性纵剖面图示出根据第六实施例的根据本发明的精密钻头系统。

具体实施方式

图1示出根据本发明的精密钻头系统的第一实施例的示意性纵剖面图。刀具刀刃1容纳并紧固于刀夹3a中并且可以借助刀具主轴1a围绕旋转轴线2a旋转。为此，刀具主轴1a具有芯轴3，该芯轴以能转动的方式容纳在主轴壳体8中。在这种情况下，在芯轴3与主轴壳体8之间设置两个气体静力向心轴承9、10，这两个气体静力向心轴承沿着旋转轴线2a在轴向上彼此间隔。此外，芯轴3具有径向环绕的凸起或者径向环绕的凸肩，在该凸起或凸肩的两个轴向彼此间隔的侧上分别构造气体静力推力轴承11、12。

靠前的气体静力向心轴承9和靠后的气体静力向心轴承10的两个圆柱形轴承面(其中分别在芯轴3上形成一个轴承面并在主轴壳体8上形成另一个轴承面)彼此具有最小的间距，从而在它们之间形成气隙。

靠前的气体静力推力轴承11和靠后的气体静力推力轴承12分别由两个圆盘形轴承面形成，其中在芯轴3的径向凸起上形成一个轴承面并且在主轴壳体8上形成另一个轴承面。每个推力轴承10、12的两个轴承面具有彼此最小的轴向间距。经由(图1中未示出的)压缩空气供应，为四个气体静力轴承9、10、11、12供应压缩空气，从而这些四个气体静力轴承不接触且利用很小的摩擦将芯轴3静态地确定地支承在主轴壳体8中。

经由电动马达驱动芯轴3，该电动马达具有在芯轴3上紧固的转子13和在主轴壳体8上紧固的定子14。电动马达13、14整合到刀具主轴中，从而形成气体静力支承的马达主轴1a。

刀夹3a经由具有柔性膜的倾斜头2在端侧安装于芯轴3上，并刀夹3a可以(按照虚线)相对于旋转轴线2a稍稍弯折。因此将刀具刀刃1置于扩大的半径上。刀夹3a与芯轴3之间的这种摆转运动经由倾斜头2的径向延伸的膜来实现，膜在此对刀夹3a施加回复力。为了设定角度，在芯轴3的内部中容纳有调整运动装置。调整运动装置具有刀夹侧的随动件4和滑槽5，该滑槽可以经由推杆6在轴向方向上沿着旋转轴线2a移动。为此设置横走刀装置7。因为滑槽5和推杆6随着芯轴3旋转，因此横走刀装置7具有滚动轴承，在该滚动轴承的旋转的内圈上紧固有推杆6的端部区段。

此外，在芯轴3上布置旋转编码器15的测量器具，测量器具的转动角度或者旋转圈数可以由旋转编码器15的传感器16记录。因此可以调节芯轴3的转速。根据传感器16，还可以调节倾斜头2的调整运动装置。

在所示的实施例中，从刀夹3a出发，在主轴壳体8内部将部件按如下顺序布置：靠前的气体静力向心轴承9、靠后的气体静力向心轴承10、靠前的气体静力推力轴承10、靠后的气体静力推力轴承12、电动马达13、14以及带有传感器16的旋转偏码器15。

图2示出根据本发明的精密钻头系统的第二实施例。刀具主轴1a具有其芯轴3的在图1中未详细示出的根据本发明的气体静力支承装置。在其端侧上(根据上一实施例)布置具有柔性膜的倾斜头2，经由该倾斜头可以使刀夹3a倾斜。

图3示出气体静力支承的刀具主轴1a的另一实施例，其具有整合的横走刀装置7。经由驱动单元17使调整运动装置的滑槽5运动，该驱动单元整合在芯轴3中并且优选以机电方式驱动。也可以考虑液压驱动的驱动单元。为此，在芯轴3中也存在控制单元18，来自(未示出的)机械控制部的定位信号经由滑环电流传输部19来接收并且转变成驱动单元17的电动马达的通电或换向。替选地，来自机械控制部的定位信号也可以经由无线电(例如遥测或者蓝牙或者rfid(无线射频识别技术))来接收并且转变成通电或换向。

也可以整合有轴承调节回路，在其中，调节器存在于控制单元18中，该调节器评估位置测量系统的信号。滑环电流传输部19可以要么配备成用于控制单元18的通电要么配备有用于数据传输的数据道。

图4示出气体静力支承的刀具主轴1a的另一实施例，其具有通常的调整刀具单元20，例如压电调整单元，该调整刀具单元具有调整运动装置并且整合到芯轴3中。

借助压电执行器可以设置毫秒范围内的刀夹的调整。在具有传感器16的旋转编码器15的相应设计中，该调整可以在每转动一周的过程中多次进行，从而可以利用具有根据本发明的气体静力支承的芯轴3的精密钻孔系统制成呈不同形状的非圆形的凹部。

图5示出气体静力轴承9、10、11、12的构造，如它们在以上的各实施例中可以设置的那样。在主轴壳体8中，与旋转轴线2a平行地设置空气供给孔21。此外，两个轴承筒8‘和8“置入到主轴壳体8中。在较大的轴承筒8‘的外周上设置有四个环形槽22，而在较小的轴承筒8“上在端侧设置有一个环形槽22。环形槽22与空气供给孔21连接并且用于轴承筒8‘和8“的周向上的空气分配。轴承筒8“的环形槽22经由至少一个径向孔与轴承筒8“的外周连接。从环形槽22出发，在轴承筒8‘和8“中引入孔22a，它们通入各自的空气轴承喷嘴30。

因此在较大的空气轴承筒8‘上构造两个向心轴承的两个空气轴承喷嘴凸缘9‘、10‘以及靠前的推力轴承11的空气轴承喷嘴环11‘，而在较小的空气轴承筒8“上构造靠后的推力轴承12的空气轴承喷嘴环12‘。

在不完全贯通的孔22a的情况下，空气轴承喷嘴30通过激光构造在接片中，该接片布置在各个孔底部与气体静力轴承9、10、11、12的空气轴承面之间。替选地，当孔是完全贯通的，也可以在那里引入(或者粘贴)预钻孔的空气轴承喷嘴嵌件。

在两个向心轴承9、10上，在径向上布置有孔22a并进而布置空气轴承喷嘴30，为此制造空气轴承喷嘴凸缘9‘、10‘、9“以及10“。推力轴承11、12具有轴向孔22a，为此制造空气轴承喷嘴环11‘、12‘。

法兰23以符合安装要求的方式实施，因为否则轴承筒8‘无法置入。更确切地说，在将较大的空气轴承筒8‘推到芯轴3与主轴壳体8之间之后，再经由螺钉将法兰23紧固在芯轴3的端侧上。

图6示出不同于以上实施例的气体静力支承，其仅具有一个靠前的锥形轴承24和一个靠后的锥形轴承25。替选地，轴承24、25也可以是弓形的，这样出现两个球面轴承。该结构形式将向心轴承和推力轴承统一在一个轴承中并且在一个空气轴承面中。

图7至图10以沿着旋转轴线2a的俯视图示出具有环状空气分布的气体静力推力轴承11或者12的静止部分或者锥形轴承24、25的静止部分的具体实施例。

图7示出出自图5的推力轴承11或者12的轴承筒8‘或者8“。推力轴承11和12分别构造成为单排的微型喷嘴空气轴承26。在直径上，空气轴承喷嘴30分布于相同的半径上并且在周向上均匀分布，由此形成空气轴承喷嘴环11‘或者12‘(参见图5)。空气轴承喷嘴30的或者空气轴承喷嘴环11‘或者12‘的径向位置分别处于轴承筒8‘或者8“的环形空气轴承面的中部。

在图7的曲线图中给出了在半径上的压力分布。腔压pk仅直接存在于空气轴承喷嘴30处并且在径向上向外和向内都线形下降，直到达到外部和内部的大气压力。有效的空气轴承面由压力分布曲线下方的面积代表。

图8示出如下的静止部分，例如双排微型喷嘴空气轴承27的轴承筒。它具有两个同心的空气轴承喷嘴环。

从其下方的曲线图可以看出，在两个空气轴承喷嘴环之间在中间区域中存在充满的腔压pk。有效承载份额与图8的实施例相比明显变大，压力仅仅在两个空气轴承喷嘴环的外部下降。

图9示出如下的静止部分，例如多孔空气轴承28的轴承筒，其中空气供给面式地通过多孔空气轴承材料31实现。空气轴承材料31形成静止部分的整个环形空气轴承面。

根据其下方的曲线图，因此实现了最优化的有效承载份额，整个空气轴承面被施加腔压pk。

图10示出如下的静止部分，例如空气轴承29的轴承筒。它具有比图7的实施例更少的空气轴承喷嘴30。为了空气轴承面的全面的空气施加，设置圆弧形的分配通道32，它们从空气轴承喷嘴30出发在周向方向上延伸。得到比根据图8和9的实施例的情况下更小的承载份额，但是该推力轴承容易制作。

图11示出根据图1至图5或者图7至图10的具有气体静力支承装置的刀具主轴1a。它设置有具有接口34的调整刀具单元33。该接口34容许更换调整刀具头，其中，还可以通过刀具转换器将刀具主轴1a用于以用不同的头部且进而以调节刀具头进行的不同的加工。

此外，在所有所示的实施例中可以经由刀夹3a的(未详细示出的)接口，例如经由空心锥柄刀夹(仅)更换刀具刀刃1。

公开了一种精密钻头系统，其主轴借助空气来支承。

附图标记列表

1刀具刀刃

1a刀具主轴/马达主轴

2具有柔性膜的倾斜头

2a旋转轴线

3芯轴

3a刀夹

4调整运动装置的随动件

5调整运动装置的滑槽

6推杆

7横走刀装置/直线定位单元

8主轴壳体

8‘靠前的空气轴承筒

8“靠后的空气轴承筒

9靠前的气体静力向心轴承

9‘靠前的空气轴承喷嘴凸缘

9“靠后的空气轴承喷嘴凸缘

10靠后的气体静力向心轴承

10‘靠前的空气轴承喷嘴凸缘

10“靠后的空气轴承喷嘴凸缘

11靠前的气体静力推力轴承

11‘空气轴承喷嘴环

12靠后的空气静力推力轴承

12‘空气轴承喷嘴环

13电动马达的转子

14电动马达的定子

15旋转编码器的测量器具

16旋转编码器的传感器

17驱动单元

18控制单元

19滑环电流传输部

20调整刀具单元

21空气供给孔

22用于空气供给的环形槽

22a孔

23法兰

24靠前的锥形轴承

25靠后的锥形轴承

26单排微型喷嘴空气轴承

27双排微型喷嘴空气轴承

28多孔空气轴承

29空气轴承

30空气轴承喷嘴

31多孔空气轴承材料

32分配通道

33调整刀具单元

34接口

pk腔压

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.用于对工件的凹部进行制造或者精密加工的精密钻头系统，其中，所述精密钻头系统具有刀具主轴(1a)，经由所述刀具主轴能以旋转的方式驱动刀夹(3a)或者刀具(1)，其中，所述刀具主轴(1a)具有使用气体的气体静力支承装置(9、10、11、12；24、25)，其特征在于，所述气体静力支承装置具有空气轴承喷嘴(30)，所述空气轴承喷嘴分布在芯轴(3)的外周上，其中，所述空气轴承喷嘴(30)布置在一个或多个空气轴承喷嘴环(11‘、12‘)或者空气轴承喷嘴凸缘(9‘、10‘、9“、10“)中。

2.根据权利要求1所述的精密钻头系统，其中，所述气体静力支承装置(9、10、11、12；24、25)是至少一个气体静力向心轴承(9、10)或者具有至少一个气体静力向心轴承(9、10)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的精密钻头系统，其中，所述气体静力支承装置(9、10、11、12；24、25)是至少一个气体静力推力轴承(11、12)或者具有至少一个气体静力推力轴承(11、12)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的精密钻头系统，其中，所述气体静力支承装置(9、10、11、12；24、25)是至少一个气体静力锥形轴承(24、25)或者具有至少一个气体静力锥形轴承(24、25)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的精密钻头系统，其中，所述气体静力支承装置(9、10、11、12；24、25)是至少一个气体静力球面轴承或者具有至少一个气体静力球面轴承。

6.根据前述权利要求中任一项所述的精密钻头系统，其中，经由倾斜头(2)能相对于旋转轴线(2a)调设所述刀夹(3a)或者所述刀具(1)。

7.根据权利要求6所述的精密钻头系统，其中，所述倾斜头(2)具有气体静力支承装置。

8.根据权利要求6至7中任一项所述的精密钻头系统，所述精密钻头系统具有拉杆或推杆(6)以及直线定位单元(7)，用以进行驱控。

9.根据权利要求8所述的精密钻头系统，其中，所述直线定位单元(7)具有驱动单元(17)和控制单元(18)。

10.根据权利要求8或9所述的精密钻头系统，其中，所述直线定位单元(7)容纳在芯轴(3)中。

11.根据权利要求10所述的精密钻头系统，所述精密钻头系统具有滑环电流传输部(19)和/或具有无线数据传输部。

12.根据前述权利要求中任一项所述的精密钻头系统，其中，所述刀夹(3a)或者所述刀具(1)与旋转轴线(2a)的径向间距是能调整的。

13.根据权利要求12所述的精密钻头系统，其中，所述径向间距能经由至少一个压电执行器在所述刀夹(3a)或者所述刀具(1)转动一周的期间进行调整。

14.根据前述权利要求中任一项所述的精密钻头系统，所述精密钻头系统具有电动马达(13、14)，所述电动马达与芯轴(3)一起容纳在主轴壳体(8)中。

15.根据权利要求1所述的精密钻头系统，其中，所述空气轴承喷嘴(30)形成在空气轴承筒(8‘、8“)中或者置入到空气轴承筒(8‘、8“)中。

16.根据权利要求15所述的精密钻头系统，其中，在所述空气轴承筒(8‘、8“)中引入环形槽(22)，用以空气供给和空气分配。

17.根据前述权利要求中任一项所述的精密钻头系统，所述精密钻头系统具有由多孔空气轴承材料(31)形成的空气轴承面。