一种超高速磨头的制作方法

本发明属于轴承制造技术领域，具体涉及一种超高速磨头。

背景技术：

“马达”在机械行和制造业不可缺少的主要部件之一涉及所有行业，按动力源的种类分为电动马达、气动马达、液压马达三大类。

目前市场所见到的用气作为动力源的15万转磨头(气动主轴)了了无几，即使是电驱动的也不多见，因为12万转以上的电主轴和电动磨头制造工艺较为复杂，制造成本也价格非常高，一般有需求的厂商无法承受。

12万转以上电动磨头、气动磨头、电主轴属高速切削的机械加工领域。超高速加工比常规高得多的切削速度和进给速度对工件进行磨削和切削加工先进制造技术。近20年末，特别是进入90年代以来，超高速加工技术的进展非常迅速，一批又一批的超高速加工中心和超高速加工设备投放国际市场，标志着这一高新技术从理论研究进入工业应用的新阶段。如果说奠定了柔性制造自动化基础的数控技术，由于节省了大量的辅助工时，使传统的制造技术发生第一次革命性变革，成为现代制造技术的第一个里程碑的说；那么，大幅度地节省切削工时并实现高效精密生产的高速加工技术，则是现代制造技术的第二个里程碑，是国际公认的四大先进制造技术之一，也是面向21世纪的一项系统工程。

与常规加工相比，超高速加工的主要特点是主轴的转速特别高达到每分钟十几万转到几十万转。由此带来了如下的许多优点：单位时间内材料的荨麻磨削量和切除量可增加3～6倍，进给速度可提高5～10倍，磨削力或切削力减小30％。特别是径向切削力和磨削力得到了大幅度减小，从而有利于提高薄壁工件和细长杆件等分刚性差的工件的加工精度，95％以上的切削热和磨削热被切屑迅速带走，工件基本保持冷态，因而特别适合于加工易产生热变形的零件。此外，超高速加工的激振频率特别高，远离工业系统的固有频率范围，工作稳定、振动小，能加工出非常精密的薄壁零件，其表面质量接近达到磨削水平，故通常情况下还可省去铣削加工后的精密加工工序等。

除机械加工领域外，超高速加工技术还广泛应用于半导体集成电路的加工制造中。国内外所见超高速主轴(磨头)由于超高速运转一般情况都采用中频电动机进行传动，用变频调速的方法实现调速，主轴的支撑有以下三种：角接触轴承、电磁悬浮和气膜悬浮。

以角轴承为例，其极限转速只能在十万左右。滚珠在旋转中产生的离心力fc为：式中，p为滚珠材料密度(kg/m²)，db为滚珠直径(m)dm为滚珠轴承节园直径(m)，ωn为滚珠公转角速度(rad/s)。由于故在超高速运行时，fc将很大，可能达到甚至超过载荷的量值。由于滚珠自转轴在空间的不断变化，还将产生绕水平轴y的陀螺力矩mgy。若滚珠绕水平轴y的角速度ωy≠ο时,则还将产生绕垂直轴z的陀螺力矩mgz。其中，式中，j为滚珠的转动惯量，ωo为滚珠的角速度(rad/s)，β为滚珠自转轴与坐标平面的夹角，β’为滚珠自转轴在水平面内的投影与x轴的夹角如图1所示。mgy和mgz将分别使滚珠绕y和z轴旋转，从而使滚珠沿套圈的滑道滑动。在超高速条件下这种滑动使轴承急剧磨损并升温。以71905c型角接触轴承为例，当转速由10000r/min上升到40000/min时，其fc将增大38倍，mgy增大12倍，轴承动摩擦损耗将增大7.6倍，一般只能使用寿命只有几十小时。

可见，超高速磨头(主轴)中不合适用传统的角接触轴承，15万转以上的超高速磨头(主轴)旋转轴的支撑只能有二种形式，即，电动磁悬浮和压缩气体悬浮。但，电动磁悬浮方式因为电驱动所产生的热量需要排出机外故需要一套完整复杂的冷却系统，制作工艺相当复杂，制作的磨头体积很大，能量的利用率低。压缩气体悬浮方式因为其结构所置，同样存在前者所有的问题。

因此，目前市售大都以进口为主电机与主轴一体化设计制造(称电主轴)由于技术门槛高工艺复杂价格昂贵,很多有需求的厂商望而却步，而国内的生产厂商也寥寥无几，不利于规模生产，也很难普及到加工领域。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种由动力部、转速放大部和超高速主轴部构成的超高速磨头，其中的转速放大部是通过特殊设计的行星轮放大器实现。动力部输出的低转速经行星轮放大器后，在超高速主轴输入端放大，从而实现超高速的转速。

具体技术方案是：本发明公开一种超高速磨头，包括依次连接的超高速主轴部、转速放大部和动力部，其中，转速放大部包括与超高速主轴部输入端相契合的一组大行星摩擦轮，与动力部输出端相契合的一组小行星摩擦轮，以及一组连接大、小行星摩擦轮的放大器子轴；作为转速放大部输入端的大行星摩擦轮组包括多个位于同一平面，且结构相同、直径相等的大行星摩擦轮；作为转速放大部输出端的小行星摩擦轮组包括多个位于同一平面，且结构相同、直径相等的小行星摩擦轮，小行星摩擦轮的个数与大行星摩擦轮的个数相等；大行星摩擦轮与小行星摩擦轮两两相对，分别固定在放大器子轴的两端，构成行星轮放大器；从动力部传递来的转速经行星轮放大器传递给超高速主轴部后被放大。

进一步的，大行星摩擦轮和小行星摩擦轮的个数均为三个，且各大行星摩擦轮两两相切，小行摩擦轮两两相切。

进一步的，动力部输出端包括一动力部主轴及一套设于动力部主轴输出端的主动轮，超高速主轴部包括一超高速主轴，所有小行星摩擦轮均与主动轮相切，所有大行星摩擦轮均与超高速主轴的输入端相切。

进一步的，小行星摩擦轮的直径不大于主动轮的直径，大行星摩擦轮的直径大于超高速主轴的直径。

进一步的，超高速主轴的输入端和大行星摩擦轮的径向面均为相契合的小锥度形状。

进一步的，主动轮和小行星摩擦轮的径向面均为相契合的小锥度形状。

进一步的，动力主轴的输出端套设有一段弹簧，用于主动轮与动力部主轴接触面的契合。

进一步的，在动力主轴的两端均设有限制主轴轴向穿动的限位机构。

进一步的，行星轮放大器外套设有一转速放大器外壳，转速放大器外壳的前端与超高速主轴部相连，后端与动力部相连，转速放大器外壳内设有相互独立的多个子轴固定腔，子轴固定腔的位置和结构与子轴的位置和结构相匹配，大、小行星摩擦轮分别位于子轴固定腔外的前后两端；各放大器子轴通过子轴轴承穿设于相应的子轴固定腔内以支撑两端的大小行星摩擦轮旋转。

进一步的，超高速主轴部包括至少一个套设于超高速主轴的悬浮叶轮，超高速磨头内具有用于压缩气体流通的第一气流通道；压缩气体从力部作功后，先经行星轮放大器，再进入超高速主轴部，并通过超高速主轴部的悬浮叶轮形成气膜以支撑超高速主轴悬浮。

进一步的，悬浮叶轮前后两端分别装有套设在超高速主轴上的悬浮叶轮盖板，悬浮叶轮、前后两端的悬浮叶轮盖板以及超高速主轴构成超高速主轴主体，在超高速主轴主体的前端设有一导气板，超高速磨头内具有用于压缩气体流通并与导气板连通的第二气流通道，压缩气体经第二气流通道进入导气板，并在超高速主轴主体的超高速旋转作用下通过导气板所具有导气结构在其背对悬浮叶轮盖板的端面形成一层气膜以轴向固定超高速主轴，限制其轴向穿动。

进一步的，导气结构指的是在导气板背对悬浮叶轮盖板的端面中间位置开有一圈导气槽及均匀分布在导气槽外围的多个导气孔，导气槽和导气孔并不穿透导气板；导气结构与第二气流通道连通，压缩气体经第二气流通道进入导气槽和导气孔，在超高速主轴主体超高速旋转时，通过导气结构的作用(即导气槽和导气孔)在导气板的端面形成气膜，该气膜给予超高速主轴主体一股向内的力，以限制超高速主轴主体的轴向穿动。

进一步的，超高速主轴部包括一套设于超高速主轴的前端盖，前端盖与超高速主轴的接触面设有内、外两层陶瓷圈，用于支撑超高速主轴的初始旋转。

本发明所公开的超高速磨头，也可以叫作超高速主轴，具有以下有益效果：

1)可采用气动马达作为低速动力源,经行星轮放大器后，再连接超高速主轴头，转速被放大，可达到15万转甚至更高的超高速转速。

2)相关部件小锥度形状的设计，接触面弹簧的应用及支撑气膜的设计等，使超高速主轴能实现稳定地超高速旋转。

3)压缩气体作功后对摩擦产生的热量进行冷却，无需复杂的冷却系统，相对现有的超高速磨头，体积相对缩小约1/2。

4)可通过控制进气口进气量的大小实现无级调速。

5)结构简单，现有的制造工艺条件即可满足制造，且加工成本只有传统超高速磨头的1/3左右，利于规模化生产制造。

6)采用常规部件组成，更换成本低和维修方便。

7)制造和维护成本低，可普遍到应用到各个加工领域。

附图说明

图1背景技术中的滚动轴承受力示意图；

图2为实施例中15万转气动气浮超高速磨头的结构示意图；

图3为实施例中15万转气动气浮超高速磨头的简化示意图；

图4为实施例中转速放大器部ii结构示意图：(a)右视图，(b)主视图，(c)左视图；

图5为实施例中超高速主轴部结构示意图：(a)沿aa’线右视图，(b)主视图，(c)沿aa’线左视图；

图6为实施例中导气板的结构示意图：(a)立体图，(b)正视图，(c)侧视图；

图7为实施例中动力部(气动马达)结构示意图：(a)右视图，(b)主视图。

具体实施方式

下面结合附图2～7以及实施例对本发明做进一步的说明。

如图2和图3所示的是一种15万转气动气浮超高速磨头(主轴)的实施例的整体结构示意图和简化示意图，包括如图3所示的转速放大器部ii、如图4所示的超高速主轴部i和如图4所示动力部iii，超高速主轴部i、转速放大部ii和动力部iii从前至后依次连接，形成气动气浮超高速磨头。具体结构及特点如下：

结合图2、图3和图4所示，转速放大部ii包括与超高速主轴部i输入端相契合的一组大行星摩擦轮，与和动力部iii输出端相契合的一组小行星摩擦轮，以及一组连接大、小行星摩擦轮的放大器子轴。

大行星摩擦轮组包括三个结构相同且直径相等的大行星摩擦轮10，小行星摩擦轮组包括三个结构相同且直径相等的小行星摩擦轮13，大行星摩擦轮10与小行星摩擦轮13两两相对，并分别固定在三根放大器子轴28的两端，共同形成转速放大部ii的主体部分，即行星轮放大器。

其中，三个大行星摩擦轮10位于同一平面且两两相切，作为放大部ii的输出端，超高速主轴1的输入端(即超高速主轴1后端(轴头部分)伸入转速放大部ii的部分)伸入三个大行星摩擦轮10的中间，并与三个大行星摩擦轮10均相切(相互紧贴)，且大行星摩擦轮10的直径是超高速主轴1输入端轴头的直径的5倍。三个小行星摩擦轮13位于同一平面，其作为转速放大部ii的输入端与动力部iii的输出端相契合，即三个小行星摩擦轮13与动力部iii的主动轮14均相切(相互紧贴)，且小行星摩擦轮13的直径与主动轮14的直径相等。

进一步的，从图3中可以看出，为了超高速磨头在超高速旋转不打滑、消除间隙共振和振动，实施例中的超高速主轴1的输入端和大行星摩擦轮10均设为相互契合的小锥度形状，以保证两径向面紧贴且相切。同理，图3中还可以看出，主动轮14和小行星摩擦轮13的径向面也均设为相互契合小锥度形状。

行星轮放大器主体外套设有转速放大器外壳12，转速放大器外壳12的前端与超高速主轴部i相连，后端与动力部iii相连。实施例中，转速放大器外壳12的前端与动力部iii的动力轴前端盖37及动力部涡轮壳24相配合，转速放大器外壳12的前端与超高速主轴部i的超高速主轴后端盖11相连。

转速放大器外壳12的内腔开设有三个相互独立的子轴固定腔，各子轴固定腔的位置和结构与放大器子轴28的位置和结构均相匹配，大、小行星摩擦轮均位于子轴固定腔外的前后两端，转速放大器外壳12内。各放大器子轴28两端(即与大、小行星摩擦轮连接的部分)均套设有一套子轴轴承29。各放大器子轴28通过子轴轴承29穿设于相应的子轴固定腔中以支撑两端的大、小行星摩擦轮高速旋转。

结合图2、图3、图5及图6所示，超高速主轴部i采用的是可以支撑15万转转速及以上有的气浮主轴，主要包括超高速主轴1、悬浮叶轮7、悬浮叶轮盖板6、前端盖4、超高速主轴后端盖11、导气板5及超高速主轴壳体8。其中，

悬浮叶轮7套设于超高速主轴1上，用于生成支撑主轴1悬浮的气膜，悬浮叶轮7前后两端分别装有套设在超高速主轴1上的悬浮叶轮盖板6，并与超高速主轴1形成一个整体，构成超高速主轴的超高速主轴主体(超高速主轴的主体部分)。超高速主轴主体外套有一超高速主轴壳8，超高速主轴壳8由一体成形的横向单元和纵向单元组成，横向单元套设于超高速主轴主体的大部分，纵向单元位于横向单元的后端并与超高速主轴后端盖11相契合。超高速主轴导气板5套设于超高速主轴1上，并位于前端的超高速主轴1的前端(即靠近超高速主轴1输出端的位置)。该导气板5的一侧与超高速主轴1前端的悬浮叶轮盖板6相连，用于限制超高速主轴主体轴向穿动。前端盖4套设于超高速主轴1上，并位于导气板5的前端。超高速主轴后端盖11套设于超高速主轴1上，并位于超高速主轴壳8纵向单元的后端。前端盖4和超高速主轴后端盖11可支撑超高速主轴1的超高速旋转。前端盖4、导气板5及超高速主轴壳8横向单元相互配合，超高速主轴后端盖11与超高速主轴壳8纵向单元相互配合，以将超高速主轴主体封闭在超高速主轴壳8内。

超高速主轴部i内(即超高速主轴壳体8内)具有一条压缩气体流通的气流通道(即通道a3)，从转速放大部ii流出的压缩气体经通道a3进入悬浮叶轮7的压缩气室35，经超高速主轴主体的超高速旋转，使得进入压缩气室35的气体被压缩和膨胀，并在悬浮叶轮7周围形成的一圈刚性的气膜以支撑超高速主轴主体悬浮在马达中间。

图5(a)是超高速主轴部i沿aa’剖面的左视图，超高速主轴后端盖11上设有多个周向均匀分布的进气孔31，超高速主轴壳8的纵向单元上设有多个与超高速主轴后端盖11上的进气孔31相连通且大小相适应的进气孔32。前端盖4设有多个进气孔33，导气板5上设有多个进气孔34。进气孔31、进气孔32、进气孔33和进气孔34相互连通，以形成超高速主轴1内部的压缩气体流通通道a3。

具体的，从转速放大部ii流出的压缩气体经超高速主轴后端盖11的进气孔31和超高速主轴壳8纵向单元上的进气孔32，沿进入超高速主轴壳8横向单元的外壁流入超高速主轴罩内，并经超高速主轴前端盖4上的进气孔33流向超高速主轴导气板5，由超高速主轴导气板5上的进气孔34进入悬浮叶轮7的压缩气室35。工作时，高速旋转的超高速主轴1通过悬浮叶轮7高速旋转在其周围形成的一圈气膜悬浮在马达中间。

如图6所示，在导气板5面向前端的侧面的中间位置开有一圈导气槽36、以及均匀分布在导气槽外围的多个导气孔37，导气槽36和导气孔37并不穿透导气板5，即在导气板5上开孔只开了一半的效果。与此对应的是，在超高速磨头设有一条压缩气体流通通道b，压缩气体经通道b进入导气槽36和导气孔37，在超高速主轴主体超高速旋转时，通过导气结构的作用(即导气槽36和导气孔37)在导气板5的端面形成气膜，该气膜给予超高速主轴主体一股向内的力，以限制超高速主轴主体的轴向穿动。

进一步的，在超高速主轴1和前端盖4之间还设有内陶瓷圈2和外陶瓷圈3。因为陶瓷材料摩擦系数较小且耐高温，故选择内外双层结构的陶瓷圈用于支撑超高速主轴1的初始旋转，即超高速磨头在启动时，悬浮叶轮7还未形成气膜或形成的气膜还不足以支撑超高速主轴1时。

结合图2、图3和图7所示，动力部iii主要包括进气口36、动力主体、主动轮14(动力输出端)、涡轮壳24、后端盖27、动力轴前端盖37。

动力主体并非本专利的发明点，从图2和图5还可看出，实施例中采用的动力主体是申请人于发明专利201710164758.2所公开的涡轮气动静压高速马达中的涡轮气动部分的结构，包括动力部主轴30、涡轮a25、涡轮固定块19、涡轮b18、导流板23、导气结构26等，其具体结构和工作原理详见该专利中的描述即可。当然，除实施例中的动力部结构外，本专利的动力主体同样也可以采用申请人于实用新型专利201720273166x所公开的涡轮气动静压高速马达中的涡轮气动部分的结构，或者采用现有技术中的其它动力主体结构。只需要在动力部iii的输出端设计一与转速放大器输入端契合的结构结构。故，本专利对动力主体部分不再赘述。

在动力部iii的动力主轴20的输出端套设一主动轮14，其作为动力部iii的输出端与转速放大部ii的输入端相连。具体实现方式可为，主动轮14与转速放大部ii各小行星摩擦轮13位于同一平面，并分别与各小行星摩擦轮13相切。使得动力部的转速传递给小行星摩擦轮13，再由三个大摩擦轮10传递给超高速主轴部i的输入端，通过各部分直径的变化，使得转速被放大后。

进一步的，为顶紧主动轮14，在动力主轴20前端与主动轮14相接触的面设有弹簧17，弹簧17与动力主轴20和主动轮14的径向面契合，以防止主动轮14振动和打滑。

进一步的，从图3中可以看出，在动力主轴20两头均设置有限制动力主轴20轴向穿动的限位机构，显然，限位机构对主动轮14起到防止其轴向穿动的作用。实施例中限位机构采用位于动力主轴20后端的限位螺丝22以及位于动力主轴20前端且固定连接的两节限制螺丝15进行限位。

综上可见，转速放大部ii中的小行星摩擦轮13(即转速放大部ii的输入端)与动力部iii中的主动轮14(即动力部iii的输出端)相切。转速放大部ii中的大行星摩擦轮10(即转速放大部ii的输出端)与超高速主轴部i中超高速主轴1的轴头(即超高速主轴部i的输入端)相切。主动轮14的直径和小行星摩擦轮13的直径相等，动力部iii将动能传递至转速放大部ii且转速保持一致，即，行星轮放大器的转速和动力主轴20的转速相等。大、小行星摩擦轮同轴旋转，大行星摩擦轮10将动能继续传递至超高速主轴部i，大行星摩擦轮10的直径是超高速主轴1输入端轴头直径的比的5倍，可以得到，大行星摩擦轮10与超高速主轴1的转速比是1：5，即超高速主轴1相比大行星摩擦轮10的转速放大了5倍。可见，从动力部传递来的转速经行星轮放大器传递给超高速主轴部后被放大5部，而实施例中，即大行星摩擦轮10的转速为3万r/min(低速)，故，超高速主轴1的转速为15万r/min(超高速)。

值得注意的是，在具体应用时，各部件的直径关系并不限于此，只要保证小行星摩擦轮13的直径不大于主动轮14的直径，大行星摩擦轮10的直径大于超高速主轴1的直径，即可实现转速的放大。在应用时，可根据应用场景及实际需要进行设计各部件的直径，达到想要的放大效果。在制造工艺及制造成本允许的前提下，转速可根据需求被任意放大，如15万r/min、20万r/min，甚至更高。在转速超过5万r/min及以下时，超高速主轴部i可选用角接触轴承悬浮，也可选用电动磁悬浮和压缩气体悬浮；但转速超过5万r/min时，优先选用压缩气体悬浮形式。

另外，在空间大小及制造工艺满足的条件，大、小行星摩擦轮的个数也不限于三个，可以是四个、五个、甚至更多。而实施例中的三个行星摩擦轮的结构不仅与实现与主动轮14或超高速主轴1相切，还可实现三个行星摩擦轮之间两两相切，各行星摩擦轮的圆心构成一个等边三角形，其稳固性更强，且占用空间也相对最小。而大、小行星摩擦轮之间的放大器子轴28的长度也可根据需要进行设计，但是不能过长，防止高速旋转时因形变导致的断裂。

还需要注意的是，实施例中的超高速磨头可通过控制进气口36中的进气量的大小实现无级调速，即通过减小进气量，降低整体转速；反之通过增大进气量，提升整体转速。

下面对压缩气体在超高速磨头内的流向作简要说明：压缩空气从进气口36进入超高速磨头后，压缩空气在动力部iii作功后，余气经动力部iii的压缩气体流通通道a1被排出，并进入转速放大部ii的压缩气体流通通道a2，在进入转速放大部ii内，余气将行星轮放大器因旋转时由于摩擦产生热量带走，使得大、小行星摩擦轮得以冷却，然后经压缩气体流通通道a2进入超高速主轴部i，并由超高速主轴部i的压缩气体流通通道a3进入悬浮叶轮7的压缩气室35，经超高速主轴主体的超高速旋转，使得进入压缩气室35的余气被压缩后膨胀后在悬浮叶轮7周围形成的一圈气膜，从而支撑超高速主轴主体悬浮在马达中间。

值得说明的是，压缩空气作为动力源，主动轮14、行星轮放大器以及超高速主轴1在超高速运转时，由于摩擦轮产生摩擦热经压缩空气作功后排出的余气流过将热量带走而得到冷却，而不需要单独再使用一套复杂的冷却系统。

可见，本发明通过超高速主轴的自悬浮设计解决了现有技术中超高速主轴不能用传统的轴承来支撑高速运转的技术问题；并通过行星轮放大器结合现有的动力结构即可得到超高的主轴旋转速度。此外，动力源压缩空气在动力部iii作功后，还能起到对大小行星摩擦轮冷却的作用，并再次进入悬浮叶轮被利用为支撑气膜，实现压缩空气的多次利用，大大提升使用效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。