专利名称：机械加工主轴和转轴的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械加工主轴和用于机械加工主轴中的转轴。
背景技术：
本发明构思尤其适用于钻床主轴和转轴，例如在诸如印刷电路板(PCB)钻孔的高速钻削应用中使用。
随着电子设备的持续小型化以及这些设备复杂性不断增加的趋势，迫切需要能够在印刷电路板上更快和更靠近地钻出更小的孔，以辅助整个制造过程。通常而言，这些需要使得需要在日益加快的转速率下运转钻床主轴，以获得良好的钻孔性能。也需要保持钻床主轴尽可能地轻，以便有助于相对于印刷电路板或其它工件快速地操纵该主轴。
在印刷电路板或其它元件上钻孔所使用的现有的主轴通常使用空气轴承技术以实现必要的平稳运转。某些其它的机械加工主轴也是如此。
通常而言，在该种主轴中可以使用两种互补的驱动技术直流电机驱动装置和交流电机驱动装置。
因为交流电机通常结构更简单，更易于安装和维修并且常常是更可靠的，通常优选使用交流电机驱动装置而不是直流电机驱动装置。并且事实上，高效交流驱动装置的零件及其整体通常更易于获得并且更便宜。
当然在交流电机驱动装置中，需要在主轴的从动件上，即一般在转轴上，设置某种类型的绕组。一种常规的实行方法是在钢制转轴上铣出狭槽并且将这些狭槽镀铜，以在转轴上获得所需的绕组样式。一般将这样的驱动装置设置为像无刷式感应电机驱动装置(brushlessinduction motor drives)那样运转。
该种电机驱动技术通常用于在比如180,000rpm下工作的主轴中。但是，在尝试在更高转速下运行该种主轴时遇到了困难。
这部分是因为该电机驱动装置的运转基于(通常为钢制)转轴的磁性。在高转速下使用钢制转轴会变得不合乎需要。此外，在这些高转速下，由于所伴随的极大的离心力，转轴内的狭槽内所具有的铜镀层存在易于脱离(fly out)的风险。
本发明的至少某些实施方案的目的在于解决这些问题中的一个或多个。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种机械加工主轴，该机械加工主轴包括转轴、主轴套筒和用于相对于该套筒旋转地驱动该转轴的交流电机驱动装置，其中该转轴的一部分组成该电机驱动装置的一部分，以使得使用中磁通流过所述部分并且该转轴的至少所述部分由金属基复合材料制成。
根据本发明的第二方面，提供了一种机械加工主轴，该机械加工主轴包括转轴、主轴套筒和用于相对于该转轴旋转地驱动该套筒的交流电机驱动装置，其中该套筒的一部分组成该电机驱动装置的一部分，以使得使用中磁通流过所述部分并且该套筒的至少所述部分由金属基复合材料制成。
根据本发明的第三方面提供了一种用于机械加工主轴的转轴，该转轴包括由金属基复合材料制成的至少一部分。
当然，需要选择该金属基复合材料以便具有能够使该电机驱动装置运行的合适的磁性。该金属基复合材料可以是铁-蒂坦钛钨硬质合金(Ferro-Titanit)。
优选地，该转轴包括由第一种材料制成的主体，该主体载有用于组成该电机驱动装置的一部分的绕组。该绕组可包括淀积到该主体上的第二种材料。绕组的至少一部分可以淀积到在主体内设置的多槽沟的凹槽中(multi-fluted groove)。优选的淀积形式是电镀(plating)。在本说明书中，电镀用于指代电-化学淀积工艺。其它可能的淀积技术包括金属热熔或火焰处理(flame)或喷镀。优选地该绕组包括镀在该主体上的第二种材料。
可以在转轴的部分上设置该绕组，该转轴部分由金属基复合材料制成且使用中磁通流过该转轴部分。
根据本发明的第四方面，提供了一种机械加工主轴，该机械加工主轴包括转轴、主轴套筒和用于相对于该套筒旋转地驱动该转轴的交流电机驱动装置，其中该转轴包括由第一种材料制成的主体，该主体载有组成该电机驱动装置的一部分的绕组，该绕组包括淀积到该主体上的第二种材料，并且该绕组的至少一部分淀积到主体内的多槽沟的凹槽中。
根据本发明的第五方面，提供了一种用于机械加工主轴的转轴，该转轴包括由第一种材料制成的主体，该主体载有用于组成电机驱动装置的一部分的绕组，该绕组包括淀积到该主体上的第二种材料，并且该绕组的至少一部分淀积到主体内的多槽沟的凹槽中。
通过电镀将绕组淀积到钢制转轴上以形成电机驱动装置转子的技术在空气轴承主轴领域内沿用已久，但是当转轴要在极高速下旋转时，比方说在趋于200,000rpm时，会产生问题。首先存在转轴强度和刚度的问题，这使得使用钢制转轴不合需要。在另一方面，使用交流电机驱动装置是理想的，而这需要转轴具有适宜的磁性。另一个问题是对于载有电镀绕组的常规转轴，在转轴的主体和绕组之间可能存在黏着力不足，因此镀层易于从转轴脱离，从而导致主轴的失效。该问题在转速增加时更加严重。通过提供更大的黏着表面积，在转轴的主体内设置多槽沟的凹槽有助于解决该问题。可能会认为设置凹腔形狭槽或凹槽，或者提供某种其它类型的供镀层用的“胀大(bulge)”形凹腔能够解决该问题。但是已经发现这样的形状通常无法完全地电镀，易于在绕组内留下空隙，而这将损害性能。
淀积到转轴的主体上的第二种材料可以是铜。
该主体可包括多个多槽沟的凹槽，其中每一个多槽沟的凹槽设置有不同于主体的材料。
该多槽沟的凹槽或各多槽沟的凹槽可以是敞口的。该多槽沟的凹槽或各多槽沟的凹槽的每个槽沟可以是敞口的。本说明书中使用敞口的措辞用于表示相应的凹槽或槽沟不具有凹腔形，或者换句话说，将该凹槽或槽沟成形以使得淀积到转轴上的材料不是因其形状被锁定在转轴内，而是由所淀积的材料和转轴的其余部分的材料之间的黏着力固定在适当的位置。
根据本发明的第六方面，提供了一种机械加工主轴，该机械加工主轴包括转轴、主轴套筒和用于相对于该转轴旋转地驱动该套筒的交流电机驱动装置，其中该套筒包括由第一种材料制成的主体，该主体载有用于组成该电机驱动装置的一部分的绕组，该绕组包括淀积到该主体上的第二种材料，并且绕组的至少一部分淀积到主体内的多槽沟的凹槽中。
优选地，设置该主轴以使得该主轴的从动部分(转轴或套筒)可在高于200,000rpm的转速下被驱动。
根据本发明的第七方面，提供了一种机械加工主轴，该机械加工主轴包括转轴、主轴套筒和用于彼此相对地旋转地驱动该转轴和该套筒的交流电机驱动装置，其中设置该主轴以使得该主轴的从动部分可在高于200,000rpm的转速下被驱动。
优选地，该主轴是空气轴承主轴，其包括至少一个允许该转轴和该套筒之间相对旋转的空气轴承。在大多数的实施方式中该主轴套筒包括该空气轴承。
根据本发明的另一方面，提供了一种空气轴承机械加工主轴，该空气轴承机械加工主轴包括转轴、主轴套筒和用于相对于该套筒以高于200,000rpm的转速旋转地驱动该转轴的交流电机驱动装置，其中该转轴包括由金属基复合材料制成的主体，该主体载有组成该电机驱动装置的一部分的绕组，该绕组包括淀积到该主体上的第二种、不同的材料，并且该绕组的至少一部分淀积到主体内设置的多槽沟的凹槽中。
上述每种情况的机械加工主轴可以是钻床主轴，而且该转轴可用于钻床主轴。
根据本发明的另一方面，提供了一种空气轴承钻床主轴，该空气轴承钻床主轴包括转轴、主轴套筒和用于相对于该套筒以高于200,000rpm的转速旋转地驱动该转轴的交流电机驱动装置，其中该转轴包括由金属基复合材料制成的主体，该主体载有组成该电机驱动装置的一部分的绕组，该绕组包括电镀到该主体上的第二种、不同的材料，并且该绕组的至少一部分电镀到主体内设置的多槽沟的凹槽中。
下面将参考附图，仅通过实施例描述本发明的实施方案，其中图1是贯穿PCB空气轴承钻床主轴一部分的截面图；图2是图1所示的钻床主轴的转轴的等视轴图；图3示意性地显示了在与图2所示的转轴类似的现有技术的转轴中铣削出的狭槽的轮廓；以及图4示意性地显示了在图2中所示出的转轴中铣削出的用于镀铜的狭槽的轮廓；具体实施方式
图1显示了贯穿具体实施了本发明的PCB钻床主轴一部分的截面图。该PCB钻床主轴总体上包括转轴1，该转轴1轴颈安装在主轴套筒2内，并包括用于夹持钻头(未示出)的夹头(collet)(未示出)。工作中相对主轴套筒2在高速下驱动该转轴1，以便使用该钻头钻削该印刷电路板(或其它就此而言的工件)。在图1中示出一部分的钻床主轴在许多方面是常规的。此外，存在多种可以实施那些常规方面的方法，因此出于简洁在本说明书中不包括那些常规方面的部分的附图和描述。在本说明书中非常规并因而引起关注的钻床主轴的那些部分在于转轴所使用的材料以及用于相对套筒2驱动转轴1的电机驱动装置的众多方面的特性。现在将参考图1至4更加详细地描述这些方面。
该主轴包括电机驱动装置3，该电机驱动装置3通常包括在主轴套筒2内设置的一组驱动线圈31、邻近驱动线圈31定位的转轴1的一部分32以及在转轴1上以镀铜的形式设置的绕组33。
驱动线圈31通常是常规的，并且包括磁性材料芯和合适的电绕组。
正如图2中所最佳示出的，该镀铜绕组33包括多个基本轴向取向的条部33a和一对环状带部33b。其中一个带部设置在条部33a的第一末端，将该条部的这些端连接在一起，而另一个带部33b设置在条部33a的另一端，将该条部的这些另一端连接在一起。因此，镀铜绕组33形成围绕转轴1的梯状结构。图1中，用全黑部分显示该镀铜绕组33。将会注意的是，在图1中在该转轴的一侧能够看到条部33a和两个环状带部33b的截面，然而在该转轴的另一侧仅能够看到两个环状带部33b。
使用中向套筒2内设置的驱动线圈31的电绕组供应合适的电流。因此，在镀铜绕组33内以常规且公知的方式感生出电流，从而相对于套筒2旋转地驱动该转轴1。该转轴1作用为电机驱动装置3中的镀铜转子。
本发明的钻床主轴在该层面是常规的。该种包括镀铜转子绕组的电机驱动系统是公知的，实现转轴1相对套管2的旋转所必须的驱动电流方案也已公知。应该理解的是，制造适宜的驱动线圈31、电源和施控电子设备等对于本领域的普通技术人员是简单易懂的事情。
在制造图2中所示类型的镀铜转子转轴1的过程中，首先在转轴1的主体上铣出适宜的狭槽或凹槽，接着再电镀这些凹口或凹槽以形成绕组33。
在类似于图2所示的常规转轴中，转轴中铣削出的供镀层用的狭槽具有如图3中所示类型的简单的基本半圆形的轮廓。但是，在本发明的实施方案中使用了更加复杂或盘曲的狭槽轮廓。在实施方案中，该种更复杂或盘曲的狭槽轮廓用于所有在转轴1中铣削出的将被镀铜的狭槽1a。也就是说更复杂或盘曲的狭槽轮廓适用于所铣削的槽1a，以形成镀铜绕组的各条部33a和各环状带部33b。但是替代地，可以仅将该铣削狭槽的选定部分铣削出具有更复杂或盘曲的狭槽轮廓。具体而言用于带部33b的狭槽1a可具有简单型面轮廓。
图4显示了在狭槽1a电镀以形成条部33a中的一个之前，贯穿任意一个在转轴1中铣削出的狭槽1a的横截面。在该实施方案中可以看到，该狭槽轮廓具有可被称为婴儿臀部的轮廓。因此该狭槽1a是双槽沟凹槽。虽然由于该特定轮廓的有效性以及易于机械加工而优选该轮廓，但也可以使用其它的轮廓。该种适宜的轮廓可一般被认为是诸如提供了多槽沟的狭槽或凹槽的轮廓。
设置一个提供多槽沟凹槽的更复杂或更盘曲的槽轮廓的作用是增加转轴1的主体材料和用于形成镀层绕组33的淀积材料(在此情况下是铜)之间的用于黏合的表面积。增加转轴1的主体和所淀积材料之间的用于黏合的表面积改善了所淀积部分和转轴1的本体之间的整体黏合力，这使得转轴作为一个整体更好地承受极高速的旋转，比方说200,000rpm或更高。
还应该注意的是，如从图4可见，设置在转轴1中的各多槽沟的凹槽1a是敞口的。也就是说该凹槽在转轴表面的总宽度等于或大于在该凹槽内任意点处的宽度，或者换句话说该凹槽不具有凹腔(re-entrant)形。这是该凹槽的优选形状特征，因为如果使用凹腔形凹槽(这将更好地将镀层材料锁位)则不易于实现该凹槽的令人满意的电镀。当进行凹腔形凹槽的电镀时，表面将易于在该凹槽的外部上闭合，同时在镀层本体内留下空隙，这将导致在运转时的性能下降和/或增加转轴失效的风险。因此，虽然将电镀材料锁位在转轴内的想法最开始看起来具有吸引力，然而事实上却并不是最佳的实施方式。
通过使用在图4中示出的多槽沟的凹槽的轮廓而提供的在转轴1的表面上的狭槽宽度基本相同于使用在图3中示出的简单的半圆形的轮廓所获得的狭槽宽度，这对运转中的转轴的电磁性能是重要的。
在确定用以改善转轴1的主体和电镀材料之间的黏合所使用的狭槽1a的最佳外形时，需要考虑制造该狭槽所需采用的机械加工工艺。因此，婴儿臀部形状的轮廓或其它其中该凹槽或各个凹槽包括两个槽沟的轮廓优选于其它诸如提供更大数目的槽沟或提供狭槽面的小尺寸粗糙或滚花的替代方案。
在本实施方案中，同样为了便于高于200,000rpm的极高转速，该转轴1由金属基复合材料制成，并且具体到本实施方案中由铁-蒂坦钛钨硬质合金金属基复合材料制成。该种材料特别坚固且刚硬，这使得其适用于极高速转轴中。然而此外该材料具有适当的磁性，使得其可用于如上所述的电镀转轴型主轴中。
应当理解的是，对于参照图1和图2描述的上述电机驱动装置，磁通必须能够流过转轴1的材料。当使用钢制转轴时这不是一个问题，但是随着转速的增加，使用钢制转轴变得不合要求或不切实际时，寻找适合制造转轴的材料非常困难。
在其它应用中，例如那些使用在转轴上设置永磁体的直流电机驱动装置的技术中，已采用陶瓷材料来实现极高转速。但是，在磁通需要流经该转轴本身材料时，不能使用该种材料。
因此，转轴的至少相关部分应当选择可以用作磁性材料的金属基复合材料。
上述类型的钻床主轴应当可以在最高达比方说220,000rpm的速度下工作。
虽然上述说明是在钻床主轴方面进行描述的并且本发明尤其适用于在钻床主轴和用于钻床主轴的转轴中使用，但是应该理解的是，本发明的应用更宽广并且能够用于其它机械加工主轴中，诸如例如光刻蚀/镂铣(routing)主轴和镗研(bore grinding)主轴。
此外，虽然本说明书涉及到向转轴上镀材料，也可以使用例如金属热熔，或火焰处理、喷涂的其它类型的淀积技术，只要能获得足够的黏合。
权利要求
1.一种机械加工主轴，该机械加工主轴包括转轴、主轴套筒和用于相对于该套筒旋转地驱动该转轴的交流电机驱动装置，其中该转轴的一部分组成电机驱动装置的一部分，以使得使用中磁通流过所述部分并且该转轴的至少所述部分由金属基复合材料制成。
2.根据权利要求1所述的机械加工主轴，其中该金属基复合材料是铁-蒂坦钛钨硬质合金(Ferro-Titanit)。
3.根据权利要求1或2所述的机械加工主轴，其中该转轴包括由第一种材料制成的主体，该主体载有用于组成该电机驱动装置的一部分的绕组。
4.根据权利要求3所述的机械加工主轴，其中该绕组包括淀积到所述主体上的第二种材料。
5.根据权利要求4所述的机械加工主轴，其中该绕组包括电镀到该主体上的第二种材料。
6.根据权利要求3至5中任意一项所述的机械加工主轴，其中该绕组的至少一部分可设置在主体内设置的多槽沟的凹槽中。
7.根据权利要求3至6中任意一项所述的机械加工主轴，其中该绕组设置在转轴的由金属基复合材料制成且在使用中磁通流过的部分上。
8.根据权利要求3至7中任意一项所述的机械加工主轴，其中该主体包括多个多槽沟的凹槽，其中每一个多槽沟凹槽设有不同于主体的材料。
9.根据权利要求6或8中所述的机械加工主轴，其中该多槽沟的凹槽或各多槽沟的凹槽是敞口的。
10.根据权利要求6或9中任意一项所述的机械加工主轴，其中该多槽沟的凹槽或各多槽沟的凹槽的每个槽沟是敞口的。
11.根据上述任意一项权利要求所述的机械加工主轴，其中设置该主轴以使得该主轴的从动部分可在高于200,000rpm的转速下被驱动。
12.根据上述任意一项权利要求所述的机械加工主轴，其中该主轴是空气轴承主轴，该空气轴承主轴包括至少一个允许该转轴和该套筒之间相对旋转的空气轴承。
13.根据上述任意一项权利要求所述的机械加工主轴，其中该机械加工主轴是钻床主轴。
14.一种机械加工主轴，该机械加工主轴包括转轴、主轴套筒和用于相对于该转轴旋转地驱动该套筒的交流电机驱动装置，其中该套筒的一部分形成电机驱动装置的部分，以使得使用中磁通流过所述部分并且该套筒的至少所述部分由金属基复合材料制成。
15.一种用于机械加工主轴的转轴，该转轴包括由金属基复合材料制成的至少一部分。
16.一种机械加工主轴，该机械加工主轴包括转轴、主轴套筒和用于相对于该套筒旋转地驱动该转轴的交流电机驱动装置，其中该转轴包括由第一种材料制成的主体，该主体载有组成该电机驱动装置的一部分的绕组，该绕组包括淀积到该主体上的第二种材料，并且该绕组的至少一部分淀积到主体内设置的多槽沟的凹槽中。
17.一种用于机械加工主轴的转轴，该转轴包括由第一种材料制成的主体，该主体载有用于组成该电机驱动装置的一部分的绕组，该绕组包括淀积到该主体上的第二种材料，并且该绕组的至少一部分淀积到主体内设置的多槽沟的凹槽中。
18.一种机械加工主轴，该机械加工主轴包括转轴、主轴套筒和用于相对于该转轴旋转地驱动该套筒的交流电机驱动装置，其中该套筒包括由第一种材料制成的主体，该主体载有用于组成该电机驱动装置的一部分的绕组，该绕组包括淀积到该主体上的第二种材料，并且该绕组的至少一部分淀积到主体内设置的多槽沟的凹槽中。
19.一种机械加工主轴，该机械加工主轴包括转轴、主轴套筒和用于彼此相对地旋转地驱动该转轴和该套筒的交流电机驱动装置，其中设置该主轴以使得该主轴的从动部分可在高于200,000rpm的转速下被驱动。
20.一种空气轴承机械加工主轴，该空气轴承机械加工主轴包括转轴、主轴套筒和相对于该套筒以高于200,000rpm的转速旋转地驱动该转轴的交流电机驱动装置，其中该转轴包括由金属基复合材料制成的主体，该主体载有用于组成该电机驱动装置的一部分的绕组，该绕组包括淀积到该主体上的第二种、不同的材料，并且该绕组的至少一部分淀积到主体内设置的多槽沟的凹槽中。
21.一种空气轴承钻床主轴，该空气轴承钻床主轴包括转轴、主轴套筒和用于相对于该套筒以高于200,000rpm的转速旋转地驱动该转轴的交流电机驱动装置，其中该转轴包括由金属基复合材料制成的主体，该主体载有用于组成该电机驱动装置的一部分的绕组，该绕组包括电镀到该主体上的第二种、不同的材料，并且该绕组的至少一部分电镀到主体内设置的多槽沟的凹槽中。
全文摘要
一种机械加工主轴，其中该转轴(1)由金属基复合材料制成，并且在多个多槽沟的凹槽(1)a中将铜绕组(33)电镀到转轴(1)上以帮助保持该绕组。
文档编号H02K1/02GK101053142SQ200580037891
公开日2007年10月10日 申请日期2005年9月1日 优先权日2004年9月15日
发明者J·D·斯特拉顿 申请人:Gsi集团有限公司