专利名称：用于形成非圆形孔的混合转子主轴的制作方法
用于形成非圆形孔的混合转子主轴 参照相关申请本申请要求申请日为2005年3月30日的第60/666， 674号美国临时申 请的优先权。发明领域本发明一般涉及用来在工件上形成非圆形孔的高速主轴组件。
技术背景一些生产应用要求形成非圆形的孔。例如，内燃机活塞的制造过程中的 销轴或耳轴或销上形成的所谓销孔通常具有朝向中心的微喇叭状开口，以适 应活塞销中的弯曲。此外，销孔的喇叭状最优设计为具有微椭圆度，进一步 解决活塞在其各周期中运动时活塞销中产生的变形问题。销孔必须形成喇叭 状及非圆形截面以满足精确公差要求。例如，这类应用通常要求公差在3-5 微米范围内。用于产生这种非圆形孔以符合精确公差规格的工业方法，包括液压驱动 铣销加工和电化学加工技术。现有技术还建议采用具有主动磁轴承(active magnetic bearing)的专用机床加工主轴钻非圆形孔。该主动磁轴承基于旋 转主轴由位于电磁铁定子产生的磁域中的铁磁材料形成这一原理工作。具有 适当功率放大器的控制系统调节所述磁域，以在主轴旋转时将其保持在希望 的径向位置。甚至在改变负载状态的情况下，也可保持在径向位置。当主动磁轴承系统提供异常主轴活动状态时，其生产成本高且难以控制。 为获得高动态性能和理想的加工加速度水平，需要提供大型、大功率的磁轴 承调节器。而且，如果没有适合的尺寸设计和控制，主动磁轴承系统在某些 切削条件下很难适当缓冲。 发明内容根据本发明，提供一种具有倾斜和偏转调节主轴的机床组件，用于在工 件上形成高精度表面轮廓。该组件包括确定长轴并具有从其一端延伸的成形 工具的主轴。该主轴包括支承轴颈。轴颈箱至少部分地包裹所述支承轴颈以 可旋转地支撑所述主轴。驱动电机可操作地与所述主轴相互作用，以强制性地使该主轴绕其长轴旋转。提供至少一个X-Y调节器用于控制所述主轴的倾 斜和偏转，以在非圆形轨道路径中移动所述成形工具。所述支承轴颈和所述 轴颈箱具有同心的、 一般为球形的相对表面，该相对表面以与所述主轴的长 轴相交的中心点为中心。根据本发明的另一方面，提供一种磁性操作高速主轴组件以在工件上形成具有尺寸不同的轴向轨道的不规则孔的方法。该方法包括下列步骤将径 向延伸的成形工具固定在具有长轴的主轴的一端；以可绕所述长轴旋转的方 式支撑所述主轴；使所述主轴绕所述长轴旋转；建立影响至少部分所述旋转 主轴的磁场；以及，在所述主轴旋转期间，通过操作磁场调节所述长轴的偏 转和倾斜角，以在预定非圆形轨道路径中移动成形工具。所述支撑所述主轴 以绕所述长轴旋转的步骤进一步包括将所述主轴限制在球形轴承中，该球形 轴承以所述主轴的长轴相交的中心点为中心。因此本发明包括现有技术主动磁轴承系统和固定轴承涉及之间的结合， 相比现有系统，本发明允许自由地加工形成孔，且降低了成本，提高了性能。 本发明转子主轴优选基于允许XY作动系统将围绕重力中心作偏心运动引入 主轴中的球形空气轴承。与电磁轴承相比，具有成本优势，因电磁主轴典型 地具有10个轴以进行控制。然而，本发明的混合转子主轴仅具有2个轴以进 行控制，也能够产生实质相同的运动。本发明允许主轴以高度可控方式绕其轴旋转，也可倾斜和偏转。球形轴 承的旋转中心可设于所述主轴的重力中心处，以确保主轴的质量对空气轴承 有反应，而对XY调节器系统没有反应，因此为后续复杂精确轨道提供更好的 动力性能。相对于主轴旋转位置控制其倾斜和偏转。通过改变XY调节器位置， 可绕主轴的加工顶端运行以产生任何自由形式的形状。在较佳实施例中，电磁XY调节器系统提供将主轴置于任何速度的非接触 式方法。并提供了几种使主轴旋转的方法，包括气涡轮、电动机或非接触式
旋转连接。在气涡轮实施例中，气涡轮可结合在球形空气轴承中，并因此消 除任何该轴垂直于主轴长轴的时刻。如果采用气涡轮，可减小主轴的质量， 从而可实现更好的剖面性能和更好的加速时间，以获得所需要的旋转速度。 位移传感器为X-Y调节器系统的位置提供反馈，并允许轨道被测量。本发明的孔成形组件通过扩展能够以高速高精确度形成的孔形状和构造 的可利用范围，特别是立体范围，克服了现有技术的缺点和不足。
为便于理解本发明的特征及优点，以下结合附图对本发明进行详细描述， 其中图1是本发明的主轴组件和准备进行孔成形加工的示例性活塞工件的简 化主视图；图2是本发明的转子主轴组件的简化剖视图；图3是沿图2中3-3线的剖视图，描述X-Y作动系统；图4是主轴组件的可选视图，其中驱动电机与重心间隔开；图5是主轴组件的可选视图，其中X-Y作动系统结合在球形空气轴承中；图6是沿图5中6-6线的剖视图，展示了同一 X-Y作动系统；图7是主轴组件的可选视图，其中X-Y作动系统结合在气涡轮驱动系统中；图8是沿图7中8-8线的剖视图；图9是工件中示例性孔几何形状的简化立体图，其中连续轴向变化轨道 由成形工具加工而成；图10和11举例说明了示例性非圆形孔几何形状，每一孔具有本发明能 够形成的不规则负载结构；以及图12和13举例说明可选成形工具结构。具体实施例参照附图，其中相似数字始终指代相似或相应零部件，高速主轴组件20 如图1和2所示。主轴组件20是在工件24中形成非圆形孔22的主轴组件。
在图1中，为举例的目的，所示工件24仅包括内燃机活塞。非圆形孔22作 为销孔用以收容所谓活塞销(图未示)。然而，工件24可包括任何元件，不 限于活塞，发动机，甚至汽车系统。更恰当地，任何领域中的高精度公差非 圆形孔22的形成均可从本发明受益。主轴组件20包括沿长轴A在后端28和成形端30之间延伸的刚性轴状主 轴26。成形工具32从主轴26靠近成形端30向外径向延伸，并终止于一切 削边34。然而，成形工具32的实际切削边34可由任何商用形状的可移动的 碳化物(或其他材料)顶端构成，点状切削边34仅为示例性描述。另一种方 式中，成形工具32可固定在一通过锥形或螺钉装置安装于主轴26上的可移 动工具固定装置中。主轴26在邻近其后端28和成形端30处设有扭转面，以 便于拆卸成形工具32从而进行维护和工具固定装置36的替换。主轴组件20还包括壳体42，主轴26的后端28和成形端30延伸出该壳 体42。主轴26通过球形空气轴承装置120可旋转地支撑于壳体42内。该球 形空气轴承装置120包括连接至主轴26的增大的球形支承轴颈126，优选与 旋转主轴组件的重心一致。无论如何，形成支承轴颈126的球形表面的中心 位于长轴A上。支撑轴颈126设于轴颈箱内，该轴承箱采用球形轴承杯128 形式。在支撑轴颈126和轴承箱128的界面注入增压空气，使得主轴轻轻浮 起，以进行高速旋转，例如以类似100，000RPM的速度旋转。如图1-5所示，通过一个或多个入口 132将空气注入轴承箱128内的独 立轴承杯与支撑轴颈126之间的界面。举例说明分散的入口 132，采用多孔 性陶瓷轴承杯即可得到满意的效果。在这种结构中，空气渗入轴承杯，使得 支承轴颈126轻轻浮起。另一个将空气引入轴承的例子包括形成于轴承箱128 表面的静液压袋或低压的使用，空气从入口 132直接进入轴承箱128。无论 采用哪种将空气引入支撑轴颈126和轴承箱128的界面的方法，主轴16均由 球形轴承装置120内的空气垫支撑，在其高速旋转时可摆动。驱动电机44，设于壳体42内部或外部，起到强制性地使主轴26绕其长 轴A旋转的作用。该驱动电机44可为任何已知类型的电机，运行于AC或DC 电流下，可采用液体、气体或任何类型的能源。如实施例所示，驱动电机44 包括气涡轮。涡轮空气入口 122将可控增压空气流引入叶轮124处。叶轮124 可围绕球形支撑轴颈126的圆一体成型，如图2和7所示。当气涡轮结合进
支撑轴颈126时，消除了不希望有的力矩以帮助稳定主轴的高速旋转。流经 入口 122的增压空气作用于叶轮124，导致主轴26在壳体42内绕长轴A旋 转。空气从任何方便的位置排出，例如通过图2所示的出口 130排出。图4举例说明了一可选驱动电机装置44'。在此，具有入口 122'的气 涡轮装置作用于叶轮124，，该叶轮124'围绕主轴26形成于远离球形轴承 装置120和远离主轴重心的位置。在该实施例中，混合转子主轴组件20以同 样的方式运行，然而，使主轴26高速旋转的驱动机构是不同的。本领域的普 通技术人员会联想到其他用作驱动电机的装置，可包括电动机或其他装置。再参照图1-5，组件20如图所示包括一对Y轴调节器134，该对Y轴调 节器134远离球形轴承装置120位于主轴26相对侧。类似地，X轴调节器136， 其方向与Y轴调节器134垂直，也位于主轴26的相对侧。这些调节器134、 136定向于同一平面内，可选择性地通过适合的控制机构激活，用电磁吸引 力驱动主轴26。通过有意识地、变化地激活调节器134、 136，像力矩臂一样 作用，成形工具34可被推动在圆形或非圆形可控通道中移动。虽然图中Y 轴调节器134位于通常垂直的平面，而X轴调节器136位于通常水平的平面， 但这并非必须。在某些情况下，需要将其各自轴线定位于相对水平面大致45 °角的位置。同样，虽然所示为四个调节器134、 136，但采用三个围绕长轴 A大致等弧度间隔的调节器也可能实现想要的成形工具34接合。位置传感器138、 140分别与Y轴调节器134和X轴调节器136连接。该 位置传感器138、 140将关于主轴26的位置的信息以电压的形式馈入。通常， 校准这些位置传感器138、 140使得主轴26位于空档位置时，传感器产生零 电压。当主轴26移动至空档位置之上时，产生正电压。当主轴26移动至空 档位置之下时，产生负电压。控制器(图未示)独立控制每一调节器134、 136，以在主轴26浮于球 形轴承装置120内的空气垫上时调整主轴26的径向位置。通过由调节器134、 136控制主轴26的位置，成形端30可被枢接，从而划出高度可控的非圆形 轨道路径。控制器可为集中型，协调来自所有传感器138、 140的输入，并将 输出发送至所有调节器134、 136，以实现所希望的成形端30的接合。可选 地，控制器可包括分离的元件，独立控制X轴和Y轴调节器。在后一种结构 中，X轴调节器136的一个控制器从X位置传感器140接收电压信号，用数学模块来处理该信息，该数学模块包含空间关系例如到切削边34的轴向距离 和所测量的从长轴A到切削边34的工具半径，并将电流(或电压)要求发送 至一集成或单机放大器。因此，控制器会接收多个输入，也就是来自X平面 的每个传感器的输入，并将多个输出输出至X平面的所有调节器136，从而 动态控制主轴26。X轴控制器可包括反锯齿滤波器、模-数转换器、数字信号处理器和脉宽 调制发生器。来自位置传感器136的电压会通过反锯齿滤波器消除信号中的 高频噪声。去除高频内容后，位置信号由模-数转换器采样，该模-数转换器 将电压信号转换为数字信号处理器可处理的形式。而后，将该数字信息通过 数字滤波器滤波，产生与根据预定值校正或调整主轴26位置所需的电流(或 电压)量成比例的输出。将该所需电流与提供给调节器136的实际电流相比， 该实际电流也被发送、滤波并由模-数转换器采样。实际和所需电流之间的误 差用于说明发送至放大器的脉宽调制信号的特征。此后，该信息被发送至脉 宽调制发生器，该脉宽调制发生器产生发送至放大器的该脉宽调制波形。Y 轴控制器以类似的方式工作，从Y位置传感器138接收多个输入信号，并将 多个校正动作通过输出发送至Y轴调节器134。适合控制系统的详细描述可 见本申请的受让人于2005年2月24日申请的USSN11/065， 618，其所揭露的 内容可在此作为参考。旋转位置传感器(图未示)，采用旋转编码器的形式，将结合于主轴组件 20中，用于确定主轴26的角位，并因此确定长轴A周围成形工具32的角位。 旋转编码器会与控制器通信，从而实现调节器134、 136的协同调整。如图1所示，轴向运动控制器104在大致平行于长轴A的方向上相对工 件24移动成形工具32，该成形工具32同时形成非圆形孔22。同时，X-Y控 制器104操作调节器134、 136，因此在尺寸上改变工件24中孔22的轴向轨 道。轴向运动控制器104能够通过保持工件24固定、调动主轴组件20来工 作，或者如图1所示，可包括相对一固定的主轴组件20被移动的工件固定装 置106。可选地，两个元件可相对一固定参考点同时被移动。图5和图6举例说明了调节器134' 、 136'的可选结构，其中调节器 134' 、 136'结合在球形轴承装置120中。这些一体的调节器134' 、 136' 响应嵌在支承轴颈126中的永久环形磁铁142(或钢环)。调节器134' 、136'
因此在准确控制时刻于支承轴颈126内产生准确控制大小的扭矩，从而在切 削工具32中实现预定轨道路径。图7和8举例说明了另一种调节器134" 、 136"，其中气涡轮124"被 增大，并由磁性材料制成。在此，X-Y调节器134" 、 136"设于轮缘状涡轮 124"的相对侧，并相互作用以在主轴26内产生可控的摆动。本领域的普通 技术人员同样可联想到具有调节器和驱动电机特点的其他可选结构。与连续变化轨道路径相联系的轴向或纵向运动的结合能够产生几何学上 复杂的形状，例如图9所示。在此，如图所示放大的孔22在工件24开口处 具有大致椭圆的剖面，其中该椭圆具有大致垂直的长轴108。当孔22向工件 24内部延伸时，椭圆的尺寸减小，而长轴108被顺时针方向旋转。这由中点 IIO处的虚椭圆界面表示。当孔22继续向工件24内深入时，孔22的形状增 大，而长轴108继续顺时针旋转直到达到终点112，此时椭圆形状的长轴108 大致水平。工件24中孔22的复杂的、尺寸上变化的轴向轨道不限于图0所 示实施例结构。图IO举例说明了 2叶凸轮状的非椭圆、不规则孔22'。图 11举例说明了多叶状孔22"。本领域的普通技术人员可理解可采用本发明主 轴组件20和控制器的多输入-多输出策略加工出几乎无穷种形状。图12和13举例说明了成形工具32'的各种可选方式，其中可采用2个 或多个切削边34'。可选地，切削边34"可连续重复于成形端30"周围。 在另一种实施例中，切削边可采用磨削盘或研磨轮(图未示)的形式。虽然己结合传统理解中孔的形成对本发明的示范性实施例进行了描述， 但本领域普通技术人员可以理解这些新颖的技术可在外部表面上执行。于是， 可通过对成形工具34进行简单直接的修改，在外部表面上实现非圆形表面的 成形。因此，本发明可预期一种表面成形方法和装置，与在要求具有尺寸变 化轨道的非圆形的孔和外部部件上实施具有相同的效果。很明显，根据以上描述可以对本发明做各种改变和修改。例如，以反转 的方式采用上述方法，也可能在相对大的轴向进程上产生特殊圆形、高度圆 柱孔。采用上述方法的另一个例子中，切削工具可由磨削工具替换，以产生 新颖的高精度磨具。因此，可以理解，除上述特定实施例外，本发明可以其 他方式实施，而不限于上述说明书中所描述。
权利要求
1.一种具有倾斜和偏转调节主轴的机床组件，用于在工件上形成高精度表面轮廓，该组件包括主轴，界定一长轴并具有从其一端延伸的成形工具，该主轴包括支承轴颈；轴颈箱，至少部分地包裹所述支承轴颈以可旋转地支撑所述主轴；驱动电机，可操作地与所述主轴相互作用，以强制性地使该主轴绕所述长轴旋转；至少一个X-Y调节器，用于控制所述主轴的倾斜和偏转，以在非圆形轨道路径上移动所述成形工具；以及所述支承轴颈和所述轴颈箱具有同心的、通常为球形的相对表面，该相对表面以与所述主轴的长轴相交的中心点为中心。
2、 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述X-Y调节器包括磁 铁轴承组，该磁轴承组具有至少三个围绕所述长轴、相互间隔的磁铁定子。
3、 根据权利要求2所述的组件，其特征在于，进一步包括至少一个用于 指示所述主轴的倾斜和偏转的位置传感器。
4、 根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述磁轴承组包括一对反 向的X坐标磁铁定子和一对反向的Y坐标磁铁定子，所述X坐标磁铁定子 相间隔且通常与所述Y坐标磁铁定子共面。
5、 根据权利要求4所述的组件，其特征在于，该对反向的X坐标磁铁 定子和该对反向的Y坐标磁铁定子位于所述中心点各自相对侧。
6、 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述轴颈箱包括空气轴承， 用于相对所述支撑轴颈产生空气增压垫。
7、 根据权利要求6所述的组件，其特征在于，所述轴颈箱是多孔的。
8、 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述驱动电机包括气涡轮。
9、 根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述气涡轮包括设置于所 述主轴上与所述支撑轴颈间隔的叶轮。
10、 根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述气涡轮包括设置于所述支撑轴颈上的叶轮。
11、 根据权利要求10所述的组件，其特征在于，所述气涡轮由磁性材料制成，所述X-Y调节器包括磁铁轴承组，该磁轴承组具有至少三个邻近所述 叶轮、间隔的磁铁定子。
12、 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述驱动电机包含于所 述轴颈箱中。
13、 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述驱动电机设于所述 轴颈箱外部。
14、 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，进一步包括旋转位置传 感器，用于确定所述成形工具关于所述长轴的角位。
15、 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述成形工具终止于围 绕所述长轴大致等精确增量设置的多个点状切削边。
16、 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述支承轴颈定中心于 所述轴承的重心上。
17、 一种旋转高速主轴组件以在工件上形成具有尺寸不同的轴向轨道的不规则孔的方法，包括下列步骤将径向延伸的成形工具固定在具有长轴的主轴的一端； 以可绕所述长轴旋转的方式支撑所述主轴； 使所述主轴绕所述长轴旋转； 建立影响至少部分所述旋转主轴的磁场；在所述主轴旋转期间，通过操作磁场调节所述长轴的偏转和倾斜角，以在 预定非圆形轨道路径中移动成形工具；以及所述支撑所述主轴以绕所述长轴旋转的步骤进一步包括将所述主轴限制 在球形轴承中，该球形轴承以与所述主轴的长轴相交的中心点为中心。
18、 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述支撑所述主轴以绕 所述长轴旋转的步骤进一步包括建立空气垫。
19、 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述建立空气垫的步骤 包括通过多孔轴颈箱将空气注入。
20、 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述使所述主轴绕所述 长轴旋转的步骤包括转动气涡轮。
21、 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述将所述主轴限制在 球形轴承中的步骤包括使得该球形轴承以所述主轴的重心为中心。
全文摘要
一种机床组件包括用于在工件上形成非常精确的表面轮廓的高速旋转主轴。该主轴围绕其重力中心设于球形空气轴承上。通过结合在所述球形空气轴承中的气涡轮驱动系统，可使该主轴旋转，以消除任何不希望有的围绕垂直于长主轴轴的轴旋转的时刻。通过X-Y调节器的影响可在倾斜和偏转方向上调节所述主轴。该X-Y致动系统优选为电磁系统，并提供一种在可控方式下以任何速度移动主轴的非接触式方法。
文档编号B23B3/00GK101155654SQ200680010943
公开日2008年4月2日 申请日期2006年3月30日 优先权日2005年3月30日
发明者罗伯特·约翰·尼科尔, 迈伦·杰弗里·施门克 申请人:费德罗-莫格尔公司