一种自动换刀的高精度气浮电主轴的制作方法

本发明涉及高精度加工设备，尤其涉及一种自动换刀的高精度气浮电主轴。

背景技术：

超精密与超精密加工技术是机械制造业中最重要的部分之一，直接对每个国家尖端技术与国防工业有着深远影响，亦会影响民用机械产品的加工质量，影响产品的国际竞争力。20世纪50年代，精密加工水平可达到3-5μm，超精密加工能达到的加工精度可达到1μm。20世纪70后期，精密加工精度水平可达到1μm，超精密加工水平可达0.1μm，目前精密与超精密机械加工加工精度已提升至纳米级。精密与超精密加工技术，已被作为先进制造技术中的优先发展内容。

因为气浮主轴的误差均化现象，以及低摩擦、低损耗，使得气浮主轴成为实现高精度模具加工最好的载体之一。但是因为大多数高精度气浮主轴均为手动换刀结构，导致加工效率降低。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种自动换刀的高精度气浮电主轴。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种自动换刀的高精度气浮电主轴，所述电主轴包括从上到下设置的气缸组件、顶盖组件、电机、推力轴承组件、机体组件、气浮轴承组件、轴芯组件和法兰组件，带有有源接头的气缸组件固定设置于顶盖组件上，所述顶盖组件与下方设置的水套外壳连接并将电机设置在所述水套外壳内，所述电机下方设置推力轴承组件，推力轴承组件下方设置机体组件，所述轴芯组件贯通的设置在所述顶盖组件、电机、推力轴承组件和机体组件的中心，所述轴芯组件的下端通过法兰组件固定连接至机体组件，所述气浮轴承组件设置在所述机体组件与所述轴芯组件之间，所述轴芯组件的飞盘远离下端的法兰组件设置，且飞盘的上端面邻接的设置在所述推力轴承组件下方；所述电主轴采用三段式冷却结构进行分段冷却，所述三段式冷却结构包括气浮轴承冷却结构、法兰冷却结构和电机冷却结构。

优选的，致动用高压气体通过机体组件上的气道依次进入气浮轴承组件与推力轴承组件，在轴芯组件与气浮轴承组件、推力轴承组件之间形成压力气膜，支撑轴芯组件处于悬浮状态，并由电机驱动轴芯组件高速旋转，以此带动下端的夹头和刀具稳定转动对工件加工。

优选的，高压气体还通过气缸组件顶端的有源接头进入并驱动气缸活塞运动，对轴芯组件中心的推杆产生压力，向下移动的推杆推动轴霸压缩碟簧，带动下端的夹头向下移动，夹头的下移张开实现换刀；在切断高压气体后，设置在推杆顶部外侧的复位弹簧使得推杆复位，同时在碟簧的弹力下使得轴霸与夹头整体上移夹紧刀具，完成刀具切换。

优选的，气浮轴承冷却结构包括位于气浮轴承组件外侧的机体组件上相对设置的轴承进水接头和轴承出水接头，气浮轴承组件、推力轴承组件和飞盘处的进水道和出水道，通过水道的冷却液对气浮轴承组件、推力轴承组件处的飞盘进行冷却。

优选的，在气浮轴承组件处的进水道为围绕所述气浮轴承组件螺旋水道；且在气浮轴承组件处的出水道的竖直部分设置在所述螺旋水道内侧。

优选的，法兰冷却结构包括临近法兰组件的机体组件上相对设置的法兰进水接头和法兰出水接头，法兰组件与其内部的轴芯组件部分之间设置进水道和出水道，以此对临近法兰组件的气浮轴承组件的下半段进行冷却。

优选的，所述进水道包括在机体组件内设置的竖直水道和邻接法兰组件的螺旋水道，螺旋水道的出口端连接至所述法兰出水接头。

优选的，所述电机冷却结构包括设置在邻接所述电机上的顶盖组件上设置的电机进水接头和电机出水接头，电机外侧的水套外壳上开设的进水道和出水道，以此对电机进行冷却。

优选的，所述进水道包括竖直进水道、螺旋水道和竖直出水道，所述电机进水接头的底端与所述竖直进水道的顶端连接，所述竖直进水道与所述螺旋水道的上部连通，所述竖直出水道与所述螺旋水道的底部连通，所述竖直出水道的顶端与电机出水接头的下端连接。

优选的，在所述轴芯组件的顶端螺纹连接编码盘，且轴芯组件的中间通孔直径小于等于10mm。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：与其他高精度模具加工主轴相比具有自动换刀功能，大幅提高工作效率，采用三段式冷却结构对电主轴冷却，以及高精度加工设计的飞盘、电机后置结构保证电主轴高精度的稳定运行。

附图说明

图1为本发明自动换刀的高精度气浮电主轴的剖面结构示意图；

图2为电机、飞盘后置式结构示意图；

图3为气浮轴承冷却结构示意图；

图4为法兰冷却结构示意图；

图5为电机冷却结构示意图；

图6为轴芯结构示意图。

图中：1、气缸组件；2、顶盖组件；3、电机；4、推力轴承组件；5、机体组件；6、气浮轴承组件；7、轴芯组件；71、飞盘；8、法兰组件；9、轴承进水接头；10、轴承出水接头；11、法兰进水接头；12、法兰出水接头；13、电机进水接头；14、电机出水接头；15、编码盘；16、夹头。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-图6，一种自动换刀的高精度气浮电主轴，电主轴包括气缸组件1、顶盖组件2、电机3、推力轴承组件4、机体组件5、气浮轴承组件6、轴芯组件7和法兰组件8。

设计目的及结构原理

采用独特的三段式冷却结构，单独对定子、轴承以及法兰位置进行冷却，后置电机消除温度干扰，后置飞盘极大减少飞盘发热所引起轴芯的热伸长，专为高精度模具加工设计的全新结构自动换刀结构轴芯，自动换刀功能极大提升主轴加工工作效率，该主轴铣削表面精度可达20nm以下。

结构连接关系

参见图1，气缸组件1、顶盖组件2、电机3、推力轴承组件4、机体组件5、气浮轴承组件6、轴芯组件7和法兰组件8整体呈现从上到下连接关系。具体的，带有有源接头的气缸组件1固定设置于顶盖组件2上，顶盖组件2与下方设置的水套外壳连接并将电机3设置在水套外壳内，电机3下方设置推力轴承组件4，推力轴承组件4下方设置机体组件5，轴芯组件7贯通的设置在顶盖组件2、电机3、推力轴承组件4和机体组件5的中心，轴芯组件7的下端通过法兰组件8固定连接至机体组件5，气浮轴承组件6设置在机体组件5与轴芯组件7之间。

其中，轴芯组件7的飞盘71远离下端的法兰组件8设置，且飞盘71的上端面邻接的设置在推力轴承组件4下方。参见图2，电机3、飞盘71后置消除温度干扰。具体的，电机3位于轴芯组件7末端驱动轴芯组件7高速转动，推力轴承组件4与轴芯组件7飞盘位于主轴远离刀具端，由推力轴承组件4高精度电主轴转动过程当中，发热量大小对加工精度影响十分巨大，使电主轴主要发热部位远离轴芯刀具，可最大程度避免因内部结构发热所引起的轴芯热伸长，保证了加工质量。后置式飞盘及后置式电机结构使得纳米级别加工精度成为可能。

电主轴采用三段式冷却结构进行分段冷却，参见图3-图5，三段式冷却结构包括气浮轴承冷却结构、法兰冷却结构和电机冷却结构。

参见图3，气浮轴承冷却结构包括位于气浮轴承组件6外侧的机体组件5上相对设置的轴承进水接头9和轴承出水接头10，气浮轴承组件6、推力轴承组件4和飞盘71处的进水道和出水道，通过水道的冷却液对气浮轴承组件6、推力轴承组件4处的飞盘71进行冷却。在气浮轴承组件6处的进水道为围绕气浮轴承组件6螺旋水道；且在气浮轴承组件6处的出水道的竖直部分设置在螺旋水道内侧。

参见图4，法兰冷却结构包括临近法兰组件8的机体组件5上相对设置的法兰进水接头11和法兰出水接头12，法兰组件8与其内部的轴芯组件7部分之间设置进水道和出水道，以此对临近法兰组件8的气浮轴承组件6的下半段进行冷却。该部分的进水道包括在机体组件5内设置的竖直水道和邻接法兰组件8的螺旋水道，螺旋水道的出口端连接至法兰出水接头12。

参见图5，电机冷却结构包括设置在邻接电机3上的顶盖组件2上设置的电机进水接头13和电机出水接头14，电机3外侧的水套外壳上开设的进水道和出水道，以此对电机3进行冷却。该部分的进水道包括竖直进水道、螺旋水道和竖直出水道，电机进水接头13的底端与竖直进水道的顶端连接，竖直进水道与螺旋水道的上部连通，竖直出水道与螺旋水道的底部连通，竖直出水道的顶端与电机出水接头14的下端连接。

参见图6，在轴芯组件7的顶端螺纹连接编码盘15，高精度加工的螺纹保证安装精度的同时，亦保证了不会干扰正常打刀。

且轴芯组件7的中间通孔直径小于等于10mm，尽可能减少加工所造成的轴芯转动失稳，轴芯中专为高精度加工设计的夹头16通过改变拆卸方式与一套相配的形位尺寸公差保证加工质量。

加工原理及换刀工序

致动用高压气体通过机体组件5上的气道依次进入气浮轴承组件6与推力轴承组件4，在轴芯组件7与气浮轴承组件6、推力轴承组件4之间形成压力气膜，支撑轴芯组件7处于悬浮状态，并由电机3驱动轴芯组件7高速旋转，以此带动下端的夹头16和刀具稳定转动对工件加工。

气体通过气缸组件1对轴芯组件7进行打刀，使主轴实现自动换刀。高压气体还通过气缸组件1顶端的有源接头进入并驱动气缸活塞运动，对轴芯组件7中心的推杆产生压力，向下移动的推杆推动轴霸压缩碟簧，带动下端的夹头16向下移动，夹头16的下移张开实现换刀；在切断高压气体后，设置在推杆顶部外侧的复位弹簧使得推杆复位，同时在碟簧的弹力下使得轴霸与夹头16整体上移夹紧刀具，完成刀具切换。

该电主轴属于超精密加工，涉及气体润滑理论、转子转动平衡理论等，主要适应于超精密模具行业及半导体芯片磨削行业，可极大提高加工效率和成品率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。