专利名称：气体轴承主轴以及用于气体轴承主轴的气体轴承组件的制作方法
技术领域：
气体轴承主轴以及用于气体轴承主轴的气体轴承组件技术领域[0001]本实用新型涉及气体轴承主轴(spindle)以及用于气体轴承主轴的气体轴承组件。
背景技术：
[0002]人们对于适用于高速钻削(drilling)应用例如PCB (印刷电路板)钻削中的气体轴承主轴尤其感兴趣。在PCB钻削机器中，期望有一种能够钻削大范围的不同直径的孔并且相应地以大范围的不同速度钻削孔的机器。因而，例如期望提供如下一种机器，该机器例如在标定的一个界限能够以比如15，000-20, OOOrpm的速度钻削6.3mm直径的孔，在标定的另一界限仍能够以比如200，OOOrpm或者300，OOOrpm的速度钻削比如0.1mm至0.2mm直径的孔。此外，需要以高精确性来钻削所述孔，一般来说要求在印刷电路板中提供高质量的孔。[0003]当以几乎最大速度(如果并非全速)钻削时，设备中的径向和/或轴向振动常常会趋于降低被钻削的孔的质量。提供阻尼以抑制所述振动可显著有助于减少所述问题。[0004]此外，通过抑制轴承气体膜内的半速旋转的开始，这种阻尼可允许轴实现显著更大的最高速度。(半速旋转是超临界空气静力轴承系统中所发生的一种很容易理解的共振状况，由于气体膜的不稳定性质，半速旋转的开始通常造成主轴故障。这发生在近似两倍的轴承气体膜临界速度时。)[0005]一种用于提供阻尼的现有方法是将主轴的轴承安装在弹性体O形环上。在这种情况下，原则上，允许轴承随着轴在设定约束内运动而在O形环上径向和轴向地移动。因而，通过O形环材料的连续变形可吸收在钻削工艺期间所形成的振动能量，这给予轴很好的阻尼。然而，将该技术应用至PCB主轴的缺点是，在钻削非常小的孔所要求的高速时，由于气体膜剪切应力，在轴承内侧生成了相当多的热。克服该问题的一种方法是提供冷却(例如，水冷却)，从而阻止过热并且控制空气膜空隙的热膨胀。[0006]然而，这并非毫无困难，因为需要将冷却提供至正确的地方，并且需要保持阻尼效果O实用新型内容[0007]申请人研发了一种主轴来提供所述功能中的至少一些，在所述主轴中，内部轴承部分相对于罩部分被支撑在O形环中，并且实际上内部轴承部分具有内部冷却剂通道。这借助于内部轴承部分来实现，所述内部轴承部分具有一个中间部分和一个内部壳轴承部分以及所述中间部分和内部壳轴承部分之间的一个冷却剂通道。在图2中示出了这样的主轴，且在下面对所述主轴进一步更加详细地描述。[0008]然而在一些情况中，该设计存在一个问题:在极值负载或故障模式下，内部轴承部分可相对于罩部分旋转，这转而可破坏冷却剂馈入路径和/或气体馈入路径的整体性，并且造成轴承主轴中的灾难性的故障。[0009]本实用新型旨在提供一种如下的装置，在所述装置中，可防止主轴故障，并且可提供冷却，同时并不消除主轴内期望的阻尼。[0010]根据本实用新型的一个方面，提供了一种用于气体轴承主轴的气体轴承组件，所述组件包括一个罩部分和一个内部径向轴承部分，所述内部径向轴承部分被布置在所述罩部分内且相对于所述罩部分弹性地安装，所述内部径向轴承部分包括一个内部壳轴承部分和一个中间套筒部分，所述内部壳轴承部分具有一个轴承面，所述中间套筒部分被布置在所述内部壳轴承部分和所述罩部分之间，在所述内部壳轴承部分和所述中间套筒部分之间设置有液态冷却剂通道；[0011]所述组件还包括一个防转动塞，所述防转动塞被放置在所述罩部分和内部轴承部分之间，从而联接所述罩部分和所述内部轴承部分以抵制相对转动；并且可选地，在所述罩部分和所述内部轴承部分中的至少一个和所述塞之间设置了一个弹性构件，使得在所述罩部分和所述内部轴承部分之间的由所述塞形成的联接中存在弹性。[0012]所述配置可有助于阻止所述轴承零件之间的不期望的转动，且不损坏所述罩部分和所述内部径向轴承部分之间的弹性安装的有效性。在至少一些情况中，可维持弹性安装的有效性，且无需在所述塞和罩部分/内部轴承部分之间提供弹性构件。[0013]设置在所述罩部分和所述内部轴承部分中的至少一个和所述塞之间的所述弹性构件可包括一个O形环，所述O形环被设置在所述塞上。[0014]所述O形环可用作一个密封件。该密封件可以用于密封防止提供在所述轴承组件中的气体和/或冷却剂的泄漏。[0015]所述塞可在径向方向上从所述罩部分延伸到所述内部轴承部分中。所述塞可在轴向方向上从所述罩部分延伸至所述内部轴承部分中。[0016]在当前优选的实施方案中,所述塞是无通孔塞(blank plug)。在替代实施方案中，所述塞可具有一个通孔，所述通孔是大体轴向的。所述通孔可以是轴承组件中的流体馈入路径的一部分。所述通孔可形成用于将冷却剂馈入所述冷却剂通道的冷却剂馈入的一部分。所述通孔可形成用于将气体馈至所述轴承面的气体馈入的一部分。[0017]一对弹性构件可设置于所述塞与所述罩部分和所述内部轴承部分之间。所述弹性构件中的一个可设置于所述塞和所述罩部分之间，以及所述弹性构件中的另一个可设置于所述塞和所述内部轴承部分之间。[0018]在所述情况下，两个弹性构件都可用作密封件，并且提供所述联接中的弹性。然而，在一些情况下，所述弹性构件的一个或者每一个可能仅提供这些功能中的一个。因而，在所述塞和所谓的罩部分之间可能例如存在一个刚性连接，以及在所述塞和所谓的罩部分之间设置一个弹性构件用作密封件，而设置在所述塞和所述内部轴承部分之间的弹性构件提供所述联接中的弹性。[0019]在一对弹性构件用作密封件的情况下，该对弹性构件中的第一弹性构件可被提供以密封抵制气体的泄漏，该对弹性构件中的第二弹性构件可被提供以密封抵制冷却剂的泄漏。[0020]因而，一个密封件可以确保冷却剂馈入路径的整体性不被所述塞损坏，另一密封件可以确保气体馈入路径的整体性不被所述塞损坏。[0021 ] 可提供一对在直径方向上相对的防转动塞。[0022]所述塞或每一塞可在轴向方向上被设置在相对于所述轴承面的中心。所述塞或每一塞可在轴向方向上与所述冷却剂通道对准。所述塞或每一塞可相对于所述轴承面轴向对称地设置。[0023]所述塞或每一塞可以是所述罩部分和/或所述内部轴承部分中的一个推入配合件。可凭借罩部分被放置在主轴主体部分的镗孔中且所述塞的头部接触所述镗孔的壁来将所述塞保持就位。[0024]所述液态冷却剂通道可被中间套筒部分的表面局部限定。所述液态冷却剂通道可被所述内部壳轴承部分的表面局部限定。[0025]至少一个弹性阻尼构件可设置在所述内部径向轴承部分和所述罩部分之间。所述构件可提供或至少便于所述内部径向轴承部分和所述罩部分之间的弹性安装。[0026]所述至少一个弹性阻尼构件可被布置，从而围绕所述内部径向轴承部分。所述至少一个弹性阻尼构件可被布置在所述中间套筒部分上。[0027]优选地，一对弹性阻尼构件被布置在所述罩部分和所述内部径向轴承部分之间，并且围绕所述内部径向轴承部分。该对弹性阻尼构件可彼此轴向间隔开。该对弹性阻尼构件可被布置为朝向所述内部径向轴承部分的相应的相对端部。该对弹性阻尼构件可被布置在所述中间套筒部分上。[0028]至少一个阻尼O形环可被布置在所述罩部分和所述内部径向轴承部分之间。所述至少一个阻尼O形环可提供或者至少有利于所述罩部分和所述内部径向轴承部分之间的弹性安装。[0029]所述至少一个阻尼O形环可被布置从而围绕所述内部径向轴承部分。所述至少一个阻尼O形环可被布置为其轴线大体平行于所述内部径向轴承部分的轴线，优选地与所述内部径向轴承部分的轴线大体叠合。所述至少一个阻尼O形环可被布置在所述中间套筒部分上。[0030]优选地，一对阻尼O形环被布置在所述罩部分和所述内部径向轴承部分之间，且围绕所述内部径向轴承部分。该对阻尼O形环可在轴向方向上彼此间隔开。该对阻尼O形环可被布置为朝向所述内部径向轴承部分的相应的相对端部。该对阻尼O形环可被布置在所述中间套筒部分上。[0031]所述内部壳轴承部分可以是大体环形的。所述中间部分可以是大体环形的。[0032]所述内部壳部分可紧密配合在所述中间部分内侧，这可以是一种过盈配合。[0033]所述罩部分可具有一个镗孔，所述内部径向轴承部分被布置在所述镗孔中，且所述内部径向轴承部分具有一个面向所述镗孔的壁的外部弯曲表面，且在所述内部径向轴承部分的所述外部弯曲表面和所述镗孔之间设置了一个间隙。所述内部径向轴承部分的外部弯曲表面可以是中间部分的外部弯曲表面。可通过至少一个弹性阻尼构件来保持所述间隙。[0034]所述镗孔可以是一个圆柱形镗孔。所述内部径向轴承部分的外部弯曲表面可以是圆柱形表面。[0035]设置在所述内部轴承壳部分和所述中间套筒部分之间的液态冷却剂通道可具有一个出口，所述出口处于所述内部径向轴承部分的外部弯曲表面处。[0036]设置在所述内部轴承壳部分和所述中间套筒部分之间的液态冷却剂通道可具有一个入口，所述入口处于所述内部径向轴承部分的外部弯曲表面处。所述气体轴承组件可包括至少一个辅助O形环，所述至少一个辅助O形环被布置在所述液态冷却剂通道的入口或出口周围，所述液态冷却剂通道设置在所述内部轴承壳部分和所述中间套筒部分之间。可以存在一对辅助O形环，一个O形环被布置在通向所述液态冷却剂通道的入口周围，一个O形环被布置在所述液态冷却剂通道的出口周围。所述辅助O形环或每一辅助O形环可被布置在所述中间套筒部分上。所述辅助O形环或每一辅助O形环可被布置为其主轴线横向穿过所述气体轴承组件的轴线。所述辅助O形环或每一辅助O形环的主轴线可定向为沿着所述气体轴承组件的半径。相似地，一个辅助O形环可设置在所述内部轴承部分(尤其是所述中间部分)的外部弯曲表面中的镗孔周围，所述内部轴承部分(尤其是所述中间部分)被设置用于接收所述防转动塞。在一个替代实施方案中，所述防转动塞具有一个通孔且被配置为所述冷却剂馈入的一部分以馈入所述冷却剂通道，可无需所述辅助O形环，或者所述辅助O形环可功能性地替代为设置在密封所述内部轴承部分(具体地所述中间部分)的塞上的一个O形环。可存在两个所述塞，一个用于冷却剂入口以及一个用于冷却剂出口。一般地说，密封装置可被设置用于实现所述罩部分和所述内部径向轴承部分之间的密封件。所述O形环和/或辅助O形环可被设置用于实现所述罩部分和所述内部径向轴承部分之间的密封件。密封装置可被设置在所述内部壳轴承部分和所述中间套筒部分之间。密封O形环可被设置在所述内部壳轴承部分和所述中间套筒部分之间。所述轴承面通常将包括至少一列用于供应气体的气体出口，从而在所述轴承面和布置于所述轴承组件中的轴之间形成一个气体膜。每一气体出口可包括一个喷嘴。相应的一对轴向间隔开的密封件(例如，密封O形环)可设置在所述内部径向轴承部分中用于所述列气体出口或者每一列气体出口的，且该对中的一个密封件被布置在该列气体出口的一侧上，该对中的另一密封件被布置在该列气体出口的另一侧上。所述轴承组件可包括两列气体出口，这两列气体出口彼此在轴向方向上间隔开，且液态冷却剂通道在轴向方向上处于这两列气体出口之间。密封件(例如，上面提及的O形环)可共同提供密封，从而提供穿过轴承组件通向所述列气体出口或者每一列气体出口的气体路径，以及穿过轴承组件通向所述液态冷却剂通道的液体路径。液态冷却剂通道可以是环形通道，液态冷却剂通道可具有与所述轴承组件的主轴线叠合的轴线。气体轴承组件可包括一个轴向轴承部分。所述气体轴承组件可包括第二液态冷却剂通道，该通道设置在所述轴向轴承部分的区域中，且与设置在所述内部轴承壳部分和所述中间套筒部分之间的液态冷却剂通道流体连通。第二液态冷却剂通道可以是环形通道。气体轴承组件可包括一个弹性电接触元件，用于将所述罩部分电连接至所述内部径向轴承部分。所述接触元件应当被配置为使得不显著影响所述内部径向轴承部分的弹性安装，同时提供穿过所述轴承组件的电路径，用于在钻削和其他机械加工工艺中通常使用的电气工具着陆(touch down)技术。用于所述接触元件的最初候选物将是碳丝刷。然而，已发现，这样的刷是不令人满意的，因为由于磨损和/或维修，丝趋于会损坏，损坏的丝则会陷在O形环密封件中并且可造成水泄漏。因而，优选地，所述弹性电接触元件包括一个压缩弹簧。在一些情况中，内部壳轴承可由收缩适配在一起的两个部分形成。所述气体轴承组件可以是一个空气静力学气体轴承组件。根据本实用新型的另一方面，提供了一种气体轴承主轴，该气体轴承主轴包括一个如上面所限定的气体轴承组件和一个被轴颈安装在所述轴承组件内的轴。
现在将结合附图、仅借助于实施例描述本实用新型的实施方案，在附图中:图1示意性示出了对理解本实用新型有用的第一钻削主轴的一部分；图2示意性示出了对理解本实用新型有用的第二钻削主轴；图3示意性示出了图2所示的主轴的轴承组件；图4A和图4B示意性示出了图3所示的轴承组件的中间套筒以及设置在该套筒中的O形环凹槽；图5A和图5B示意性示出了图3所示的轴承组件的改型变体,这些改型变体包括弹性电气接触元件；图6A和图6B示意性示出了实施本实用新型的第三钻削主轴的一部分；图7A和图7B示意性示出了实施本实用新型的第四钻削主轴的一部分；图8A和图8B示意性示出了实施本实用新型的第五钻削主轴的一部分；图9A和图9B示意性示出了实施本实用新型的另一改型轴承组件的一部分。
具体实施方式
图1示意性示出了一个高速PCB钻削主轴的一部分，该高速PCB钻削主轴在许多方面都是常规的。PCB钻削主轴是一个空气轴承主轴，并且包括容纳在该主轴的主体部分2内的两个径向空气轴承组件I。承载一个工具夹(tool holder)4的轴3被轴颈安装在径向空气轴承I内。马达5被提供用于驱动所述轴3相对于主体部分2旋转，马达5由布置在主体部分2中的定子51和置于轴4的绕组52组成。工具夹4被配置用于夹持工具，在该示例中，所述工具为用于在PCB材料中钻削孔的钻削工具。一个轴向空气轴承装配件6被设置作用于推力头(thrust runner)31,所述推力头31设置在轴3的远离工具夹4的端部处。就上文描述的图1的钻削主轴而论，它是常规的。因而，出于简洁起见，本说明书中略去了对其总体结构和操作的详细描述。应理解，存在完善的技术来提供如下的空气轴承主轴，所述空气轴承主轴包括合适的空气轴承和马达驱动器以及用于夹持待被驱动的工具的工具夹。本申请主要与可设置在所述主轴内的轴承1、6的一些方面的结构和功能有关。在图1示出的主轴的径向空气轴承组件I的每一个中，存在两个主部件。第一部件是外部轴承罩部分11，在所述外部轴承罩部分11内安装有一个内部壳轴承部分12。外部轴承罩部分11和内部壳轴承部分12大体是环形部件。因而，内部壳轴承部分12被安装在外部轴承罩部分11的镗孔内。然而，一个显著的间隙被设置在内部壳轴承部分12的外部弯曲表面和外部轴承罩部分11的镗孔的内部弯曲表面之间。内部壳轴承部分12经由一对O形环13被安装至外部轴承罩部分11。O形环中的一个被设置为朝向轴承组件I的一个端部，另一 O形环13被设置为朝向轴承组件I的另一端部。这些O形环13用于以弹性方式支撑在外部轴承罩部分11内的内部壳轴承部分12。由于上面提及的这两个部分11、12之间的间隙以及O形环13的弹性性质，内部壳轴承部分12相对于外部轴承罩部分11在轴向方向和径向方向上都具有某一移动自由度。当然，随着任何所述移动发生，O形环13都将变形。对于设置在图1的主轴中的两个轴承组件I都是如此。因而，由于轴3在主轴操作期间常常会振动，内部壳轴承部分12可使得O形环13继续移动，O形环13可吸收这样的振动能量，从而抑制所述轴3中的振动。这转而可造成更好的钻削性能。如在本说明书的引言中提到的，存在利用所述阻尼的现有系统。然而，在本实用新型的主轴中，环形的水冷却通道7被设置在轴承组件I内，从而允许冷却剂(具体地，在该实例中，水)经由合适的通道被供应至冷却剂通道7，从而提供对于轴承组件I的冷却，尤其对于内部壳轴承部分12的冷却。最初人们认为，这样的配置将会产生轴承组件I以及整个主轴的改进的性能。然而，已发现在所述通道中提供冷却剂对轴承组件I的阻尼性能具有极为有害的影响。这是因为一旦环形冷却剂通道7填充水，它们就作为从内部壳轴承部分12至外部轴承罩部分11的实足的(solid)能量传递器，这显著地降低了 O形环13阻尼的效果。此外，轴承内侧的水压力越高，所实现的净阻尼越低。因而，尽管乍一看会认为图1所示的主轴的配置吸引人，但是事实是非常不同的。图2-图4涉及申请人对现有技术的一种改进装置，在该装置中可实现冷却且没有图1的装置中看到的对阻尼形成显著不利的影响。图2示出了对理解本实用新型有用的PCB钻削主轴。该PCB钻削主轴旨在可用于例如速度高达约200，OOOrpm或300，OOOrpm的高速钻削，且还可用于例如15,000至20, OOOrpm的相对低速。图2中示出的主轴的设计和结构中许多是常规的，并且类似于上文关于图1所描述的。因而，又一次，主轴包括安装在主轴主体2内的一对径向空气轴承组件I。承载一个工具夹4的轴3被轴颈安装在径向空气轴承I内。又一次，马达5被提供用于驱动所述轴从而驱动所述工具夹4和任何所承载的工具相对于主轴的主要主体2旋转。又一次，轴向轴承装配件6被设置作用于推力头31，在这种情况下，推力头31被设置在轴3的与工具夹4相同的端部处。 在图2中示出的该主轴中的径向空气轴承组件I不同于图1中示出的主轴中的那些径向空气轴承组件。被布置在主轴的与工具夹4相同的区域中的前轴承组件I类似于(尽管并非相同)设置在主轴的另一端部的后轴承组件I。图3中示出了前轴承组件I的更多细节。下面将参考图2、图3和图4来更加详细地描述前轴承组件I。在图2示出的主轴的前轴承组件I中，又一次存在外部轴承罩部分11，在所述外部轴承罩部分11中安装有内部壳轴承部分12。然而，在这种情况下，中间套筒部分14被设置在内部壳轴承部分12和外部轴承罩部分11之间。内部壳轴承部分12和中间套筒部分14可被认为共同组成内部轴承部分10。又一次，在该实例中，外部轴承罩部分11大体是环形的，并且具有一个镗孔，在该镗孔中设有内部轴承部分10。此外，图2的主轴中的内部壳轴承部分12大体是环形的，中间套筒部分14又一次大体是环形的。中间套筒部分14收缩适配至内部壳轴承部分12。以与图1的主轴中所述内部壳轴承部分12被安装在外部轴承罩部分11内的方式类似的方式，内部轴承部分10被弹性地安装在外部轴承罩部分11内。因而，内部轴承部分10经由O形环13被安装在外部轴承罩部分11内，且在内部轴承部分10的外部弯曲壁和外部轴承罩部分11中的镗孔的内部弯曲壁之间存在间隙。在该设备中，具有环形凹槽7形式的冷却剂通道被设置在内部轴承部分10中。具体地，该冷却剂通道7被设置在内部壳轴承部分12和中间套筒部分14之间。冷却剂通道7被内部壳轴承部分12的表面和中间套筒部分14的表面限定。因而，实际上，位于冷却剂通道7和外部轴承罩部分11之间的中间套筒14保护所述冷却剂通道7免受外部轴承罩部分11影响。这意味着，在使用时，在冷却剂通道内提供的冷却剂和外部轴承壳体部分11的镗孔的表面之间不存在任何直接接触，或者可以说不存在任何机械接触。然而，当然，水必须被馈入以及馈出设置于内部轴承部分10中的环形冷却剂通道
7。因而，冷却剂通道7的入口 71与设置在外部轴承罩部分11中的供应端口 Ila对齐，冷却剂通道7的出口 72与外部轴承罩部分11中的排出端口 Ilb对齐。因而，水可经由入口端口 Ila被馈入冷却剂通道，环绕通道7流动，然后经由出口 72流出通道7，进入排出端口lib。应注意，冷却剂通道7完全围绕内部轴承部分10延伸。在本设备中，进入通道7的入口 71沿直径方向与出口 72相对，因而冷却剂流入所述入口 71中，然后分裂为两个路径，环绕轴承组件的两侧流动，之后在出口 72处再次交汇，以离开内部轴承部分10。第二冷却剂通道73被设置在外部轴承罩部分11的前径向轴承组件I中。所述第二冷却剂通道73被设置用于冷却所述轴向轴承装配件6。轴向轴承装配件6的轴向轴承板61与前径向轴承组件I的外部轴承罩部分11邻接，第二冷却剂通道73被形成为外部轴承罩部分11的如下一个表面中的环形凹槽，所述表面面向且邻接所述轴向轴承板61。第二冷却剂通道73经由供应通道74与第一冷却剂通道7流体连通，所述供应通道74在外部轴承罩部分11内沿着轴向方向延伸，以将排出端口 Ilb连接至第二冷却剂通道73。因而，在使用时，水首先流入且流过设置在内部轴承部分10中的第一冷却剂通道7，然后流出内部轴承部分10，并且经由供应通道74流入第二冷却剂通道73中。图4A和图4B示意性示出了前径向轴承组件I的中间套筒14。具体地，它们示出了冷却剂通道7的入口 71和出口 72。围绕入口 71和出口 72的是相应的O形环凹槽71a、72a，所述O型环凹槽71a、72a中的每一个都容纳一个相应的O形环71b、72b (参看图3)。这些O形环71b、72b分别充当作入口和出口 71、72周围的密封件，密封抵靠在它们面向的外部轴承罩部分11的镗孔的壁上，如图3中可以看到的。[0092]如上面所提及的，设置在内部轴承部分10的每一端部处的O形环13提供内部轴承部分10相对于外部轴承罩部分11的弹性安装，从而提供所要求的阻尼。在入口和出口71、72周围设置的O形环71b、72b需要在入口端口 Ila和入口 71之间提供密封，以及在出口 72和排出端口 Ilb之间提供密封，而不破坏这样的弹性安装。这可以通过确保在所述区域处在中间套筒14的表面和外部轴承罩部分11的镗孔之间存在合适的间隙并且选择合适的O形环7lb、72b来实现。在此应注意，尽管中间套筒14是环形的，且具有大体圆柱形的外部表面，但是该环形物的厚度沿着套筒14的轴向长度并非是恒定的。具体地，在形成有入口 71和出口 72的中心带中，套筒14的外径较大。因而，套筒14的外部弯曲表面是梯状的。如在图3中可以看到的，这导致在轴承组件I的中心区域中(即，入口 71和出口 72的区域中)，套筒14和外部轴承罩部分11的镗孔之间较小的间隙。应注意，尽管入口和出口 71、72周围的O形环71b、72b以如下一种定向被布置在中间套筒部分14的外表面上，使得O形环的轴线基本上沿着轴承组件的半径，但是主阻尼O形环13被设置为围绕内部轴承部分10且围绕中间套筒部分14，以及主阻尼O形环13被定向为使得它们的主轴线大体与轴承组件I的轴线一致。当然，应当谨记，径向轴承组件I是空气轴承组件。因而，需要密封用于将空气供应到空气轴承中的空气供应路径，，以及密封穿过轴承组件的用于冷却的合适的水通道。在这方面，应注意，在轴承组件I的任一端部处设置的阻尼O形环13以及在入口和出口 71、72周围设置的密封O形环7lb、72b还提供密封功能，用于提供合适的空气供应通道至空气轴承。如图3中可以看到的，轴承组件包括两列喷嘴8，所述两列喷嘴8设置在内部壳轴承部分12的轴承面12a中。在操作时，喷嘴8将空气提供到空气轴承中，从而在轴承面12a和轴3之间形成必要的气体膜。可以注意到，两列喷嘴8彼此轴向间隔开，冷却剂通道7和冷却剂通道7的入口和出口 71、72在轴向方向上布置于两列喷嘴之间。另一些密封O形环12b设置在内部壳轴承部分12和中间套筒部分14之间的两列喷嘴的任一侧上。这些对O形环12b中的每一个为朝向喷嘴8供应的空气提供一个密封件。又一次，这些密封O形环12b被定向为使得它们的轴线与轴承组件I的主轴线大体一致。上面的描述与如下的前径向轴承组件I相关，所述前径向轴承组件I处于主轴的且被工具夹4占据的区域中。然而，在大多数方面，上面的描述同样适用于后径向轴承组件
I。具体地，这又一次具有被中间套筒部分14围绕的内部壳轴承部分12的相似配置，所述中间套筒部分14转而布置在外部轴承罩部分11内。又一次，冷却剂通道7设置在中间套筒部分14和内部壳轴承部分12之间。在该设备中，两个径向轴承组件I之间的主要差别仅在于如下事实，即，后轴承组件I未包括第二冷却剂通道73，因为它并不接近于轴向轴承装配件6。这两个径向轴承组件I共同允许在主轴运作时对轴承的水冷却，同时仍提供振动阻尼。尽管根据将当前的想法用在PCB钻削应用中来书写上面的描述，但是应注意，所述想法还可被用在用于其他机械加工应用的轴承中。所述机械加工应用可涉及或者可不涉及上面描述类型的高速使用，并且可涉及或者可不涉及如上面所提及的在宽范围的运作速度内机器的运作。在PCB钻削和其他机械加工过程中，机器通常设有一个工具着陆检测系统，用于检测钻削尖端(或者其他工具)最先接触工件(例如，PCB件)处的准确位置。通常，这些工具着陆系统利用电检测，并且基于当工具接触工件时形成电路来工作。通常，为了使所述检测系统工作，需要穿过机械加工主轴尤其是穿过轴承组件的传导路径。在大多数常规的轴承组件中，由于主轴和轴承组件的构造，存在一个穿过主轴的现成的电传导路径。然而，在图3中示出的类型的轴承组件以及图2示出的主轴所包括的轴承组件中，这个电传导路径被设置在外部轴承罩部分11和内部轴承部分10之间一或者更具体地在外部轴承罩部分11和中间套筒部分14之间一的弹性O形环安装件13打断了。图5A和图5B示意性示出了图3中所示的轴承组件的改型，这些改型的设计目的是恢复穿过轴承组件从而穿过整个钻削主轴的电传导路径。图5A示出了第一改型的轴承组件，其与图3中示出的轴承组件几乎在所有方面都相同。然而，沿着不同于图3中的截面示出了该第一改型的轴承组件，并且改变在于设置了一个安装于外部轴承罩部分11内的碳刷501，并且该碳刷通过使用即粘胶而被密封就位的轴向平头螺钉(grub screw)502锁定就位。碳刷501包括被捕获在铜夹中的多个碳刷丝或纤维。碳丝是柔性的，并且不会负面影响在外部轴承罩部分11和内部轴承部分10之间的弹性安装。此外，它们提供了很好的电接触。然而，已发现，在使用和/或维修期间，所述刷中的一个或多个丝存在变得松解的趋势。一旦所述丝松解，它可能陷在组件的O形环密封件之一中，尤其是在如果拆卸该组件用于维修等情况下。这种所陷的丝往往会趋于使水泄漏，因为它妨碍由受影响的O形环所提供的密封。图5B示出了图3中所示的轴承组件的当前优选的改型变体。在此，又一次提供了弹性电接触元件，以将外部轴承罩部分11电连接至内部轴承部分10。然而，在该实例中，螺旋压缩弹簧503被设置在外部轴承罩部分11中。弹簧503被设置在外部轴承罩部分11的径向孔中，并且被抵靠内部轴承部分10加载，尤其是通过锁定平头螺钉504而抵靠中间套筒部分14加载。然后，通过即粘胶将该平头螺钉密封就位。从而，螺旋压缩弹簧503恢复穿过轴承组件的电连接性，并且未呈现与包括在图5A所示的轴承组件的第一改型变体中的碳纤维刷相关联的问题。在一个替代实施方案中，可颠倒该配置，将弹簧安装在内部轴承部分上。此外，如果认为有必要，则可设置一个以上的所述接触元件。认识到了上述设计的下列潜在有用方面。假定内部轴承部分10和外部轴承罩部分11被配置为使得在异常负载时内部轴承部分10可相对于外部轴承罩部分转动，则可降低在主轴故障(例如，碰撞或堵塞)情况下发生损坏的风险和/或程度。在正常使用时，所述组件中的O形环将抵制内部轴承部分10和外部轴承罩部分11的相对转动。然而，在极端负载时，可存在一些转动适应性，这可有助于减少损坏。由于轴承组件的结构，如果内部轴承部分10 (内部壳12和/或中间套筒14)发生损坏，则在轴承的其余部分未损坏时，这些内部轴承部分可被更换。相比于更换整个轴承组件，这显然更廉价。[0112]尽管内部轴承部分10相对于外部轴承罩部分11转动的能力被看作上面描述的钻削主轴的一个潜在优势，但是在实际的实践中事实是:可发生的这种相对转动在一些情况下被证实是有问题的。尤其是，如果这种相对转动发生，则可破坏用于将冷却剂馈入内部轴承部分中的冷却剂馈入路径中的整体性，从而冷却剂可泄漏到轴承中。此外，如果一旦发生相对转动，供应至空气轴承的空气被切断，使得空气馈入路径中不存在压力，则水可进入该空气馈入路径和轴承的其他部分，这可造成轴承和/或主轴的灾难性故障。因而，申请人已寻求研发另一改型的钻削主轴，旨在减少或者消除该问题，同时不损害轴承的性能，尤其是它们的弹性阻尼特性。图6A和图6B示意性示出了第三PCB钻削主轴的一部分，第三PCB钻削主轴类似于图2所示出的。在省略了对于图6A和图6B中示出的主轴的描述的地方，应认为这些方面与上面描述的主轴和轴承相同或者至少可以相同，除非上下文不允许。这同样适用于图7A、图7B、图8A和图8B中所示的主轴。图6A示出了沿着PCB钻削主轴的轴线穿过PCB钻削主轴的前部部分的截面，图6B示出了跨越主轴的轴线穿过主轴的截面。如上面提及的，图6A和图6B所示的第三钻削主轴的结构和操作类似于图2中所不和上面相关于图2至图5A和图5B所描述的。但是,在该钻削主轴中使用了一个略微(但是重要地)不同形式的径向空气轴承组件I。图6A和图6B示出了主轴的径向空气轴承组件I中的一个，但是如同在图2中示出的主轴的实例中，事实上将存在两个径向空气轴承组件。就当前实例中感兴趣的特征而论，设置在第三PCB钻削主轴中的这两个径向空气轴承组件I彼此相同。PCB钻削主轴又一次包括一个主轴主体部分2，在该主轴主体部分2内设有每一径向空气轴承组件1，轴3转而被轴颈安装在所述径向空气轴承组件I内。每一径向空气轴承组件I又一次包括一个外部轴承部分11，在该外部轴承部分11内安装有一个内部轴承部分10，且阻尼O形环13设置在外部轴承部分11和内部轴承部分10之间。又一次，内部轴承部分10包括一个内部壳轴承部分12和一个中间套筒部分14。此外，一个冷却通道7被限定在内部壳轴承部分12和中间套筒部分14之间。设置了进入冷却剂通道7的入口 71，还设置了来自冷却剂通道7的出口 72。如同在上面描述的主轴中，入口 71和出口 72设置在中间套筒部分14的外部弯曲表面中，出口和入口被位于相应的O形环凹槽71a和72a中的相应的O形环71b和72b围绕。因而，在所有这些方面，该径向空气轴承组件都与参考图2、图3、图4A和图4B所示和描述的相同。然而，在本实施方案中，设置了防转动塞或销601以抵制外部轴承部分11和内部轴承部分10之间的相对转动。在图6B中所述塞601示出为处于原位，在图6A中所述塞601不出为与主轴分尚。如图6B中最佳示出的，所述塞601被接收在外部轴承部分11中的一个合适的镗孔中，并且突出进入内部轴承部分10中。具体而言，所述塞601的一个端部被接收在内部轴承部分10中的一个镗孔中，至少在该实施方案中，被接收在中间套筒部分14中。所述塞601是外部轴承部分11和内部轴承部分10中的一个推入配合件。在所述塞601被接收在中间套筒部分14的端部处，O形环602被设置在所述塞601的周围。因而，所述塞601和内部轴承部分10之间的接触仅经由O形环602的弹性材料。另一方面，在所述塞601和所述外部轴承部分11之间存在直接的金属-金属接触。O形环602提供了所述塞601和内部轴承部分10之间的弹性，这确保由所述塞提供的在外部轴承部分11和内部轴承部分之间的联接是弹性的。这意味着，尽管实际上所述塞601可用于阻止内部轴承部分10和外部轴承部分11之间的相对转动，但是并未破坏内部轴承部分10在外部轴承部分11中的弹性安装。此外，所述塞601上的O形环602用作一个密封件，以确保冷却剂通道7中的冷却剂不能泄漏经过所述塞601。尽管所述塞601被推入配合在外部轴承部分11和内部轴承部分10中，但所述塞凭借容纳在所述主轴的主体部分2的镗孔内的径向空气轴承组件I被保持就位。当然，在其他替代实施方案中，所述塞I可被其他装置保持。对于图6A和图6B的设计，围绕中间套筒部分14(如阻尼O形环13)的外部弯曲表面的附加的O形环13a被轴向设置在设有塞601的位置的任一侧。这些附加的O形环13a被提供用于密封通向内部轴承部分10中的喷嘴8的空气路径。围绕中间套筒部分14的弯曲表面的这些附加的O形环13a(从而每一 O形环的环的轴线与所述轴承同轴)的设置可具有使得该轴承更加刚性的劣势。这可使得破坏了安装在O形环中的内部轴承部分10相对于外部轴承部分11所期望的阻尼效果。如果轴承变得太刚性，则可能不能吸收期望程度的振动。因而，尽管图6A和图6B中示出的主轴可有助于阻止内部轴承部分10和外部轴承部分11之间的不期望的相对转动，但是所述轴承的总体阻尼性能可能小于最佳。图7A和图7B示出了类似于图6A和图6B中所示但是被修改以有助于改进阻尼特性的第四PCB钻削主轴。在图7A和图7B所示的钻削主轴中，所述塞601承载两个O形环602和602a。这些O形环602中的第一个又一次设置为朝向所述塞601的端部，接触且密封抵靠中间套筒部分14。另一 O形环602a又一次设置为围绕所述塞601。然而，该O形环602a设置为更靠近所述塞601的头部。此外，该第二 O形环602a接触且密封所述外部轴承部分11。这意味着，存在一个通向喷嘴8的已密封的空气路径，该空气路径不受所提供的塞601的影响。这可以通过考虑图7A来更好地看到。因而，在图7A和图7B所示的钻削主轴中，可省略包括在图6A所示的主轴中的第二对O形环13a。因而，可避免由于包括在图6A的主轴中的那些O形环13a而造成的对轴承的阻尼特性的负面影响。注意到，在图7A中，所述塞601示出为在主轴中的原位。此外，注意到，所取的图7A的截面不同于所取的图6A的截面。图7A的截面是沿着可看到处于原位的所述塞的一条线而取的，而图6A的截面是沿着可看到进入冷却通道7的入口和出口 71、72的一条线而取的。因而，这些截面是以彼此成90度来取的。注意到，尽管设置在塞601上的第二 O形环602a意味着在塞601和外部轴承部分11之间存在一个密封件，但是这并非必然意味着在这两个零件之间存在一个弹性联接。塞601的头部和未承载O形环602a的柄(shank)的其余部分仍可与外部轴承部分11紧密接触。这即是说，在外部轴承部分11和内部轴承部分10之间的防转动联接中期望的弹性可由O形环602提供，所述O形环602接触内部轴承部分10，第二 O形环602a对此有很少的影响或者没有影响。[0131]在图6A、图6B和图7A、图7B所示的这两个实施方案中，塞601在轴向方向上设置在沿着轴承组件I的中心，且在轴向方向上设置在沿着轴承的轴承面的中心。此外，塞601与冷却剂通道7对准。塞601还与冷却剂通道7的入口和出口分立地设置，且与这些入口和出口间隔开。在所述实施方案中，塞601与入口和出口 71、72中的每一个间隔开90度。图8A和图8B示出了第五钻削主轴，该第五钻削主轴具有上面描述的图6A、图6B、图7A和图7B中的那些的替代布置。又一次，做出设置以有助于阻止内部轴承部分10相对于外部轴承部分11转动。然而，在该实例中，出于该目的提供两个塞801，并且它们的功能被结合以提供通向冷却剂通道7的入口和出口。因而，如图8B中最佳示出的，在图8A和图8B所示的主轴中，上面描述的主轴的入口 71和出口 72以及尤其是它们周围的O形环71b、72b都替换为塞801。每一塞801都具有一个通孔或镗孔803。这些镗孔在轴向方向上行进穿过所述塞801。在一些实例中，外部端部(即，远离冷却剂通道7的外部端部)可以是无通孔的。每一通孔或镗孔803与外部轴承部分11中合适的馈入路径连接，用于将冷却剂馈向冷却剂通道7或者使冷却剂远离冷却剂通道7。每一塞801都承载一对O形环802和802a。又一次，所述O形环802中的第一个被设置为朝向所述塞801的端部，并且与内部轴承部分10和塞801密封，且提供内部轴承部分10和塞801之间的弹性联接。第二 O形环802a提供了塞801和外部轴承部分11之间的密封。因而，这两个O形环802和802a共同提供了密封件以阻止所述塞801破坏通向喷嘴8的空气供应路径的整体性，第一 O形环802还提供一个密封件以确保内部轴承部分10中的冷却剂通道7的整体性。又一次，所述塞801可共同提供对于外部轴承部分11和内部轴承部分10之间的相对转动的抵制，同时所述塞801和所述中间套筒部分14之间的联接的弹性可有助于确保不破坏所述主轴的总体阻尼特性。注意到，图8A和图8B示出的配置有可能导致比图7A和图7B中示出的配置更刚性的主轴。因而，当前图7A和图7B中示出的配置是优选的，尽管其使用了更多的部件，但在大多数情况下，使用图7A和图7B的配置将更容易提供具有更好阻尼特性的主轴。虽然如此，但在一些情况下，图8A和图8B的配置可为优选的，例如在可容忍或减轻本质上更加刚性的配置的情况下。图6A至图SB中示出的第三、第四和第五钻削主轴是包括具有径向防转动塞或销的轴承组件的主轴的每一实施例。所述防转动塞在径向方向上从所述内部轴承部分10延伸到所述外部轴承部分11中。图9A和图9B示出了一个改型的轴承组件，被配置用于借助于轴向防转动塞或销901来抵制所述内部轴承部分10和所述外部轴承部分11之间的相对转动。图9A是沿着穿过轴承组件但未穿过所述塞901的一个直径的等距截面视图，图9B是沿着另一穿过塞901的直径的简单截面。图9A和图9B的改型的轴承组件类似于图3中示出的。唯一的显著不同是将端部盖904设置为外部轴承部分11的一部分、六个轴向防转动塞901 (在图9A中仅可看到其中三个，在图9B中仅可看到其中四个)和六个相应的O形环902 (在图9B中仅可看到其中两个，在图9A中省略)。[0141]应理解，两个所述改型的轴承组件可被用在图2所示的类型的主轴中。出于简洁起见，省略了对于与图3的轴承组件相同的图9A和图9B的轴承组件的一些方面的详细描述，并且这些轴承组件的相同的方面将用相同的参考数字来指示。端部盖904 (经由螺钉905)被安装至外部轴承部分11的其余部分。端部盖在径向方向上朝向所述外部轴承部分11的主镗孔内部延伸，从而至少部分地关于所述内部轴承部分10 (尤其是中间部分14和内部壳轴承部分12)的端部突出。所述端部盖904的内部周缘边缘904a限定了多个(在该实例中，六个)槽904b。这些槽中的每一个接收所述防转动塞901中相应的一个。每一塞901的一个端部被接收在其相应的槽904b中，另一端部被接收在内部轴承部分10 (在该实施方案中，具体为所述内部壳轴承部分12)的相应镗孔906中。在该实施方案中，O形环902被每一塞901所承载,从而位于相应的塞901和槽904b之间。然而，已发现，在至少一些情况下，可省略这些O形环902，且不破坏所述轴承组件的弹性性能。这能够是因为所述配置可以使得在缺少O形环902的情况下，在所述塞101和所述端部盖904之间可仅仅出现点接触，这可允许所述组件内存在足够弹性，以便在某些条件下成功运行。注意到，不同于紧密适配的孔/镗孔，在端部盖904中设置槽904b可有助于机械加工、组装和弹性性能(尤其是如果省去O形环902)。一般来说，所述塞901可被安装在内部和外部轴承部分10、11的一个中，并且通过或者不通过O形环被接收在所述内部和外部轴承部分10、11的另一个的槽中。
权利要求1.一种用于气体轴承主轴的气体轴承组件，其特征在于，所述组件包括一个罩部分和一个内部径向轴承部分，所述内部径向轴承部分布置在所述罩部分内且相对于所述罩部分弹性地安装，所述内部径向轴承部分包括一个内部壳轴承部分和一个中间套筒部分，所述内部壳轴承部分具有一个轴承面，所述中间套筒部分被布置在所述内部壳轴承部分和所述罩部分之间，其中在所述内部壳轴承部分和所述中间套筒部分之间设置有液态冷却剂通道; 所述组件还包括一个防转动塞，所述防转动塞被放置在所述罩部分和内部径向轴承部分中，从而联接所述罩部分和所述内部径向轴承部分以抵制相对转动。
2.根据权利要求1所述的气体轴承组件，其特征在于，在所述罩部分和所述内部径向轴承部分中的至少一个和所述塞之间设置一个弹性构件，使得在所述罩部分和所述内部径向轴承部分之间的由所述塞形成的联接中存在弹性。
3.根据权利要求2所述的气体轴承组件，其特征在于，在所述罩部分和所述内部径向轴承部分中的至少一个和所述塞之间设置的所述弹性构件包括一个O形环，所述O形环被设置在所述塞上。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的气体轴承组件，其特征在于，所述塞具有一个通孔，所述通孔是所述轴承组件中的流体馈入路径的一部分。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的气体轴承组件，其特征在于，一对弹性构件设置于所述塞与所述罩部分和所述内部径向轴承部分之间，且所述弹性构件中的一个设置于所述塞和所述罩部分之间，以及所述弹性构件中的另一个设置于所述塞和所述内部径向轴承部分之间。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的气体轴承组件，其特征在于，包括一对防转动塞，所述防转动塞在直径方向上是相对的。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的气体轴承组件，其特征在于，所述塞在轴向方向上被设置在相对于所述轴承面的中心。
8.根据权利要求6所述的气体轴承组件，其特征在于，每一塞在轴向方向上被设置在相对于所述轴承面的中心。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的气体轴承组件，其特征在于，所述塞在轴向方向上与所述冷却剂通道对准。
10.根据权利要求 6所述的气体轴承组件，其特征在于，每一塞在轴向方向上与所述冷却剂通道对准。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的气体轴承组件，其特征在于，所述塞是所述罩部分和/或所述内部径向轴承部分中的一个推入配合件。
12.根据权利要求6所述的气体轴承组件，其特征在于，每一塞是所述罩部分和/或所述内部径向轴承部分中的一个推入配合件。
13.根据权利要求11所述的气体轴承组件，其特征在于，凭借所述罩部分被放置在一个主轴主体部分的镗孔内，且所述塞的头部接触所述镗孔的壁，将所述塞保持就位。
14.根据权利要求1-3中任一项所述的气体轴承组件，其特征在于，存在一对防转动塞，且一个防转动塞用作所述冷却剂通道的入口，另一防转动塞用作所述冷却剂通道的出□。
15.根据权利要求1-3中任一项所述的气体轴承组件，其特征在于，所述塞在径向方向上从所述罩部分延伸到所述内部径向轴承部分中。
16.根据权利要求6所述的气体轴承组件,其特征在于,每一塞在径向方向上从所述罩部分延伸到所述内部径向轴承部分中。
17.根据权利要求1-3中任一项所述的气体轴承组件，其特征在于，所述塞在轴向方向上从所述罩部分延伸到所述内部径向轴承部分中。
18.根据权利要求6所述的气体轴承组件，其特征在于，每一塞在轴向方向上从所述罩部分延伸到所述内部径向轴承部分中。
19.一种气体轴承主轴，其特征在于，包括根据前述权利要求任一项所述的气体轴承组件和一个被轴颈安装在所 述轴承组件内的轴。
专利摘要一种气体轴承主轴以及用于气体轴承主轴的气体轴承组件。所述组件包括一个罩部分(11)和一个内部径向轴承部分(10)，所述内部径向轴承部分(10)布置在罩部分内且相对于罩部分弹性地安装。内部径向轴承部分包括一个内部壳轴承部分(12)和一个中间套筒部分(14)，内部壳轴承部分(12)具有一个轴承面，中间套筒部分(14)被布置在内部壳轴承部分和罩部分之间。在内部轴承壳部分(12)和中间套筒部分(14)之间设置有液态冷却剂通道(7)。该组件还包括一个防转动塞(601，901)，防转动塞(601，901)被放置在罩部分(11)和内部径向轴承部分(10)中，从而联接所述罩部分和所述内部径向轴承部分以抵制相对转动。
文档编号F16C32/06GK202971613SQ20122042483
公开日2013年6月5日 申请日期2012年8月24日 优先权日2011年11月29日
发明者N·斯拜瑟, C·碧思丽 申请人:Gsi集团有限公司