[发明专利]用于形成非圆形孔的混合转子主轴

说明书

参照相关申请

本申请要求申请日为2005年3月30目的第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。

背景技术

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(activemagnetic 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。

附图说明

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；