[发明专利]超高精度气静压轴承主轴系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种机床主轴系统，尤其是超高精度气静压轴承主轴系统。

背景技术

在超精密加工机床中，主轴系统是机床的核心部件，其精度直接影响零件的加工精度。气静压轴承由于具有很高的回转精度，在高速旋转时温升甚小、造成的热变形误差很小，因此广泛应用于超精密机床的主轴系统。在超精密机床主轴系统的设计中，应该遵循结构简单、零部件少、装配性能好、尺寸稳定性好的原则，从而使主轴系统达到极高的回转精度和稳定性。常用的气静压轴承根据转轴的结构形状分为两种类型：T型和H型，前者适用于高精度的领域，后者适用于对角刚度要求较高的领域。中国专利CN101229590A公开了一种超精密气静压电主轴，就是采用H型转轴，具有较大的角刚度，但其止推轴承的间隙调整比较困难，并且转轴是由多个零件组成、不易达到特别高的精度要求和动平衡要求；另外该气静压轴承需要一个轴系支架或者主轴箱来支承，在气静压轴承与主轴箱之间需要考虑密封。图1示出了一种常规的超精密气静压轴承主轴系统，就是采用T型转轴，包括转轴100、气静压轴承200、主轴箱300、止推垫环400、止推板500，利用螺钉600(或其它连接方式)将气静压轴承200、止推垫环400和止推板500固联在主轴箱300上，转轴100被高压气体悬浮在气静压轴承200和止推板500构成的气体轴承结构内，并相对于主轴箱旋转；同时在气静压轴承200与主轴箱300之间一般设置有给节流孔供气的环形槽202，所以在气静压轴承的外表面和主轴箱内孔之间需要增加密封元件201以防止高压气体泄漏。对于超精密设备来说，零部件少、装配简单才能达到很高的精度与精度保持性，因此图2所示的常规超精密气静压轴承主轴系统结构显得复杂。中国专利CN2810824Y公开了一种超精密高速空气轴承电主轴，也采用T型主轴，但其结构更复杂，前后轴承的同轴度很难保证。中国专利CN101780547A公开的超精密气静压轴承主轴系统也存在类似的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、零部件少、结构稳定性好、超高精度的气静压轴承主轴系统，用于解决现有的超精密机床中主轴系统结构复杂、零部件多、对装配要求高以及精度保持性差的一些问题。

本发明解决技术问题采取的技术方案是：一种超高精度气静压轴承主轴系统，它包括转轴、主轴箱、主轴箱端盖，其中该转轴为T型并且依靠气静压轴承支承，用于在该主轴箱内转动，气静压轴承集成于主轴箱内、与主轴箱一体化，其优点在于能够实现紧凑设计并且所使用的部件数量能够最少。

本说明书中所指的气静压轴承包括轴向气静压轴承，此轴向气静压轴承可充当止推轴承。

在本发明的技术方案中，将气静压轴承的结构要素，包括轴颈轴承面及其径向节流器、止推轴承面及其轴向节流器、用于形成轴向气膜间隙的止推垫环以及必要的气体流道，全部集成在主轴箱上，从而实现了紧凑和稳定的结构特点，具体说明如下。

主轴箱内设置有主孔腔，主孔腔的内表面为圆柱形，其经过精密加工可作为轴颈轴承面，其内可用于安装转轴，该转轴具有与主孔腔内表面相向的圆柱形外圆面，该转轴的一个端面可连接电动机或其它动力机构从而驱动该转轴相对于主轴箱转动。在主孔腔内表面上开设有两个排气槽，这两个排气槽将轴颈轴承面分为两部分，或者说分为两个轴颈轴承，这两个排气槽负责接收两个轴颈轴承相应部位流出的气体，并通过相应的排气流道将该气体排放至主轴箱外部。

本说明书的主轴箱，其外形可大致为多面体形状，也可大致为圆柱体形状。

在主轴箱上设置有止推凸台，该止推凸台具有一个与主孔腔内表面的轴线相垂直的法兰平面。止推凸台的功能与常规的气静压轴承的止推垫环功能类似，用于连接主轴箱端盖并且形成止推轴承的气膜间隙。

主轴箱还设置有与主孔腔内表面的轴线相垂直的一个平面，该平面经精密加工可作为止推轴承的一个止推面。该主轴箱还包括主轴箱端盖，该端盖的一个端平面经精密加工可作为止推轴承的另一个止推面。这两个止推面构成了闭式气静压止推轴承。

在主轴箱内的主孔腔内表面上设置有径向节流器，高压气体经过径向节流器进入主孔腔内表面和转轴的外圆面之间的间隙，形成轴颈气膜，可承受径向载荷。

在主轴箱内与主孔腔内表面的轴线相垂直的止推面上，设置有轴向节流器；在主轴箱端盖的止推面上也设置有轴向节流器。高压气体经轴向节流器进入这两个止推面和转轴止推盘之间的间隙，形成止推气膜，可承受轴向载荷。

本说明书中所指的径向节流器和轴向节流器，可以为小孔节流器，也可以为狭缝节流器、多孔质节流器。