用于形成非圆形孔的混合转子主轴制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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。专利
本专利技术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。
技术实现思路
根据本专利技术，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。根据本专利技术的另一方面，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。因此本专利技术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，本专利技术允许自由地加工形成孔，且降低了成本，提高了性能。 本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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专利技术的特征及优点，以下结合附图对本专利技术进行详细描述， 其中图1是本专利技术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是本专利技术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，每一孔具有本专利技术能 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的形成均可从本专利技术受益。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内的空气垫支撑本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特约翰尼科尔，迈伦杰弗里施门克，
申请(专利权)人：费德罗莫格尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]