[發明專利]用于加工成形非規則表面的磁懸浮高速機床主軸

無效

• 申請號: 200580013114.9
• 申請日: 2005-02-25
• 公開（公告）號: CN101341002A
• 公開（公告）日: 2009-01-07
• 發明（設計）人: 肯尼思·R·比朔夫;威廉·J·茲德布利克
• 申請（專利權）人: 費德羅－莫格爾公司
• 主分類號: B24B5/00
• 分類號: B24B5/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 鄧琪

本申請要求申請日為2004年2月26日、系列號為60/547,891的美國臨時申請的優先權。

發明背景

1.技術領域

一般來說，本發明涉及用于加工成形非規則表面的磁懸浮高速機床主軸總成，特別是，涉及這樣一種在工件上加工成形非圓孔的總成。

2.相關技術

在一些生產應用中，要求形成非圓孔。例如，在制造內燃機的活塞時，用于肘節(wrist)的所謂銷孔，或活塞銷常具有一個略呈喇叭形、朝向中心的開口，以配合活塞銷中的彎曲。另外，銷孔的喇叭形狀的最優設計是具有輕微的橢圓度，以進一步消除當肘節銷在不同圓周中移動時的變形。銷孔的這種喇叭形和非圓形必須按照精確公差成形。例如，在這種類型的應用中，公差常常要求在3到5微米的范圍內。

在加工這種按照精密公差要求的非圓形孔的工業技術中包括液壓銑刀和電化學加工技術。現有技術也建議在鏜出非圓形狀時，使用一種特殊的裝有主動磁軸承的機床主軸。主動磁軸承的原理如下：轉動的主軸由一種鐵磁性材料制成，它由電磁定子所產生的磁場支承。帶有適當的功率放大器的控制系統對磁場進行調節，以使主軸在轉動時保持在所需的徑向位置上。甚至在負載發生變化的情況下，這個徑向位置也可以得到保持。

主動磁軸承系統的優點在于它控制主軸移動的能力，并有意識地使主軸轉動出現偏移，從而使成形工具沿所需的路徑移動。但現有技術卻有很多的缺點和局限。例如，特別是可被加工成3維的非圓形孔的形狀受到限制。并且，現有技術中精確控制刀具刃口位置以及使公差變化低于5微米的能力并不可靠。因此，本發明的目的是克服這些缺點和局限。

發明內容

本發明包括一個磁懸浮高速主軸總成，用于加工成形非圓形孔，而孔在工件中具有在尺寸上變化的軸向軌跡。該總成包括一個主軸，它具有一個沿縱向延伸的主軸軸線，并帶有固定在它的成形端處的刀具。一個第一磁性軸承組在靠近刀具的位置支承主軸，使其圍繞主軸軸線進行磁懸浮旋轉。一個第二磁性軸承組與第一磁性軸承組相隔一段距離，并在遠離刀具的位置支承主軸，使其圍繞主軸軸線進行磁懸浮旋轉。一個徑向軸承控制器獨立地控制第一和第二磁性軸承組，以調節在主軸的磁懸浮旋轉過程中主軸軸線的徑向位置，因而使在成形端的主軸軸線沿預定的非圓形軌道移動。根據本發明的這一方面，改進包括一個軸向運動控制器，它使刀具相對于工件沿主軸軸線移動，同時改變軌道的形狀，以使具有連續地沿軸向變化的軌跡的非圓形孔在工件中以高速和高精度形成。因此，通過對磁性軸承組以及刀具相對于工件的軸向位置進行獨立的、也是同步的控制可以形成具有連續變化的斷面和形狀的非圓形孔。

按照本發明的第二方面，一種磁懸浮高速主軸總成用于在工件上加工成形非圓形孔?？偝砂ㄒ粋€伸長的主軸，它沿主軸軸線在后端和成形端之間延伸。一個刀具沿徑向從主軸靠近成形端的位置向外延伸，終點是刃口。一個第一磁性軸承組在靠近成形端的位置支承主軸，使其圍繞主軸軸線進行磁懸浮旋轉。一個第二磁性軸承組與第一磁性軸承組相隔一段距離，并在遠離成形端的位置支承主軸，使其圍繞主軸軸線進行磁懸浮旋轉。一個徑向軸承控制器獨立地控制第一和第二磁性軸承組，以在所述主軸的磁懸浮旋轉過程中調節所述主軸軸線的徑向位置，并使成形端沿預定的非圓形軌道移動，從而使高速刃口在工件中形成相應形狀的非圓形孔。按照本發明的這個方面，一個刃口控制器用于保持在刃口和軌道之間有一個連續的傾角。傾角包括一個最優的切割角，這個切割角由從主軸軸線延伸到刃口的半徑與在軌道上任一點處的切線之間的角確定，這樣，非圓形孔的成形精度得到提高，總成可以在更高的旋轉速度下運行，同時主軸具有更大的穩定性。

按照本發明的另一個方面，提供了一種使高速主軸總成磁懸浮的方法。這個方法用于在工件中形成一個具有尺寸上發生變化的軸向軌跡的非規則孔。這個方法包括以下步驟：將一個徑向延伸的刀具固定在具有主軸軸線的主軸的一個端部上；圍繞主軸上靠近刀具的第一區域建立一個磁懸浮場以使主軸圍繞主軸軸線旋轉；圍繞主軸上與第一區域相隔一段距離并遠離刀具的第二區域建立一個磁懸浮場；使主軸在第一和第二磁懸浮場之間圍繞主軸軸線旋轉；并且通過改變第一和第二磁懸浮場，來調節主軸旋轉過程中主軸軸線在第一和第二區域的徑向位置，使主軸軸線在成形端沿預定的非圓形軌道運動。這個方法的特征在于，通過使刀具相對于工件沿主軸軸線移動，并且同步調節主軸軸線在第一和第二區域的徑向位置，在工件中形成非規則的并且軌跡沿軸向變化的孔。