[发明专利]用于加工成形非规则表面的磁悬浮高速机床主轴

说明书

本申请要求申请日为2004年2月26日、系列号为60/547,891的美国临时申请的优先权。

发明背景

1.技术领域

一般来说，本发明涉及用于加工成形非规则表面的磁悬浮高速机床主轴总成，特别是，涉及这样一种在工件上加工成形非圆孔的总成。

2.相关技术

在一些生产应用中，要求形成非圆孔。例如，在制造内燃机的活塞时，用于肘节(wrist)的所谓销孔，或活塞销常具有一个略呈喇叭形、朝向中心的开口，以配合活塞销中的弯曲。另外，销孔的喇叭形状的最优设计是具有轻微的椭圆度，以进一步消除当肘节销在不同圆周中移动时的变形。销孔的这种喇叭形和非圆形必须按照精确公差成形。例如，在这种类型的应用中，公差常常要求在3到5微米的范围内。

在加工这种按照精密公差要求的非圆形孔的工业技术中包括液压铣刀和电化学加工技术。现有技术也建议在镗出非圆形状时，使用一种特殊的装有主动磁轴承的机床主轴。主动磁轴承的原理如下：转动的主轴由一种铁磁性材料制成，它由电磁定子所产生的磁场支承。带有适当的功率放大器的控制系统对磁场进行调节，以使主轴在转动时保持在所需的径向位置上。甚至在负载发生变化的情况下，这个径向位置也可以得到保持。

主动磁轴承系统的优点在于它控制主轴移动的能力，并有意识地使主轴转动出现偏移，从而使成形工具沿所需的路径移动。但现有技术却有很多的缺点和局限。例如，特别是可被加工成3维的非圆形孔的形状受到限制。并且，现有技术中精确控制刀具刃口位置以及使公差变化低于5微米的能力并不可靠。因此，本发明的目的是克服这些缺点和局限。

发明内容

本发明包括一个磁悬浮高速主轴总成，用于加工成形非圆形孔，而孔在工件中具有在尺寸上变化的轴向轨迹。该总成包括一个主轴，它具有一个沿纵向延伸的主轴轴线，并带有固定在它的成形端处的刀具。一个第一磁性轴承组在靠近刀具的位置支承主轴，使其围绕主轴轴线进行磁悬浮旋转。一个第二磁性轴承组与第一磁性轴承组相隔一段距离，并在远离刀具的位置支承主轴，使其围绕主轴轴线进行磁悬浮旋转。一个径向轴承控制器独立地控制第一和第二磁性轴承组，以调节在主轴的磁悬浮旋转过程中主轴轴线的径向位置，因而使在成形端的主轴轴线沿预定的非圆形轨道移动。根据本发明的这一方面，改进包括一个轴向运动控制器，它使刀具相对于工件沿主轴轴线移动，同时改变轨道的形状，以使具有连续地沿轴向变化的轨迹的非圆形孔在工件中以高速和高精度形成。因此，通过对磁性轴承组以及刀具相对于工件的轴向位置进行独立的、也是同步的控制可以形成具有连续变化的断面和形状的非圆形孔。

按照本发明的第二方面，一种磁悬浮高速主轴总成用于在工件上加工成形非圆形孔。总成包括一个伸长的主轴，它沿主轴轴线在后端和成形端之间延伸。一个刀具沿径向从主轴靠近成形端的位置向外延伸，终点是刃口。一个第一磁性轴承组在靠近成形端的位置支承主轴，使其围绕主轴轴线进行磁悬浮旋转。一个第二磁性轴承组与第一磁性轴承组相隔一段距离，并在远离成形端的位置支承主轴，使其围绕主轴轴线进行磁悬浮旋转。一个径向轴承控制器独立地控制第一和第二磁性轴承组，以在所述主轴的磁悬浮旋转过程中调节所述主轴轴线的径向位置，并使成形端沿预定的非圆形轨道移动，从而使高速刃口在工件中形成相应形状的非圆形孔。按照本发明的这个方面，一个刃口控制器用于保持在刃口和轨道之间有一个连续的倾角。倾角包括一个最优的切割角，这个切割角由从主轴轴线延伸到刃口的半径与在轨道上任一点处的切线之间的角确定，这样，非圆形孔的成形精度得到提高，总成可以在更高的旋转速度下运行，同时主轴具有更大的稳定性。

按照本发明的另一个方面，提供了一种使高速主轴总成磁悬浮的方法。这个方法用于在工件中形成一个具有尺寸上发生变化的轴向轨迹的非规则孔。这个方法包括以下步骤：将一个径向延伸的刀具固定在具有主轴轴线的主轴的一个端部上；围绕主轴上靠近刀具的第一区域建立一个磁悬浮场以使主轴围绕主轴轴线旋转；围绕主轴上与第一区域相隔一段距离并远离刀具的第二区域建立一个磁悬浮场；使主轴在第一和第二磁悬浮场之间围绕主轴轴线旋转；并且通过改变第一和第二磁悬浮场，来调节主轴旋转过程中主轴轴线在第一和第二区域的径向位置，使主轴轴线在成形端沿预定的非圆形轨道运动。这个方法的特征在于，通过使刀具相对于工件沿主轴轴线移动，并且同步调节主轴轴线在第一和第二区域的径向位置，在工件中形成非规则的并且轨迹沿轴向变化的孔。