CN101417410A - 可实现精密超精密磨削的磨床静压头架 - Google Patents
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Abstract
可实现精密超精密磨削的磨床静压头架，包括套筒、头架主轴、支撑箱体、装设于头架主轴前端的头架顶尖和连接于头架主轴后端的头架电机，套筒装设于支撑箱体上，套筒的前端装设有前端盖，头架主轴的前后两端分别通过前液体静压轴承和后液体静压轴承支承于套筒上，前液体静压轴承和后液体静压轴承均与头架主轴之间充满有液体介质，头架主轴上设有止推轴肩，止推轴肩上套有一圈垫片，止推轴肩和垫片均位于前液体静压轴承和前端盖之间，止推轴肩前端与前端盖之间留有前端间隙，止推轴肩后端与前液体静压轴承之间留有后端间隙，前端间隙与后端间隙内充满液体介质构成液体静压止推轴承。该头架具有刚性好、回转精度高、减振性能好、精度寿命长的优点。
Description
技术领域
本发明涉及机械制造领域，尤其涉及可实现精密超精密磨削的磨床静压头架。
背景技术
精密和超精密磨削是先进机械制造技术领域内的一项关键技术。随着对零件加工精度与加工效率的要求越来越高，国际上许多发达国家把精密和超精密磨削装备的研究开发列入国家重点支撑的技术和产业发展方向。精密和超精密磨削装备相对于普通加工装备而言，对床身的刚性、砂轮主轴的刚性和回转精度、工件安装的刚性和回转精度的要求更高。
目前国内生产的磨床，头架主轴大多采用滚动轴承或稀油润滑的铜瓦滑动轴承作为支承元件，而且都是以皮带传动方式驱动。由于皮带传动容易导入传动链的振动和噪声，降低了传动效率和主轴精度，通常要在主轴传动端加泄荷装置来抵消皮带额外载荷的影响。滚动轴承由于客观上存在着滚动体与内外套圈之间的磨损，长时间运转后，轴承间隙容易发生变化，因而采用滚动轴承支撑的头架主轴带动工件旋转时，会降低工件的回转精度，从而导致砂轮磨削工件的表面轮廓精度下降和表面粗糙度增大。稀油润滑的铜瓦滑动轴承支撑结构，由于稀油的供给和回油完全是开放式的，难以形成稳定的高刚度的油膜压力，从而导致采用稀油润滑的铜瓦滑动轴承支撑结构的头架主轴带动工件旋转时，工件的支撑刚性较低，影响了砂轮磨削工件的表面质量的提高。由于现有的头架主轴在支承元件和传动方式两个方面存在上述缺陷，导致磨床头架的刚性较小、回转精度较低，限制了现有磨削装备加工精度的进一步提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种刚性好、回转精度高、减振性能好、无磨损、精度寿命长的可实现精密超精密磨削的磨床静压头架。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
一种可实现精密超精密磨削的磨床静压头架，包括套筒、头架主轴、支撑箱体、连接于头架主轴后端的头架电机和装设于头架主轴前端的头架顶尖，套筒装设于支撑箱体上，套筒的后端装设有后端盖，套筒的前端装设有前端盖，所述头架主轴的前后两端分别通过前液体静压轴承和后液体静压轴承支承于套筒上，前液体静压轴承和后液体静压轴承均与头架主轴之间充满有液体介质，头架主轴上设有止推轴肩，止推轴肩上套有一圈垫片，所述止推轴肩和垫片均位于前液体静压轴承和前端盖之间，止推轴肩前端与前端盖之间留有前端间隙，止推轴肩后端与前液体静压轴承之间留有后端间隙，前端间隙与后端间隙内充满液体介质构成液体静压止推轴承。
所述套筒的后端装设有后端盖，头架主轴后端通过联轴器头架电机连接。
所述头架主轴后端套装于头架电机的转子内，头架电机靠近套筒的一端设有法兰，头架电机的定子外壳通过法兰固定在套筒上。
所述套筒上设有前进液通道、前回液通道、后进液通道、后回液通道、供液通道和设于套筒中部的套筒回液孔，所述支撑箱体上设有储液腔，所述前进液通道和后进液通道分别与供液通道连通，所述前回液通道、后回液通道和套筒回液孔均与储液腔连通。
所述前液体静压轴承上设有第一轴向进液孔、第一径向进液孔、止推前端进液孔和止推后端进液孔，前液体静压轴承的外壁上设有第一进液环槽，前液体静压轴承的内壁上设有第一静压腔，所述垫片上设有通孔和回液孔，所述前端盖上设有止推前端导液孔和前端盖回液通道，第一进液环槽一端与前进液通道连通，另一端经第一径向进液孔与第一静压腔连通，第一轴向进液孔与第一径向进液孔连通，止推前端进液孔一端与第一轴向进液孔连通，另一端依次经通孔、止推前端导液孔与前端间隙连通，止推后端进液孔一端与第一轴向进液孔连通，另一端与后端间隙连通，前端盖回液通道经回液孔与前回液通道连通。
所述后液体静压轴承上设有第二径向进液孔，后液体静压轴承的外壁上设有第二进液环槽，后液体静压轴承的内壁上设有第二静压腔，第二进液环槽一端与后进液通道连通，另一端经第二径向进液孔与第二静压腔连通。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过前液体静压轴承、后液体静压轴承和液体静压止推轴承实现了液体静压式的径向支撑和轴向支撑，使头架主轴的回转精度高、径向刚度和轴向刚度提高，带动工件旋转时，可使工件旋转的回转精度相应提高，承受磨削载荷的能力增强，同时，头架主轴与前液体静压轴承、后液体静压轴承之间形成的静压介质膜阻尼大，非常有利于减少工件加工过程中工件轴的振动，提高工件轴旋转稳定性，从而有利于提高工件的表面轮廓加工精度和工件表面质量；头架主轴与前液体静压轴承、后液体静压轴承之间无接触磨损，精度寿命长，降低设备维护成本；头架主轴的止推轴肩上套有一圈垫片，止推轴肩和垫片均位于前液体静压轴承和前端盖之间，通过更换不同厚度的垫片，即可调整前端间隙和后端间隙的大小，对液体静压止推轴承的调试和维护都非常方便。头架主轴后端通过联轴器或直接与头架电机连接，这样可以提高传递效率和整个主轴的回转精度，同时可减少设备占用空间，减少设备用材，节省设备生产成本，特别是头架主轴直接与头架电机连接时，将电机功能与头架主轴功能从结构上融为一体，省去了复杂的中间传动环节，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点。套筒上所设的前回液通道和后回液通道用于将液体介质回收至储液腔，储液腔内的液体介质可再通过其他管道送回供液箱，使液体介质可以循环利用。本发明的研制和使用对于提升精密超精密磨削装备的整体水平，进而推进高档数控磨床的产业化具有重要实用价值。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图；
图3是图1中I处的放大图。
图中各标号表示：
1、套筒 2、头架主轴
3、头架电机 4、头架顶尖
5、前液体静压轴承 6、后液体静压轴承
7、后端盖 8、前端盖
9、联轴器 10、支撑箱体
11、前进液通道 12、前回液通道
13、后进液通道 14、后回液通道
15、供液通道 16、储液腔
17、套筒回液孔 21、止推轴肩
22、垫片 31、转子
32、定子外壳 33、法兰
50、第一环槽静压腔 51、第一进液环槽
52、第一静压腔 53、第一轴向进液孔
54、止推前端进液孔 55、止推后端进液孔
56、第一径向进液孔 61、第二进液环槽
62、第二静压腔 63、第二径向进液孔
81、止推前端导液孔 82、前端盖回液通道
83、第二环槽静压腔 211、前端间隙
212、后端间隙 221、通孔
222、回液孔
具体实施方式
实施例1：如图1、图3所示，本发明的可实现精密超精密磨削的磨床静压头架，包括套筒1、头架主轴2、支撑箱体10、头架电机3和头架顶尖4，头架顶尖4装设于头架主轴2前端，头架电机3通过联轴器9直接连接于头架主轴2的后端，达到减少设备占用空间，降低设备成本的目的。套筒1的后端装设有后端盖7，套筒1的前端装设有前端盖8，套筒1上设有前进液通道11、前回液通道12、后进液通道13、后回液通道14、供液通道15和设于套筒1中部的套筒回液孔17，支撑箱体10上设有储液腔16，前进液通道11和后进液通道13分别与供液通道15连通，前回液通道12、后回液通道14和套筒回液孔17均与储液腔16连通。前回液通道12、后回液通道14和套筒回液孔17用于将油液回收至储液腔16，再通过其他管道将储液腔16内的油液送回供油箱，使油液可以循环利用。头架主轴2的前后两端分别通过前液体静压轴承5和后液体静压轴承6支承于套筒1上。
前液体静压轴承5采用过盈配合装设于套筒1前端，头架主轴2上设有止推轴肩21，止推轴肩21上套有一圈垫片22，止推轴肩21和垫片22均位于前液体静压轴承5和前端盖8之间，其中垫片22的厚度大于止推轴肩21的厚度，垫片22一端与前液体静压轴承5接触，另一端与前端盖8接触，止推轴肩21前端与前端盖8之间留有前端间隙211，止推轴肩21后端与前液体静压轴承5之间留有后端间隙212，前端间隙211与后端间隙212内充满液体介质构成液体静压止推轴承，通过更换不同厚度的垫片22，即可调整前端间隙211和后端间隙212的大小，对液体静压止推轴承的调试和维护都非常方便。
前端盖8上设有止推前端导液孔81和前端盖回液通道82，并在与止推轴肩21相对的端面上设有第二环槽静压腔83。垫片22上设有通孔221和回液孔222。前液体静压轴承5上设有第一轴向进液孔53、第一径向进液孔56、止推前端进液孔54和止推后端进液孔55，前液体静压轴承5的外壁上设有第一进液环槽51，前液体静压轴承5的内壁上设有第一静压腔52，前液体静压轴承5靠近止推轴肩21的端面上设有第一环槽静压腔50。垫片22上设有通孔221和回液孔222，前端盖8上设有止推前端导液孔81和前端盖回液通道82，第一进液环槽51一端与前进液通道11连通，另一端经第一径向进液孔56与第一静压腔52连通，第一轴向进液孔53与第一径向进液孔56连通，止推前端进液孔54一端与第一轴向进液孔53连通，另一端依次经通孔221、止推前端导液孔81与前端间隙211连通，止推后端进液孔55一端与第一轴向进液孔53连通，另一端与后端间隙212连通，前端盖回液通道82经回液孔222与前回液通道12连通。
后端盖7上设有后端盖定位凸台，后端盖7通过该凸台定位并与套筒1配合连接，后液体静压轴承6采用过盈配合装设于套筒1后端。后液体静压轴承6上设有第二径向进液孔63，后液体静压轴承6的外壁上设有第二进液环槽61，后液体静压轴承6的内壁上设有第二静压腔62，第二进液环槽61一端与后进液通道13连通，另一端经第二径向进液孔63与第二静压腔62连通。
液体介质通过各径向进液孔迅速的填充到静压腔形成径向支撑静压介质膜，使头架主轴2悬浮于该静压介质膜上，对头架主轴2径向定位；同时，通过止推进液孔迅速的填充到前端间隙211和后端间隙212，在止推轴肩21前后形成轴向支撑静压介质膜，用该静压介质膜对头架主轴2轴向定位。
本实施例中采用高压液体润滑油作为液体介质，下面结合高压液体润滑油在本发明装置中的流经路线对本发明作进一步详细说明。
前液体静压轴承5的油流路线：高压液体润滑油经一部分供液通道15进入套筒1的前进液通道11，经前进液通道11进入前液体静压轴承5上的第一进液环槽51，并经第一进液环槽51进入第一径向进液孔56，再通过第一径向进液孔56进入第一静压腔52，形成径向支撑静压油膜，使头架主轴2悬浮于该静压油膜上，对头架主轴2径向定位，并使头架主轴2不与前液体静压轴承5的内壁之间产生摩擦；第一静压腔52内的高压液体润滑油从前后两侧泄漏，从后侧泄漏的高压液体润滑油直接从套筒1的套筒回液孔17回到储液腔16，从前侧泄漏的高压液体润滑油经回液孔222回流到套筒1的前回液通道12，再从前回液通道12回流至储液腔16，储液腔16内的高压液体润滑油可再通过其他管道送回供油箱，使油液可以循环利用，使从第一静压腔52内泄漏的油液可以不断得到补充。
液体静压止推轴承的油流路线：高压液体润滑油经一部分供液通道15进入套筒1的前进液通道11，经前进液通道11进入前液体静压轴承5上的第一进液环槽51，并经第一进液环槽51进入第一径向进液孔56，再依次经第一轴向进液孔53、止推前端进液孔54、通孔221、止推前端导液孔81后进入第二环槽静压腔83，再填满前端间隙211，另一路通过止推后端进液孔55进入第一环槽静压腔50，再填满后端间隙212，在前端间隙211和后端间隙212内分别形成一层轴向支撑静压油膜，对头架主轴2轴向定位，并使止推轴肩21不与前液体静压轴承5、前端盖8之间产生摩擦；从前端间隙211和后端间隙212泄出的油液依次经回液孔222、前回液通道12进入储液腔16，储液腔16内的高压液体润滑油可再通过其他管道送回供油箱，使油液可以循环利用，使从前端间隙211和后端间隙212内泄漏的油液可以不断得到补充。
后液体静压轴承6的油流路线：高压液体润滑油一部分经供液通道15进入套筒1的后进液通道13，经后进液通道13进入后液体静压轴承6上的第二进液环槽61，再经第二径向进液孔63进入第二静压腔62，形成径向支撑静压油膜，使头架主轴2悬浮于该静压油膜上，对头架主轴2径向定位，并使头架主轴2不与后液体静压轴承6的内壁之间产生摩擦；第二静压腔62内的高压液体润滑油从前后两侧泄漏，从前侧泄漏的高压液体润滑油直接从套筒1的套筒回液孔17回到储液腔16，从后侧泄漏的高压液体润滑油经后端盖7与套筒1后端形成的槽形储油区进入套筒1后端的一径向小孔后，进入后回液通道14，再从后回液通道14回流至储液腔16，储液腔16内的高压液体润滑油可再通过其他管道送回供油箱，使油液可以循环利用，使从第二静压腔62内泄漏的油液可以不断得到补充。
实施例2：如图2所示，本发明的可实现精密超精密磨削的磨床静压头架，包括套筒1、头架主轴2、支撑箱体10、头架电机3和头架顶尖4，头架顶尖4装设于头架主轴2前端，头架主轴2后端套装于头架电机3的转子31内，头架电机3靠近套筒1的一端设有法兰33，头架电机3的定子外壳32通过法兰33固定在套筒1上，将电机的功能与头架主轴2的功能从结构上融为一体，省去了复杂的中间传动环节，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点。套筒1的前端装设有前端盖8，套筒1上设有前进液通道11、前回液通道12、后进液通道13、后回液通道14、供液通道15和设于套筒1中部的套筒回液孔17，支撑箱体10上设有储液腔16，前进液通道11和后进液通道13分别与供液通道15连通，前回液通道12、后回液通道14和套筒回液孔17均与储液腔16连通。前回液通道12、后回液通道14和套筒回液孔17用于将油液回收至储液腔16，再通过其他管道将储液腔16内的油液送回供油箱，使油液可以循环利用。头架主轴2的前后两端分别通过前液体静压轴承5和后液体静压轴承6支承于套筒1上。
前液体静压轴承5采用过盈配合装设于套筒1前端，头架主轴2上设有止推轴肩21，止推轴肩21上套有一圈垫片22，止推轴肩21和垫片22均位于前液体静压轴承5和前端盖8之间，其中垫片22的厚度大于止推轴肩21的厚度，垫片22一端与前液体静压轴承5接触，另一端与前端盖8接触，止推轴肩21前端与前端盖8之间留有前端间隙211，止推轴肩21后端与前液体静压轴承5之间留有后端间隙212，前端间隙211与后端间隙212内充满液体介质构成液体静压止推轴承，通过更换不同厚度的垫片22，即可调整前端间隙211和后端间隙212的大小，对液体静压止推轴承的调试和维护都非常方便。
前端盖8上设有止推前端导液孔81和前端盖回液通道82，并在与止推轴肩21相对的端面上设有第二环槽静压腔83。垫片22上设有通孔221和回液孔222。前液体静压轴承5上设有第一轴向进液孔53、第一径向进液孔56、止推前端进液孔54和止推后端进液孔55，前液体静压轴承5的外壁上设有第一进液环槽51，前液体静压轴承5的内壁上设有第一静压腔52，前液体静压轴承5靠近止推轴肩21的端面上设有第一环槽静压腔50。垫片22上设有通孔221和回液孔222，前端盖8上设有止推前端导液孔81和前端盖回液通道82，第一进液环槽51一端与前进液通道11连通，另一端经第一径向进液孔56与第一静压腔52连通，第一轴向进液孔53与第一径向进液孔56连通，止推前端进液孔54一端与第一轴向进液孔53连通，另一端依次经通孔221、止推前端导液孔81与前端间隙211连通，止推后端进液孔55一端与第一轴向进液孔53连通，另一端与后端间隙212连通，前端盖回液通道82经回液孔222与前回液通道12连通。
法兰33上设有法兰定位凸台，法兰33通过该凸台装配在套筒1后端，后液体静压轴承6采用过盈配合装设于套筒1后端。后液体静压轴承6上设有第二径向进液孔63，后液体静压轴承6的外壁上设有第二进液环槽61，后液体静压轴承6的内壁上设有第二静压腔62，第二进液环槽61一端与后进液通道13连通，另一端经第二径向进液孔63与第二静压腔62连通。
液体介质通过各径向进液孔迅速的填充到静压腔形成径向支撑静压介质膜，使头架主轴2悬浮于该静压介质膜上，对头架主轴2径向定位；同时，通过止推进液孔迅速的填充到前端间隙211和后端间隙212，在止推轴肩21前后形成轴向支撑静压介质膜，用该静压介质膜对头架主轴2轴向定位。
本实施例中的油液流径路线与实施例1基本相同，区别仅在于从第二静压腔62后侧泄漏的高压液体润滑油经法兰33与套筒1装配后形成的槽形储油区进入套筒1的后端的径向小孔后，再回到回液通道14，再从后回液通道14回流至储液腔16。
本发明通过前液体静压轴承5、后液体静压轴承6和液体静压止推轴承实现了对头架主轴2的液体静压式的径向支撑和轴向支撑，使头架主轴2的回转精度高、径向刚度和轴向刚度提高，带动工件旋转时，可使工件旋转的回转精度相应提高，承受磨削载荷的能力增强，同时，头架主轴2与前液体静压轴承5、后液体静压轴承6之间形成的静压油膜阻尼大，非常有利于减少工件加工过程中工件轴的振动，提高工件轴旋转稳定性，从而有利于提高工件的表面轮廓加工精度和工件表面质量；头架主轴2与前液体静压轴承5、后液体静压轴承6和前端盖8之间无接触磨损，精度寿命长，降低设备维护成本；本发明的研制和使用对于提升精密超精密磨削装备的整体水平，进而推进高档数控磨床的产业化具有重要实用价值。
Claims (7)
1、一种可实现精密超精密磨削的磨床静压头架，包括套筒(1)、头架主轴(2)、支撑箱体(10)、连接于头架主轴(2)后端的头架电机(3)和装设于头架主轴(2)前端的头架顶尖(4)，套筒(1)装设于支撑箱体(10)上，套筒(1)的后端装设有后端盖(7)，套筒(1)的前端装设有前端盖(8)，其特征在于：所述头架主轴(2)的前后两端分别通过前液体静压轴承(5)和后液体静压轴承(6)支承于套筒(1)上，前液体静压轴承(5)和后液体静压轴承(6)均与头架主轴(2)之间充满有液体介质，头架主轴(2)上设有止推轴肩(21)，止推轴肩(21)上套有一圈垫片(22)，所述止推轴肩(21)和垫片(22)均位于前液体静压轴承(5)和前端盖(8)之间，止推轴肩(21)前端与前端盖(8)之间留有前端间隙(211)，止推轴肩(21)后端与前液体静压轴承(5)之间留有后端间隙(212)，前端间隙(211)与后端间隙(212)内充满液体介质构成液体静压止推轴承。
2、根据权利要求1所述的可实现精密超精密磨削的磨床静压头架，其特征在于：所述套筒(1)的后端装设有后端盖(7)，头架主轴(2)后端通过联轴器(9)头架电机(3)连接。
3、根据权利要求1所述的可实现精密超精密磨削的磨床静压头架，其特征在于：所述头架主轴(2)后端套装于头架电机(3)的转子(31)内，头架电机(3)靠近套筒(1)的一端设有法兰(33)，头架电机(3)的定子外壳(32)通过法兰(33)固定在套筒(1)上。
4、根据权利要求1至3中任一项所述的可实现精密超精密磨削的磨床静压头架，其特征在于：所述套筒(1)上设有前进液通道(11)、前回液通道(12)、后进液通道(13)、后回液通道(14)、供液通道(15)和设于套筒(1)中部的套筒回液孔(17)，所述支撑箱体(10)上设有储液腔(16)，所述前进液通道(11)和后进液通道(13)分别与供液通道(15)连通，所述前回液通道(12)、后回液通道(14)和套筒回液孔(17)均与储液腔(16)连通。
5、根据权利要求4所述的可实现精密超精密磨削的磨床静压头架，其特征在于：所述前液体静压轴承(5)上设有第一轴向进液孔(53)、第一径向进液孔(56)、止推前端进液孔(54)和止推后端进液孔(55)，前液体静压轴承(5)的外壁上设有第一进液环槽(51)，前液体静压轴承(5)的内壁上设有第一静压腔(52)，所述垫片(22)上设有通孔(221)和回液孔(222)，所述前端盖(8)上设有止推前端导液孔(81)和前端盖回液通道(82)，第一进液环槽(51)一端与前进液通道(11)连通，另一端经第一径向进液孔(56)与第一静压腔(52)连通，第一轴向进液孔(53)与第一径向进液孔(56)连通，止推前端进液孔(54)一端与第一轴向进液孔(53)连通，另一端依次经通孔(221)、止推前端导液孔(81)与前端间隙(211)连通，止推后端进液孔(55)一端与第一轴向进液孔(53)连通，另一端与后端间隙(212)连通，前端盖回液通道(82)经回液孔(222)与前回液通道(12)连通。
6、根据权利要求4所述的可实现精密超精密磨削的磨床静压头架，其特征在于：所述后液体静压轴承(6)上设有第二径向进液孔(63)，后液体静压轴承(6)的外壁上设有第二进液环槽(61)，后液体静压轴承(6)的内壁上设有第二静压腔(62)，第二进液环槽(61)一端与后进液通道(13)连通，另一端经第二径向进液孔(63)与第二静压腔(62)连通。
7、根据权利要求5所述的可实现精密超精密磨削的磨床静压头架，其特征在于：所述后液体静压轴承(6)上设有第二径向进液孔(63)，后液体静压轴承(6)的外壁上设有第二进液环槽(61)，后液体静压轴承(6)的内壁上设有第二静压腔(62)，第二进液环槽(61)一端与后进液通道(13)连通，另一端经第二径向进液孔(63)与第二静压腔(62)连通。
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