CN102133649B

CN102133649B - 一种紧凑型动静压陶瓷主轴装置

Info

Publication number: CN102133649B
Application number: CN 201110107829
Authority: CN
Inventors: 林彬; 闫帅; 刘峰
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: CN102133649A

Abstract

本发明公开了一种紧凑型动静压陶瓷主轴装置，在结构设计上采用中间径向两端止推的形式，同时采用金属对陶瓷摩擦副全包容的结构，且各陶瓷零件在设计上应避免形状突变。本发明的支承轴承均为陶瓷动静压轴承，且同时具有径向承压功能和轴向止推功能；防止陶瓷零件受到大的拉伸作用或零件边缘受力过大发生断裂，减少陶瓷零件内部的应力集中，防止由于陶瓷零件本身设计缺陷造成断裂事故；径向轴承的出液压力当做止推轴承的供液压力，节省润滑液流量；径向轴承的缝隙当做止推轴承的节流器，节省节流器成本；径向轴承和止推轴承紧密结合，使主轴径向承压功能和轴向止推功能不变的情况下长度缩短，结构更加紧凑和简单、加工方便。

Description

一种紧凑型动静压陶瓷主轴装置

技术领域

本发明涉及一种机械装配部件，具体的说，是涉及一种动静压主轴装置。

背景技术

数控机床正朝着超高速超精密方向发展，机床主轴作为数控机床的核心部件决定了机床的性能水平。液体动静压支承方式因其优良的高速性能、高减振性、高回转精度、高刚度和小阻尼等优点，被广泛应用于高速精密机床领域。

目前，普通液体动静压电主轴的主要问题是：润滑油温升引起主轴精度误差过大、摩擦副磨损造成主轴寿命低等。传统动静压主轴为油润滑，主轴高速运转时油温过高，一方面油的粘度降低影响主轴承载刚度，另一方面引起主轴高温变形，均会影响主轴精度和运转稳定性。另外传统主轴的摩擦副材料均为金属，耐磨性、高温强度、耐腐蚀性等性能均不理想。

为了解决油润滑主轴的温升问题，出现了以水作为润滑液的主轴。但是水粘度低，导致水润滑主轴的承载能力差。

发明内容

本发明要解决的是高速机床动静压主轴存在油润滑主轴温升高、水润滑主轴承载能力差、金属摩擦副寿命短的问题，提供一种紧凑型的动静压主轴装置，在保证主轴承载能力的前提下，降低主轴液膜温升，提高主轴摩擦副寿命。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种紧凑型动静压陶瓷主轴装置，包括主轴和机座，所述主轴中间位置粘接或过盈装配有主轴衬套，主轴衬套上粘接或过盈装配有径向陶瓷轴套，径向陶瓷轴套的两端装配有止推陶瓷轴套，止推陶瓷轴套的外侧分别装配有一组止推轴套衬套，主轴前端的止推轴套衬套的左端面紧靠主轴轴肩的右端面，止推陶瓷轴套粘接或过盈装配在止推轴套衬套的止推内孔内部，止推内孔的深度与止推陶瓷轴套的轴向厚度相等，主轴后部粘接或过盈装配有锁紧部件，锁紧部件的左端面紧靠主轴后端的止推轴套衬套的右端面；

在两个止推轴套衬套4内侧分别设置有固定在机座上的一组止推轴瓦衬套和一组止推陶瓷轴瓦，止推陶瓷轴瓦粘接或过盈装配在止推轴瓦衬套的止推内孔内部，止推陶瓷轴瓦的外端面紧靠止推陶瓷轴套的内端面，止推陶瓷轴瓦的外端面设置有环状液腔，止推轴瓦衬套设置有止推内孔和径向内孔，径向内孔用于形成轴承间隙，止推内孔用于安装止推陶瓷轴瓦，止推内孔的深度与止推陶瓷轴瓦的轴向厚度相等，止推轴瓦衬套外侧设置有泄液环状凹槽，泄液环状凹槽底端设置有泄液孔，泄液环状凹槽的位置在止推陶瓷轴套与止推陶瓷轴瓦的接触面外侧；

两个止推轴瓦衬套之间设置有固定在机座上的径向陶瓷轴瓦，径向陶瓷轴瓦外部在轴向上对称设置有两个径向进液环状凹槽，径向进液环状凹槽底部设置有周向均布的进液孔，径向陶瓷轴瓦内壁对应于进液孔位置设置有液腔，进液孔与液腔之间设置有节流器，在径向陶瓷轴瓦外部的机座上对应于径向进液环状凹槽设置有径向进液环状凹槽，该径向进液环状凹槽联通有机座上的供液孔；

紧靠止推轴瓦衬套的外端面固接有轴瓦端盖，轴瓦端盖设置有底端设置有泄液孔的泄液环状凹槽；其中径向陶瓷轴套、径向陶瓷轴瓦、止推陶瓷轴套、止推陶瓷轴瓦的非摩擦副表面由金属制轴瓦端盖、止推轴瓦衬套、止推轴套衬套、主轴衬套、机座分别进行包容。

所述径向陶瓷轴瓦的液腔是深液腔、浅液腔、楔面液腔、缝隙式液腔或小孔式液腔。

所述止推陶瓷轴瓦的环状液腔是深液腔、浅液腔或多楔面液腔。

所述的径向陶瓷轴瓦的节流器是毛细管节流器、小孔式节流器、隙缝式节流器或多孔质节流器。

所述陶瓷轴瓦的进液孔为3个～8个。

本发明的有益效果是：

本发明的紧凑型动静压陶瓷主轴装置，能够改善油润滑主轴高速下温升过高、水润滑主轴承载能力小的问题，提高轴承-主轴摩擦副的耐磨性、耐化学腐蚀性和抗热膨胀性，能够提高主轴转速、承载能力、运行寿命、运转稳定性、运转精度。

本发明中主轴装置的润滑液优选采用水基润滑液，润滑液的基础液是水，加入增粘剂调节润滑液的粘度。此水基润滑液有两方面效果：一、主轴高速下润滑液温升低，解决了普通油润滑主轴高速下油膜温升过高的问题，从而避免了高温下润滑油粘度降低带来的主轴刚度、承载能力下降，而且能够防止润滑油粘度突降导致的主轴运转稳定性下降。二、通过调节水基润滑液的粘度，解决了水润滑主轴承载能力差的问题。

本发明中主轴装置中摩擦副的材料为陶瓷，有以下效果：一、陶瓷材料耐磨损、耐化学腐蚀，能够提高主轴寿命，使主轴长期保持高精度状态。二、陶瓷材料热膨胀系数低，能够使主轴和轴瓦高温下的热变形较小，使主轴精度受温度影响小。三、陶瓷材料能够适应水基润滑液低粘度润滑易发生边界摩擦和干摩擦的状态。

本发明中主轴装置在结构设计上采用中间径向两端止推的形式，同时采用金属对陶瓷摩擦副全包容的结构，且各陶瓷零件在设计上应避免形状突变。采用以上结构形式，有以下效果：一、为适应主轴工作要求，主轴的支承轴承均为陶瓷动静压轴承，且同时具有径向承压功能和轴向止推功能。二、主轴采用金属对陶瓷摩擦副全包容的结构，这是为了弥补陶瓷材料拉伸强度差、脆性大的不足，防止陶瓷零件受到大的拉伸作用、较大的冲击作用或零件边缘受力过大发生断裂。三、各陶瓷零件在设计上避免了形状突变，减少陶瓷零件内部的应力集中，防止由于陶瓷零件本身设计缺陷造成断裂事故。四、径向轴承的出液压力当做止推轴承的供液压力，节省润滑液流量。五、径向轴承的径向轴承缝隙当做止推轴承的节流器，节省节流器成本。六、径向轴承和止推轴承紧密结合，使主轴径向承压功能和轴向止推功能不变的情况下长度缩短，结构更加紧凑和简单、加工方便，提高制造时的工作效率。

附图说明

图1是本发明的整体装配示意图；

图2是图1中轴瓦端盖的结构示意图；

图3是图2的A2-A2剖视图；

图4是图1中止推轴瓦衬套的结构示意图；

图5是图4的A3-A3剖视图；

图6是图1中止推轴套衬套的结构示意图；

图7是图6的A4-A4剖视图；

图8是图1中止推陶瓷轴套的结构示意图；

图9是图8的A5-A5剖视图；

图10是图1中止推陶瓷轴瓦的结构示意图；

图11是图10的A6-A6剖视图；

图12是图1中径向陶瓷轴瓦的结构示意图；

图13是图12的A7-A7剖视图；

图14是图12的B7-B7剖视图。

图中：1：主轴；

2：轴瓦端盖，2-1：泄液环状凹槽，2-2：泄液孔；

3：止推轴瓦衬套，3-1：泄液环状凹槽，3-2：泄液孔，3-3：止推内孔，3-4：径向内孔；

4：止推轴套衬套，4-1：止推内孔；

5：止推陶瓷轴套；

6：止推陶瓷轴瓦，6-1：环状液腔；

7：径向陶瓷轴瓦，7-1：径向进液环状凹槽，7-2：径向进液孔，7-3：液腔，7-4：节流器；

8：径向陶瓷轴套；

9：主轴衬套；

10：锁紧部件；

11：机座。

具体实施方式

本发明针对普通油润滑主轴高速下温升过高、水润滑主轴承载能力小的问题，提出了一种紧凑型动静压陶瓷主轴装置，其中主轴的润滑剂为水基润滑液。为解决传统主轴-轴承金属摩擦副耐磨损性差、热膨胀系数高的问题，且为适应水基润滑液低粘度润滑易发生边界摩擦和干摩擦的状态，本发明中的主轴-轴承摩擦副材料为陶瓷材料。现有的陶瓷滑动轴承结构过于简单，不能适应主轴工作需要，且陶瓷零件易出现应力集中，本发明中主轴结构设计上采用适应主轴的具有径向承压功能和轴向止推功能的陶瓷动静压轴承布置形式，同时采用金属对陶瓷摩擦副全包容的结构，且各陶瓷零件在设计上避免形状突变。

下面结合附图和实施例，大致按照结构上由内向外的顺序对本发明作进一步的详细描述：本实施例披露了一种精密型动静压陶瓷主轴装置。如图1所示，径向陶瓷轴套8、主轴衬套9、锁紧部件10以及对称设置的一组止推轴套衬套4、一组止推陶瓷轴套5固连在一起，随主轴1旋转；径向陶瓷轴瓦7以及对称设置的一组轴瓦端盖2、一组止推轴瓦衬套3和一组止推陶瓷轴瓦6为固定件，固定在机座11内静止不动。

对称零件以本装置的左半部分为例具体说明，主轴1中间位置装配有主轴衬套9，装配形式可以为粘接或过盈装配。主轴衬套9上粘接或过盈装配有径向陶瓷轴套8，径向陶瓷轴套8的两端装配有止推陶瓷轴套5，止推陶瓷轴套5的外侧分别装配有止推轴套衬套4，主轴1前端的止推轴套衬套4的左端面紧靠主轴1轴肩的右端面。结合图6至图9所示，止推陶瓷轴套5粘接或过盈装配在止推轴套衬套4的止推内孔4-1内部，止推内孔4-1的深度与止推陶瓷轴套5的轴向厚度相等，从而实现止推轴套衬套4对止推陶瓷轴套5的全包容效果。主轴1后部粘接或过盈装配有锁紧部件10，锁紧部件10的左端面紧靠主轴1后端的止推轴套衬套4的右端面，与主轴1的轴肩从两端共同对止推轴套衬套4、止推陶瓷轴套5、径向陶瓷轴套8起定位作用。

在两个止推轴套衬套4内侧分别设置有固定在机座11上的止推轴瓦衬套3和止推陶瓷轴瓦6，止推陶瓷轴瓦6粘接或过盈装配在止推轴瓦衬套3的止推内孔3-3内部，止推陶瓷轴瓦6的左端面紧靠止推陶瓷轴套5的右端面。如图10和图11所示，止推陶瓷轴瓦6的左端面设置有环状液腔6-1；如图4和图5所示，止推轴瓦衬套3设置有止推内孔3-3和径向内孔3-4，径向内孔3-4用于形成轴承间隙，止推内孔3-3用于安装止推陶瓷轴瓦6，止推内孔3-3的深度与止推陶瓷轴瓦6的轴向厚度相等，从而实现止推轴瓦衬套3对止推陶瓷轴瓦6的全包容。止推轴瓦衬套3外侧设置有泄液环状凹槽3-1，泄液环状凹槽3-1底端设置有泄液孔3-2，泄液环状凹槽3-1的位置在止推陶瓷轴套5与止推陶瓷轴瓦6的接触面外侧。

两个止推轴瓦衬套3之间设置有固定在机座11上的径向陶瓷轴瓦7，如图12至图14所示，径向陶瓷轴瓦7外部在轴向上对称设置有两个径向进液环状凹槽7-1，径向进液环状凹槽7-1底部设置有若干周向均布的进液孔7-2，其数量一般为三至八个，径向陶瓷轴瓦7内壁对应于进液孔7-2位置设置有液腔7-3，其具体结构可以是深液腔、浅液腔、楔面液腔、缝隙式液腔或者小孔式液腔等，根据实际工况选择。进液孔7-2与液腔7-3之间设置有节流器7-4，其结构具体可以是毛细管节流器、小孔式节流器或者多孔质节流器等，根据实际工况选择。在径向陶瓷轴瓦7外部的机座11上对应于径向进液环状凹槽7-1设置有径向进液环状凹槽，该径向进液环状凹槽联通有机座11上的供液孔，同时机座11对径向陶瓷轴瓦7实现了全包容效果。

紧靠止推轴瓦衬套3的左端面固接有轴瓦端盖2，轴瓦端盖2设置有泄液环状凹槽2-1，泄液环状凹槽2-1底端设置有泄液孔2-2。

径向陶瓷轴套8与径向陶瓷轴瓦7之间构成径向轴承间隙，止推陶瓷轴套5与止推陶瓷轴瓦6构成止推轴承间隙。具体的径向轴承间隙和止推轴承间隙值应视工作条件而定，范围包括从毫米级至微米级。除陶瓷滑动摩擦副涉及的接触面以外，径向陶瓷轴套8、径向陶瓷轴瓦7、止推陶瓷轴套5、止推陶瓷轴瓦6的其他表面由金属材料制成的轴瓦端盖2、止推轴瓦衬套3、止推轴套衬套4、主轴衬套9、机座11分别进行包容，从而形全包容结构，较只由陶瓷摩擦副构成的轴承结构而言改善了受力情况，有效改善了主轴上陶瓷零件的应力集中现象，弥补了陶瓷零件拉伸强度差、脆性大等材料缺陷，大大提高了主轴使用的安全性和可靠性。

在工作过程中，先将润滑液以一定的液压由机座11的总供液孔注入，再对称地分为左右两路分别由机座11内的供液孔流入机座11上径向进液环状凹槽与径向陶瓷轴瓦7的径向进液环状凹槽7-1共同构成的环形回路中，随后液流沿径向陶瓷轴瓦7的进液孔7-2和节流器7-4流入液腔7-3。径向陶瓷轴套8与径向陶瓷轴瓦7之间的径向轴承间隙形成承载液膜，节流器7-4将静压效应发挥得更加充分；在主轴1带动径向陶瓷轴套8旋转时，径向陶瓷轴瓦7与径向陶瓷轴套8之间将产生明显的动压效应，提高整个轴承的径向承载能力与刚度。径向轴承间隙中的润滑液再通过径向陶瓷轴瓦7、止推轴瓦衬套3、止推陶瓷轴瓦6与径向陶瓷轴套8之间的缝隙流入到止推陶瓷轴瓦6的环状液腔6-1中，该缝隙起到隙缝式节流器的作用。止推陶瓷轴瓦6和止推陶瓷轴套5的止推轴承间隙中形成完整止推承载液膜，隙缝式节流器将静压效应发挥得更加充分，在主轴1带动止推陶瓷轴瓦6旋转时，止推陶瓷轴瓦6和止推陶瓷轴套5之间将产生明显的动压效应。止推轴承间隙中的润滑液最终通过两级泄液结构泻出，第一级泄液结构为止推轴瓦衬套3的泄液环状凹槽3-1和泄液孔3-2，第二级泄液结构为轴瓦端盖2的泄液环状凹槽2-1和泄液孔2-2，两级泄液结构能够使润滑液完全泻出，增强主轴-轴承密封效果。

需要特别指出的是，用于制造以上所有陶瓷零件的陶瓷材料，主要包括采用各种制备方法形成氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷两类。其中氧化物陶瓷轴承主要包括氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)等材料，非氧化物陶瓷主要包括碳化硅(SiC)和氮化硅(Si₃N₄)等材料。并且需注意，各陶瓷零件可以分别采用不同的陶瓷材料制作，不同材料的陶瓷轴承摩擦副的性能各有偏重。用于制造以上所有金属零件的金属材料，具体地可以是碳素结构钢、合金结构钢、钛合金等各种金属材料。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种紧凑型动静压陶瓷主轴装置，包括主轴（1）和机座（11），其特征在于，所述主轴（1）中间位置粘接或过盈装配有主轴衬套（9），主轴衬套（9）上粘接或过盈装配有径向陶瓷轴套（8），径向陶瓷轴套（8）的两端装配有止推陶瓷轴套（5），止推陶瓷轴套（5）的外侧分别装配有一组止推轴套衬套（4），主轴（1）前端的止推轴套衬套（4）的左端面紧靠主轴（1）轴肩的右端面，止推陶瓷轴套（5）粘接或过盈装配在止推轴套衬套（4）的止推内孔（4-1）内部，止推内孔（4-1）的深度与止推陶瓷轴套（5）的轴向厚度相等，主轴（1）后部粘接或过盈装配有锁紧部件（10），锁紧部件（10）的左端面紧靠主轴（1）后端的止推轴套衬套(4)的右端面；

在两个止推轴套衬套(4)内侧分别设置有固定在机座（11）上的一组止推轴瓦衬套（3）和一组止推陶瓷轴瓦（6），止推陶瓷轴瓦（6）粘接或过盈装配在止推轴瓦衬套（3）的止推内孔（3-3）内部，止推陶瓷轴瓦（6）的外端面紧靠止推陶瓷轴套（5）的内端面，止推陶瓷轴瓦（6）的外端面设置有环状液腔（6-1），止推轴瓦衬套(3)设置有止推内孔(3-3)和径向内孔(3-4)，径向内孔（3-4）用于形成轴承间隙，止推内孔（3-3）用于安装止推陶瓷轴瓦（6），止推内孔（3-3）的深度与止推陶瓷轴瓦（6）的轴向厚度相等，止推轴瓦衬套（3）外侧设置有泄液环状凹槽（3-1），泄液环状凹槽（3-1）底端设置有泄液孔（3-2），泄液环状凹槽（3-1）的位置在止推陶瓷轴套（5）与止推陶瓷轴瓦（6）的接触面外侧；

两个止推轴瓦衬套（3）之间设置有固定在机座（11）上的径向陶瓷轴瓦（7），径向陶瓷轴瓦（7）外部在轴向上对称设置有两个径向进液环状凹槽（7-1），径向进液环状凹槽（7-1）底部设置有周向均布的进液孔（7-2），径向陶瓷轴瓦（7）内壁对应于进液孔（7-2）位置设置有液腔（7-3），进液孔（7-2）与液腔（7-3）之间设置有节流器（74），在径向陶瓷轴瓦（7）外部的机座（11）上对应于径向进液环状凹槽（7-1）设置有径向进液环状凹槽，该径向进液环状凹槽联通有机座（11）上的供液孔；

紧靠止推轴瓦衬套（3）的外端面固接有轴瓦端盖（2），轴瓦端盖（2）设置有底端设置有泄液孔（2-2）的泄液环状凹槽（2-1）；其中径向陶瓷轴套（8）、径向陶瓷轴瓦（7）、止推陶瓷轴套（5）、止推陶瓷轴瓦（6）的非摩擦副表面由金属制轴瓦端盖（2）、止推轴瓦衬套（3）、止推轴套衬套（4）、主轴衬套（9）、机座（11）分别进行包容。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型动静压陶瓷主轴装置，其特征在于，所述径向陶瓷轴瓦（7）的液腔（7-3）是深液腔、浅液腔、楔面液腔、缝隙式液腔或小孔式液腔。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型动静压陶瓷主轴装置，其特征在于，所述止推陶瓷轴瓦（6）的环状液腔（6-1）是深液腔、浅液腔或多楔面液腔。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑型动静压陶瓷主轴装置，其特征在于，所述的径向陶瓷轴瓦（7）的节流器（7-4）是毛细管节流器、小孔式节流器、隙缝式节流器或多孔质节流器。

5.根据权利要求1所述的一种紧凑型动静压陶瓷主轴装置，其特征在于，所述陶瓷轴瓦（7）的进液孔（7-2）为3个～8个。