CN102151852A - 一种动静压陶瓷主轴装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动静压陶瓷主轴装置，主轴装置在结构设计上采用锥面轴承对称布置的结构，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。本发明支承轴承为陶瓷动静压轴承，前后轴承均采用锥面动静压轴承，同时具有径向承压功能和轴向止推功能，结构简单，轴向间隙调整方便；采用金属对陶瓷摩擦副全包容的结构，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，各陶瓷零件在设计上避免形状突变，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。

Description

一种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，是涉及一种高速动静压主轴装置。

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，提供一种的动静压陶瓷主轴装置，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：

一种动静压陶瓷主轴装置，包括主轴和机座，所述主轴前后对称设置有锥面轴承，所述锥面轴承包括一端设置有凸缘的主轴衬套，所述主轴衬套以凸缘紧靠在主轴轴肩上为定位固定在主轴上，所述主轴衬套以凸缘内侧为定位依次固定装配有锥形陶瓷轴套和轴套端盖，所述锥形陶瓷轴套的外径面为锥面，轴套端盖和凸缘分别与锥形陶瓷轴套的两端面对齐，以实现对锥形陶瓷轴套的包容结构；

所述主轴衬套外部以其内端面为基准设置有固定安装在机座上的轴瓦衬套，所述轴瓦衬套的径向内孔的侧壁设置有进液环状凹槽，所述进液环状凹槽顶端连接有一个延伸到轴瓦衬套外部并与机座内供液孔相通的进液孔，轴瓦衬套内端一侧设置有泄液结构，轴瓦衬套外端凸台端面还设置有与机座内泄液孔相通的横向泄液孔；

所述轴瓦衬套的径向内孔内固定有内腔面为锥面的锥形陶瓷轴瓦，所述锥形陶瓷轴瓦以径向内孔的孔底端为定位基准，其左端面与锥形陶瓷轴套的左端面齐平，所述锥形陶瓷轴瓦外部对应于进液环状凹槽设置有进液环状凹槽，所述进液环状凹槽底部设置有周向均布的进液孔，锥形陶瓷轴瓦内壁对应于进液孔位置设置有液腔，进液孔和液腔之间设置有节流器；

所述轴瓦衬套外端安装有设置有泄液结构的轴瓦端盖，泄液结构通过横向泄液孔和轴瓦衬套的横向泄液孔连通到机座内排液孔。

所述轴瓦端盖和轴瓦衬套泄液结构为三级泄液结构，由内而外依次包括第一泄液环状凹槽和设置在其底端的第一泄液孔、第二泄液环状凹槽和设置在其底端的第二泄液孔、第三泄液环状凹槽和设置在其底端的第三泄液孔。

所述锥形陶瓷轴瓦的液腔可以是深液腔、浅液腔、楔面液腔、缝隙式液腔或小孔式液腔。

所述锥形陶瓷轴瓦的进液孔为3个～8个。

所述锥形陶瓷轴瓦的节流器可以是毛细管节流器、小孔式节流器、隙缝式节流器或多孔质节流器。

本发明的有益效果是：

本发明的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锥面轴承对称布置的结构，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、前后轴承均采用锥面动静压轴承，锥面动静压轴承能同时承受径向和轴向载荷，两个锥面动静压轴承就能满足主轴承载需要，结构简单。五、主轴采用锥面动静压轴承，可以通过调整轴承的轴向位置改变锥面间隙，调整方便。

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的的A3-A3剖视图；

图4是图3的仰视图；

图5是图4的B3-B3剖视图；

图6是图4的C3-C3剖视图；

图7是图1中轴瓦衬套的结构示意图；

图8是图7的的A4-A4剖视图；

图9是图8的仰视图；

图10是图9的D4-D4剖视图；

图11是图9的C4-C4剖视图；

图12是图1中锥形陶瓷轴瓦的结构示意图；

图13是图12的A5-A5剖视图；

图14是图12的B5-B5剖视图；

图15是图1中锥形陶瓷轴套的结构示意图；

图16是图15的A6-A6剖视图；

图17是图1中主轴衬套的结构示意图；

图18是图17的A7-A7剖视图；

图中：1：主轴；

2：轴套端盖；

3：轴瓦端盖，3-1：第三泄液环状凹槽，3-2：第二泄液环状凹槽，3-3：第一泄液环状凹槽，3-4：第三泄液孔，3-5：第二泄液孔，3-6：第一泄液孔，3-7：横向泄液孔；

4：轴瓦衬套，4-1：横向泄液孔，4-2：进液孔，4-3：进液环状凹槽，4-4：第一泄液环状凹槽，4-5：第二泄液环状凹槽，4-6：第三泄液环状凹槽，4-7：第三泄液孔，4-8：第二泄液孔，4-9：第一泄液孔，4-10：径向内孔；

5：锥形陶瓷轴瓦，5-1：进液环状凹槽，5-2：进液孔，5-3：液腔，5-4：节流器；

6：锥形陶瓷轴套；

7：主轴衬套，7-1：凸缘；

8：机座；9：定子；10：转子。

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。针对单纯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动静压陶瓷主轴装置。如图1所示，轴套端盖2、锥形陶瓷轴套6、主轴衬套7固连在一起，随主轴1旋转；为固定件，轴瓦端盖3、轴瓦衬套4、锥形陶瓷轴瓦5为固定件，固定在机座8内静止不动。

如图1所示，主轴1上安装有转子10，转子10外部对应设置有安装在机座8上的定子9，主轴1前后分别对称地安装有锥面轴承。本实施例是以电机转子10和定子9布置在主轴1中部为例的，除此以外，也可以将电机转子10和定子9布置在主轴1后端，亦可采用外置电机经传动件带动主轴1旋转的方式。

下面以主轴1前端轴承为例详细说明轴承结构，结合图17和图18所示，主轴衬套7粘接或过盈装配在主轴1上，其凸缘7-1的右端面紧靠在主轴1的左轴肩。主轴衬套7上粘接或过盈装配有锥形陶瓷轴套6和轴套端盖2，如图15和16所示，锥形陶瓷轴套6为圆台形状，即其外径面为锥面结构，其较大外径一端的端面紧靠凸缘7-1内侧，凸缘7-1对锥形陶瓷轴套6轴向定位，且凸缘7-1外径与锥形陶瓷轴套6最大外径相等。轴套端盖2右端面紧靠陶瓷轴套6较小外径一端的端面，且轴套端盖2外径与锥形陶瓷轴套6最小外径相等，从而实现主轴衬套7和轴套端盖2对锥形陶瓷轴套6的全包容结构。锥形陶瓷轴套6和轴套端盖2之间，以及它们与主轴衬套7之间同样采用粘接或者过盈配合装配。

轴瓦衬套4以其右端面与主轴衬套7右端面齐平而固定在机座8上，如图7至图8所示，轴瓦衬套4包括径向内孔4-10，径向内孔4-10的侧壁设置有进液环状凹槽4-3，进液环状凹槽4-3顶端连接有一个延伸到轴瓦衬套4外部并与机座8内供液孔相通的进液孔4-2。轴瓦衬套4右端部设置有三级泄液结构，由内向外依次包括第一泄液环状凹槽4-4和设置在其底端的第一泄液孔4-9、第二泄液环状凹槽4-5和设置在其底端的第二泄液孔4-8、第三泄液环状凹槽4-6和设置在其底端的第三泄液孔4-7，具体布置形式详见图9至图11。轴瓦衬套4的凸台端面还设置有两个与机座8内泄液孔相通的横向泄液孔4-1。

轴瓦衬套4的径向内孔4-10内固定有锥形陶瓷轴瓦5，锥形陶瓷轴瓦5以径向内孔4-10的孔底端为定位基准，同时锥形陶瓷轴瓦5的左端面与锥形陶瓷轴套6的左端面齐平。锥形陶瓷轴瓦5的内腔为与锥形陶瓷轴套6对应的圆台形状，即其内径面为锥面结构，使得锥形陶瓷轴瓦5能够刚好设置于锥形陶瓷轴套6外层。其中锥面方向也可以与本实施例相反，而其它零件结构需按照全包容和便于装配的原则做相应更改。如图12至图14所示，锥形陶瓷轴瓦5外部对应于进液环状凹槽4-3设置有进液环状凹槽5-1，进液环状凹槽4-3和进液环状凹槽5-1共同构成介于金属材料和陶瓷材料两种材料之间的环形回路。进液环状凹槽5-1底部设置有若干周向均布的进液孔5-2，其个数一般为3个至8个。锥形陶瓷轴瓦5内壁对应于进液孔5-2位置设置有液腔5-3，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液油腔等，根据实际工况选择。进液孔5-2和液腔5-3之间设置有节流器5-4，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。

轴瓦衬套4外端安装有轴瓦端盖3，如图2至图6所示，轴瓦端盖3也设置有三级泄液结构，由内向外依次包括第一泄液环状凹槽3-3和设置在其底端的第一泄液孔3-6、第二泄液环状凹槽3-2和设置在其底端的第二泄液孔3-5、第三泄液环状凹槽3-1和设置在其底端的第三泄液孔3-4，三级泄液结构通过横向泄液孔3-7和轴瓦衬套4的横向泄液孔4-1连通到机座8内排液孔。

陶瓷材料制成的锥形陶瓷轴瓦5和锥形陶瓷轴套6构陶瓷摩擦副，摩擦副之间形成锥形轴承间隙，锥形轴承间隙的锥角值应视工作条件而定，范围包括从5度～85度，具体的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。除陶瓷摩擦副组成的滑动轴承接触面以外，锥形陶瓷轴瓦5和锥形陶瓷轴套6的其他表面由金属材料制成的轴套端盖2、轴瓦端盖3、轴瓦衬套4、主轴衬套7分别进行包容，从而轴承的全包容结构。锥形陶瓷轴瓦5的左端面由轴瓦端盖3的右端面进行包容，轴瓦端盖3在起到包容作用的同时，还起到了密封的作用，此结构比单独做锥形陶瓷轴瓦5的左端面的金属包容件再做端盖密封件要简单，若遇到较大载荷、较大冲击的工作情况，也可单独做金属包容件加强包容效果，更好的保护陶瓷件。

在工作过程中，先将润滑液以一定的液压由机座8的总供液孔注入，再对称地分为左右两路分别由机座8内的供液孔经过进液孔5-2进入进液环状凹槽4-3和进液环状凹槽5-1构成的环形回路，随后沿锥形陶瓷轴瓦5的进液孔5-2和节流器5-4流入液腔5-3。锥形陶瓷轴瓦5和锥形陶瓷轴套6之间的锥面轴承间隙形成完整承载液膜，节流器5-4将静压效应发挥得更加充分；在主轴1带动锥形陶瓷轴套6旋转时，锥形陶瓷轴套6和锥形陶瓷轴瓦5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。锥面轴承间隙中的润滑液再分别通过轴瓦端盖3和轴瓦衬套4的三级泄液结构排出。

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 (5)

1.一种动静压陶瓷主轴装置，包括主轴(1)和机座(8)，其特征在于，所述主轴(1)前后对称设置有锥面轴承，所述锥面轴承包括一端设置有凸缘(7-1)的主轴衬套(7)，所述主轴衬套(7)以凸缘(7-1)紧靠在主轴(1)轴肩上为定位固定在主轴(1)上，所述主轴衬套(7)以凸缘(7-1)内侧为定位依次固定装配有锥形陶瓷轴套(6)和轴套端盖(2)，所述锥形陶瓷轴套(6)的外径面为锥面，轴套端盖(2)和凸缘(7-1)分别与锥形陶瓷轴套(6)的两端面对齐，以实现对锥形陶瓷轴套(6)的包容结构；

所述主轴衬套(7)外部以其内端面为基准设置有固定安装在机座(8)上的轴瓦衬套(4)，所述轴瓦衬套(4)的径向内孔(4-10)的侧壁设置有进液环状凹槽(4-3)，所述进液环状凹槽(4-3)顶端连接有一个延伸到轴瓦衬套(4)外部并与机座(8)内供液孔相通的进液孔(5-2)，轴瓦衬套(4)内端一侧设置有泄液结构，轴瓦衬套(4)外端凸台端面还设置有与机座(8)内泄液孔相通的横向泄液孔(4-1)；

所述轴瓦衬套(4)的径向内孔(4-10)内固定有内腔面为锥面的锥形陶瓷轴瓦(5)，所述锥形陶瓷轴瓦(5)以径向内孔(4-10)的孔底端为定位基准，其左端面与锥形陶瓷轴套(6)的左端面齐平，所述锥形陶瓷轴瓦(5)外部对应于进液环状凹槽(4-3)设置有进液环状凹槽(5-1)，所述进液环状凹槽(5-1)底部设置有周向均布的进液孔(5-2)，锥形陶瓷轴瓦(5)内壁对应于进液孔(5-2)位置设置有液腔(5-3)，进液孔(5-2)和液腔(5-3)之间设置有节流器(5-4)；

所述轴瓦衬套(4)外端安装有设置有泄液结构的轴瓦端盖(3)，泄液结构通过横向泄液孔(3-7)和轴瓦衬套(4)的横向泄液孔(4-1)连通到机座(8)内排液孔。

2.根据权利要求1所述的一种动静压陶瓷主轴装置，其特征在于，所述轴瓦端盖(3)和轴瓦衬套(4)泄液结构为三级泄液结构，由内而外依次包括第一泄液环状凹槽和设置在其底端的第一泄液孔、第二泄液环状凹槽和设置在其底端的第二泄液孔、第三泄液环状凹槽和设置在其底端的第三泄液孔。

3.根据权利要求1所述的一种动静压陶瓷主轴装置，其特征在于，所述锥形陶瓷轴瓦(5)的液腔(5-3)可以是深液腔、浅液腔、楔面液腔、缝隙式液腔或小孔式液腔。

4.根据权利要求1所述的一种动静压陶瓷主轴装置，其特征在于，所述锥形陶瓷轴瓦(5)的进液孔(5-2)为3个～8个。

5.根据权利要求1所述的一种动静压陶瓷主轴装置，其特征在于，所述锥形陶瓷轴瓦(5)的节流器(5-4)可以是毛细管节流器、小孔式节流器、隙缝式节流器或多孔质节流器。

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