CN102266951A - 一种精密型动静压陶瓷主轴装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密型动静压陶瓷主轴装置，主轴前端安装有径向-双向止推前轴承，主轴后端安装有径向后轴承；径向-双向止推前轴承包括外部依次装配有前陶瓷右轴套、止推陶瓷轴套、前陶瓷左轴套和前轴套端盖的前主轴衬套，止推陶瓷轴套外部装配有止推轴套衬套，机座上安装有径向陶瓷轴瓦、止推陶瓷左轴瓦、止推陶瓷右轴瓦、前轴瓦衬套和前轴瓦端盖；径向后轴承包括装配有后陶瓷轴套和后轴套端盖的后主轴衬套，机座上安装有后轴瓦端盖、后陶瓷轴瓦和后轴瓦衬套。本发明能够保护陶瓷件边缘，提高其抗冲击性；提高径向-止推联合轴承的强度；提高陶瓷件的可加工性，提高成品率；提高主轴密封性。

Description

一种精密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。现行的高速主轴轴承技术中，滚动轴承较大的振动与噪声、磁力轴承过于复杂的控制系统以及气体轴承较低的承载能力限制了其进一步发展。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、小阻尼和长寿命等优点，被广泛应用于高速精密机床领域。

传统液体动静压主轴的主要问题是：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。

为解决上述问题，出现了“水基液润滑的动静压陶瓷滑动轴承主轴”(见《机械设计》2011年1月第28卷第1期29页-32页)，该主轴的润滑液为水基润滑液，其主要成分为水，由于水的比热容比油大，所以能够改善主轴温升问题，同时该主轴的摩擦副材料为陶瓷，陶瓷具有高耐磨、热膨胀系数小等特点，能够改善主轴的磨损和热变形等问题。

但是，“水基液润滑的动静压陶瓷滑动轴承主轴”还存在以下缺陷：一是陶瓷件边缘易碎：由于陶瓷材料脆性大，抗冲击能力差，径向陶瓷轴套、径向陶瓷轴瓦、联合陶瓷轴瓦、联合陶瓷轴套等陶瓷件的轴向两端边缘受力时易碎；二是陶瓷件形状突变处易断裂：联合陶瓷轴瓦和联合陶瓷轴套均为径向-止推联合功能件，它们的径向摩擦副和止推摩擦副过度区域形状急剧突变，过渡区域受力易断裂；三是陶瓷件加工困难废品率高：径向陶瓷轴瓦、联合陶瓷轴瓦、止推陶瓷轴套等陶瓷件上设置有泄液环状槽和泄液孔，由于陶瓷件难加工，在加工上述泄液环状槽和泄液孔等复杂形状时废品率高；四是润滑液泄漏严重：在径向陶瓷轴瓦、联合陶瓷轴瓦、止推陶瓷轴套的每个液腔的两侧各有一圈泄液环状凹槽，润滑液不能完全通过泄液环状凹槽流出，而是通过摩擦副中间的缝隙泄漏到电机转子上或外壳上。

发明内容

本发明要解决的是现有动静压陶瓷主轴装置存在的陶瓷件边缘易碎、陶瓷件形状突变处易断裂、陶瓷件加工困难废品率高和润滑液泄漏严重等问题，提供一种精密型动静压主轴陶瓷装置，能够保护陶瓷件边缘，提高其抗冲击性；提高径向-止推联合轴承的强度；提高陶瓷件的可加工性，提高成品率；提高主轴密封性。

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：

一种精密型动静压陶瓷主轴装置，包括主轴和机座，所述主轴前部安装有径向-双向止推前轴承，所述主轴后部安装有径向后轴承；

所述径向-双向止推前轴承包括右端设置有凸缘，左端设置有外螺纹的金属制前主轴衬套，所述前主轴衬套的右端面与所述主轴的左轴肩紧密贴合，所述前主轴衬套外部从右向左依次装配有前陶瓷右轴套、止推陶瓷轴套和前陶瓷左轴套，所述止推陶瓷轴套外部装配有金属制止推轴套衬套，所述前主轴衬套的左端面装配有设置有内螺纹的前轴套端盖；所述机座以其左端面为基准安装有前轴瓦衬套，所述前轴瓦衬套设置有径向内孔和止推内孔，所述径向内孔侧壁设置有径向进液环状凹槽，所述径向进液环状凹槽顶端连接有一个延伸到前轴瓦衬套外部并与机座内供液孔相通的径向进液孔，所述前轴瓦衬套右端设置有泄液结构，所述止推内孔端面设置有顶端连接止推竖进液孔的止推进液环状凹槽，止推进液环状凹槽通过止推竖进液孔和止推横进液孔与机座内供液孔相通，所述径向内孔靠近止推内孔一端侧壁设置有底端设有第四泄液孔的第四泄液环状凹槽，所述第四泄液孔通过横向泄液孔与机座内排液孔相通；所述前轴瓦衬套的径向内孔内以其右端面为基准固定有前径向陶瓷轴瓦，所述前径向陶瓷轴瓦外部对应于所述径向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，所述陶瓷轴瓦内壁对应于所述进液孔位置设置有液腔，所述进液孔和所述液腔之间设置有节流器；所述前轴瓦衬套的止推内孔内固定有止推陶瓷右轴瓦，所述止推陶瓷右轴瓦一端面对应于所述止推进液环状凹槽位置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，所述止推陶瓷右轴瓦另一端面对应于进液孔位置设置有液腔，所述进液孔和所述液腔之间设置有节流器；所述前轴瓦衬套通过螺栓连接有设置于所述主轴前端的前轴瓦端盖，所述前轴瓦端盖设置有用于固定安装止推陶瓷左轴瓦的止推内孔，所述止推陶瓷左轴瓦的形状和位置与所述止推陶瓷右轴瓦对称，所述止推内孔端面设置有与止推陶瓷左轴瓦的进液环状凹槽相对应的止推进液环状凹槽，所述止推进液环状凹槽顶端设置有与所述止推横进液孔连接的止推进液孔，所述前轴瓦端盖靠近所述主轴前端设置有泄液结构，该泄液结构通过横向泄液孔和前轴瓦衬套的对应通孔连通到所述机座内排液孔，所述前轴瓦端盖上在所述止推轴套衬套外侧位置设置有连接止推泄液孔的止推泄液环状凹槽；其中所述前陶瓷左轴套、止推陶瓷轴套和前陶瓷右轴套、前径向陶瓷轴瓦、止推陶瓷右轴瓦、止推陶瓷左轴瓦的非摩擦副表面由金属制前轴套端盖、止推轴套衬套、前主轴衬套、前轴瓦衬套、前轴瓦端盖进行包容；

所述径向后轴承包括左端面紧靠所述主轴右轴肩且其右端设置有内螺纹的后轴套端盖，后轴套端盖与左端设置有外螺纹、右端设置有凸缘的后主轴衬套连接，所述后主轴衬套上装配有右端紧靠所述凸缘的后陶瓷轴套；所述后轴套端盖外部以左端面齐平为基准设置有安装在机座上的后轴瓦衬套，所述后轴瓦衬套的径向内孔侧壁设置有径向进液环状凹槽，所述径向进液环状凹槽顶端连接有一个延伸到所述后轴瓦衬套外部并与机座内供液孔相通的径向进液孔，所述后轴瓦衬套左端设置有泄液结构，所述后轴瓦衬套的凸台端面设置有两个一端与机座内泄液孔相通的横向泄液孔；所述后轴瓦衬套的径向内孔以其左端面为定位基准内装配有后陶瓷轴瓦，所述后陶瓷轴瓦外部对应于所述径向进液环状凹槽设置有底部设置有周向均布的进液孔的进液环状凹槽，所述后陶瓷轴瓦内壁对应于所述进液孔位置设置有液腔，所述进液孔和液腔之间设置有节流器；所述后轴瓦衬套右端装配有设置泄液结构的后轴瓦端盖，该泄液结构通过横向泄液孔和横向泄液孔的对应通孔连通到机座内排液孔；其中所述后陶瓷轴套、后陶瓷轴瓦的非摩擦副表面由金属制后轴套端盖、后主轴衬套、零件后轴瓦端盖、后轴瓦衬套分别进行包容。

所述前轴瓦衬套、前轴瓦端盖、后轴瓦衬套和后轴瓦端盖的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。

所述前径向陶瓷轴瓦、止推陶瓷右轴瓦、止推陶瓷左轴瓦和后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。

所述前径向陶瓷轴瓦、止推陶瓷右轴瓦、止推陶瓷左轴瓦和后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。

所述前径向陶瓷轴瓦、止推陶瓷右轴瓦、止推陶瓷左轴瓦和后陶瓷轴瓦中的进液孔为3个～8个。

本发明的有益效果是：

本发明的精密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适应主轴径向承压功能和轴向止推功能的轴承布置形式，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应避免形状突变，还采用在金属件上加工泄液环状槽和泄液孔等复杂结构，同时采用多级泄液方式。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，采用径向轴承和止推轴承先分别加工再组装的方式生产，从根本上避免了径向摩擦副和止推摩擦副过度区域形状突变，彻底防止径向-止推联合功能件在形状突变处断裂，杜绝了断裂故障发生。

二、主轴采用金属对陶瓷件端面等非摩擦副表面进行包裹，形成金属对陶瓷件的全包容结构，这是为了弥补陶瓷材料拉伸强度差、脆性大的不足，在陶瓷件受力时，由于金属的包裹保护作用，陶瓷件的边缘破碎将大为减少，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，预防故障发生。

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，能够解决主轴上陶瓷件边缘易碎、陶瓷件形状突变处易断裂、陶瓷件加工困难废品率高和润滑液泄漏严重等问题。

四、采用在金属件上加工泄液环状槽和泄液孔等复杂结构，避免在陶瓷件上加工复杂结构，大大提高陶瓷件的可加工性，提高成品率；采用多级泄液方式，在液腔端部由一级泄液改为三级泄液，提高主轴密封性，防止润滑液通过摩擦副中间的缝隙泄漏到电机转子上或外壳上。

附图说明

图1是本发明的整体装配示意图；

图2是图1中径向-双向止推前轴承的装配示意图；

图3是图1中前主轴衬套的结构示意图；

图4是图3的A7-A7剖视图；

图5是图1中前陶瓷右轴套的结构示意图；

图6是图5的A6-A6剖视图；

图7是图1中前陶瓷左轴套的结构示意图；

图8是图7的A3-A3剖视图；

图9是图1中前轴套端盖的结构示意图；

图10是图9的A2-A2剖视图；

图11是图1中止推陶瓷轴套的结构示意图；

图12是图11的A4-A4剖视图；

图13是图1中止推轴套衬套的结构示意图；

图14是图13的A5-A5剖视图；

图15是图2中随主轴旋转件的装配示意图；

图16是图15的B-B剖视图；

图17是图1中前轴瓦衬套的结构示意图；

图18是图17的A17-A17剖视图；

图19是图18的仰视图；

图20是图19的B17-B17剖视图；

图21是图19的C17-C17剖视图；

图22是图1中前径向陶瓷轴瓦的结构示意图；

图23是图22的A18-A18剖视图；

图24是图22的B18-B18剖视图；

图25是图1中止推陶瓷右轴瓦的结构示意图；

图26是图25的A19-A19剖视图；

图27是图25的后视图；

图28是图1中前轴瓦端盖的结构示意图；

图29是图28的A21-A21剖视图；

图30是图28的B21-B21剖视图；

图31是图28的仰视图；

图32是图31的C21-C21剖视图；

图33是图31的D21-D21剖视图；

图34是图1中径向后轴承的装配示意图；

图35是图1中后轴套端盖的结构示意图；

图36是图35的A9-A9剖视图；

图37是图1中后陶瓷轴套的结构示意图；

图38是图37的A10-A10剖视图；

图39是图1中后主轴衬套的结构示意图；

图40是图39的A11-A11剖视图；

图41是图1中后轴瓦端盖的结构示意图；

图42是图41的A12-A12剖视图；

图43是图41的仰视图；

图44是图43的B12-B12剖视图；

图45是图43的C12-C12剖视图；

图46是图1中后陶瓷轴瓦的结构示意图；

图47是图46的B13-B13剖视图；

图48是图46的A13-A13剖视图；

图49是图1中后轴瓦衬套的结构示意图；

图50是图49的A14-A14剖视图；

图51是图50的仰视图；

图52是图51的B14-B14剖视图；

图53是图51的C14-C14剖视图；

图54是图1的润滑液流向示意图。

图中：1：主轴；

2：前轴套端盖，2-1：内螺纹；

3：前陶瓷左轴套；

4：止推陶瓷轴套；

5：止推轴套衬套；

6：前陶瓷右轴套；

7：前主轴衬套，7-1：外螺纹，7-2：凸缘；

8：转子；

9：后轴套端盖，9-1：内螺纹；

10：后陶瓷轴套；

11：后主轴衬套，11-1：外螺纹，11-2：凸缘；

12：后轴瓦端盖，12-1：端盖固定螺钉孔，12-2：后轴瓦固定螺栓孔，12-3：第一泄液环状凹槽，12-4：第二泄液环状凹槽，12-5：第三泄液环状凹槽，12-6：第一泄液孔，12-7：第二泄液孔，12-8：第三泄液孔，12-9：横向泄液孔；

13：后陶瓷轴瓦，13-1：进液环状凹槽，13-2：进液孔，13-3：节流器，13-4：液腔；

14：后轴瓦衬套，14-1：螺纹孔，14-2：螺栓孔，14-3：第三泄液环状凹槽，14-4：第二泄液环状凹槽，14-5：第一泄液环状凹槽，14-6：第三泄液孔，14-7：径向进液孔，14-8：径向进液环状凹槽，14-9：横向泄液孔，14-10：第一泄液孔，14-11：第二泄液孔，14-12：径向内孔；

15：定子；

16：机座；

17：前轴瓦衬套，17-1：密封圈槽，17-2：止推横进液孔，17-3：径向进液孔，17-4：径向进液环状凹槽，17-5：第一泄液环状凹槽，17-6：第二泄液环状凹槽，17-7：第三泄液环状凹槽，17-8：第三泄液孔，17-9：横向泄液孔，17-10：第四泄液孔，17-11：止推内孔，17-12：第四泄液环状凹槽，17-13：径向内孔，17-14：止推进液环状凹槽，17-15：止推竖进液孔，17-16：第一泄液孔，17-17：第二泄液孔；

18：前径向陶瓷轴瓦，18-1：进液环状凹槽，18-2：液腔，18-3：进液孔，18-4：节流器；

19：止推陶瓷右轴瓦，19-1：液腔，19-2：进液环状凹槽，19-3：进液孔，19-4：节流器；

20：止推陶瓷左轴瓦；

21：前轴瓦端盖，21-1：止推进液孔，21-2：第三泄液环状凹槽，21-3：第二泄液环状凹槽，21-4：第一泄液环状凹槽，21-5：第三泄液孔，21-6：第一泄液孔，21-7：横向泄液孔，21-8：止推泄液孔，21-9：止推进液环状凹槽，21-10：止推内孔，21-11：第二泄液孔，21-12：止推泄液环状凹槽。

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，提出了一种精密型的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的精密型动静压陶瓷主轴装置。如图1所示，主轴1上安装有转子8，转子8外部对应设置有安装在机座16上的定子15，转子8前端的主轴1上安装有径向-双向止推前轴承，转子10后端的主轴上安装有径向后轴承。其中，零件前轴套端盖2、前陶瓷左轴套3、止推陶瓷轴套4、止推轴套衬套5、前陶瓷右轴套6、前主轴衬套7、转子8、后轴套端盖9、后陶瓷轴套10、后主轴衬套11固连在一起，随主轴1旋转；零件后轴瓦端盖12、后陶瓷轴瓦13、后轴瓦衬套14、定子15、前轴瓦衬套17、前径向陶瓷轴瓦18、止推陶瓷右轴瓦19、止推陶瓷左轴瓦20、前轴瓦端盖21为固定件，固定在机座16内静止不动。工作时润滑液流动如54中箭头所示，由机座16上方供液孔注入，从机座16下方排液孔排出。润滑液从供液孔注入后，分成左右两路分别供给径向-双向止推前轴承和径向后轴承，左路润滑液再次分为两路，向左供给止推轴承，向下供给径向轴承，润滑液经过前后轴承后再汇聚到排液孔排出，油路结构简单，便于制造，使供液和排液更加简单紧凑。

本实施例是以电机转子10和定子15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15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。

如图2所示，径向-双向止推前轴承由前轴套端盖2、前陶瓷左轴套3、止推陶瓷轴套4、止推轴套衬套5、前陶瓷右轴套6、前主轴衬套7、前轴瓦衬套17、前径向陶瓷轴瓦18、止推陶瓷右轴瓦19、止推陶瓷左轴瓦20、前轴瓦端盖21构成。

具体地，径向-双向止推前轴承包括用于固定装配在主轴1上的金属制前主轴衬套7，前主轴衬套7的右端面紧靠主轴1左轴肩。结合图3至图14所示，前主轴衬套7一端具有呈凸起挡肩结构的凸缘7-2，凸缘7-2方便对下述前陶瓷右轴套6进行轴向定位，为了实现全包容，凸缘7-2的外径与前陶瓷左轴套3和前陶瓷右轴套6的外径相等；另一端加工出一定长度的外螺纹7-1，以便和下述前轴套端盖2实现螺纹配合，对前轴套端盖2进行轴向定位。

前主轴衬套7上装配有前陶瓷左轴套3、止推陶瓷轴套4和前陶瓷右轴套6，前陶瓷左轴套3、止推陶瓷轴套4和前陶瓷右轴套6共同组装后构成径向-双向止推前轴承的陶瓷轴套。在径向上，这部分采用的装配形式可以为粘接，其中粘接的粘结剂包括环氧树脂、高温无机胶等有机与无机粘结剂；也可以为过盈装配，具体为将金属制的前主轴衬套7以冷装的形式使其外径减小，待其与陶瓷轴套之间产生一定间隙后，再装配到设定位置，下述类似装配形式同理。在轴向上同样采用粘接或者过盈配合的方式，前陶瓷右轴套6的右端面紧贴前主轴衬套7的凸缘7-2左端面，止推陶瓷轴套4右端面紧贴前陶瓷右轴套6左端面，前陶瓷左轴套3右端面紧贴止推陶瓷轴套4左端面。前陶瓷左轴套3、止推陶瓷轴套4和前陶瓷右轴套6三个零件分别加工能够避免形状突变，减小单件式轴套在形状突变处的应力集中，同时也更便于加工，提高加工精度。

止推陶瓷轴套4外圈装配有止推轴套衬套5，其材质为金属，用于提高止推陶瓷轴套4的外圈边缘抗冲击性。

前主轴衬套7带有外螺纹7-1的端部装配有前轴套端盖2，前轴套端盖2的右端面紧贴前陶瓷左轴套3的左端面，从而实现对轴套端盖2的定位。如图9和图10所示，前轴套端盖2内圈加工出内螺纹2-1，与前主轴衬套7的外螺纹7-1实现螺纹配合，以将前轴套端盖2紧固在前主轴衬套7端部；同时前轴套端盖2与前陶瓷左轴套3外径相等，完成对径向-双向止推前轴承中陶瓷材料的全包容结构，有效改善了轴承受力条件。

前轴瓦衬套17以其凸缘右端面与机座16的左端面紧靠定位而固定在机座16上。如图17至图21所示，前轴瓦衬套17包括止推结构和径向结构，径向结构包括径向内孔17-13，径向内孔17-13侧壁设置有径向进液环状凹槽17-4，径向进液环状凹槽17-4顶端连接有一个延伸到前轴瓦衬套17外部并与机座16内供液孔相通的径向进液孔17-3。前轴瓦衬套17靠近定子15的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17-5和设置在其底端的第一泄液孔17-16、第二泄液环状凹槽17-6和设置在其底端的第二泄液孔17-17、第三泄液环状凹槽17-7和设置在其底端的第三泄液孔17-8，具体布置形式详见图19至图21。止推结构包括止推内孔17-11，止推内孔17-11端面设置有止推进液环状凹槽17-14，止推进液环状凹槽17-14顶端连接有止推竖进液孔17-15，止推竖进液孔17-15连接有与其垂直的止推横进液孔17-2，止推横进液孔17-2与机座16内供液孔相通。径向内孔17-13靠近止推内孔17-11一端侧壁设置有第四泄液环状凹槽17-12，第四泄液环状凹槽17-12底端设置有第四泄液孔17-10，第四泄液孔17-10连接有横向泄液孔17-9，横向泄液孔17-9与机座16内排液孔相通。

前轴瓦衬套17的径向内孔17-13内固定有前径向陶瓷轴瓦18，如图22至图24所示，前径向陶瓷轴瓦18以径向内孔17-13的右端面为定位基准，同时前径向陶瓷轴瓦18右端面与前陶瓷右轴套6右端面齐平。前径向陶瓷轴瓦18外部对应于径向进液环状凹槽17-4的位置设置有进液环状凹槽18-1，径向进液环状凹槽17-4与进液环状凹槽18-1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18-1底部设置有若干周向均布的进液孔18-3，其个数一般为3个至8个，陶瓷轴瓦18内壁对应于进液孔18-3位置设置有液腔18-2，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，下述其他零件的类似结构同理。进液孔18-3和液腔18-2之间设置有节流器18-4，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，下述其他零件的类似结构同理。

前轴瓦衬套17的止推内孔17-11内固定有止推陶瓷右轴瓦19，如图25至图27所示，止推陶瓷右轴瓦19一端面对应于止推进液环状凹槽17-14位置设置有进液环状凹槽19-2，止推进液环状凹槽17-14与进液环状凹槽19-2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19-2底部设置有若干周向均布的进液孔19-3，止推陶瓷右轴瓦19另一端面对应于进液孔19-3位置设置有液腔19-1。进液孔19-3和液腔19-1之间设置有节流器19-4。

止推陶瓷左轴瓦20的结构与止推陶瓷右轴瓦19对称，固定于前轴瓦端盖21上。如图28至图30所示，前轴瓦端盖21设置有用于固定安装止推陶瓷左轴瓦20的止推内孔21-10，止推内孔21-10端面设置有与止推陶瓷左轴瓦20的进液环状凹槽相对应的止推进液环状凹槽21-9，两者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，止推进液环状凹槽21-9顶端设置有与止推横进液孔17-2连接的止推进液孔21-1。前轴瓦端盖21靠近主轴1前端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21-4和设置在其底端的第一泄液孔21-6、第二泄液环状凹槽21-3和设置在其底端的第二泄液孔21-11、第三泄液环状凹槽21-2和设置在其底端的第三泄液孔21-5，具体布置形式详见图31至图33；三级泄液结构通过横向泄液孔21-7和前轴瓦衬套17的对应通孔连通到机座16内排液孔。前轴瓦端盖21上在止推轴套衬套5外侧位置设置有止推泄液环状凹槽21-12，止推泄液环状凹槽21-12底端连接有通至中间第一泄液孔21-6的止推泄液孔21-8。

陶瓷材料制成的前陶瓷左轴套3、止推陶瓷轴套4和前陶瓷右轴套6共同构成陶瓷轴套，前径向陶瓷轴瓦18、止推陶瓷右轴瓦19、止推陶瓷左轴瓦20共同构成陶瓷轴瓦，陶瓷轴套与陶瓷轴瓦构成径向-双向止推前轴承的陶瓷摩擦副。具体地，前陶瓷右轴套6与前径向陶瓷轴瓦18之间、前陶瓷左轴套3与止推陶瓷左轴瓦20之间、前陶瓷右轴套6左端一部分与止推陶瓷右轴瓦19之间构成径向轴承间隙；止推陶瓷轴套4的两侧分别与止推陶瓷右轴瓦19、止推陶瓷左轴瓦20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。除陶瓷摩擦副涉及的接触面以外，陶瓷轴套与陶瓷轴瓦的其他表面由金属材料制成的前轴套端盖2、止推轴套衬套5、前主轴衬套7、前轴瓦衬套17、前轴瓦端盖21分别进行包容，从而形成径向-双向止推前轴承的全包容结构，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。上述前径向陶瓷轴瓦18的左端面和止推陶瓷右轴瓦19的右端面没有金属包容，这是为了缩短轴承长度、提高可加工性，若遇到大冲击载荷工况，可在上述前径向陶瓷轴瓦18的左端面和止推陶瓷右轴瓦19的右端面增加金属包容零件，更好的保护前径向陶瓷轴瓦18和止推陶瓷右轴瓦19。

在工作过程中，先将润滑液以一定的液压由机座16的总供液孔注入，供给径向-双向止推前轴承的润滑液分为两路，向左供给止推轴承，向下供给径向轴承。

供给径向轴承的润滑液先由径向进液孔17-3进入径向进液环状凹槽17-4与进液环状凹槽18-1构成的环形回路，随后沿前径向陶瓷轴瓦18的进液孔18-3和节流器18-4流入液腔18-2，前陶瓷右轴套6与前径向陶瓷轴瓦18之间的径向轴承间隙形成完整承载液膜，节流器18-4将静压效应发挥得更加充分；在主轴1带动陶瓷轴套中的前陶瓷右轴套6旋转时，前陶瓷右轴套6与前径向陶瓷轴瓦18和止推陶瓷右轴瓦19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分别通过前轴瓦衬套17的三级泄液结构和第四泄液环状凹槽17-12及第四泄液孔17-10排出，三级泄液结构能够使润滑液完全回到机座16的排液孔，增强径向-双向止推前轴承密封效果。

而供给止推轴承的润滑液再分为两路，一路通过止推横进液孔17-2和止推竖进液孔17-15，进入止推进液环状凹槽17-14与进液环状凹槽19-2构成的环形回路，随后沿止推陶瓷右轴瓦19的进液孔19-3和节流器19-4流入液腔19-1，止推陶瓷右轴瓦19与止推陶瓷轴套4之间的止推轴承间隙形成完整承载液膜，节流器19-4将静压效应发挥得更加充分；在主轴1带动陶瓷轴套中的止推陶瓷轴套4旋转时，止推陶瓷轴套4和止推陶瓷右轴瓦19之间将产生明显的动压效应。同理，另一路通过止推进液孔21-1进入止推陶瓷左轴瓦20的进液环状凹槽与止推进液环状凹槽21-9构成的环形回路，与止推陶瓷右轴瓦19形成对称方向的动静压效应。止推轴承间隙中的润滑液再分别通过前轴瓦端盖21的三级泄液结构和前轴瓦衬套17的第四泄液环状凹槽17-12及第四泄液孔17-10排出。由此可以看出，前轴瓦衬套17的第四泄液环状凹槽17-12在功能上同时接受右止推轴承和径向轴承的润滑液回流，这样，一个泄液槽接受两侧泄液，一方面结构更加紧凑，另一方面也能够增强前轴承泄液效果。同时，止推陶瓷轴套4两侧的润滑液还可以通过止推泄液环状凹槽21-12和止推泄液孔21-8排出，使止推陶瓷轴套4径向外侧的润滑液也能够顺利排出。

如图34所示，径向后轴承由后轴套端盖9、后陶瓷轴套10、后主轴衬套11、后轴瓦端盖12、后陶瓷轴瓦13、后轴瓦衬套14构成。

具体地，径向后轴承包括左端面紧靠主轴1右轴肩的后轴套端盖9，如图35至图36所示，后轴套端盖9右端设置有内螺纹9-1，内螺纹9-1用于与后主轴衬套11一端的外螺纹11-1相配合，如图39至图40所示，所述后主轴衬套11的另一端设置有凸缘11-2，后主轴衬套11上安装有后陶瓷轴套10，后陶瓷轴套10的右端面紧靠凸缘11-2内侧，其结构如图37至图38所示。后轴套端盖9、后陶瓷轴套10、后主轴衬套11之间，以及它们与主轴1之间同样采用粘接或者过盈配合装配。

后轴瓦衬套14以其左端面与后轴套端盖9左端面齐平而固定在机座16上。如图49至图53所示，后轴瓦衬套14包括径向内孔14-12，径向内孔14-12侧壁设置有径向进液环状凹槽14-8，径向进液环状凹槽14-8顶端连接有一个延伸到后轴瓦衬套14外部并与机座16内供液孔相通的径向进液孔14-7。后轴瓦衬套14靠近定子15的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14-5和设置在其底端的第一泄液孔14-10、第二泄液环状凹槽14-4和设置在其底端的第二泄液孔14-11、第三泄液环状凹槽14-3和设置在其底端的第三泄液孔14-6，具体布置形式详见图51至图53。后轴瓦衬套14的凸台端面还设置有用于固定下述后轴瓦端盖12的螺纹孔14-1和螺栓孔14-2，并设置有两个一端与机座16内泄液孔相通的横向泄液孔14-9。

后轴瓦衬套14的径向内孔14-12内固定有后陶瓷轴瓦13，后陶瓷轴瓦13以径向内孔14-12的左端面为定位基准，同时后陶瓷轴瓦13右端面与后陶瓷轴套10右端面齐平。如图35至39所示，后陶瓷轴瓦13外部对应于径向进液环状凹槽14-8的位置设置有进液环状凹槽13-1，径向进液环状凹槽14-8与进液环状凹槽13-1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13-1底部设置有若干周向均布的进液孔13-2，后陶瓷轴瓦13内壁对应于进液孔13-2位置设置有液腔13-4，进液孔13-2和液腔13-4之间设置有节流器13-3。

后轴瓦衬套14右端安装有后轴瓦端盖12，如图41至42所示，后轴瓦端盖12轴向上设置有端盖固定螺钉孔12-1和后轴瓦固定螺栓孔12-2，分别与螺纹孔14-1和螺栓孔14-2对应。后轴瓦端盖12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12-3和设置在其底端的第一泄液孔12-6、第二泄液环状凹槽12-4和设置在其底端的第二泄液孔12-7、第三泄液环状凹槽12-5和设置在其底端的第三泄液孔12-8，具体布置形式详见图43至图45；三级泄液结构通过横向泄液孔12-9和横向泄液孔14-9的对应通孔连通到机座16内排液孔。

陶瓷材料制成的后陶瓷轴套10和后陶瓷轴瓦13构成径向后轴承的陶瓷摩擦副，后陶瓷轴套10和后陶瓷轴瓦13之间构成径向轴承间隙，具体的径向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。除陶瓷摩擦副涉及的接触面以外，后陶瓷轴套10和后陶瓷轴瓦13的其他表面由金属材料制成的后轴套端盖9、后主轴衬套11、零件后轴瓦端盖12、后轴瓦衬套14分别进行包容，从而形成径向后轴承的全包容结构。上述后陶瓷轴瓦13的右端面由后轴瓦端盖12的左端面进行包容，后轴瓦端盖12在起到包容作用的同时，还起到了密封的作用，此结构比单独做后陶瓷轴瓦13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16的总供液孔注入，供给径向后轴承的润滑液先由径向进液孔14-7进入径向进液环状凹槽14-8与进液环状凹槽13-1构成的环形回路，随后沿后陶瓷轴瓦13的进液孔13-2和节流器13-3流入液腔13-4，后陶瓷轴套10和后陶瓷轴瓦13之间的径向轴承间隙形成完整承载液膜，节流器13-3将静压效应发挥得更加充分；在主轴1带动后陶瓷轴套10旋转时，后陶瓷轴套10和后陶瓷轴瓦13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分别通过后轴瓦衬套14和后轴瓦端盖12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)

1.一种精密型动静压陶瓷主轴装置，包括主轴(1)和机座(16)，其特征在于，所述主轴(1)前部安装有径向-双向止推前轴承，所述主轴(1)后部安装有径向后轴承；

所述径向-双向止推前轴承包括右端设置有凸缘(7-2)，左端设置有外螺纹(7-1)的金属制前主轴衬套(7)，所述前主轴衬套(7)的右端面与所述主轴(1)的左轴肩紧密贴合，所述前主轴衬套(7)外部从右向左依次装配有前陶瓷右轴套(6)、止推陶瓷轴套(4)和前陶瓷左轴套(3)，所述止推陶瓷轴套(4)外部装配有金属制止推轴套衬套(5)，所述前主轴衬套(7)的左端面装配有设置有内螺纹(2-1)的前轴套端盖(2)；所述机座(16)以其左端面为基准安装有前轴瓦衬套(17)，所述前轴瓦衬套(17)设置有径向内孔(17-13)和止推内孔(17-11)，所述径向内孔(17-13)侧壁设置有径向进液环状凹槽(17-4)，所述径向进液环状凹槽(17-4)顶端连接有一个延伸到前轴瓦衬套(17)外部并与机座(16)内供液孔相通的径向进液孔(17-3)，所述前轴瓦衬套(17)右端设置有泄液结构，所述止推内孔(17-11)端面设置有顶端连接止推竖进液孔(17-15)的止推进液环状凹槽(17-14)，止推进液环状凹槽(17-14)通过止推竖进液孔(17-15)和止推横进液孔(17-2)与机座(16)内供液孔相通，所述径向内孔(17-13)靠近止推内孔(17-11)一端侧壁设置有底端设有第四泄液孔(17-10)的第四泄液环状凹槽(17-12)，所述第四泄液孔(17-10)通过横向泄液孔(17-9)与机座(16)内排液孔相通；所述前轴瓦衬套(17)的径向内孔(17-13)内以其右端面为基准固定有前径向陶瓷轴瓦(18)，所述前径向陶瓷轴瓦(18)外部对应于所述径向进液环状凹槽(17-4)设置有进液环状凹槽(18-1)，所述进液环状凹槽(18-1)底部设置有周向均布的进液孔(18-3)，所述陶瓷轴瓦(18)内壁对应于所述进液孔(18-3)位置设置有液腔(18-2)，所述进液孔(18-3)和所述液腔(18-2)之间设置有节流器(18-4)；所述前轴瓦衬套(17)的止推内孔(17-11)内固定有止推陶瓷右轴瓦(19)，所述止推陶瓷右轴瓦(19)一端面对应于所述止推进液环状凹槽(17-14)位置设置有进液环状凹槽(19-2)，所述进液环状凹槽(19-2)底部设置有周向均布的进液孔(19-3)，所述止推陶瓷右轴瓦(19)另一端面对应于进液孔(19-3)位置设置有液腔(19-1)，所述进液孔(19-3)和所述液腔(19-1)之间设置有节流器(19-4)；所述前轴瓦衬套(17)通过螺栓连接有设置于所述主轴(1)前端的前轴瓦端盖(21)，所述前轴瓦端盖(21)设置有用于固定安装止推陶瓷左轴瓦(20)的止推内孔(21-10)，所述止推陶瓷左轴瓦(20)的形状和位置与所述止推陶瓷右轴瓦(19)对称，所述止推内孔(21-10)端面设置有与止推陶瓷左轴瓦(20)的进液环状凹槽相对应的止推进液环状凹槽(21-9)，所述止推进液环状凹槽(21-9)顶端设置有与所述止推横进液孔(17-2)连接的止推进液孔(21-1)，所述前轴瓦端盖(21)靠近所述主轴(1)前端设置有泄液结构，该泄液结构通过横向泄液孔(21-7)和前轴瓦衬套(17)的对应通孔连通到所述机座(16)内排液孔，所述前轴瓦端盖(21)上在所述止推轴套衬套(5)外侧位置设置有连接止推泄液孔(21-8)的止推泄液环状凹槽(21-12)；其中所述前陶瓷左轴套(3)、止推陶瓷轴套(4)和前陶瓷右轴套(6)、前径向陶瓷轴瓦(18)、止推陶瓷右轴瓦(19)、止推陶瓷左轴瓦(20)的非摩擦副表面由金属制前轴套端盖(2)、止推轴套衬套(5)、前主轴衬套(7)、前轴瓦衬套(17)、前轴瓦端盖(21)进行包容；

所述径向后轴承包括左端面紧靠所述主轴(1)右轴肩且其右端设置有内螺纹(9-1)的后轴套端盖(9)，后轴套端盖(9)与左端设置有外螺纹(11-1)、右端设置有凸缘(11-2)的后主轴衬套(11)连接，所述后主轴衬套(11)上装配有右端紧靠所述凸缘(11-2)的后陶瓷轴套(10)；所述后轴套端盖(9)外部以左端面齐平为基准设置有安装在机座(16)上的后轴瓦衬套(14)，所述后轴瓦衬套(14)的径向内孔(14-12)侧壁设置有径向进液环状凹槽(14-8)，所述径向进液环状凹槽(14-8)顶端连接有一个延伸到所述后轴瓦衬套(14)外部并与机座(16)内供液孔相通的径向进液孔(14-7)，所述后轴瓦衬套(14)左端设置有泄液结构，所述后轴瓦衬套14的凸台端面设置有两个一端与机座(16)内泄液孔相通的横向泄液孔(14-9)；所述后轴瓦衬套(14)的径向内孔(14-12)以其左端面为定位基准内装配有后陶瓷轴瓦(13)，所述后陶瓷轴瓦(13)外部对应于所述径向进液环状凹槽(14-8)设置有底部设置有周向均布的进液孔(13-2)的进液环状凹槽(13-1)，所述后陶瓷轴瓦(13)内壁对应于所述进液孔(13-2)位置设置有液腔(13-4)，所述进液孔(13-20和液腔(13-4)之间设置有节流器(13-3)；所述后轴瓦衬套(14)右端装配有设置泄液结构的后轴瓦端盖(12)，该泄液结构通过横向泄液孔(12-9)和横向泄液孔(14-9)的对应通孔连通到机座(16)内排液孔；其中所述后陶瓷轴套(10)、后陶瓷轴瓦(13)的非摩擦副表面由金属制后轴套端盖(9)、后主轴衬套(11)、零件后轴瓦端盖(12)、后轴瓦衬套(14)分别进行包容。

2.根据权利要求1所述的一种精密型动静压陶瓷主轴装置，其特征在于，所述前轴瓦衬套(17)、前轴瓦端盖(21)、后轴瓦衬套(14)和后轴瓦端盖(12)的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所述的一种精密型动静压陶瓷主轴装置，其特征在于，所述前径向陶瓷轴瓦(18)、止推陶瓷右轴瓦(19)、止推陶瓷左轴瓦(20)和后陶瓷轴瓦(13)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。

4.根据权利要求1所述的一种精密型动静压陶瓷主轴装置，其特征在于，所述前径向陶瓷轴瓦(18)、止推陶瓷右轴瓦(19)、止推陶瓷左轴瓦(20)和后陶瓷轴瓦(13)中的进液孔为3个～8个。

5.根据权利要求1所述的一种精密型动静压陶瓷主轴装置，其特征在于，所述前径向陶瓷轴瓦(18)、止推陶瓷右轴瓦(19)、止推陶瓷左轴瓦(20)和后陶瓷轴瓦(13)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。

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