CN103084588B - 使用气液两相润滑的高速动静压轴承支撑的电主轴装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用气液两相润滑的高速动静压轴承支撑的电主轴装置，包括：壳体，固定于壳体内侧的冷却水套，电主轴，电机定子，电机转子，支撑电主轴两端的前、后轴承，气体止推轴承。支撑电主轴的前、后轴承均是一种动静压滑动轴承，可以提高主轴刚度和稳定性，降低温升，轴承两端分别设有前、后环形回水槽，润滑介质水流入环形回水槽后再通过壳体出水道流出壳体；气体密封装置，每个动静压轴承的两侧各有一个气体密封装置，可以阻止润滑介质水流入电机定子和电机转子之间的空隙以及沿着电主轴轴向流出壳体；气体止推轴承，采用气体作为止推轴承的润滑介质，为电主轴提供轴向刚度，控制电主轴轴向位移和稳定性。

Description

使用气液两相润滑的高速动静压轴承支撑的电主轴装置

技术领域

本发明属于机床设备制造领域，具体涉及一种使用气液两相润滑的高速动静压轴承支撑的电主轴装置。

背景技术

高速切削加工以其高生产效率、高加工质量和低加工成本，近年来在航空、航天、汽车、模具等产业得到快速应用。高速电主轴装置作为高速切削机床系统的核心部件，对高速机床的性能起着非常重要的影响。高速轴承则是高速主轴单元设计的核心技术，高速轴承的性能很大程度上影响了高速机床主轴的回转精度、切削刚度、使用寿命和可靠性等。

目前国内外在高速机床中使用的轴承有：陶瓷球轴承、静压轴承、动静压轴承、气浮轴承和磁悬浮轴承。其中国产陶瓷球轴承的寿命较短，且负载能力有限；气浮轴承和磁悬浮轴承支承的电主轴可以在高转速下长时间连续运行，但其支撑主轴的刚度较低，难以在高负载工况下工作。动静压轴承则同时拥有动压轴承和静压轴承的优点，具有高刚度、高精度、长寿命和大功率等性能，是高速机床支撑技术发展的重要方向。

动静压轴承流场具有压力梯度大和温升高的特点，润滑油膜容易破裂，温升过高时轴承间隙又会因热变形而减小，因此，轴承结构必须能够有效防止油膜破裂、控制温升并保证较高的稳定性。本发明提出了一种高刚度、高精度、高转速、大功率、长寿命、低温升、使用气体止推轴承和水润滑动静压轴承支撑的电主轴装置。

发明内容

本发明提供了一种使用气液两相润滑的高速动静压轴承支撑的电主轴装置，该装置具有高刚度、高精度、长寿命和大功率等性能，而且摩擦小，发热量少，温升低，噪音低，尤其适用于高速度、高精密、高刚度工作条件下的加工。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种使用气液两相润滑的高速动静压轴承支撑的电主轴装置，包括壳体，电主轴，支撑电主轴两端并用于调节电主轴径向位移的前轴承和后轴承，固定前轴承和后轴承的前轴承套和后轴承套，固定在壳体上的后轴承端盖，以及用于调节主轴轴向位移的气体止推轴承；所述前轴承和后轴承均为动静压滑动轴承。

作为本发明的优选实施例，所述气体止推轴承包括固定在电主轴上的气体止推轴承推力盘，在气体止推轴承推力盘两侧分别设置有带高压进气孔的气体止推轴承左推力瓦和气体止推轴承右推力瓦，高压气体从左右两侧同时作用于气体止推轴承推力盘。

作为本发明的优选实施例，所述壳体进一步包括有壳体进水道和壳体出水道，所述壳体进水道内的介质为液体水；液体水自壳体进水道依次进入到前轴承套和后轴承套、前轴承和后轴承，最后从壳体出水道流出。

作为本发明的优选实施例，所述前轴承套和后轴承套上分别设置有与壳体进水道相通的前轴承套进水道和后轴承套进水道，所述前轴承和后轴承上分别设置有与前轴承套进水道相通的前轴承节流孔和与后轴承套进水道相通的后轴承节流孔。

作为本发明的优选实施例，在所述前轴承节流孔的两侧进一步设置有前轴承左环形回水槽和前轴承右环形回水槽，所述后轴承节流孔的两侧进一步设置有后轴承左环形回水槽和后轴承右环形回水槽，所述前轴承左环形回水槽和前轴承右环形回水槽通过前轴承与电主轴之间的间隙相通，所述后轴承左环形回水槽和后轴承右环形回水槽通过后轴承与电主轴之间的间隙相通。

作为本发明的优选实施例，所述前轴承的两端设置有前轴承左气封环和前轴承右气封环，所述后轴承的两端设置有后轴承左气封环和后轴承右气封环，防止介质水沿电主轴的轴向流入电机和流出壳体。

作为本发明的优选实施例，所述气封环为沿着轴向依次设置的三个环形密封齿，在最外侧的环形密封齿外侧设置有环形进气装置，以保证沿着主轴周向形成一道压力均布的气体密封墙。

作为本发明的优选实施例，所述壳体进一步设置有壳体进气道，高压气自壳体进气道依次进入到轴承套、轴承和环形回水槽内，对环形回水槽内的水产生压力，加快水从壳体出水道流出。

作为本发明的优选实施例，所述前轴承套和后轴承套分别设置有与壳体进气道相通的前轴承套进气道和后轴承套进气道，所述前轴承和后轴承分别设置有前轴承进气道和后轴承进气道，所述前轴承进气道和后轴承进气道通过轴承与电主轴的间隙与前轴承回水槽和后轴承回水槽相通。

相对于现有技术，本发明至少具有以下优点：本发明以电主轴两端安装的前轴承和后轴承作为径向位移调节，以主轴端部安装的气体止推轴承作为轴向位移调节；所述轴承以非接触的方式支撑电主轴，减小了摩擦，减小了电主轴的噪音，提高了电主轴系统的寿命，增加了负载能力；同时，采用气体作为止推轴承的润滑介质，为电主轴提供的轴向刚度，控制电主轴的轴向位移及稳定性的同时，兼具轴向支撑和冷却作用，降低了电主轴的温升。

附图说明

图1为使用气液两相润滑的高速动静压轴承支撑的电主轴装置进水通道方向纵剖结构示意图；

图2是使用气液两相润滑的高速动静压轴承支撑的电主轴装置进气通道方向纵剖结构示意图。

其中，附图标记与元件名称的对应关系如下表所示：

1	前轴承左气封环	2	前轴承
				3	前轴承左环形回水槽	4	前轴承套进水道左密封O型圈
5	前轴承套进水道	6	前轴承节流孔
				7	前轴承套进水道右密封O型圈	8	前轴承右环形回水槽
9	前轴承气封O型圈	10	前轴承右气封环
				11	轴承与主轴之间的空隙	12	壳体
13	冷却水套	14	电机定子
				15	电机转子	16	电主轴

17	后轴承气封O型圈	18	后轴承套
				19	后轴承套进水道左密封O型圈	20	后轴承套进水道
21	后轴承节流孔	22	后轴承套进水道右密封O型圈
				23	后轴承	24	壳体进水道
25	气体止推轴承左推力瓦	26	气体止推轴承推力盘
				27	气体止推轴承右推力瓦	28	.前轴承进气道
29	前轴承套进气道	30	前轴承套
				31	壳体出水道	32	后轴承左气封环
33	后轴承进气道	34	后轴承左环形回水槽
				35	后轴承套进气道	36	后轴承右环形回水槽
37	后轴承右气封环	38	气体止推轴承与主轴之间的空隙
				39	壳体进气道	40	后轴承端盖

具体实施方式

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种使用气液两相润滑的高速动静压轴承支撑的电主轴装置，包括：

壳体12，壳体12内侧固定有冷却水套13和电机定子14，所述冷却水套13过盈装配于壳体12上，电机定子14过盈配合安装于冷却水套13上，电机转子15过盈配合安装于主轴上，并与电机定子14相对应。

主轴，将电机转子15和主轴做成一体，作为电主轴16；所述电主轴16的两端安装有前、后轴承2、23，所述前、后轴承分别是一种动静压滑动轴承，可以提高高速电主轴16的刚度和稳定性，降低温升；所述前轴承2过盈配合安装于前轴承套30内，后轴承23过盈配合安装于后轴承套18内，并都用螺母紧固，之后通过螺母将前轴承套30和后轴承套18固定于壳体12上。螺母穿过后轴承套18上的通孔将后轴承端盖40固定于壳体12上。

所述壳体12设置有壳体进水道24和壳体出水道31，所述前轴承套30和后轴承套18分别设置有与壳体进水道24相通的前轴承套进水道5和后轴承套进水道20，所述前轴承套进水道5的两侧设置有前轴承套进水道左密封O型圈4和前轴承套进水道右密封O型圈7，所述后轴承套进水道20的两侧设置有后轴承套进水道左密封O型圈19和后轴承套进水道右密封O型圈22，所述前轴承2和后轴承23分别设置有前轴承节流孔6和后轴承节流孔21，所述前轴承节流孔6与前轴承套进水道5相通，所述后轴承节流孔21与后轴承套进水道20相通；所述前轴承2在前轴承节流孔6的两侧进一步设置有前轴承左环形回水槽3和前轴承右环形回水槽8，所述后轴承23在后轴承节流孔21的两侧进一步设置有后轴承左环形回水槽34和后轴承右环形回水槽36；润滑介质水从壳体进水道24分别流入前轴承套进水道5和后轴承套进水道20，然后分别流入前轴承节流孔6和后轴承节流孔21，前轴承节流孔6和后轴承节流孔21中的水自轴承与主轴之间的间隙分别流入前轴承回水槽和后轴承回水槽，最后由壳体出水道流出。

高压水进入轴承与电主轴之间的空隙11，会沿着电主轴16的轴向向壳体12外部和电机转子15方向流动，所以，本发明在所述前轴承2和后轴承23的两侧各有一个气体密封装置，即前轴承左气封环1、前轴承右气封环10、后轴承左气封环32和后轴承右气封环37，所述气封环可以阻止润滑介质水流入电机定子14和电机转子15之间的空隙，从而保证水流入前轴承2左右两侧的前轴承左环形回水槽2和前轴承右环形回水槽8，以及后轴承左右两侧的后轴承左环形回水槽34和后轴承右环形回水槽36，然后流入壳体出水道31中，最终流出壳体12。气封环为沿着转轴轴向依次设置的三个环形密封齿，在最外侧的环形密封齿外侧进一步设置有环形进气装置，这样，沿着电主轴周向形成一道压力均布的气体密封墙，阻止润滑液体水沿着电主轴轴向流入电机间隙和流出壳体外部。

所述壳体进一步设置有壳体进气道39，所述前轴承套30和后轴承套18分别设置有与壳体进气道39相通的前轴承套进气道29和后轴承套进气道35，所述前轴承2和后轴承23分别设置有前轴承进气道28和后轴承进气道33，所述前轴承进气道28和后轴承进气道33通过轴承与电主轴的间隙与前轴承回水槽和后轴承回水槽相通；这样高压的气体通过壳体进气道39依次进入到轴承套、轴承和轴承回水槽内，最后对轴承回水槽内的水产生压力，加快水从壳体出水道流出。此外，所述前轴承和后轴承分别设置有前轴承气封O型圈9和后轴承气封O型圈17。

气体止推轴承，采用高压气作为止推轴承的润滑介质，包括固定在电主轴16上的气体止推轴承推力盘26，在气体止推轴承推力盘26两侧分别设置带有高压进气孔的气体止推轴承左推力瓦25和气体止推轴承右推力瓦27，高压气体从左右两侧同时作用于推力盘，为电主轴提供轴向刚度，控制电主轴轴向位移和稳定性。高压气体首先进入气体止推轴承右推力瓦27上的通气孔，然后进入气体止推轴承左推力瓦25，分别经过气体止推轴承右推力瓦27和气体止推轴承左推力瓦25上的节流作用后，作用于气体止推轴承推力盘26上，达到控制电主轴16轴向位移，保持电主轴16轴向稳定的作用。气体最终从气体止推轴承与电主轴之间的空隙38通过后轴承左环形回水槽34从壳体出水道31排出。

所述动静压轴承，是一种以液体水同时作为轴承润滑介质和冷却介质的水润滑动静压轴承，高速流动的润滑介质水除了支撑高速电主轴的高速转动外，还将因轴承摩擦产生的热量迅速带走，降低温升。

本发明具有的有益效果是：

1.电主轴的支撑轴承是一种既继承了动压和静压轴承的优点，又克服二者缺点的动静压滑动轴承。高速运转的润滑剂产生的动压及外部静压，使轴承在全速度范围内都能形成高压油膜，其误差均化作用、良好的阻尼抗震性保证了电主轴具有高加工精度和高运转稳定性。

2.气体密封装置可以阻止润滑液体水沿着电主轴轴向进入电机定子和电机转子之间的空隙，保证了电主轴装置运行的安全性和稳定性。

3.使用的气体止推轴承，同滚动体止推轴承和液体止推轴承相比，具有摩擦小、噪音低、温升低和寿命长的特点，且便于依据不同的刚度和阻尼需要进行拆卸和更换，在提供电主轴轴向刚度的同时，提高了电主轴装置的经济性和可靠性。

4.整个电主轴装置均使用气体和液体这样的流体作为支撑润滑介质，这样使电主轴装置在高速运转的同时，能够保持低温升、高刚度和长寿命。

5.本发明适用于卧式电主轴装置和轴向负载较小的立式电主轴装置。

以上所述仅为本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.使用气液两相润滑的高速动静压轴承支撑的电主轴装置，其特征在于：包括壳体(12)，电主轴(16)，支撑电主轴两端并用于调节电主轴径向位移的前轴承(2)和后轴承(23)，固定前轴承和后轴承的前轴承套(30)和后轴承套(18)，固定在壳体(12)上的后轴承端盖(40)，以及用于调节主轴轴向位移的气体止推轴承；所述前轴承和后轴承均为动静压滑动轴承；所述轴承以非接触的方式支撑电主轴；所述气体止推轴承安装在电主轴的端部，采用高压气作为止推轴承的润滑介质，所述气体止推轴承包括固定在电主轴(16)上的气体止推轴承推力盘(26)，在气体止推轴承推力盘(26)两侧分别设置有带高压进气孔的气体止推轴承左推力瓦(25)和气体止推轴承右推力瓦(27)；高压气体首先进入气体止推轴承右推力瓦(27)上的通气孔，然后进入气体止推轴承左推力瓦(25)，分别经过气体止推轴承右推力瓦(27)和气体止推轴承左推力瓦(25)上的节流作用后，作用于气体止推轴承推力盘(26)上，达到控制电主轴(16)轴向位移，保持电主轴(16)轴向稳定的作用，气体最终从气体止推轴承与电主轴之间的空隙(38)通过后轴承左环形回水槽(34)从壳体出水道(31)排出。

2.根据权利要求1所述的使用气液两相润滑的高速动静压轴承支撑的电主轴装置，其特征在于，所述壳体进一步包括有壳体进水道(24)和壳体出水道(31)，所述壳体进水道内的介质为液体水；液体水自壳体进水道(24)依次进入到前轴承套和后轴承套、前轴承和后轴承，最后从壳体出水道流出。

3.根据权利要求2所述的使用气液两相润滑的高速动静压轴承支撑的电主轴装置，其特征在于，所述前轴承套(30)和后轴承套(18)上分别设置有与壳体进水道相通的前轴承套进水道(5)和后轴承套进水道(20)，所述前轴承和后轴承上分别设置有与前轴承套进水道相通的前轴承节流孔(6)和与后轴承套进水道相通的后轴承节流孔(21)。

4.根据权利要求3所述的使用气液两相润滑的高速动静压轴承支撑的电主轴装置，其特征在于，在所述前轴承节流孔(6)的两侧进一步设置有前轴承左环形回水槽(3)和前轴承右环形回水槽(8)，所述后轴承节流孔(21)的两侧进一步设置有后轴承左环形回水槽(34)和后轴承右环形回水槽(36)，所述前轴承左环形回水槽(3)和前轴承右环形回水槽(8)通过前轴承与电主轴之间的间隙相通，所述后轴承左环形回水槽和后轴承右环形回水槽通过后轴承与电主轴之间的间隙相通。

5.根据权利要求2所述的使用气液两相润滑的高速动静压轴承支撑的电主轴装置，其特征在于，所述前轴承(2)的两端设置有前轴承左气封环(1)和前轴承右气封环(10)，所述后轴承(23)的两端设置有后轴承左气封环(32)和后轴承右气封环(37)，防止介质水沿电主轴的轴向流入电机和流出壳体。

6.根据权利要求3或4所述的使用气液两相润滑的高速动静压轴承支撑的电主轴装置，其特征在于，所述前轴承(2)的两端设置有前轴承左气封环(1)和前轴承右气封环(10)，所述后轴承(23)的两端设置有后轴承左气封环(32)和后轴承右气封环(37)，防止介质水沿电主轴的轴向流入电机和流出壳体。

7.根据权利要求6所述的使用气液两相润滑的高速动静压轴承支撑的电主轴装置，其特征在于，所述气封环为沿着轴向依次设置的三个环形密封齿，在最外侧的环形密封齿外侧设置有环形进气装置，以保证沿着主轴周向形成一道压力均布的气体密封墙。

8.根据权利要求2所述的使用气液两相润滑的高速动静压轴承支撑的电主轴装置，其特征在于，所述壳体进一步设置有壳体进气道(39)，高压气自壳体进气道依次进入到轴承套、轴承和环形回水槽内，对环形回水槽内的水产生压力，加快水从壳体出水道流出。

9.根据权利要求8所述的使用气液两相润滑的高速动静压轴承支撑的电主轴装置，其特征在于，所述前轴承套(30)和后轴承套(18)分别设置有与壳体进气道(39)相通的前轴承套进气道(29)和后轴承套进气道(35)，所述前轴承(2)和后轴承(23)分别设置有前轴承进气道(28)和后轴承进气道(33)，所述前轴承进气道(28)和后轴承进气道(33)通过轴承与电主轴的间隙与前轴承回水槽和后轴承回水槽相通。