CN104526546A - 一种磨床超高精度砂轮架主轴用的静动压轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨床超高精度砂轮架主轴用的静动压轴承，静动压轴承开设有用于从外至内进油的多个进油结构，静动压轴承的内圈开设有多个环形均布的静动压油腔，每个静动压油腔包括沿着主轴转动的方向依次设置的静压腔、动压腔、及封油边，静压腔与进油结构一一对应连通，动压腔的腔体高度Δh从静压腔至封油边逐渐减小；其能够使得主轴高速旋转更加平稳，减少主轴和轴承的磨损，提高加工精度；试验证明，使用上述静动压轴承的砂轮架，适用于磨床粗磨、精磨和超精磨，一般表面粗糙度可达Ra0.1以下，最高可达Ra0.01，零件磨削圆度<0.1μm，直线度<0.1μm。

Description

一种磨床超高精度砂轮架主轴用的静动压轴承

技术领域

本发明涉及轴承技术领域，尤其涉及一种磨床超高精度砂轮架主轴用的静动压轴承。

背景技术

磨床砂轮架主轴轴承是一台磨床的关键部件，这是一项核心技术。

我国磨床砂轮架轴承从50年代到目前为止，将近50、60年来一直使用的是三块式或四块式的轴瓦式动压轴承，轴瓦式的动压轴承如图1所示，这种动压轴承，因体壳2用于支承轴瓦3的球头螺钉4是位于轴瓦3的偏心位置的，一般为轴瓦3的一侧边与球头螺钉4的中心面之间的夹角为α＝24.5°或轴瓦3的另一侧边与球头螺钉4的中心面之间的夹角为β＝35.5°，因而轴瓦3在球头螺钉4上可自由摆动。当主轴1高速旋转时，轴瓦3在球头螺钉4上因摆动而使得油膜5变为油楔，如图2所示，进而形成动压作用，使得主轴1在动压轴承中自由旋转。如图3所示，为动压轴承的压力分布示意图。动压轴承当主轴1不转时，将不产生油楔，所以不能产生油膜压力。

这种动压轴承，制造容易，对砂轮体壳孔的精度要求较低。但是，长期使用证明，由于轴瓦3摆动无法控制，导致主轴1与轴瓦3将会长时间的金属接触摩擦，因而一般用1年左右，轴瓦3就要磨损，使用2-3年后主轴1磨损严重，一旦严重磨损后动压轴承与主轴的间隙就会增大，使得主轴1转动不平稳，工件磨削表面容易产生波纹、振纹及螺旋线，磨削表面粗糙度连Ra0.8也无法保证，导致精度降低。

因此，在使用时，必须调整轴瓦3的间隙才可以满足磨削要求，这又需 要专用工具及熟练的装配工来进行调整，增加使用成本；当轴承间隙太小时要产生抱轴(咬死)，太松了又要产生振纹。

因而在80年代前后，磨床上又使用了静压轴承6，其原理如图4、图5所示，静压轴承6的内圈均匀开设有环形排布的第一油腔61、第二油腔62、第三油腔63及第四油腔64，每一个油腔的中间位置分别开设有进油孔，且相邻的两个油腔之间开设有一个回油孔。这种静压轴承6需要一个独立油箱，用于提供可调油压的供油系统。具体地，若一定压力油Ps，经过节流后，如一小孔阻力的Rc(Rc1、Rc2、Rc3、Rc4)，流入静压轴承6的第一油腔61、第二油腔62、第三油腔63及第四油腔64中的压力Pr(Pr1、Pr2、Pr3、Pr4)在外载荷W(如主轴1的重量与径向磨剂力之和)的作用下，使得静压轴承6与主轴1之间的间隙Δh会减小，因而回油阻力增大。由于节流作用，使每个油腔与主轴1之间的间隙基本保持一定，从而使得主轴1与静压轴承6间处于纯液体摩擦状态。但是，由于静压轴承6一般要求间隙较大，导致动刚性较差，也就不适用于粗磨和半精磨。

发明内容

本发明的目的在于提出一种磨床超高精度砂轮架主轴用的静动压轴承，其能够使得主轴高速旋转更加平稳，减轻主轴和轴承的磨损，提高加工精度。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种磨床超高精度砂轮架主轴用的静动压轴承，所述静动压轴承开设有用于从外至内进油的多个进油结构，所述静动压轴承的内圈开设有多个环形均布的静动压油腔，每个所述静动压油腔包括沿着主轴转动的方向依次设置的静压腔、动压腔、及封油边，所述静压腔与所述进油结构一一对 应连通，所述动压腔的腔体高度Δh从所述静压腔至所述封油边逐渐减小。

其中，所述动压腔的内腔面为阿基米德螺线形成的弧形面，所述静压腔、所述动压腔、所述封油边分别与主轴的间隙逐渐减小。

其中，所述封油边为与主轴相适应的圆弧面。

其中，所述静动压油腔的数量为4个。

其中，所述进油结构包括沿径向开设并环形均布的多个轴承进油孔，以及开设于所述静动压轴承的外侧的多个缝隙式节流器，每个所述轴承进油孔与相邻的至少两个所述缝隙式节流器连通。

其中，每个所述轴承进油孔与位于其两侧的两个所述缝隙式节流器连通。

其中，所述缝隙式节流器与外部油箱连通。

本发明的有益效果为：

本发明的磨床超高精度砂轮架主轴用的静动压轴承，利用在其内圈开设多个环形均布的静动压油腔，使得主轴的一周均匀形成油膜，以支撑主轴，具体地，静动压油腔包括与进油结构连通的静压腔，静压腔沿着主轴转动的方向连接有动压腔，动压腔连接有封油边；在开机时，主轴不旋转，此时，缝隙式节流器中的润滑油经进油结构进入到静压腔中，利用静压腔中的润滑油的浮力将主轴抬起，使主轴浮于该静动压轴承的中间，以免主轴突然转动时主轴与静动压轴承内圈摩擦，然后再开动主轴使其旋转，当主轴高速旋转时，主轴将会带动静压腔中的润滑油进入到与静压腔相连的动压腔中，再从动压腔至封油边，由于动压腔的腔体高度从静压腔至封油边逐渐减小，主轴转动时动压腔将会形成动压油楔，动压油楔的厚度跟随动压腔的腔体高度变化，所以静动压轴承与主轴之间的间隙逐渐减小，以使得静压腔、动压腔与 封油边分别与主轴之间形成的不同厚度的油膜可以实现稳定支撑主轴的目的，进而能够使得主轴高速旋转更加平稳，有效减轻主轴和轴承的磨损，提高加工精度。

附图说明

图1是现有技术中的动压轴承的结构示意图。

图2是图1中的动压轴承的运动原理示意图。

图3是图1中的动压轴承的压力分布示意图。

图4是现有技术中的静压轴承的运动原理图。

图5是图4中的静压轴承的结构示意图。

图6是本发明磨床超高精度砂轮架主轴用的静动压轴承的原理图。

图7是图6中的静动压油腔的展开示意图。

图8是将本发明静动压轴承直接装入砂轮架后的剖面结构示意图。

图9是将本发明静动压轴承装入套筒式轴承后的剖面结构示意图。

图10是使用装有本发明的静动压轴承的磨床磨削的零件示意图。

图11是使用装有本发明的静动压轴承的磨床磨削的工件表面粗糙度测量数据示意图。

图12是使用装有本发明的静动压轴承的磨床磨削的外圆端面粗糙度测量数据示意图。

图13是使用装有本发明的静动压轴承的磨床磨削的高精度零件结构示意图。

图14是使用装有本发明的静动压轴承的磨床磨削的高精度塞规结构示意图。

图15是在装有本发明的静动压轴承的磨床上磨削高速列车电机主轴的 示意图。

图16是图15中的电机主轴在磨削后的粗糙度测量数据示意图。

图17是装有本发明的静动压轴承的磨床磨削加工的高精度圆锥塞规的检测报告一。

图18是装有本发明的静动压轴承的磨床磨削加工的高精度圆锥塞规的检测报告二。

图19是装有本发明的静动压轴承的磨床磨削加工的高精度圆锥塞规的检测报告三。

图20是装有本发明的静动压轴承的磨床磨削加工的高精度圆锥塞规的检测报告四。

图21是装有本发明的静动压轴承的磨床磨削加工的高精度圆锥塞规的检测报告五。

图中：1-主轴2-体壳3-轴瓦4-球头螺钉5-油膜6-静压轴承7-静动压轴承8-轴承进油孔9-缝隙式节流器10-静压腔11-静压腔12-封油边13-止推环14-密封圈15-套筒16、17-节流器61-第一油腔62-第二油腔63-第三油腔64-第四油腔。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图6、图7所示为本发明的磨床超高精度砂轮架主轴用的静动压轴承原理图。

一种磨床超高精度砂轮架主轴用的静动压轴承，静动压轴承7开设有用于从外至内进油的多个进油结构，静动压轴承7的内圈开设有多个环形均布的静动压油腔，每个静动压油腔包括沿着主轴1转动的方向依次设置的静压 腔10、动压腔11、及封油边12，静压腔10与进油结构一一对应连通，动压腔11的腔体高度Δh从静压腔10至封油边12逐渐减小。

本发明的磨床超高精度砂轮架主轴用的静动压轴承7，利用在其内圈开设多个环形均布的静动压油腔，使得主轴1的一周均匀形成油膜，以支撑主轴1，具体地，静动压油腔包括与进油结构连通的静压腔10，静压腔10沿着主轴1转动的方向连接有动压腔11，动压腔11连接有封油边12，在开机时，主轴1不旋转，此时，缝隙式节流器9中的润滑油经进油结构进入到静压腔10中，利用静压腔10中的润滑油的浮力将主轴1抬起，使主轴1浮于该静动压轴承的中间，以免主轴突然转动时主轴1与静动压轴承7内圈金属摩擦，然后再开动主轴1使其旋转，当主轴1高速旋转时，主轴1将会带动静压腔10中的润滑油进入到与静压腔10相连的动压腔11中，再从动压腔11至封油边12，由于动压腔11的腔体高度从静压腔10至封油边12逐渐减小，主轴1转动时动压腔11将会形成动压油楔，动压油楔的厚度跟随动压腔11的腔体高度变化，所以静动压轴承7与主轴1之间的间隙逐渐减小，以使得静压腔10、动压腔11与封油边12分别与主轴1之间形成的不同厚度的油膜可以实现稳定支撑主轴的目的，进而能够使得主轴高速旋转更加平稳，有效减轻主轴和轴承的磨损，提高加工精度，减少温升。

优选的，在本实施例中，动压腔11的内腔面为阿基米德螺线形成的弧形面，也即，多条阿基米德螺线沿着轴向并排设置，组成弧形面，根据阿基米德螺线的特性，其在展开后为斜线(见图7)，因此，该弧形面可以展开为一个斜面，其展开后，从静压腔10至封油边12的相邻点的高度Δh逐渐变小，其变化过程比较平稳，进而形成的动压油楔的高度变化也比较平稳，有利于主轴转动时提供平稳的支撑。

进一步优选的，封油边12为与主轴1相适应的圆弧面。因此，封油边12与主轴1之间形成的油膜的厚度基本一致，保证较好地支撑主轴。静压腔10、动压腔11、封油边12分别与主轴1的间隙逐渐减小。利用静压腔10储存足够的润滑油，以用于主轴转动时带入动压腔与封油边。

在本实施例中，静动压油腔的数量为4个，并形成环形均匀排布，能够对主轴1提供较大程度的支撑，并使得主轴受力非常均匀。

在本实施例中，进油结构包括沿径向开设并环形均布的多个轴承进油孔8，以及开设于静动压轴承7的外侧的多个缝隙式节流器9，每个轴承进油孔8与相邻的至少两个缝隙式节流器9连通。优选的，每个轴承进油孔8与位于其两侧的两个缝隙式节流器9连通。缝隙式节流器9与外部油箱连通。实际工作时，该静动压轴承7通过外部油箱进油，将外部油箱中的润滑油进入到缝隙式节流器9中，再从缝隙式节流器9中经具有节流作用的流道节流后进入到轴承进油孔8，进而进入到静压腔10中，整个进油过程缓慢平稳，且通过缝隙式节流器9起到储存润滑油的作用，使得轴承进油孔8中的进油充足不间断，进而保证静动压油腔的支撑效果。

本发明的静动压轴承，其较好地将动压轴承与静压轴承的优点结合，巧妙地利用润滑油从静压腔10至动压腔11，再至封油边12的运动过程，很好地实现对主轴的支撑。

装有该静动压轴承的具体机构见图8，静动压轴承必须有独立邮箱供压力油。此时，压力油分别由进油孔a、c进入缝隙式节流器9，通过进油孔8进入4个静压腔10中。当主轴高速旋转，经4个动压腔产生静压作用，并通过封油边12(见图6)，形成非常均匀的油膜，从而实现纯液体摩擦支撑主轴，非常稳定无震动的高速旋转，从而获得磨削零件高精度，如超细表 面粗糙度(Ra0.01)。该静动压轴承左右推力由液压油从进油孔b，经过左右止推环13与密封圈14后从小孔节流器16、17至左右端面油腔，以承受左右轴向力，d、e是回油孔。

图9是套筒式的静动压轴承结构图，静动压轴承装入套筒15中，在将套筒装入砂轮架体壳中，其结构对改装旧机床较方便。其静动压轴承原理与图8相同。具体地，压力油分别由进油孔f、h进入缝隙式节流器9，通过进油孔8进入4个静压腔10中。该静动压轴承左右推力由液压油从进油孔g，经过左右小孔节流器16、17至左右端面油腔，以承受左右轴向力，i、j是回油孔。

本发明的静动压轴承的实施效果如下。

安装了超高精度静动压轴承有7台磨床，其中5台为外圆磨床，2台为端面磨床。使用实践证明，使用静动压轴承后，由于静动压作用是纯液体摩擦，主轴与轴承均没有发生故障，亦没有磨损，磨削表面可保持在Ra0.1μm以下，且没有振纹，没螺旋线。

实施例1：磨削典型零件见图10，该轴是高速机车中一个关键零件，它以每分钟23000转/分高速旋转，其尺寸精度为0.007mm，表面粗糙度Ra0.2以下(且不准有磨痕No Grinding Mark)大端面平面度0.007，端面圆跳动0.007。使用超高精度静动压轴承磨床后，精度和表面粗糙度一般均在技术要求的一倍以上，磨削以后外圆表面粗糙度可达Ra.014μm(见图11)。工件端面粗糙度可达Ra0.078μm(见图12)。获得了美国GE公司好评，并授予了发明者技术专家奖。

实施例2：使用该静动压轴承的磨床，为瑞士BOBST上海公司提供近百种高精度零件，其代表性零件见图13。

该轴主要是缺圆，精度要求表面粗糙度Ra0.2，Rz1.2，Rmax1.9，圆柱度＜0.005，此零件主要形状特殊，一般磨床由于砂轮架轴承刚性较差对于缺圆的磨削很难达到此技术要求。使用静动压轴承磨床进行磨削非常顺利达到和超过以上技术要求。用超高精度轴承磨床为BOBST公司生产了近百种高精度零件，均达到瑞士标准。

实施例3：美国另一家中国供应商，因高精度圆锥塞规无处加工(见图14)，后委托本申请的发明人，高精度磨床进行磨削后，其圆度可达0.00018mm，直线度0.00011mm，大大超过了技术要求，见图17-图21。该塞规已送美国检验合格。

装有静动压轴承的磨床，经试磨表面粗糙度，最高可达到Ra0.01。一般磨削即可达到Ra0.2以下。图15所示在静动压轴承磨床磨削高速列车电机主轴，重量约为110kg。因磨床静动压轴承动刚性极佳，一般性磨即可达到Ra0.189μm，见图16。

综上所述，该静动压轴承有如下优点：

1、由于静压腔10中的静压作用，使主轴1与静动压轴承7不直接接触，其之间是纯液体摩擦，因此，主轴1与静动压轴承7均不会磨损。我公司装有静动压轴承7的砂轮架连续试验很长时间，主轴1与静动压轴承7均没有产生过故障，亦没有磨损；并且，通过上述砂轮架磨削后的零件表面粗糙仍保持在Ra0.1μm以下，没有振纹、没有螺旋线。由于静压作用实现纯液体摩擦，因此主轴1的温升很小(小于10℃)。

2、由于动压腔11的动压作用，动压油楔使主轴1在静动压轴承7中高速旋转，并使得静动压轴承7的动刚性，静动刚性高稳定性都达到最佳状态。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释 本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种磨床超高精度砂轮架主轴用的静动压轴承，其特征在于，所述静动压轴承开设有用于从外至内进油的多个进油结构，所述静动压轴承的内圈开设有多个环形均布的静动压油腔，每个所述静动压油腔包括沿着主轴转动的方向依次设置的静压腔、动压腔、及封油边，所述静压腔与所述进油结构一一对应连通，所述动压腔的腔体高度Δh从所述静压腔至所述封油边逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的静动压轴承，其特征在于，所述动压腔的内腔面为阿基米德螺线形成的弧形面，所述静压腔、所述动压腔、所述封油边分别与主轴的间隙逐渐减小。

3.根据权利要求1所述的静动压轴承，其特征在于，所述封油边为与主轴相适应的圆弧面。

4.根据权利要求1所述的静动压轴承，其特征在于，所述静动压油腔的数量为4个。

5.根据权利要求1所述的静动压轴承，其特征在于，所述进油结构包括沿径向开设并环形均布的多个轴承进油孔，以及开设于所述静动压轴承的外侧的多个缝隙式节流器，每个所述轴承进油孔与缝隙式节流器连通。

6.根据权利要求5所述的静动压轴承，其特征在于，所述缝隙式节流器与外部油箱连通。