CN104551023A - 液静压主轴轴向油腔装置 - Google Patents

液静压主轴轴向油腔装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种液静压主轴轴向油腔装置，其包含径向封油边的轴向油腔构造，本发明的此一构造设计，可以加大液静压轴承油腔的作用面积，进而增加液静压轴向轴承的刚性，使一般液静压主轴的加工可以由研磨加工提升至复合加工的应用范围。

Description

液静压主轴轴向油腔装置
技术领域
本发明涉及一种液静压主轴轴向油腔装置，特别是涉及应用在多功能复合工具机主轴系统、主轴模块，或是应用在滚珠导螺杆的液静压支撑轴承，利用本发明的油腔装置可提升主轴轴向刚性及旋转加工能力，同时提高主轴旋转作动的精度及使用寿命者。
背景技术
一般主轴等转动件多利用轴承支撑定位，藉轴承减少主轴转动时的磨擦并承受负载，传统应用于主轴等转动件的轴承主要是滚动轴承，其主要是由内、外套圈、滚珠或滚子及保持器所构成，滚珠或滚子设于内、外套圈之间，并由保持器维持圆滑的滚动状态。
传统轴承由于利用滚珠或滚子等转动件作为内环与外环间的介质，当主轴转动时，构成轴承的内环、外环、滚珠或滚子等转动件、及保持器等各元件之间，形成相对的磨擦致造成了磨损，故传统轴承的制造精密度要求高，且使用寿命短，为改善传统轴承的问题，遂发展出利用油膜取代转动体的液态轴承。
液态轴承由于使用油膜取代滚珠等转动件，相较之下，可有效减低转动时的磨擦，故其精度高、噪音低，且较不易升温发热；现有液静压轴承是由外部供给润滑油，通过液体油膜提供轴承的润滑，所以使用液静压轴承，主轴磨损率低、使用寿命长、起动所需功率小，在极低的运转速度下也能应用。
液静压轴承的开发，使得工具机有机会发展出将车床、铣床与磨床结合的多功能型加工设备。以往无法达成车、铣、磨等多功能复合设备的原因，除了加工切屑不易处理外，还包含轴承预压的问题，因为现有工具机的主轴或为了因应不同种类的加工，会选择轻预压或中预压类型以符合不同的加工需求。此外，为了延长高精度轴承的寿命，会依加工需求的差异区分成三种设备：重切削、中切削与轻切削。而液静压轴承属于非接触式轴承，即使应用在中切削与轻切削领域，只要在液静压轴承可以应用的区间，那就不会有寿命缩短的问题(只要控制好使用油膜的刚性，不使其失效致使轴承刚体互相磨擦)。虽然，液静压轴承相较传统轴承具有许多优点，由于其使用润滑油作为介质，而油膜刚性关系着传动主轴的精度和使用寿命，如何改良液静压主轴轴向的刚性便成为使用液静压主轴和轴承的重要课题。
以下兹列举数件液静压主轴先前技术文献为例，以了解现有现有的液静压主轴所亟需改善的部分，如美国第5462364号专利案即是采用液静压轴承技术，其中油室为弹性变形结构用以控制流体流量，参数设计得宜可提供较高刚性，但弹性变形使精度无法掌握，因此在精度的可靠度较低。
再如美国第5921731号专利案也是一液静压主轴构造，采用对称锥面油室设计，虽可达成高速的功效，但相对刚性较低。因为锥面两端的油腔对称面要达到相互对称具有相当的难度。因此在难以对称与平行的状态下，精度与刚性就很难展现出来。
另外美国第6367977号专利案为一应用液静压轴承技术配合滚动轴承以提升轴向刚性的结构，其刚性虽能提升，但是应用接触式传动的滚动轴承同时，也降低了高精度高寿命的性能。
由以上的前案技术可知，液静压轴承刚性大小，是取决于油腔室面积、封油边产生的流阻与节流器的配合，本发明人即为了解决上述问题，而提出本发明以改良提升液静压主轴轴承的刚性。
发明内容
液静压轴承是通过液压系统强制的把高压润滑液由入油口送入轴体与轴承面的间隙之中，利用液体静压力来承担负载的一种轴承，因此如何在有限空间加大油腔室面积，与提高液静压主轴轴承的刚性有密切的关系。本发明的目的在于公开一种液静压主轴轴向油腔装置，是将轴向油室延伸到径向区域，即在于有限的主轴空间内增大轴向油室使用的区间，提升液静压轴承的轴向刚性，以使液静压主轴应用的范围更加广泛。
通过本发明液静压主轴轴向油腔装置，可以提升主轴的旋转加工能力，并提高主轴旋转作动的精度及使用寿命者。
为达成上述的目的与功效，本发明揭示一种液静压主轴轴向油腔装置，是可应用在多功能复合工具机主轴系统、主轴模块、或是滚珠导螺杆的液静压支撑轴承，其包含：轴向油室的封油边、径向油室的封油边、液静压油腔，主轴轴向形成有一间隙，径向形成有另一间隙。轴向间隙与径向间隙搭配形成一封闭的油腔面，该油腔面分别与轴向间隙、径向间隙形成流阻，再与节流器的注油小孔配合可以在主轴腔室内产生所需的刚性。亦即轴向油室的封油边与轴向间隙间形成一流阻、径向油室的封油边与径向间隙间形成另一流阻，轴向流阻会随着轴向间隙的大小而改变，整体的流阻值为轴向流阻与径向流阻之和，主轴轴向油腔内的整体流阻再配合节流器小孔节流控制压力源，可使得本发明液静压轴向油腔构造的刚性值提升。
有关本发明的液静压轴向油腔构造与一般传统的液静压轴向支撑轴承油腔分别与节流器小孔节流配合以取得最佳化刚性值，是假设在设计空间大小相同和设计参数相同的条件下所得到的数据，一般传统的液静压轴向支撑轴承与节流器小孔节流最佳化的刚性值为9.46kg/um，本发明的刚性值为13.6kg/um，本发明约较传统的液静压轴向支撑轴承的刚性值提升近43%，前述刚性值求取的程序和公式将于下文中详述。
本发明的液静压油室具体参数尺寸和引用公式如下说明：
其中，ra代表油腔外径，rb为油腔内径，a为油腔岛部宽度、b为油腔岛部长度。将油腔各部尺寸简化成L(油腔长)，B(油腔宽)，a(油腔岛部宽度)，b(油腔岛部长度)。
因此，油腔的流阻R1=12×流体粘滞系数×a(油腔岛部宽度)×[L(油腔长)-b(油腔岛部长度)]/(间隙A)3+24×流体粘滞系数×b(油腔岛部长度)×[B(油腔宽)-a(油腔岛部宽度)/2]/(间隙1)3+12×流体粘滞系数×a(油腔岛部宽度)×[L(油腔长)-b(油腔岛部长度)]/(间隙A’)3。而小孔节流器的流阻值R2为8×流体密度×Q(流体流量)/(流量系数2×π2×小孔直径4)，整体系统流阻为R=R1+R2。设压力源压力为Ps，油腔压力为Pa，则整体流量Q=Ps/R,而Pa=Q×R1，而刚性=Pa(间隙A-0.001mm)×(油腔作用面积)-Pa(间隙A)×(油腔作用面积)，也就是油膜变化0.001mm时，推力的差值。
附图说明
图1为本发明应用在滚珠导螺杆的液静压支撑轴承的剖面示意图；
图1-1为图1油腔装置的部分放大图；
图2为本发明轴向油腔装置的前视图；
图3为本发明液静压油室各部参数尺寸的示意图；
图4为图3的简化图；
图5为本发明刚性最佳化分析数据图；
图6为传统轴向液静压油腔刚性最佳化分析数据图；
图6-1为传统轴向液静压油腔构造图；
图7为本发明油室压力分布图；
图8为传统液静压油腔压力分布图。
符号说明
1 轴向油室的封油边
2 径向油室的封油边
3 液静压封闭油腔
4 入油口
A 轴向间隙
A’ 径向间隙
10 轴座
11 容室
12 主轴
13 轴衬
14 封盖
15 节流器
Ps 压力源
R1、R2 流阻
具体实施方式
为使贵审查委员对于本发明的结构和功效有更进一步的了解与认同，兹以一实施例配合图示详细说明如后。
请参阅附图图1，为本发明应用于主轴系统、主轴模块，或是应用在滚珠导螺杆的液静压支撑轴承的剖面示意图，其中，轴座10设有容室11以供主轴12容设其内，轴座10枢设有一轴衬13，轴衬13再枢接一封盖14以构成一液静压主轴系统或模块。请再参阅附图图1-1为本发明轴向油腔装置放大示意图，图2为轴向油腔装置的前视图，为了便于理解，将图1-1的径向油室的封油边2开展成在同一平面的示意图。其中，油腔的构造包含：一轴向油室的封油边1、一径向油室的封油边2、该轴向油室的封油边1与该径向油室的封油边2形成一液静压封闭油腔3，另轴向油室的封油边1形成有一轴向间隙为A，径向油室的封油边2形成有一径向间隙为A’。轴向间隙A与径向间隙A’搭配形成一封闭的油腔，该封闭油腔3可以产生总体流阻R，亦即轴向油室的封油边1与轴向间隙A间形成一流阻R1、径向油室的封油边2与径向间隙A’间形成另一流阻R2，流阻R1会随着轴向间隙的大小而改变，整体的流阻R为流阻R1与流阻R2之和，润滑油经由入油口4注入主轴内，主轴轴向油腔内的流阻再配合来自压力源Ps与节流器15小孔节流做最佳化设计，用于提升液静压主轴的刚性值。
请再参阅图3，是本发明液静压油室各部参数尺寸的示意图，图4为图3的简化图，以便于计算刚性值。其中，该轴向油室的封油边1与轴向间隙A形成流阻R1，流阻R1会随着轴向间隙值的改变而改变。径向油室的封油边2则与径向间隙A’形成流阻R2。整体流阻值R=流阻R1+流阻R2，配合节流器15做小孔节流进行最佳化分析，于依同样的设计空间与设计参数的条件下，本发明的液静压主轴轴向油腔装置其油室压力分布如图7，可得到如图5所示的分析数据，刚性值为13.6kg/um。若使用如图图6-1所示的传统一般液静压主轴轴向支撑轴承做小孔节流最佳化设计时，其油室压力分布图如图8所示，刚性值仅有9.46kg/um，如图6所示的数据图。因此，本发明较之现有液静压主轴提升的刚性值将近43％。图5、图6中的数据，是依据2003年出版的Precision Engineer Vol.27，Hydrostatic Rotary Bearingwith Angled Surface Self-Compensation所公开的一流体公式演算所得。其设定条件为：流体（润滑油）粘滞系数为32，压力源压力值为40bar，油腔外径为85mm（毫米），内径为60mm（毫米），油腔宽为5mm（毫米）时。
本发明实施最佳化分析所利用的公式，以下将说明其取得刚性值数据的演算程序：
本发明的液静压油室的参数符号如下：
ra 油腔外径
rb 油腔内径
a 油腔岛部宽度
b 油腔岛部长度
L 油腔长
B 油腔宽
A 轴向间隙
A’ 径向间隙
u 流体粘滞系数
m 流体密度
Q 流体流量
q 流量系数
d 小孔直径
Ps 压力源压力
Pa 油腔压力
a 油腔作用面积
油腔的流阻R1=12×u×a×[L-b]/(A)3+24×u×b×[B-a/2]/(A)3+12×u×a×[L-b]/(A’)3。
小孔节流器的流阻值R2=8×m×Q/(q2×π2×d4)。
整体系统流阻为R=R1+R2，则整体流量Q=Ps/R,Pa=Q×R1，刚性=Pa(A-0.001mm)×(a)-Pa(A)×(a)。
其代表的意义为，当油膜变化0.001mm时，推力的差值。
综上所述，本发明的一种液静压主轴轴向油腔装置，将轴向封油边向径向封油边延伸，以在有限的油腔结构中得到更大的接触面积的特征，使得液静压轴承油腔的作用面积加大，因此而提升液静压轴向轴承的刚性，本发明液静压主轴轴向油腔装置的应用范围，也从一般液静压主轴的单一功能的加工，提升至适用于复合加工机的场合。
上述实施例仅为例示性说明本发明的技术特征及功效，而非用于限定本发明所实施的范围。即大凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明专利涵盖的范围内。

Claims (6)

1.一种液静压主轴轴向油腔装置，是应用在液静压主轴模块中的轴向轴承油腔结构，其包含有：
轴向油腔的封油边；以及
径向油腔的封油边；
该轴向油腔的封油边延展到径向的封油边形成一封闭油腔。
2.如权利要求1所述的液静压主轴轴向油腔装置，还具有一压力源，配合该压力源以提升主轴模块的轴向刚性。
3.如权利要求2所述的液静压主轴轴向油腔装置，还具有节流器，配合该节流器的小孔节流，以提升主轴模块的轴向刚性。
4.如权利要求1、2或3所述的液静压主轴轴向油腔装置，还形成有一轴向间隙，该轴向间隙与轴向油腔的封油边形成一流阻。
5.如权利要求1、2或3所述的液静压主轴轴向油腔装置，还形成有一径向间隙，该径向间隙与径向油腔的封油边形成一流阻。
6.如权利要求1、2或3所述的液静压主轴轴向油腔装置，还形成有一轴向间隙和一径向间隙，该轴向间隙与轴向油腔的封油边形成一流阻，该径向间隙与径向油腔的封油边形成另一流阻。
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