CN105195764B - 一种自润滑自密封石墨气浮静压主轴结构 - Google Patents

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Abstract

本发明一种自润滑自密封石墨气浮静压主轴结构，包括主轴，设置在主轴端部的止推盘，及套设在主轴外的套筒、电机定子和电机转子，在套筒和主轴之间设置有多孔材质制成的前轴瓦和后轴瓦，前轴瓦安装于所述套筒内孔前端，后轴瓦安装于所述套筒内孔后端，在主轴两端分别设置有前端盖和后端盖。由于本发明采用多孔质轴承，不仅径向和止推刚性好，而且节流器和轴承合二为一，节省了节流器的成本；本发明前轴瓦和后轴瓦的材料均采用多孔质石墨材质，由于石墨本身是固体润滑剂，浮起时气膜本身是气体润滑剂，因此在主轴转动稳定性较差时，不容易出现刮瓦情况，自润滑性好；本发明还具有结构简单、密封性较稳定、主轴不易倾角摆动运行稳定等优点。

Description

一种自润滑自密封石墨气浮静压主轴结构
技术领域
本发明属于制造领域，涉及适用于精密及超精密加工技术中的多孔质气体静压主轴结构，具体涉及一种自润滑自密封石墨气浮静压主轴结构。
背景技术
气体静压轴承属于静压轴承的一种，是利用压力泵将压力润滑剂强行泵入轴承和轴之间的微小间隙的滑动轴承。气体静压轴承结构和工作原理与液体滑动轴承类似，不同的是采用气体(多为空气)作为润滑介质。当外部压缩气体通过节流器进入轴承间隙，就会在间隙中形成一层具有一定承载和刚度的润滑气膜，依靠该气膜的润滑支承作用将轴浮起在轴承中。由于气体静压轴承是使用空气作为润滑剂，气体静压轴承以其磨损小、转速高、发热小、运动精度好的特性，在精密超精密加工，精密测量仪器等领域得到广泛应用。
对于气体静压轴承，采用外压供气是其基本工作方式，节流器是其结构的关键，而主轴工作时因自重和载荷出现的偏心则建立起轴承相应的承载和刚度加工中心机制。以径向供气的静压气浮轴承为例，径向孔式静压气体轴的气流通道主要由节流孔和轴承径向间隙两部分组成，节流孔是使外部加压气体进入轴承间隙前，产生节流效果、并使之形成具有一定承载能力及刚度的稳定润滑气膜的一种装置。而轴承径向间隙则是通过改变径向间隙，调整对气流的阻抗以达到改变空气流量，进而影响上游来流条件，改变节流孔出口压力Pr，在轴承腔内建立起新的平衡。
传统的气体静压轴承，如上所述的是采用带有节流孔的节流器，节流方式主要有小孔节流、毛细管节流、缝隙节流和薄膜反馈节流。小孔节流、毛细管节流、缝隙节流不但刚性较薄膜反馈节流差，且薄膜反馈节流的薄膜容易疲劳破坏。并且，现有技术气体静压轴承在使用过程中，通常其主轴前后设置有两个径向轴承和两个止推轴承，径向轴承和止推轴承分开进油的形式使主轴前段的轴向热误差增大，进而油泵功耗增大。现有技术气体静压轴承还有结构复杂、密封性较不稳定、主轴容易倾角摆动等不足之处。为此，一种成本较低、密封性润滑性好、油泵功耗较低的气体静压主轴结构成为亟待解决的问题。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种自润滑自密封石墨气浮静压主轴结构，解决现有技术气体静压轴承结构复杂、密封性较不稳定、主轴容易倾角摆动等问题。为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
一种自润滑自密封石墨气浮静压主轴结构，包括主轴，设置在主轴端部的止推盘，及套设在所述主轴外的套筒、电机定子和电机转子，在所述套筒和主轴之间设置有多孔材质制成的前轴瓦和后轴瓦，所述前轴瓦安装于所述套筒内孔前端，所述后轴瓦安装于所述套筒内孔后端，在所述主轴两端分别设置有前端盖和后端盖，所述前端盖及后端盖相向将前轴瓦、后轴瓦、电机定子和电机转子轴向压紧，所述前轴瓦的左侧面、内孔面、右侧面和主轴及止推盘构成径向止推联合轴承，所述后轴瓦的内孔面和主轴构成径向轴承。
本发明进一步地，所述前轴瓦上开有径向第一进气环形槽，所述后轴瓦上开有径向第二进气环形槽，设置所述第一进气环形槽的开槽深度为a，设置所述第二进气环形槽的开槽深度为b，其中，0.3c≤a≤0.7c，0.3d≤b≤0.7d，c为所述前轴瓦的径向壁厚，d为所述后轴瓦的径向壁厚。
本发明进一步地，所述多孔材质制成的前轴瓦和后轴瓦，多孔材质包括自润滑性的多孔质石墨材料、多孔质青铜材料或多孔质陶瓷材料。
本发明进一步地，所述前轴瓦内圆和外圆同轴、且端面与内外圆垂直，所述后轴瓦同样内圆和外圆同轴、且端面与内外圆垂直，所述套筒内圆与所述前轴瓦外圆、所述后轴瓦外圆同轴。
本发明进一步地，所述前端盖内孔和所述止推盘外圆构成气密封前间隙结构的径向长度大于所述前轴瓦内孔与主轴外圆之间所形成间隙的径向长度；所述后端盖最小内孔和所述主轴外圆构成气密封后间隙结构的径向长度大于所述后轴瓦内孔与主轴外圆之间所形成间隙的径向长度。
本发明进一步地，在所述套筒和所述电机定子之间设置有水套，所述水套的前内孔与主轴外圆所形成的间隙径向长度大于所述气密封前间隙结构的径向长度及所述气密封后间隙结构的径向长度，所述水套的后内孔与主轴外圆所形成的间隙径向长度大于所述气密封前间隙结构的径向长度及所述气密封后间隙结构的径向长度。
本发明进一步地，还设置有将水套轴向压紧的定子压环。
本发明进一步地，所述水套的外圆设置有用于电机冷却的螺旋冷却沟槽，在所述螺旋冷却沟槽两侧设有O圈密封沟槽。
本发明进一步地，在所述套筒上设置有用于观察螺旋冷却沟槽漏水状态的观察孔，所述观察孔的孔径小于所述O圈密封沟槽的轴向宽度。
本发明进一步地，还包括自密封系统，所述自密封系统包括所述前端盖与所述套筒结合面开设的环形O圈密封沟槽、所述后端盖与所述套筒结合面开设的环形O圈密封沟槽、所述止推盘与主轴结合面开设的环形O圈密封沟槽。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
①由于本发明采用多孔质轴承，相比传统静压气浮轴承节流方式，不仅径向和止推刚性好，而且节流器和轴承合二为一，节省了节流器的成本；
②本发明前轴瓦和后轴瓦的材料均采用多孔质石墨材质，由于石墨本身是固体润滑剂，浮起时气膜本身是气体润滑剂，因此在主轴转动稳定性较差时，不容易出现刮瓦情况，自润滑性好；
③本发明在主轴前端采用径向止推联合轴承，后端只采用径向轴承，当主轴发热膨胀后主要向后端伸长，减小了主轴前段的轴向热误差；
④本发明电机位于前后轴瓦之间，双轴承支承跨距大，可以获得高的抗倾覆力矩角刚度，主轴不容易倾角摆动，运行稳定性好；
⑤本发明中主轴多孔质轴承卸荷之后的气体，分别在前端盖内孔和止推盘的环形间隙，后端盖最小内孔和主轴的环形间隙处，形成了连续的低压空气流，实现了自密封，避免了额外设置密封，结构简单。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明一种自润滑自密封石墨气浮静压主轴结构的结构示意图。
图中各附图标记的含义如下。
1 前端盖 2 止推盘
3 主轴 4 前轴瓦
5 套筒 6 水套
7 后轴瓦 8 后端盖
9 定子压环 10 电机定子
11 电机转子 12 观察孔
3-1 转子配合面 4-1 左侧面
4-2 内孔面 4-3 右侧面
4-4 第一进气环形槽 5-1 前进气孔
5-3 后进气孔 6-1 前内孔
6-2 后内孔 6-3 螺旋冷却沟槽
6-4 O圈密封沟槽 7-1 内孔面
7-2 第二进气环形槽 8-1 最大内孔
8-2 最小内孔
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，不用来限制本发明的范围。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，本发明一种自润滑自密封石墨气浮静压主轴结构实施例，包括主轴3，设置在主轴3端部的止推盘2，及套设在主轴3外的套筒5、电机定子10 和电机转子11，本发明创新点在于，在套筒5和主轴3之间设置有多孔材质制成的前轴瓦4和后轴瓦7，前轴瓦4安装于所述套筒5内孔前端，后轴瓦7安装于所述套筒5内孔后端，并且在主轴3两端分别设置有前端盖1和后端盖8，前端盖1及后端盖8相向将前轴瓦4、后轴瓦7、电机定子10和电机转子11轴向压紧，前轴瓦4的左侧面4-1、内孔面4-2、右侧面4-3和主轴3及止推盘2构成径向止推联合轴承，后轴瓦7的内孔面7-1和主轴3构成径向轴承。
应当说明的是，本发明在上述前轴瓦4上开有径向第一进气环形槽4-4，并且在后轴瓦7上开有径向第二进气环形槽7-2设置所述第一进气环形槽4-4的开槽深度为a，开设的第一进气环形槽4-4与第二进气环形槽7-2的深度应该较深，使第一进气环形槽4-4与第二进气环形槽7-2内流通的气源靠近主轴3轴颈承载面。具体地设置第二进气环形槽7-2的开槽深度为b，其中，0.3c≤a≤0.7c，0.3d≤b≤0.7d，c为前轴瓦4的径向壁厚，d为后轴瓦7的径向壁厚。
本发明另一主要创新点，前轴瓦4和后轴瓦7是由多孔材质制成，其多孔材质包括自润滑性的多孔质石墨材料、多孔质青铜材料或多孔质陶瓷材料，优选多孔质石墨材料。由于本发明采用多孔质轴承，相比传统静压气浮轴承节流方式，不仅径向和止推刚性好，而且节流器和轴承合二为一，节省了节流器的成本。并且，石墨本身是固体润滑剂，浮起时气膜本身是气体润滑剂，因此在主轴转动稳定性较差时，不容易出现刮瓦情况，自润滑性好。
在本实施例部件装配时，需将前轴瓦4内圆和外圆同轴、且端面与内外圆垂直，后轴瓦7同样内圆和外圆同轴、且端面与内外圆垂直，套筒5内圆与前轴瓦4外圆、后轴瓦7外圆同轴。具体地在加工时，前轴瓦4和后轴瓦7内孔、外圆、端面需要一刀磨削加工，以保证内外圆同轴，端面和内外圆垂直。在加工时，套筒5内孔也需要一刀磨削加工，以保证与前后轴瓦配合处内孔同轴。并且，部件装配时，前轴瓦4外圆和后轴瓦7外圆与套筒5内孔微量过盈，基于套筒5钢铁材质热膨胀系数远大于前轴瓦4和后轴瓦7石墨材质，装入时，套筒5微加热，放入轴瓦，拆卸时，套筒5微加热，拿出轴瓦，因此基于上述加工方法可以保证前轴瓦4内孔和后轴瓦7内孔同轴。本发明电机位于前后轴瓦之间，双轴承支承跨距大，可以获得高的抗倾覆力矩角刚度，主轴不容易倾角摆动，运行稳定性好。
应当说明的是本发明前端盖1内孔1-1和止推盘2外圆构成气密封前间隙结构的径向长度大于前轴瓦内孔面4-2与主轴3外圆之间所形成间隙的径向长度；后端盖8最大内孔8-1和主轴3外圆构成气密封后间隙结构的径向长度大于后轴瓦内孔面7-1与主轴3外圆之间所形成间隙的径向长度，方便装配。
另一方面，本发明实施例在套筒5和电机定子10之间设置有水套6，该水套6的前内孔6-1与主轴3外圆所形成的间隙径向长度大于上述气密封前间隙结构的径向长度及上述气密封后间隙结构的径向长度；并且，水套6的后内孔6-2与主轴3外圆所形成的间隙径向长度大于上述气密封前间隙结构的径向长度及上述气密封后间隙结构的径向长度。电机定子10间隙装入水套6后，通过定子压环9轴向压紧，电机转子11通过热装装配在主轴3转子配合面3-1上。水套6的设置及其与其他部件相配合一定间隙的设置，不仅有利于冷却转子运行时产生的高温，而且方便装配。
具体地，还设置有将水套6轴向压紧的定子压环9，电机转子11通过热装装配在主轴3转子配合面3-1上。在水套6的外圆设置有用于电机冷却的螺旋冷却沟槽6-3，在螺旋冷却沟槽6-3两侧设有O圈密封沟槽6-4，在装备时将密封圈装设于上述O圈密封沟槽6-4内实现密封。并且，本发明还在套筒5上设置有用于观察螺旋冷却沟槽6-3漏水状态的观察孔12，观察孔12的位置与O圈密封沟槽6-4部分重合，观察孔12的孔径小于上述O圈密封沟槽6-4的轴向宽度，使放置在O圈密封沟槽6-4的密封圈不轻易掉出并满足密封性能要求的同时，还能观察是否有冷却液漏出，若有冷却液漏出，则能通过观察孔12看到有液体渗出。
本发明设置有完备的自密封系统，该自密封系统包括前端盖1与套筒5结合面开设的环形O圈密封沟槽、后端盖8与套筒5结合面开设的环形O圈密封沟槽、止推盘2与主轴3结合面开设的环形O圈密封沟槽。本发明密封结构设置合理，使本发明中主轴多孔质轴承卸荷之后的气体，分别在前端盖内孔和止推盘的环形间隙，后端盖最小内孔和主轴的环形间隙处，形成了连续的低压空气流，实现了自密封，避免了额外设置密封，结构简单。
本发明工作时，从套筒5前进气孔5-1和后进气孔5-3通入干燥的压缩空气后，在前轴瓦4和后轴瓦7的环形进气槽内形成压力源，经多孔质石墨节流后，到达前轴瓦4的左端面4-1、内孔面4-2、右端面4-3，和后轴瓦7的内孔面7-1，形成承载气膜，主轴浮起。之后，经前轴瓦4和后轴瓦7卸荷后的压缩空气，分别从前端盖1的内孔面1-1和后端盖8的最小内孔8-2处气封间隙流出，实现非接触自密封，防止外界污染物进入气浮轴内部。在整个运行过程中，电机定子10通过定子压环9轴向压紧，电机转子11通过过盈热装在主轴3的转子配合面3-1上。
因此，由于本发明采用多孔质轴承，相比传统静压气浮轴承节流方式，不仅径向和止推刚性好，而且节流器和轴承合二为一，节省了节流器的成本；本发明前轴瓦和后轴瓦的材料均采用多孔质石墨材质，由于石墨本身是固体润滑剂，浮起时气膜本身是气体润滑剂，因此在主轴转动稳定性较差时，不容易出现刮瓦情况，自润滑性好；本发明在主轴前端采用径向止推联合轴承，后端只采用径向轴承，当主轴发热膨胀后主要向后端伸长，减小了主轴前段的轴向热误差；本发明电机位于前后轴瓦之间，双轴承支承跨距大，可以获得高的抗倾覆力矩角刚度，主轴不容易倾角摆动，运行稳定性好；本发明中主轴多孔质轴承卸荷之后的气体，分别在前端盖内孔和止推盘的环形间隙，后端盖最小内孔和主轴的环形间隙处，形成了连续的低压空气流，实现了自密封，避免了额外设置密封，结构简单。本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自润滑自密封石墨气浮静压主轴结构，包括主轴(3)，设置在主轴(3)端部的止推盘(2)，及套设在所述主轴(3)外的套筒(5)、电机定子(10)和电机转子(11)，其特征在于：在所述套筒(5)和主轴(3)之间设置有多孔材质制成的前轴瓦(4)和后轴瓦(7)，所述前轴瓦(4)安装于所述套筒(5)内孔前端，所述后轴瓦(7)安装于所述套筒(5)内孔后端，
在所述主轴(3)两端分别设置有前端盖(1)和后端盖(2)，所述前端盖(1)及后端盖(8)相向将前轴瓦(4)、后轴瓦(7)、电机定子(10)和电机转子(11)轴向压紧，所述前轴瓦(4)的左侧面(4-1)、内孔面(4-2)、右侧面(4-3)和主轴(3)及止推盘(2)构成径向止推联合轴承，所述后轴瓦(7)的内孔面(7-1)和主轴(3)构成径向轴承。
2.根据权利要求1所述的一种自润滑自密封石墨气浮静压主轴结构，其特征在于：所述前轴瓦(4)上开有径向第一进气环形槽(4-4)，所述后轴瓦(7)上开有径向第二进气环形槽(7-2)，设置所述第一进气环形槽(4-4)的开槽深度为a，设置所述第二进气环形槽(7-2)的开槽深度为b，
其中，0.3c≤a≤0.7c，0.3d≤b≤0.7d，c为所述前轴瓦(4)的径向壁厚，d为所述后轴瓦(7)的径向壁厚。
3.根据权利要求1所述的一种自润滑自密封石墨气浮静压主轴结构，其特征在于：所述多孔材质制成的前轴瓦(4)和后轴瓦(7)，多孔材质包括自润滑性的多孔质石墨材料、多孔质青铜材料或多孔质陶瓷材料。
4.根据权利要求1所述的一种自润滑自密封石墨气浮静压主轴结构，其特征在于：所述前轴瓦(4)内圆和外圆同轴、且端面与内外圆垂直，所述后轴瓦(7)同样内圆和外圆同轴、且端面与内外圆垂直，所述套筒(5)内圆与所述前轴瓦(4)外圆、所述后轴瓦(7)外圆同轴。
5.根据权利要求1所述的一种自润滑自密封石墨气浮静压主轴结构，其特征在于：所述前端盖(1)内孔(1-1)和所述止推盘(2)外圆构成气密封前间隙结构的径向长度大于所述前轴瓦内孔面(4-2)与主轴(3)外圆之间所形成间隙的径向长度；所述后端盖(8)最大内孔(8-1)和所述主轴(3)外圆构成气密封后间隙结构的径向长度大于所述后轴瓦内孔面(7-1)与主轴(3)外圆之间所形成间隙的径向长度。
6.根据权利要求5所述的一种自润滑自密封石墨气浮静压主轴结构，其特征在于：在所述套筒(5)和所述电机定子(10)之间设置有水套(6)，所述水套(6)的前内孔(6-1)与主轴(3)外圆所形成的间隙径向长度大于所述气密封前间隙结构的径向长度及所述气密封后间隙结构的径向长度，
所述水套(6)的后内孔(6-2)与主轴(3)外圆所形成的间隙径向长度大于所述气密封前间隙结构的径向长度及所述气密封后间隙结构的径向长度。
7.根据权利要求6所述的一种自润滑自密封石墨气浮静压主轴结构，其特征在于：还设置有将水套(6)轴向压紧的定子压环(9)。
8.根据权利要求6所述的一种自润滑自密封石墨气浮静压主轴结构，其特征在于：所述水套(6)的外圆设置有用于电机冷却的螺旋冷却沟槽(6-3)，在所述螺旋冷却沟槽(6-3)两侧设有O圈密封沟槽(6-4)。
9.根据权利要求8所述的一种自润滑自密封石墨气浮静压主轴结构，其特征在于：在所述套筒(5)上设置有用于观察螺旋冷却沟槽(6-3)漏水状态的观察孔(12)，所述观察孔(12)的孔径小于所述O圈密封沟槽(6-4)的轴向宽度。
10.根据权利要求1所述的一种自润滑自密封石墨气浮静压主轴结构，其特征在于：还包括自密封系统，所述自密封系统包括所述前端盖(1)与所述套筒(5)结合面开设的环形O圈密封沟槽、所述后端盖(8)与所述套筒(5)结合面开设的环形O圈密封沟槽、所述止推盘(2)与主轴(3)结合面开设的环形O圈密封沟槽。
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