CN105673689B - 动静压轴承和安装有动静压轴承的主轴 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动静压轴承，它包括轴承本体(1)，轴承本体(1)的环形内壁上沿轴承本体(1)的径向内凹形成至少两个油槽(2)，其特征在于：所述轴承本体(1)上设有循环通道(3)，循环通道(3)的两端分别与油槽(2)沿轴承本体(1)的周向所对应的两端部连通。本发明提供一种动静压轴承，其可以平衡油腔内油液高压区和油液低压区之间的压力差，从而通过降低油液高压区内的油液压力，达到减少转轴受到的径向作用力的目的，最终使转轴的转速高、驱动电机的负载小。
Description
技术领域
本发明涉及主轴的技术领域，具体的是一种动静压轴承和安装有动静压轴承的主轴。
背景技术
随着工业化进程的加快，未来制造行业将会朝着高精度、高效率的自动化、智能化方向发展。而在机械制造过程中，随着对于产品精度要求的提高，其对于机床零部件的加工精度和稳定性的要求也将会越来越高，行业内也越来越多的使用精密主轴取代传统的主轴用于车削、铣削、磨削等机械加工。而使用动静压轴承制造的主轴更加节能环保，由于其高转速、高刚性、良好的加工精度以及较长的使用寿命被广泛的应用于精密加工，乃至超高精度加工中。
所谓的动静压轴承的支撑原理，是通过轴承的内环侧壁上设置多个油腔，多个油腔内的油液压力共同作用于转轴上，转轴受到静压平衡力，使转轴悬浮于油膜中，并且当转轴转动过程时，利用流体动压效应实现转轴和轴承之间是油膜软接触，其摩擦系数小，接近于零磨损。
上述现有技术的静压轴承、动静压轴承或者动静压混合轴承，以下统称为动静压轴承，其仅仅适用于转轴低转速下的高精度加工，所谓的低转速通常是指转轴线速度小于75m/s。在实际生产过程中，转轴将会带动压力油液流动，因此在油腔中沿转轴的周向将会形成一个油液高压区和油液低压区，并且该油液高压区的压力将会随着转轴转速的升高而持续升高。而持续升高的油液压力沿转轴的径向作用于转轴，将会增大转轴转动阻力甚至于箍紧转轴，从而使转轴转动的负载升高，电流增大甚至电机过载无法转动。因此在实际生产过程中，当转轴线速度大于75m/s时已然是现有常规电机的负载极限。换句话说，现有技术的动静压轴承无法满足于高速主轴(转轴线转速＞75m/s)的生产需求。并且在低速过程中其也存在油液高压区对于转轴的径向作用力，因此其电机的负载中也相对较大，能耗高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种动静压轴承，其可以平衡油腔内油液高压区和油液低压区之间的压力差，从而通过降低油液高压区内的油液压力，达到减少转轴受到的径向作用力的目的，最终使转轴的转速高、驱动电机的负载小。
本发明所采取的技术方案是：提供一种动静压轴承，它包括轴承本体，轴承本体的环形内壁上沿轴承本体的径向内凹形成至少两个油槽，所述轴承本体上设有循环通道，循环通道的两端分别与油槽沿轴承本体的周向所对应的两端部连通。通过循环通道可以均衡油槽内沿周向所对应的两个区域的油液压力，由此消除转轴转动导致的油槽内局部油液压力升高带来的转轴负载过大的问题。从而实现了同等电机负载的基础上转轴转速的提高。
相邻两油槽之间设有将油槽内溢出的油液汇流的回油槽。
所述回油槽的长度方向沿轴承本体的轴向延伸，且回油槽的至少一端延伸至贯穿轴承本体的端面或轴承本体对应于各回油槽所在的位置上设有至少一个用于连通回油槽的回油道。
轴承本体上对应于各油槽所在的位置均分别设有用于供给各油槽油液的进油孔。
所述的轴承本体由至少两个子部件沿轴向拼接组成，所述的循环通道设于轴承本体内。实现循环通道内置于轴承本体内，省去了轴承本体与钢套合围形成循环通道带来的密封性问题。同时也可以使循环通道内腔的各处均平滑过渡，减少油液流通过程的阻力。
所述循环通道的内壁均平滑过渡，且循环通道的进口端的油液流通方向m与油槽内油液的流通方向n之间的夹角，以及循环通道的出口端的油液流通方向o与油槽内油液的流通方向p的夹角均为锐角。
采用以上结构后，本发明的动静压轴承与现有技术相比具有以下优点：首先，转轴带动油槽内的油液流动形成油液高压区和油液低压区时，在油液高压区和油液低压区之间的压力差的推动下通过循环通道可以使油液高压区的油液回流至油液低压区，从而降低同等转轴转速下的油液高压区的压力，转轴在同样功率的电机带动下，可以达到更高的转速，其次，油液高压区和油液低压区之间的压力差越大，其回流的流量越快，因此降压效果更好，换句话说，油液高压区的油液压力与转轴转速之间呈指数函数作小幅度的增长。
本发明所要解决的另一个技术问题是：提供一种安装有动静压轴承的主轴，其在同等电机负载的基础下，可以使转轴转速高、刚性大、精度好、噪音低、震动小。
本发明所采取的技术方案是：提供一种安装有动静压轴承的主轴，它包括壳体，设于壳体内的转轴，转轴的两端分别通过轴承本体与壳体转动配合，壳体上设有供油通道，供油通道的一端与壳体上的进油口连通，供油通道的另一端通过轴承本体上的进油孔与油槽相连通，油槽内的油液经转轴和轴承本体之间的间隙溢出并汇流至设于壳体内的回油通道内，回油通道与壳体上的回油口相连通。
采用以上结构后，本发明的安装有动静压轴承的主轴与现有技术相比具有以下优点：由于转轴的轴向及径向是通过油膜面接触，转轴通过油压悬浮于油膜上没有直接接触，启动和运转期间摩擦副均被压力油膜隔开，转动阻力仅来自油自身的粘性，有别与传统的轴承点、线接触，其接触面积更大，摩擦副表面承载的压力比较均匀，轴向、径向承载力更强，刚性更高，比滚动轴承轴刚性提高3-8倍以上，发生碰撞时不易损坏。其次，转轴和动静压轴承之间为油膜软接触，吸震性能更好，因此旋转精度更高，全跳动能达到0.2μm以上，并且摩擦产生的热能小、磨损程度低、使用寿命长，在正常使用的情况下比滚动轴承轴寿命提高在10倍以上。在同等转速下，需要电机功率更低，能耗可减少30％以上，由于是内置式电机，其转换效率更高，基本无损耗。采用新结构的动静压轴承其线速度能达到60m/s以上，可用于高精度、超高精度的车削、磨削机床上。
附图说明
图1是本发明的动静压轴承的结构示意图。
图2是本发明的动静压轴承的主视示意图。
图3为图2中“E-E”方向的剖视示意图。
图4为图2中“F-F”方向的剖视示意图。
图5是本发明的动静压轴承的另一种结构的示意图。
图6是本发明的动静压轴承去除部分子部件后的结构示意图。
图7是本发明的动静压轴承去除部分子部件后的左视示意图。
图8是本发明的循环通道出口端的油液流向示意图。
图9是本发明的循环通道进口端的油液流向示意图。
图10是本发明的安装有动静压轴承的主轴的结构示意图。
图11是本发明的安装有动静压轴承的主轴的主视示意图。
图12是本发明的安装有动静压轴承的主轴的右视示意图。
图13为图12中“A-A”区域的剖视示意图。
图14为图12中“B-B”区域的剖视示意图。
图15为图12中“C-C”区域的剖视示意图。
图16为图11中“D-D”区域的剖视示意图。
其中，1、轴承本体，2、油槽，3、循环通道，4、回油槽，4.1、回油道，5、进油孔，6、壳体，7、转轴，8、供油通道，9、进油口，10、回油通道，11、回油口，12、内置电机；
m是指循环通道进口端的油液流通方向；
n是指油槽内位于循环通道进口端所对应的油槽连接处的油液流通方向；
o是指循环通道的出口端的油液流通方向；
p是指油槽内位于循环通道出口端所对应的油槽连接处的油液流通方向。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图中标注的m、n、o、p的方向仅仅是为了便于更好的理解本发明专利的实施例方向，当转轴7的转向发生改变时，上述的m、n、o、p的方向理应相应改变，因此其出口端与进口端也必然发生逆转，此为本领域普通技术人员应当理解的，其文中所述的环通道的出口端或进口端不能作为对于本发明的保护范围的限制。
本发明提供一种动静压轴承，它包括轴承本体1，轴承本体1的环形内壁上沿轴承本体1的径向内凹形成至少两个油槽2，所述轴承本体1上设有循环通道3，循环通道3的两端分别与油槽2沿轴承本体1的周向所对应的两端部连通。上述轴承本体1与转轴7配合时转轴7的外圆周壁与油槽2的槽口贴合，从而使油槽2形成带有油压的油腔。所谓的槽口贴合是指，油槽2的圆弧形的槽口所在的圆弧面为油封面，转轴7的外圆周壁所在的圆弧面与油槽2的油封面平行，且二者之间形成0.002mm-0.008mm的缝隙，油液经由该缝隙持续泄油，该缝隙的泄油量与进油孔5的进油量达到平衡。
如图中所示，上述的端部为油槽2沿轴承本体1的圆周方向的槽内的两个相对位置，即循环通道3的输入端和输出端分别与油槽2两端部连通，其目的在于通过循环通道3连通油槽2两端部的区域，从而达到油槽内高低压油液的自动平衡，因此所述的端部指代油槽2两端所在位置的槽底位置、槽内壁位置或者油槽与转轴连接处的边界等等，上述的常规的连接区域应当属于本发明所要保护的范围以内。
相邻两个油槽2之间设有将油槽2内溢出的油液汇流的回油槽4。作为优选，所述的油槽2为四个，四个油槽沿轴承本体1的周向均匀分布。当然作为一种变化，所述油槽可以是沿轴承本体1的轴向设置多组。更可以是将多个油槽2任意组合排列，其最终所要达到的技术效果是使全部油槽2作用于转轴7上的径向力达到平衡。
所述回油槽4的长度方向沿轴承本体1的轴向延伸，且回油槽4的至少一端延伸至贯穿轴承本体1的端面或轴承本体1对应于各回油槽4所在的位置上设有至少一个用于连通回油槽4的回油道4.1。回油道4.1为回油用的连接管路或者直接在轴承本体上开设的通道。
轴承本体1上对应于各油槽2所在的位置均分别设有用于供给各油槽2油液的进油孔5。进油孔根据油腔压力所需大小采用小孔节流或薄膜反馈节流方式控制压力。
上述的循环通道3的一种具体结构，如图1-4所示，循环通道3为轴承本体1的外侧壁上内切形成环形槽，并且在轴承本体1外套设钢套，通过钢套和轴承本体1合围形成循环通道3，环形槽的两端通过贯通孔与油槽2的两端部连通。
上述的循环通道3的另一种具体结构，如图5和图6所示，所述的轴承本体1由至少两个子部件沿轴向拼接组成，所述的循环通道3设于轴承本体1内。当循环通道3内置于轴承本体1内后，循环通道3的密封性好，可以承受较大的油液压力。
所述循环通道3的内壁均平滑过渡，且循环通道3进口端的油液流通方向m与所对应的油槽2连接处的油液流通方向n之间的夹角，以及循环通道3的出口端的油液流通方向o与所对应的油槽2连接处的油液流通方向p的夹角均为锐角。且循环通道3进口端和出口端平滑无尖角。
本发明还提供一种安装有动静压轴承的主轴，它包括壳体6，设于壳体6内的转轴7，转轴7的两端分别通过轴承本体1与壳体6转动配合，其特征在于：壳体6上设有供油通道8，供油通道8的一端与壳体6上的进油口9连通，供油通道8的另一端通过轴承本体1上的进油孔5与油槽2相连通，油槽2内的油液经转轴7和轴承本体1之间的间隙溢出并汇流至设于壳体6内的回油通道10内，回油通道10与壳体6上的回油口11相连通。上述的油槽2内的油液经转轴7和轴承本体1之间的间隙溢出并汇流至设于壳体6内的回油通道10内的过程是，一部分油液汇聚于回油槽4内，另一部分的油液则通过转轴7和轴承本体1之间的间隙渗透至轴承本体1的两端面外，回油槽4内的油液以及溢出至轴承本体1的两端面外的油液均汇流于回油通道10内。
当然，如图所示，主轴的前端采用机械迷宫式密封的端盖，通过该机械迷宫式密封的端盖在不影响转轴转动的前提下能够更好的防止外界切削液或其他液体进入，更好的保护主轴部件
其工作原理是，通过循环油腔3将油槽2内高压区域的油液回流至低压区域，减小油槽内的油液压力差，从而降低转轴高速转动带来的油液压力变化，这也就降低了油槽内局部区域高压带来的转轴负载过高的问题。因此，本发明的技术方案较常规的动静压主轴，其在同样的电机负载下，可以实现更高的转速要求。
以上就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化，凡在本发明独立要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种动静压轴承，它包括轴承本体(1)，轴承本体(1)的环形内壁上沿轴承本体(1)的径向内凹形成至少两个油槽(2)，其特征在于：所述轴承本体(1)上位于各油槽所对应的位置均设有循环通道(3)，各循环通道(3)的两端分别与各自对应的油槽(2)沿轴承本体(1)的周向所对应的两端部连通。
2.根据权利要求1所述的动静压轴承，其特征在于：相邻两个油槽(2)之间设有将油槽(2)内溢出的油液汇流的回油槽(4)。
3.根据权利要求2所述的动静压轴承，其特征在于：所述回油槽(4)的长度方向沿轴承本体(1)的轴向延伸，且回油槽(4)的至少一端延伸至贯穿轴承本体(1)的端面或轴承本体(1)对应于各回油槽(4)所在的位置上设有至少一个用于连通回油槽(4)的回油道(4.1)。
4.根据权利要求1所述的动静压轴承，其特征在于：轴承本体(1)上对应于各油槽(2)所在的位置均分别设有用于供给各油槽(2)油液的进油孔(5)。
5.根据权利要求1所述的动静压轴承，其特征在于：所述的轴承本体(1)由至少两个子部件沿轴向拼接组成，所述的循环通道(3)设于轴承本体(1)内。
6.根据权利要求5所述的动静压轴承，其特征在于：所述循环通道(3)的内壁均平滑过渡，且循环通道(3)进口端的油液流通方向m与所对应的油槽(2)连接处的油液流通方向n之间的夹角，以及循环通道(3)的出口端的油液流通方向o与所对应的油槽(2)连接处的油液流通方向p的夹角均为锐角。
7.一种安装有权利要求1～6任一一项所述的动静压轴承的主轴，它包括壳体(6)，设于壳体(6)内的转轴(7)，转轴(7)的两端分别通过轴承本体(1)与壳体(6)转动配合，其特征在于：壳体(6)上设有供油通道(8)，供油通道(8)的一端与壳体(6)上的进油口(9)连通，供油通道(8)的另一端通过轴承本体(1)上的进油孔(5)与油槽(2)相连通，油槽(2)内的油液经转轴(7)和轴承本体(1)之间的间隙溢出并汇流至设于壳体(6)内的回油通道(10)内，回油通道(10)与壳体(6)上的回油口(11)相连通。
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