CN105817650A - 静压流体轴承装置以及机床用主轴装置 - Google Patents

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CN105817650A CN201610040469.7A CN201610040469A CN105817650A CN 105817650 A CN105817650 A CN 105817650A CN 201610040469 A CN201610040469 A CN 201610040469A CN 105817650 A CN105817650 A CN 105817650A
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Abstract

本发明涉及静压流体轴承装置以及机床用主轴装置。在静压流体轴承装置中，静压部(18)具有轴承间隙(20)、轴承面部(22)、多个凹部(24)、以及脊部(30)，槽部(40)具有侧槽部、上游槽部(44)、以及下游槽部(46)，上游槽部(44)具有流路(16)(供给路)，轴承间隙(20)具有第一轴承间隙(C)与第二轴承间隙(H)，第二轴承间隙(H)设定为比第一轴承间隙(C)大，在润滑液(R)的密度为ρ、润滑液(R)的粘性系数为μ、旋转轴的周速为U、第二轴承间隙为H的情况下，第二轴承间隙中的雷诺数Re被表示为Re＝ρUH/μ，并且旋转支承旋转轴的状态下的第二轴承间隙(H)中的润滑液(R)的液流为Re＜2000。

Description

静压流体轴承装置以及机床用主轴装置
技术领域
本发明涉及静压流体轴承装置、以及使用静压流体轴承装置的机床用主轴装置。
背景技术
以往，公知有利用润滑液等加压流体的静压对机床的主轴等高速旋转的旋转轴进行支承的静压流体轴承装置。例如，在日本特开2001－304260号公报中公开有具备轴承金属件的静压流体轴承装置的技术，上述轴承金属件具有用于旋转支承旋转轴的静压部。在该技术中，上述静压部具有：轴承面部，其在与旋转轴的表面之间具有轴承间隙；以及多个凹部，其在轴承面部的周向上邻接地凹设，通过向上述凹部供给润滑液等流体，从而利用流体压(静压)来支承旋转轴。
然而，如图9、图10所示，静压流体轴承装置所使用的润滑液因旋转轴的旋转从而在凹部内产生由所谓的联动旋转引起的流动，由此产生旋转轴的旋转方向上的流动、以及凹部的底部中的与旋转轴的旋转相反的方向上的流动。伴随于此，静压流体轴承装置会在旋转轴的表面附近产生较大的速度梯度，从而担心由较大的流体剪切阻力引起的动力损失。另外，凹部内部成为雷诺数20000～30000的强紊流，从而担心旋转轴的表面附近的较大的速度梯度的产生、以及由较大的流体剪切阻力引起的动力损失。该趋势随着旋转轴高速旋转而更加显著。
发明内容
本发明的一个目的在于抑制静压流体轴承装置的凹部中的流体的速度梯度的上升从而实现动力损失的减少。
作为本发明的一个方式的静压流体轴承装置具备：
旋转轴；以及
轴承金属件，其具有用于旋转支承上述旋转轴的静压部。
上述静压部具有：轴承间隙，在该轴承间隙与上述旋转轴的表面之间填充有润滑液；轴承面部，其与上述旋转轴的表面并行(面对面的意思)；多个凹部，上述多个凹部在该轴承面部的周向上邻接地凹设；以及脊部，其从该凹部的底部向上述旋转轴的表面突出，并在与上述旋转轴的表面并行的对置面和上述凹部的缘部之间具有槽部，上述槽部具有：侧槽部，其在上述脊部的两侧部沿圆周方向配设；上游槽部，其位于上述旋转轴的旋转方向的上游侧；以及下游槽部，其位于上述旋转轴的旋转方向的下游侧，并且还具有与上述上游槽部连通并向上述静压部供给润滑液的供给路，上述轴承间隙具有：上述旋转轴的表面与上述轴承面部之间的第一轴承间隙；以及上述旋转轴的表面与上述对置面之间的第二轴承间隙，上述第二轴承间隙构成为比上述第一轴承间隙大。
上述静压流体轴承装置构成为，在使上述润滑液的密度为ρ、使上述润滑液的粘性系数为μ、使上述旋转轴的周速为U、使上述第二轴承间隙为H的情况下，上述第二轴承间隙中的雷诺数Re由Re＝ρUH/μ表示，并且旋转支承上述旋转轴的状态下的第二轴承间隙中的润滑液的液流为Re＜2000。
根据上述方式的静压流体轴承装置，静压部具有脊部，上述脊部从凹部的底部向旋转轴的表面突出，并在与旋转轴的表面并行的对置面和凹部的缘部之间具有槽部。槽部具有：侧槽部，其在脊部的两侧部沿圆周方向配设；上游槽部，其位于旋转轴的旋转方向的上游侧；以及下游槽部，其位于旋转轴的旋转方向的下游侧，具有与上游槽部连通并向静压部供给润滑液的供给路。由此，润滑液的液流在对置面上成为旋转轴的旋转方向上的液流，在侧槽部成为与旋转轴的旋转相反的方向上的液流，因此难以给彼此带来影响。由此，能够抑制静压流体轴承装置的凹部中的流体的速度梯度的上升，从而实现动力损失的减少。另外，在使润滑液的密度为ρ、使润滑液的粘性系数为μ、使旋转轴的周速为U、使第二轴承间隙为H的情况下，第二轴承间隙中的雷诺数Re由Re＝ρUH/μ表示。而且，旋转轴被旋转支承的状态下的第二轴承间隙中的润滑液的液流为Re＜2000。即，难以产生伴随第二轴承间隙中的润滑液的液流而作用的较大的流体剪切阻力，从而能够抑制动力损失。
在上述方式的静压流体轴承装置中，也可以构成为：上述润滑液是水、水在组成中所占的比例为90％以上的水溶液、或者低粘度矿物油。
在上述方式的静压流体轴承装置中，也可以构成为：上述旋转轴被旋转支承的状态下的上述第二轴承间隙中的上述润滑液是沿着上述旋转轴的旋转方向流动的层流，上述层流的润滑液的一部分经由上述侧槽部而成为朝向具有上述供给路的上述上游槽部的液流。
根据上述方式的静压流体轴承装置，第二轴承间隙中的润滑液是沿着旋转轴的旋转方向流动的层流，层流的润滑液的一部分经由侧槽部而成为朝向具有供给路的上述上游槽部的液流。由此，脊部将第二轴承间隙中的层流与侧槽部中的反旋转方向上的液流分开。因此，难以给彼此带来影响。由此，能够抑制凹部中的流体的速度梯度的上升，从而进一步实现动力损失的减少。
也可以构成使用上述方式的静压流体轴承装置来对机床中的机床用主轴进行旋转支承的机床用主轴装置。这样，优选机床用主轴装置使用上述静压流体轴承装置。
附图说明
图1是表示作为使用实施方式所涉及的静压流体轴承装置的机床用主轴装置的一个例子的、磨床的整体结构的俯视图。
图2是图1所示的磨床的右视图。
图3是图1的III部的放大剖视图。
图4是图3的IV－IV线剖视图。
图5是将轴承金属件局部割断来表示内部形状的立体图。
图6是图3的IV－IV线的放大剖视图，并且是表示凹部内的润滑液的流动的图。
图7是凹部内的润滑液的流动的速度分布图。
图8是表示静压流体轴承装置的消耗电力的图。
图9是现有的凹部内的润滑液的流动的速度分布图。
图10是表示现有的凹部内的润滑液的流动的图。
具体实施方式
通过以下参照附图对实施方式进行描述，本发明的上述及其它特征和优点会变得更加清楚，其中，对相同的元件标注相同的标记。
以下，使用附图对作为用于实施本发明的一个方式的静压流体轴承装置、使用静压流体轴承装置的机床用主轴装置进行说明。
图1是表示作为使用实施方式所涉及的静压流体轴承装置的机床用主轴装置的一个例子的、磨床10的整体结构的俯视图。图2是磨床10的右视图。此外，在图2中省略了具备保持台151的工件保持装置150的图示。这里，在记载有X轴、Y轴、Z轴的全部的附图中，X轴、Y轴、以及Z轴相互正交，Y轴表示铅直朝上，Z轴与X轴表示水平方向。而且，Z轴方向表示与砂轮旋转轴L1平行的方向(换言之为工件旋转轴方向)，X轴方向是与砂轮旋转轴L1正交的方向，其表示砂轮132切入工件W的方向。另外，砂轮旋转轴L1、工件旋转轴L2、以及整形器旋转轴L3均与Z轴方向平行。
图1、2所示的磨床10控制砂轮132使其相对于工件W向X轴方向以及Z轴方向相对移动从而对工件W进行研磨。在平面形状下形成为矩形的基座110上的大致中央部，配设有被沿Z轴方向延伸的一对Z轴方向导轨111引导从而滑动的Z轴方向滑动台112。Z轴方向滑动台112借助Z轴方向进给丝杠113的旋转动作而向Z轴方向滑动，上述Z轴方向进给丝杠113以由控制装置180(NC控制装置等)进行动作控制的Z轴驱动马达114为驱动源。另外，在Z轴驱动马达114，为了确认Z轴方向滑动台112的Z轴方向的位置，设置有检测Z轴驱动马达114的输出轴的旋转角度并将其检测信号向控制装置180送出的编码器等Z轴方向位置检测装置115。控制装置180使用Z轴驱动马达114使砂轮132相对于整形器177或者工件W向Z轴方向相对移动，并基于来自Z轴方向位置检测装置115的检测信号，从而能够检测出相对于整形器177或者工件W的砂轮132朝向Z轴方向的相对移动量。
在Z轴方向滑动台112上，配置有被沿X轴方向延伸的一对X轴方向导轨121引导从而滑动的X轴方向滑动台122。X轴方向滑动台122借助X轴方向进给丝杠123的旋转动作而向X轴方向滑动，上述X轴方向进给丝杠123以由控制装置180进行动作控制的X轴方向驱动马达124为驱动源。另外，在X轴方向驱动马达124，为了确认X轴方向滑动台122的X轴方向的位置，设置有检测X轴方向驱动马达124的输出轴的旋转角度并将其检测信号向控制装置180送出的编码器等X轴方向位置检测装置125。控制装置180使用X轴方向驱动马达124使砂轮132相对于整形器177或者工件W向X轴方向相对移动，并基于来自X轴方向位置检测装置125的检测信号，从而能够检测出相对于整形器177或者工件W的砂轮132朝向X轴方向的相对移动量。
在X轴方向滑动台122上，分别配设有砂轮驱动马达126与砂轮轴架130，在砂轮驱动马达126的输出轴设置有驱动带轮127。另一方面，在能够旋转地支承于砂轮轴架130并且一端部设置有近似圆筒状的砂轮132的砂轮轴131(绕与Z轴方向平行的砂轮旋转轴L1旋转的砂轮轴)的另一端，设置有从动带轮128。而且，在驱动带轮127与从动带轮128之间张设有传送带129，由此，砂轮驱动马达126的输出轴的扭矩经由传送带129而传递至砂轮轴131。
在基座110上并在与Z轴方向平行的工件旋转轴L2上，配设有使轴状的工件W边绕Z轴方向的工件旋转轴L2旋转边保持于设定位置的工件保持装置140与工件保持装置150。工件保持装置140具备：固定在基座110上的保持台141；相对于保持台141能够在工件旋转轴L2上往复移动的保持轴壳142；以及在该保持轴壳142内被支承为能够绕工件旋转轴L2旋转的保持轴部件143，在保持轴部件143的前端设置有对工件W的另一方的端面的中心部进行支承的中央部件144。另外，保持轴部件143以由控制装置180进行动作控制的保持轴马达(省略图示)为驱动源，被控制为以任意的角速度旋转至任意的角度。另外，在工件保持装置150中，构成为也与工件保持装置140同样地具备保持台151、保持轴壳152、保持轴部件153以及中央部件154。另外，在保持轴壳142设置有具备整形器177的修整装置160，上述整形器177被支承为能够绕整形器旋转轴L3旋转。此外，如图2所示，砂轮旋转轴L1、工件旋转轴L2、以及整形器旋转轴L3均处于与X轴方向以及Z轴方向平行的平面亦即假想平面VM上。
这样，磨床10通过使砂轮132相对于工件W或者整形器177向Z轴方向以及X轴方向相对移动，从而对工件W进行研磨或者利用整形器177对砂轮132的外形形状进行适当修整。
图3是砂轮轴架130的放大剖视图(图1的Ⅲ部的部位)。图4是图3的IV－IV线剖视图。图5是将轴承金属件局部割断来表示内部形状的立体图。图6是图3的IV－IV线的放大剖视图并且是表示凹部内的润滑液的流动的图。如图3所示，砂轮轴架130具有：砂轮轴壳12；以及固定在砂轮轴壳12内的轴承金属件14。砂轮轴131(旋转轴)旋转支承于轴承金属件14。如图4所示，轴承金属件14具有静压部18，上述静压部18用于从泵P(参照图4)等经由流路16而向轴承金属件14内供给润滑液R等流体，从而利用流体压(静压)来旋转支承砂轮轴131。如图5所示，轴承金属件14构成为铁钢制的筒状。如图6所示，静压部18在轴承金属件14的内周面由轴承间隙20、轴承面部22、多个凹部24、以及脊部30构成。此外，润滑液R优选为水或者组成中所占的水的比例为90％以上的水溶液或者低粘度矿物油。
如图5、图6所示，轴承面部22是与砂轮轴131的表面并行的面。凹部24是对从泵P等经由流路16而供给的润滑液R进行存积的部位。凹部24凹设于轴承金属件14的轴承面部22，并沿周向分割而邻接地配置有多个。在本实施方式中，经由流路16而分别向四个凹部24供给润滑液R。此外，凹部24的个数并不限定于四个。此外，凹部24、轴向凹部(省略图示)中用于砂轮轴131的静压支承而流出的流体经由排水管(省略图示)被回收，并被油冷却器等冷却而返回至箱T(参照图4)。
脊部30从凹部24的底部26向砂轮轴131的表面突出，并在与砂轮轴131的表面并行的对置面32和凹部24的缘部28之间具有槽部40。槽部40具有：在脊部30的两侧部沿圆周方向配设的侧槽部42、位于旋转轴的旋转方向的上游侧的上游槽部44、以及位于旋转轴的旋转方向的下游侧的下游槽部46。另外，具有与上游槽部44连通并向静压部18供给润滑液R的流路16(供给路)。
轴承间隙20是在与砂轮轴131的表面之间填充有润滑液R的空间。轴承间隙20具有：砂轮轴131的表面与轴承面部22之间的第一轴承间隙C；以及砂轮轴131的表面与对置面32之间的第二轴承间隙H。第二轴承间隙H设定为比第一轴承间隙C大。通过对轴承金属件14的内周面进行切削加工从而形成多个凹部24，并且在凹部24内形成脊部30。由此，轴承金属件14形成为如下静压部18，即具有：在与砂轮轴131的表面之间填充有润滑液R的轴承间隙20；与砂轮轴131的表面并行的轴承面部22；沿轴承面部22的周向邻接地凹设的多个凹部24；以及从凹部24的底部26向砂轮轴131的表面突出并且在与砂轮轴131的表面并行的对置面32和凹部24的缘部28之间具有槽部40的脊部30。
通过向上述凹部24供给润滑液R等流体，从而利用流体压(静压)来支承砂轮轴131。这里，在润滑液R的密度为ρ、润滑液R的粘性系数为μ、砂轮轴131的周速为U、第二轴承间隙为H的情况下，第二轴承间隙H中的雷诺数Re被表示为Re＝ρUH/μ。对于砂轮轴131的周速U的设定而言，例示出了根据砂轮轴131的设计标准规格速度、假定的使用频度高的旋转速度或平均速度、加工条件所决定的规格下的速度等来适当地进行设定的情况。以将旋转支承砂轮轴131的状态下的润滑液R的液流设定为Re＜2000的方式设定第二轴承间隙H的间隔。旋转支承砂轮轴131的状态下的第二轴承间隙H中的润滑液R成为沿着砂轮轴131的旋转方向流动的层流，层流的润滑液R的一部分被凹部24的缘部28截断并经由下游槽部46、侧槽部42而成为朝向具有流路16的上游槽部44的液流。因此，在侧槽部42流动的润滑液R成为砂轮轴131的反旋转方向上的液流。
这里，如图9、图10所示，现有的不具有脊部30的凹部224内的润滑液R因砂轮轴231的旋转从而在凹部224内产生由所谓的联动旋转引起的流动，由此产生砂轮轴231旋转方向上的流动、以及凹部224的底部226附近的与砂轮轴231的旋转相反的方向上的流动。伴随于此，静压流体轴承装置会在砂轮轴231的表面附近产生较大的速度梯度，从而有可能产生因较大的流体剪切阻力而引起的动力损失。在轴承内的润滑液R的液流为雷诺数20000～30000的强紊流的状况下，使凹部深度为K、砂轮轴231的周速为S时的润滑液R的液流的速度梯度被表示为这里，在润滑液R的粘性系数为μ的情况下，下砂轮轴231的剪切力τ1被表示为而且，若使凹部224的开口面积为A，则凹部224内的润滑液R给砂轮轴231带来的动力损失P1被表示为P1＝S×τ1×A。在假定为砂轮轴231的周速S以及凹部224的开口面积A是固定值的情况下，给动力损失P1带来影响的是剪切力τ1。并且，只要润滑液R的温度变化恒定，则粘性系数μ恒定。因此，τ1中的速度梯度成为给动力损失P1带来影响的重要因素。
另一方面，如图6所示，在轴承内的润滑液R的液流为层流的状况下，能够使速度梯度近似为U/H。砂轮轴131的剪切力τ2被表示为τ2＝μ×(U/H)。而且，若凹部24的开口面积为A，则凹部24内的润滑液R给砂轮轴131带来的动力损失P2被表示为P2＝U×τ2×A。在假定为砂轮轴131的周速U以及凹部24的开口面积A是固定值的情况下，给动力损失P2带来影响的是剪切力τ2。并且，只要润滑液R的温度变化恒定，则粘性系数μ恒定。因此，τ2中的速度梯度U/H内的H成为给动力损失P2带来影响的重要因素。
因此，如图6、图7所示，为了使砂轮轴131的表面附近处于层流状况下，并为了使砂轮轴131的旋转方向上的液流、和凹部24的侧槽部42中的与砂轮轴131的旋转相反的方向上的液流分开而不相互影响，本实施方式的静压部18采用脊部30。在能够维持层流的范围内，将该脊部30的对置面32与砂轮轴131的表面之间的第二轴承间隙H设定为最大。根据该脊部30的结构，静压部18的轴承间隙20具有：砂轮轴131的表面与轴承面部22之间的第一轴承间隙C；以及砂轮轴131的表面与脊部30之间的第二轴承间隙H。这里，第二轴承间隙H设定为比第一轴承间隙C大。以上，旋转支承砂轮轴131的状态下的第二轴承间隙H中的润滑液R成为沿着砂轮轴131的旋转方向流动的层流。另外，凹部24的侧槽部42中的润滑液R抑制对上述第二轴承间隙H的层流的液流的影响并成为砂轮轴131的反旋转方向上的液流而返回至流路16。由此，如图8所示，不论润滑液R使用水、水溶液、低粘度矿物油中的哪一种，均能够得到减少消耗电力的结果。
这样，根据实施方式的静压流体轴承装置，静压部18具有脊部30，上述脊部30从凹部24的底部向砂轮轴131的表面突出，并在与砂轮轴131的表面并行的对置面32和凹部24的缘部28之间具有槽部40。槽部40具有在脊部30的两侧部沿圆周方向配设的侧槽部42、位于砂轮轴131的旋转方向的上游侧的上游槽部44、以及位于砂轮轴131的旋转方向的下游侧的下游槽部46，并且具有与上游槽部44连通并向静压部18供给润滑液R的流路16(供给路)。由此，润滑液R的液流在对置面32上成为砂轮轴131的旋转方向上的液流，在侧槽部42成为与砂轮轴131的旋转相反的方向上的液流，因此难以受到彼此的影响。由此，能够抑制静压流体轴承装置的凹部24中的流体的速度梯度的上升，从而实现动力损失的减少。另外，在使润滑液R的密度为ρ、使润滑液R的粘性系数为μ、使砂轮轴131的周速为U、使第二轴承间隙为H的情况下，第二轴承间隙H中的雷诺数Re被表示为Re＝ρUH/μ。而且，旋转支承砂轮轴131的状态下的第二轴承间隙H中的润滑液R的液流为Re＜2000。即，难以产生伴随第二轴承间隙H中的润滑液R的流动而作用的较大流体剪切阻力，从而能够抑制动力损失。
润滑液R优选为水或者组成中所占的水的比例为90％以上的水溶液或者低粘度矿物油。
第二轴承间隙H中的润滑液R是沿着砂轮轴131的旋转方向流动的层流，层流的润滑液R的一部分经上游槽部44、侧槽部42而成为朝向具有供给路的上游槽部44的液流。由此，脊部30将第二轴承间隙H中的层流与侧槽部42中的反旋转方向上的液流分开。因此，难以给彼此带来影响。由此，能够抑制凹部24中的流体的速度梯度的上升，从而进一步实现动力损失的减少。
优选形成为使用上述结构的静压流体轴承装置来对机床中的机床用主轴进行旋转支承的机床用主轴装置。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明的静压流体轴承装置、使用静压流体轴承装置的机床用主轴装置并不限定于实施方式，也能够以其他各种形态来实施。

Claims (5)

1.一种静压流体轴承装置，其特征在于，具备：
旋转轴；以及
轴承金属件，其具有用于旋转支承所述旋转轴的静压部，
所述静压部具有：轴承间隙，在该轴承间隙与所述旋转轴的表面之间填充有润滑液；轴承面部，其与所述旋转轴的表面并行；多个凹部，所述多个凹部在所述轴承面部的周向上邻接地凹设；以及脊部，其从所述凹部的底部向所述旋转轴的表面突出，并在与所述旋转轴的表面并行的对置面和所述凹部的缘部之间具有槽部，
所述槽部具有：侧槽部，该侧槽部在所述脊部的两侧部沿圆周方向配设；上游槽部，该上游槽部位于所述旋转轴的旋转方向的上游侧；以及下游槽部，该下游槽部位于所述旋转轴的旋转方向的下游侧，并且还具有与所述上游槽部连通并向所述静压部供给润滑液的供给路，
所述轴承间隙具有：所述旋转轴的表面与所述轴承面部之间的第一轴承间隙；以及所述旋转轴的表面与所述对置面之间的第二轴承间隙，
所述第二轴承间隙构成为比所述第一轴承间隙大，
在使所述润滑液的密度为ρ、使所述润滑液的粘性系数为μ、使所述旋转轴的周速为U、使所述第二轴承间隙为H的情况下，所述第二轴承间隙中的雷诺数Re由Re＝ρUH/μ表示，并且构成为所述旋转轴被旋转支承的状态下的第二轴承间隙中的润滑液的液流为Re＜2000。
2.根据权利要求1所述的静压流体轴承装置，其特征在于，
所述润滑液为水、水在组成中所占的比例为90％以上的水溶液、或者低粘度矿物油。
3.根据权利要求1所述的静压流体轴承装置，其特征在于，
所述旋转轴被旋转支承的状态下的所述第二轴承间隙中的所述润滑液为沿着所述旋转轴的旋转方向流动的层流，
所述层流的润滑液的一部分经由所述侧槽部而成为朝向具有所述供给路的所述上游槽部的液流。
4.根据权利要求2所述的静压流体轴承装置，其特征在于，
所述旋转轴被旋转支承的状态下的所述第二轴承间隙中的所述润滑液为沿着所述旋转轴的旋转方向流动的层流，
所述层流的润滑液的一部分经由所述侧槽部而成为朝向具有所述供给路的所述上游槽部的液流。
5.一种机床用主轴装置，其特征在于，
使用权利要求1～4中任一项所述的静压流体轴承装置来旋转支承机床的机床用主轴。
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