CN111390199A - 一种内反馈可倾瓦定压预紧的机床主轴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内反馈可倾瓦定压预紧机床主轴，包括前端盖、前轴承、主轴套筒、主轴、后轴承和后端盖，主轴套筒内还设有预载荷加载机构、滑动套和卸荷活塞，滑动套套在后轴承外且轴向抵住后轴承，卸荷活塞压在滑动套的端面上，预载荷加载机构对滑动套施加轴向弹力，由此在前后轴承之间形成内张力，此内张力即是定压预载荷，使前后轴承的滑动面贴合在主轴轴颈面上，获得理想工作性能。在主轴启动工作前瞬时注入高压油，推动卸荷活塞以及滑动套克服所述弹力发生移动，使得前后轴承的滑动面与主轴脱离接触，达到卸荷效果，在主轴达到正常工作转速后停止注入高压油，主轴恢复定压预紧状态工作，避免主轴启动瞬间发生接触摩擦，延长工作寿命。

Description

一种内反馈可倾瓦定压预紧的机床主轴

技术领域

本发明涉及机床主轴技术领域，具体涉及一种内反馈可倾瓦定压预紧的机床主轴。

背景技术

机床主轴的工作性能很大程度取决于主轴轴承的结构和性能，动压滑动轴承由于结构紧凑，性能优良，特别是制造工艺相对要求较低、润滑系统简单，使用维护成本低，在旋转主轴应用领域比静压动静压滑动轴承的用途大很多。

主轴轴径在滑动轴承表面滑动构成的动压轴承，是靠两个表面之间相对运动形成压力油膜进行承载工作的。动压滑动轴承按油楔的设计原理有多楔固定瓦轴承和可倾瓦轴承，可倾瓦动压轴承是性能更好的常用的结构形式。

动压轴承与主轴之间在工作状态下是非接触摩擦，轴承的工作间隙是其最重要运行参数之一，通常在主轴结构比较简单的情况下，轴承更多采用固定间隙配置形式，也就是一旦主轴系统装配调试完成后轴承的工作间隙被固定，但其缺点是轴承初始间隙大小不能随工作需要变化随时调整，根据主轴工作运行的需要获得最佳的承载性能。例如机床主轴的使用状态一般确定为低速重载型和高速轻载型，不必兼顾所有工作状况，因此针对这一需求设计间隙预紧控制结构，简单实用，能满足机床主轴承载稳定而且阻尼特性好，减小轴承摩擦功耗、降低温升、抑制振动的性能要求即可。

所有动压轴承应用当中有一个现实缺点，就是主轴在开机启动和停机的极短瞬间主轴和轴承之间为接触摩擦，主轴在长时间反复启动停机后轴承一定有磨损的可能，降低动压轴承使用寿命，实际常规解决方式是限制机床主轴启停的频率，以减少磨损次数，但如此会影响工作效率。

发明内容

针对现有技术存在上述技术问题，本发明提供一种内反馈可倾瓦定压预紧的机床主轴，能根据主轴工作需要而自动调节轴承工作间隙，取得最佳工作性能，还能避免轴承在启动瞬间发生接触摩擦，延长工作寿命。

为实现上述目的，本发明创造提供以下技术方案。

提供一种内反馈可倾瓦定压预紧的机床主轴，包括前端盖、前轴承、主轴套筒、主轴、后轴承和后端盖，前端盖和后端盖固定于主轴套筒的两端部，前轴承和后轴承均为内反馈流体支承可倾瓦动压向心推力锥形轴承，两者共同将主轴支承起来，从而形成对主轴前后双支承结构的机床主轴；前轴承和后轴承与主轴轴径接触的面为滑动面，滑动面为圆锥面，其与主轴的圆锥轴径表面对应安装；

主轴套筒内还设有预紧加载机构、滑动套和卸荷活塞，滑动套套在后轴承外且轴向抵住后轴承，卸荷活塞压在滑动套的端面上，预紧加载机构对滑动套施加轴向弹力，由此在前轴承和后轴承之间形成作为定压预紧载荷的内张力，从而使得前轴承和后轴承的滑动面贴合在主轴轴径表面上，获得理想工作性能；主轴套筒设有输入卸荷高压油P₂的通道，在主轴启动工作前瞬时注入卸荷高压油P₂，卸荷高压油P₂推动卸荷活塞以及滑动套克服所述弹力发生移动，使得前轴承和后轴承的滑动面脱离接触主轴，以此实现卸荷；在主轴达到正常工作转速后停止注入卸荷高压油P₂，以使得主轴恢复定压预紧工作。

其中，预紧加载机构包括内螺母、外螺母、弹簧和加载环，内螺母固定于主轴套筒内，外螺母与内螺母之间螺纹连接，弹簧一端抵住外螺母，另一端抵住加载环，加载环抵住滑动套；通过外力操作外螺母相对内螺母的位置以调节弹簧的弹力大小，弹力形成内张力通过加载环和滑动套施加到前轴承和后轴承上。

其中，外螺母的周边设有凹槽，主轴套筒上设置有能够被打开的窗口，外力操作打开窗口后用工具卡住凹槽以拨动转动外螺母，以调节弹簧被压缩的程度，如此实现调节弹力的大小，完成调节后锁紧内螺母和外螺母。

其中，主轴套筒上配置有润滑流体P₁输入和输出孔系，以保障前轴承和后轴承所需润滑流体畅通。

优选的，所述润滑流体P₁为润滑油、水润滑液、气体或油气二相润滑液。

其中，固定于主轴套筒的两端部的前端盖和后端盖与主轴组成密封结构，以防止润滑流体P₁溢出且防止外部污染流体侵入。

其中，前轴承和后轴承均包括轴承外环和安装在轴承外环的内表面的瓦块，轴承借助润滑流体P₁形成的内反馈流体支承力，使瓦块的瓦背支承面与轴承外环的内表面之间能够实现全球面接触。

其中，本发明适用于极宽范围变速变载荷的精密机床主轴和其他主轴系统。

本发明的有益效果：

本发明的一种内反馈可倾瓦定压预紧的机床主轴，设置了预载荷加载机构，预载荷加载机构对滑动套施加弹力，从而使得前后轴承的滑动面与主轴保持相贴合，形成预定的压紧力使前轴承和后轴承的滑动面压紧在主轴轴颈面上，自动调节轴承工作间隙，获得主轴理想工作性能；在主轴启动工作前瞬时注入卸荷高压油，卸荷高压油推动卸荷活塞以及滑动套克服预压弹力，使得前后支承的滑动面与主轴脱离接触，因此能够避免在主轴启动瞬间发生接触摩擦，达到卸荷效果，延长工作寿命。

附图说明

图1为实施例中的一种内反馈可倾瓦定压预紧的机床主轴的结构示意图。

图2为实施例中所采用的前轴承和后轴承的立体结构图。

附图标记包括：

前端盖1、前轴承2、主轴套筒3、主轴4；

预紧加载机构5、内螺母51、外螺母52、弹簧53、加载环54；

后轴承组件6、后轴承61、滑动套62、安装座63；

卸荷活塞7；

主轴后端盖结构8、后端盖81、压紧内螺母82；

轴承外环21、瓦块22、聚油槽23、变形槽24、安装组件25、油孔26；

润滑流体P₁、卸荷高压油P₂。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。

本实施例的机床主轴，如图1所示，包括前端盖1、前轴承2、主轴套筒3、主轴4、后轴承61和后端盖81，前端盖1、主轴套筒3和后端盖81结合主轴4形成一个密闭空间，前端盖1和后端盖81起密封隔油作用，前轴承2被前端盖1和主轴套筒3限位在所处位置，承受主要载荷。后端盖81通过压紧内螺母82安装，后端盖81与压紧内螺母82组成主轴后端盖结构8。主轴套筒3开有如实心箭头所示的用于输入润滑流体P₁的进油孔和输出润滑流体P₁的出油孔，主轴套筒3内部还开有连通进油孔和出油孔的通道，用于将低压的润滑流体P₁输送至前轴承2和后轴承61处，润滑流体P₁为润滑油、水润滑液、气体或油气二相润滑液。前轴承2和后轴承61共同将主轴4支承起来，形成前后双支承简支结构。前轴承2和后轴承61均为内反馈流体支承可倾瓦动压向心推力轴承，其与主轴4轴径接触的面为滑动面，滑动面为圆锥面，分别与主轴4的圆锥轴径表面对应安装，承受主轴4两端径向载荷以及轴向的相对方向载荷，前轴承2和后轴承61在主轴套筒3内设置成轴承大端向外的方向。

主轴套筒3内还设有预紧加载机构5、滑动套62和卸荷活塞7，滑动套62套在后轴承61外且轴向抵住后轴承61，滑动套62在主轴套筒3的支承孔内可以蠕动位移，卸荷活塞7压在滑动套62的端面上。其中后轴承61通过安装座63与主轴4相配合，后轴承61、滑动套62和安装座63组成后轴承组件6。预紧加载机构5包括内螺母51、外螺母52、弹簧53和加载环54，内螺母51固定于主轴套筒3内，外螺母52与内螺母51之间螺纹连接，弹簧53一端抵住外螺母52的头部，另一端抵住加载环54，加载环54抵住滑动套62，弹簧53的弹力通过加载环54和滑动套62施加到后轴承61上，弹力在在前轴承2和后轴承61之间形成内张预载荷力，该预载荷力使前轴承2和后轴承61的滑动面压紧在主轴4轴颈面上。本实施例中，外螺母52的外周边设有凹槽，主轴套筒3上设置有能够被打开的窗口，常态下窗口被封住，需要调整弹簧53弹力时，外力操作打开窗口后用工具卡住凹槽以拨动转动外螺母52，以调节弹簧53被压缩的程度，如此实现调节弹力的大小，弹力大小调节的原则是，对于低速重载型工作要求的机床主轴，使预紧载荷比较大，对于高速轻载型工作要求的机床主轴，使预紧载荷比较小。

主轴套筒3设有用于输入卸荷高压油P₂的通道，在主轴4启动工作前瞬时注入卸荷高压油P₂，卸荷高压油P₂推动卸荷活塞7以及滑动套62克服所述弹力发生移动，滑动套62不再轴向抵紧后轴承61，使得前轴承2和后轴承61的滑动面与主轴4脱离接触，达到卸荷的效果，在主轴4达到正常工作转速后停止注入卸荷高压油P₂。本发明适用于极宽范围变速变载荷的精密机床主轴和其他主轴系统。

结合图2所示，内反馈流体支承可倾瓦动压向心推力轴承的结构以前轴承2为例，其结构包括轴承外环21、多个瓦块22和多组安装组件25，多组安装组件25与轴承外环21相固定且将多个瓦块22限位安装在轴承外环21的环形内表面上，每个瓦块22的滑动面上设置有两条聚油槽23，聚油槽23能够收集滑动面上部分压力润滑流体P₁然后通过油孔26反馈导入瓦块22背面上凹陷形成的油腔内，形成对瓦块23的径向支承力。瓦块22的中部设置有形变结构，将瓦块22分为两个区块。安装组件25对瓦块22施加径向弹性压紧力。轴承工作时在瓦块22背面油腔支承力的作用下，瓦块22相应局部区块克服所述径向弹性压紧力以及主轴4载荷力，以所述形变结构作为支点翘起，实现轴瓦可倾，形成收敛间隙，收敛间隙使轴承获得良好润滑承载效果，所产生的内反馈润滑流量能额外加大轴承工作流量，对轴承散热降温有大好处。瓦块22的背部开设有沿轴向纵贯的变形槽24，变形槽24的纵截面呈T形，且变形槽24的底部宽度较宽，从而使得变形槽24的底部与瓦块22的滑动面之间形成薄壁，该薄壁成为瓦块的形变结构。在非使用状态下瓦块22的背面和轴承外环21的内表面是紧密贴合的球面，从而还能够在轴向方向对瓦块22进行限位，而且瓦块22背面与轴承外环21内面实现全表面接触支承，有利于支承稳定，瓦块22装在轴承外环21的球面内，形成一个支承球面，球心与主轴4的轴线重合。同理，后轴承61的瓦块装在其轴承外环的球面内，形成另一个支承球面，主轴4在前后球面支承情况下具有很好的自动调心性能。

本实施例中，轴承外环21对瓦块22的支承面为全接触球面，利用固定零件结构控制工作间隙，构成机床主轴4。与常规可倾瓦动压滑动轴承机床主轴相比，不改变轴承润滑系统，不增加运行成本情况，轴承支承结构简洁，轴承具有调心功能，轴承初始间隙固定，承载稳定而且阻尼特性好，达到减小轴承摩擦功耗、降低温升、抑制振动的目的。本发明的机床主轴适用于极宽范围变速变载荷的精密机床主轴和其他主轴系统。

需要说明的是，常规可倾瓦轴承由于瓦背都是小型圆球点支承，其瓦块与轴承外环的整体连接性不好，实施预载荷的机构效果不容易稳定，因此本实施例的内反馈流体支承可倾瓦动压向心推力轴承设置的预紧加载机构5所付出创造性劳动才能真正发挥出预想的效果。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种内反馈可倾瓦定压预紧的机床主轴，包括前端盖、前轴承、主轴套筒、主轴、后轴承和后端盖，前端盖和后端盖固定于主轴套筒的两端部，前轴承和后轴承均为内反馈流体支承可倾瓦动压向心推力锥形轴承，两者共同将主轴支承起来，从而形成对主轴前后双支承结构的机床主轴；前轴承和后轴承与主轴轴径接触的面为滑动面，滑动面为圆锥面，其与主轴的圆锥轴径表面对应安装，其特征还包括：

主轴套筒内还设有预紧加载机构、滑动套和卸荷活塞，滑动套套在后轴承外且轴向抵住后轴承，卸荷活塞压在滑动套的端面上，预紧加载机构对滑动套施加轴向弹力，由此在前轴承和后轴承之间形成作为定压预紧载荷的内张力，从而使得前轴承和后轴承的滑动面贴合在主轴轴径表面上；主轴套筒设有输入卸荷高压油P₂的通道，在主轴启动工作前瞬时注入卸荷高压油P₂，卸荷高压油P₂推动卸荷活塞以及滑动套克服所述弹力发生移动，使得前轴承和后轴承的滑动面脱离接触主轴，以此实现卸荷；在主轴达到正常工作转速后停止注入卸荷高压油P₂，以使得主轴恢复定压预紧工作。

2.根据权利要求1所述的一种内反馈可倾瓦定压预紧的机床主轴，其特征是：预紧加载机构包括内螺母、外螺母、弹簧和加载环，内螺母固定于主轴套筒内，外螺母与内螺母之间螺纹连接，弹簧一端抵住外螺母，另一端抵住加载环，加载环抵住滑动套；通过外力操作外螺母相对内螺母的位置以调节弹簧的弹力大小，弹力形成内张力通过加载环和滑动套施加到前轴承和后轴承上。

3.根据权利要求2所述的一种内反馈可倾瓦定压预紧的机床主轴，其特征是：外螺母的周边设有凹槽，主轴套筒上设置有能够被打开的窗口，外力操作打开窗口后用工具卡住凹槽以拨动转动外螺母，以调节弹簧被压缩的程度，如此实现调节弹力的大小，完成调节后锁紧内螺母和外螺母。

4.根据权利要求1所述的一种内反馈可倾瓦定压预紧的机床主轴，其特征是：主轴套筒上配置有润滑流体P₁输入和输出孔系，以保障前轴承和后轴承所需润滑流体畅通。

5.根据权利要求4所述的一种内反馈可倾瓦定压预紧的机床主轴，其特征是：所述润滑流体P₁为润滑油、水润滑液、气体或油气二相润滑液。

6.根据权利要求5所述的一种内反馈可倾瓦定压预紧的机床主轴，其特征是：固定于主轴套筒的两端部的前端盖和后端盖与主轴组成密封结构，以防止润滑流体P₁溢出且防止外部污染流体侵入。

7.根据权利要求5所述的一种内反馈可倾瓦定压预紧的机床主轴，其特征是：前轴承和后轴承均包括轴承外环和安装在轴承外环的内表面的瓦块，轴承借助润滑流体P₁形成的内反馈流体支承力，使瓦块的瓦背支承面与轴承外环的内表面之间能够实现全球面接触。

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