CN111577764B - 一种流体静压轴承、流体静压转台和流体静压主轴 - Google Patents

一种流体静压轴承、流体静压转台和流体静压主轴 Download PDF

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Abstract

为了提供一种结构简单、加工方便、稳定性好、回转精度高的流体静压轴承，本发明记载一种流体静压轴承，包括主轴和轴套，主轴为中部设置有环状凸缘的圆柱状结构，轴套为中部设置有环状凹槽的圆柱筒状结构，轴套套设在主轴上，环状凸缘位于环状凹槽内部，位于环状凸缘上方的圆柱状结构与轴套之间设置有环形孔缝Ⅰ，位于环状凸缘下方的圆柱状结构与轴套之间设置有环形孔缝Ⅱ，环状凸缘的上表面与轴套之间设置有环形孔缝Ⅲ，所述环状凸缘的下表面与轴套之间设置有环形孔缝Ⅳ，环形孔缝Ⅰ、环形孔缝Ⅱ、环形孔缝Ⅲ和环形孔缝Ⅳ的纵剖面均呈阶梯状结构。本发明零件数量少，加工简单，装配方便，无需额外安装节流器，工作时更加稳定，可靠度更高。

Description

一种流体静压轴承、流体静压转台和流体静压主轴
技术领域
本发明属于静压滑动轴承领域，具体涉及一种流体静压轴承、流体静压转台和流体静压主轴。
背景技术
静压滑动轴承通常选用流体(液体、气体等)作为润滑剂，依靠外界提供的压力源在主轴周围形成润滑膜，所述润滑膜可将主轴完全浮起，并为主轴提供支撑刚度，静压滑动轴承的最显著优点是精度高，润滑膜具有误差均化效果，减小工件加工误差对于回转精度的影响，静压滑动轴承相比于动压滑动轴承润滑膜更加稳定，主轴在低速运行或高速运行时润滑膜都能保持完整，理论上可以在完全无磨损的情况下工作。静压滑动轴承采用液体润滑剂时，液压系统可承受高压力，轴承具有更高的刚度与承载能力，但发热量较大，通常需要配备冷却设备；采用气体润滑剂时，由于气膜的可压缩性，主轴回转精度更高，且气膜摩擦小，可实现低速无爬行与低发热量，缺点是承载能力不如液体静压滑动轴承，随着技术的进步，这一缺点已经有了很大程度的改善。静压滑动轴承在精密与超精密设备中有着广泛的应用。
目前气体静压滑动轴承主要有三种节流方式，小孔式节流、多孔质节流和狭缝节流。小孔式节流通常是在主轴的径向、止推方向环向布置节流器，主轴越大，需要的节流器就越多，数量如此之多的节流器会增大装配难度，无法保证每个节流器安装状态相同，一旦有一个漏气就会对回转精度造成影响，而且通入气压过大容易产生气锤现象，严重影响精度；多孔质节流，采用多孔质材料作为节流器，缺点是不易保证节流器各处气体渗透率相同，多孔质材料易被灰尘杂质堵塞，导致轴承失效，当供气压力变化时，响应较慢；狭缝节流对于加工精度要求高，要保证狭缝间隙在10μm附近，狭缝加工困难，故应用程度相对较低。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种结构简单、加工方便、稳定性好、回转精度高的流体静压轴承。
本发明的第二个目的是提供一种流体静压转台。
本发明的第三个目的是提供一种流体静压主轴。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种流体静压轴承，包括主轴和轴套，所述主轴为中部设置有环状凸缘的圆柱状结构，所述轴套为中部设置有环状凹槽的圆柱筒状结构，所述轴套套设在主轴上，所述环状凸缘位于环状凹槽内部，位于环状凸缘上方的圆柱状结构与轴套之间设置有环形孔缝Ⅰ，位于环状凸缘下方的圆柱状结构与轴套之间设置有环形孔缝Ⅱ，所述环形孔缝Ⅰ和环形孔缝Ⅱ结构相同且相互对称，所述环形孔缝Ⅰ和环形孔缝Ⅱ的纵剖面均呈阶梯状结构，所述环状凸缘的上表面与轴套之间设置有环形孔缝Ⅲ，所述环状凸缘的下表面与轴套之间设置有环形孔缝Ⅳ，所述环形孔缝Ⅲ和环形孔缝Ⅳ结构相同且相互对称，所述环形孔缝Ⅲ和环形孔缝Ⅳ的纵剖面均呈阶梯状结构，所述环形孔缝Ⅰ与环形孔缝Ⅲ连通，所述环形孔缝Ⅱ与环形孔缝Ⅳ连通。
一种流体静压转台：包括所述的流体静压轴承和转台底座，所述转台底座位于轴套的下方且与轴套固定连接。
一种流体静压主轴：包括所述的流体静压轴承和主轴底座，所述主轴底座位于轴套的下方且与轴套固定连接。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1)采用台阶节流方式，主轴周围润滑膜压力分布更加均匀，主轴回转更加平稳，具有更好的误差均化效果，工作精度更高。
2)轴承结构简单，零件数量少，加工简单，装配方便，无需额外安装节流器，工作时更加稳定，可靠度更高。
3)当润滑剂为气体时，轴承可通入0.2-2.5MPa的高压气源，能够大大提高轴承刚度与承载能力，且不会出现气锤现象。
附图说明
图1为本发明纵向剖视图。
图2为本发明流体流动方向示意图。
图3为本发明应用于转台的结构示意图。
图4为本发明应用于卧式主轴的结构示意图。
图中：1、主轴，2、轴套，3、环形孔缝Ⅰ，4、环形孔缝Ⅱ，5、环形孔缝Ⅲ，6、环形孔缝Ⅳ，7、环形孔缝Ⅴ，8、进孔，9、出孔，10、工作台，11、环状凸缘，12、倒角Ⅰ，13、倒角Ⅱ，14、转台底座，15、主轴底座，21、上轴套，22、下轴套。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。在本发明的描述中，需要理解的是：术语“上”“下”“水平”“纵向”等指示方位的词语只是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的具体限定。
本发明中，主轴是个圆柱面，圆柱面的母线方向称为轴向，同一圆截面上的半径方向称为径向。
具体实施方式一
一种流体静压轴承，包括主轴1和轴套2，所述主轴1为中部设置有环状凸缘11的圆柱状结构，所述主轴1的纵剖面呈“中”字型结构，所述轴套2为中部设置有环状凹槽的圆柱筒状结构，所述轴套2套设在主轴1上，并保持主轴1和轴套2具有
Figure BDA0002497249480000031
的同轴度，所述环状凸缘11位于环状凹槽内部，所述轴套2与主轴1之间保持2-30μm的间隙，位于环状凸缘11上方的圆柱状结构与轴套2之间设置有环形孔缝Ⅰ3，位于环状凸缘11下方的圆柱状结构与轴套2之间设置有环形孔缝Ⅱ4，所述环形孔缝Ⅰ3和环形孔缝Ⅱ4结构相同且相互对称，所述环形孔缝Ⅰ3和环形孔缝Ⅱ4的纵剖面均呈阶梯状结构，所述环形孔缝Ⅰ3和环形孔缝Ⅱ4的缝隙宽度均为2-30μm；所述环状凸缘11的上表面与轴套2之间设置有环形孔缝Ⅲ5，所述环状凸缘11的下表面与轴套2之间设置有环形孔缝Ⅳ6，所述环形孔缝Ⅲ5和环形孔缝Ⅳ6结构相同且相互对称，所述环形孔缝Ⅲ5和环形孔缝Ⅳ6的纵剖面均呈阶梯状结构，所述环形孔缝Ⅲ5和环形孔缝Ⅳ6的缝隙宽度均为2-30μm；所述环形孔缝Ⅰ3与环形孔缝Ⅲ5连通，所述环形孔缝Ⅱ4与环形孔缝Ⅳ6连通。
进一步的，所述流体静压轴承还包括工作台10，所述工作台10位于主轴1和轴套2的上方并固定在主轴1上，所述工作台10随主轴1做回转运动。
进一步的，所述环形孔缝Ⅰ3从下至上，阶梯的走向从高至低；所述环形孔缝Ⅱ4从上至下，阶梯的走向从高至低；所述环形孔缝Ⅲ5和环形孔缝Ⅳ6，从圆柱状结构的外侧壁处至环状凸缘11的外侧壁处，阶梯的走向从高至低。
优选的，阶梯状结构的环形孔缝Ⅰ3、环形孔缝Ⅱ4、环形孔缝Ⅲ5和环形孔缝Ⅳ6的台阶均有两个。
进一步的，所述环状凸缘11的外侧壁与轴套2之间设置有环形孔缝Ⅴ7，所述环形孔缝Ⅴ7的上下两端分别与环形孔缝Ⅲ5和环形孔缝Ⅳ6连通。
进一步的，所述轴套2上设置有两个进孔8和一个出孔9，两个进孔8关于轴套2中心的水平面上下对称设置在轴套2的外侧壁上，位于上方的进孔8通过流道与环形孔缝Ⅰ3和环形孔缝Ⅲ5的交界处连通；位于下方的进孔8通过流道与环形孔缝Ⅱ4和环形孔缝Ⅳ6的交界处连通；所述出孔9设置在与进孔8相对的轴套2的外侧壁上且位于轴套2中心的水平面上，所述出孔9通过流道与环形孔缝Ⅴ7的中部连通。
进一步的，所述环形孔缝Ⅰ3和环形孔缝Ⅲ5的交界处设置有倒角Ⅰ12，所述环形孔缝Ⅱ4和环形孔缝Ⅳ6的交界处设置有倒角Ⅱ13，位于上方的进孔8通过流道与倒角Ⅰ12连通，位于下方的进孔8通过流道与倒角Ⅱ13连通。优选的，所述倒角Ⅰ12和倒角Ⅱ13均为环形倒角，所述环形倒角的纵剖面为矩形。所述倒角Ⅰ12和倒角Ⅱ13可将点状压力源迅速变为线性压力源，使主轴表面的润滑膜压力分布更加均匀。
进一步的，所述环形孔缝Ⅰ3和环形孔缝Ⅱ4均设置在轴套2的内侧壁上，或者，所述环形孔缝Ⅰ3和环形孔缝Ⅱ4均设置在主轴1的外侧壁上。
进一步的，所述环形孔缝Ⅲ5和环形孔缝Ⅳ6分别设置在环状凸缘11的上表面和下表面，或者，所述环形孔缝Ⅲ5和环形孔缝Ⅳ6分别设置在环状凹槽的上壁和下壁上。
优选的，所述轴套2包括上下设置的上轴套21和下轴套22，所述上轴套21的下表面与下轴套22的上表面通过螺栓固定连接，构成中部为环状凹槽的圆柱筒状结构。
进一步的，所述主轴1的中部设置有上下贯通的通孔，可用于通过电缆，或制作成为真空气道，上端配合真空吸盘安装工件。
流体的流动路线如图2所示，经上、下两个进孔8通入的润滑剂经过流道分别流入倒角Ⅰ12和倒角Ⅱ13，然后通入环形孔缝Ⅰ3、环形孔缝Ⅱ4、环形孔缝Ⅲ5、环形孔缝Ⅳ6和环形孔缝Ⅴ7，经轴套2上、下两个端面和出孔9流出。
经进孔8向轴套2内通入高压润滑剂后，点状压力源会在倒角处变为线性压力源，随后在主轴1与轴套2间形成压力分布均匀的润滑膜，润滑膜将主轴1浮起，阶梯状结构的环形孔缝Ⅰ3、环形孔缝Ⅱ4、环形孔缝Ⅲ5和环形孔缝Ⅳ6将润滑膜变为阶梯形，阶梯形结构的润滑膜起到节流作用，在无外加节流器的情况下为主轴1提供径向刚度和闭氏轴向刚度，保证工作台10具有高回转精度。
本发明提出台阶节流方式无需外加节流器，通过台阶润滑膜就可以为主轴1提供径向刚度与闭式轴向刚度，本发明的刚度、承载力与润滑剂粘度无关，所以润滑剂可为液体也可为气体，本发明结构简单，加工制造容易，润滑膜在主轴1周围分布更加均匀，有着更高的回转精度。采用气体润滑剂时，可通入更高压气体，提高刚度与承载力，且不产生气锤现象。
润滑剂选择气体时可以在高速运转时保持小发热量，润滑剂选择液体时可以实现高刚度与高承载。润滑剂选择气体时，气源压力可根据需要在0.2-2.5MPa范围内选择，不产生气锤现象，当润滑剂选择液体时，液源压力可在0.5-5.0MPa内选择。
具体实施方式二
一种流体静压转台，包括具体实施方式一所述的流体静压轴承和转台底座14，所述转台底座14位于轴套2的下方且与轴套2固定连接定位，如图3所示。
具体实施方式三
一种表面节流的流体静压主轴：包括具体实施方式一所述的流体静压轴承和主轴底座15，所述主轴底座15位于轴套2的下方且与轴套2固定连接，如图4所示。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种流体静压轴承，其特征在于：包括主轴(1)和轴套(2)，所述主轴(1)为中部设置有环状凸缘(11)的圆柱状结构，所述轴套(2)为中部设置有环状凹槽的圆柱筒状结构，所述轴套(2)套设在主轴(1)上，所述环状凸缘(11)位于环状凹槽内部，位于环状凸缘(11)上方的圆柱状结构与轴套(2)之间设置有环形孔缝Ⅰ(3)，位于环状凸缘(11)下方的圆柱状结构与轴套(2)之间设置有环形孔缝Ⅱ(4)，所述环形孔缝Ⅰ(3)和环形孔缝Ⅱ(4)结构相同且相互对称，所述环形孔缝Ⅰ(3)和环形孔缝Ⅱ(4)的纵剖面均呈阶梯状结构，所述环状凸缘(11)的上表面与轴套(2)之间设置有环形孔缝Ⅲ(5)，所述环状凸缘(11)的下表面与轴套(2)之间设置有环形孔缝Ⅳ(6)，所述环形孔缝Ⅲ(5)和环形孔缝Ⅳ(6)结构相同且相互对称，所述环形孔缝Ⅲ(5)和环形孔缝Ⅳ(6)的纵剖面均呈阶梯状结构，所述环形孔缝Ⅰ(3)与环形孔缝Ⅲ(5)连通，所述环形孔缝Ⅱ(4)与环形孔缝Ⅳ(6)连通。
2.根据权利要求1所述的一种流体静压轴承，其特征在于：所述环形孔缝Ⅰ(3)从下至上，阶梯的走向从高至低；所述环形孔缝Ⅱ(4)从上至下，阶梯的走向从高至低；所述环形孔缝Ⅲ(5)和环形孔缝Ⅳ(6)，从圆柱状结构的外侧壁处至环状凸缘(11)的外侧壁处，阶梯的走向从高至低。
3.根据权利要求1所述的一种流体静压轴承，其特征在于：所述环状凸缘(11)的外侧壁与轴套(2)之间设置有环形孔缝Ⅴ(7)，所述环形孔缝Ⅴ(7)的上下两端分别与环形孔缝Ⅲ(5)和环形孔缝Ⅳ(6)连通。
4.根据权利要求3所述的一种流体静压轴承，其特征在于：所述轴套(2)上设置有两个进孔(8)和一个出孔(9)，两个进孔(8)上下对称设置在轴套(2)的外侧壁上，位于上方的进孔(8)通过流道与环形孔缝Ⅰ(3)和环形孔缝Ⅲ(5)的交界处连通；位于下方的进孔(8)通过流道与环形孔缝Ⅱ(4)和环形孔缝Ⅳ(6)的交界处连通；所述出孔(9)设置在与进孔(8)相对的轴套(2)的外侧壁上，所述出孔(9)通过流道与环形孔缝Ⅴ(7)的中部连通。
5.根据权利要求1所述的一种流体静压轴承，其特征在于：所述流体静压轴承还包括工作台(10)，所述工作台(10)位于主轴(1)和轴套(2)的上方并固定在主轴(1)上。
6.根据权利要求1所述的一种流体静压轴承，其特征在于：所述环形孔缝Ⅰ(3)和环形孔缝Ⅱ(4)均设置在轴套(2)的内侧壁上，或者，所述环形孔缝Ⅰ(3)和环形孔缝Ⅱ(4)均设置在主轴(1)的外侧壁上。
7.根据权利要求1所述的一种流体静压轴承，其特征在于：所述环形孔缝Ⅲ(5)和环形孔缝Ⅳ(6)分别设置在环状凸缘(11)的上表面和下表面，或者，所述环形孔缝Ⅲ(5)和环形孔缝Ⅳ(6)分别设置在环状凹槽的上壁和下壁上。
8.根据权利要求4所述的一种流体静压轴承，其特征在于：所述环形孔缝Ⅰ(3)和环形孔缝Ⅲ(5)的交界处设置有倒角Ⅰ(12)，所述环形孔缝Ⅱ(4)和环形孔缝Ⅳ(6)的交界处设置有倒角Ⅱ(13)，位于上方的进孔(8)通过流道与倒角Ⅰ(12)连通，位于下方的进孔(8)通过流道与倒角Ⅱ(13)连通。
9.一种流体静压转台：其特征在于：包括权利要求1-8任一权利要求所述的流体静压轴承和转台底座(14)，所述转台底座(14)位于轴套(2)的下方且与轴套(2)固定连接。
10.一种流体静压主轴：其特征在于：包括权利要求1-8任一权利要求所述的流体静压轴承和主轴底座(15)，所述主轴底座(15)位于轴套(2)的下方且与轴套(2)固定连接。
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