CN113146379A - 一种新型高速、高精数控内圆磨床及其使用的动静压轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型高速、高精数控内圆磨床及其使用的动静压轴承，所述轴承为轴套式、深浅腔、四油契结构，包括轴承体和主轴，其特征在于：沿轴承体内壁的圆周方向上设有阿基米德螺旋面区，阿基米德螺旋面区从216°起到155°30'止，阿基米德螺旋面区的阿基米德螺旋线每度升程

本发明的动静压轴承具有精度高、刚度大、承载能力高、吸振抗震性能好的特点，为内圆磨削的高精、高效加工提供了基础，本发明提供了动静压轴承承载力和刚度的计算方法，方便的研究人员进一步改进动静压轴承结构后的计算，大大缩短了研发计算的时间，而且本发明的磨头主轴系统其旋转精度和轴承刚度均有提高，进而提高了加工尺寸精度和形位精度。

Description

一种新型高速、高精数控内圆磨床及其使用的动静压轴承

技术领域

本发明涉及轴承及其加工领域，具体为一种新型高速、高精数控内圆磨床及其使用的动静压轴承。

背景技术

液体动静压轴承精度高、刚度大、寿命长、吸振抗震性能好，主要用于精密加工机械及高速、高精度设备的主轴。既可用于旧机床改造，也可用于新机床配套。采用动静压轴承可以完全恢复机床因主轴轴承问题而丧失的加工精度和表面粗糙度；提高机床主轴精度和切削效率；并可多年连续使用而不需维修。很多企业采用动静压轴承为新机床配套和旧机床设备改造，均获得了满意的使用效果和显著的经济效益。

液体动静压轴承综合了静压轴承的优点，消除了这两种轴承的不足。其特点是采用整体式轴承与表面深浅腔结构油腔轴承系统工作时主轴被一层压力油膜浮起，主轴为经电机驱动已悬浮在轴承之间发生机械摩擦与磨损，从而提高轴承寿命且有良好的精度保持性。当电机驱动主轴旋转时，轴承油腔内由于阶梯效应自然形成动静压承载油膜，轴承成为具有静压压力场的动压滑动轴承。与三块、五块瓦相比，动静压轴承为整体式使结构，轴承与箱体孔接触面积大，为刚性连接，是油膜刚度得到充分的发挥利用。主轴工作时，油膜刚度是轴承静态刚度与动态刚度的叠加，有很强的承载能力。压力油膜的“均化”作用可使主轴回转精度高于轴颈和轴承的加工精度。

但是目前的动静压轴承承载力和刚度仍待提高，而且在设计改进轴承结构时，需要快速的计算方法，目前缺少对动静压轴承承载力和刚度的快速计算方法，因此磨头主轴系统使用普通轴承，其旋转精度和轴承刚度均有提升空间，影响加工尺寸精度和形位精度。

发明内容

本发明目的在于提供一种新型高速、高精数控内圆磨床及其使用的动静压轴承，解决了加工尺寸精度和形位精度问题。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种动静压轴承，包括轴承体和主轴，沿轴承体内壁的圆周方向上设有阿基米德螺旋面区，阿基米德螺旋面区从216°起到155°30′止，阿基米德螺旋面区的阿基米德螺旋线每度升程

定义流通面积为A，使得通流面积A增大，静压负载力

加大，阿基米德螺旋面区包括浅腔，阿基米德螺旋面区的端部设置有深腔，用于形成轴承润滑油腔，轴承体上均匀开设有4个4*1.26的轴向回油槽，其中一个轴向回油槽与深腔连通，减小了封油面长度a.

成小；增大了载荷系数

从而使轴承负载提高；

深腔深度为h_p＝1.0，使深腔油契的宽度增大，从而使动压W_d负载力增大，

一种动静压轴承的承载力和刚度计算方法，所述计算方法用到如下公式：

所述动静压轴承的动压承载力的公式如下：

所述动静压轴承的静压承载力的公式如下：

所述动静压轴承的轴向承载力的公式如下：

一种新型高速、高精数控内圆磨床，所述数控内圆磨床为5轴，包括X轴、C轴、Z轴、U轴和W轴，所述数控内圆磨床包括砂轮架、磨头主轴系统、修整器、头架、直驱电机、减速电机、第一滑板和第二滑板，砂轮架设置在第一滑板上形成Z轴，磨头主轴系统和修整器均设置在砂轮架上，头架设置在第二滑板上形成X轴，直驱电机、减速电机设置在头架上，直驱电机带动头架旋转形成C轴；

磨头主轴系统包括主轴电机、主轴箱体、主轴、前动静压轴承和后动静压轴承，所述前动静压轴承和后动静压轴承均为上述的一种动静压轴承，主轴通过前动静压轴承和后动静压轴承安装在主轴箱体上，主轴电机的输出轴与主轴连接；

修整器包括第一直驱伺服电机、第一直线导轨、第二直驱伺服电机、第二直线导轨和修整金刚刀，第一直驱伺服电机安装在第一直线导轨形成W轴，第二直驱伺服电机安装在第二直线导轨形成U轴，修整金刚刀设置在U轴上。

有益效果，本申请的技术方案具备如下技术效果：

本发明的动静压轴承具有精度高、刚度大、承载能力高、吸振抗震性能好的特点，为内圆磨削的高精、高效加工提供了基础，本发明提供了动静压轴承承载力和刚度的计算方法，方便的研究人员进一步改进动静压轴承结构后的计算，大大缩短了研发计算的时间，而且本发明的磨头主轴系统其旋转精度和轴承刚度均有提高，进而提高了加工尺寸精度和形位精度。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1为本发明动静压轴承结构示意图。

图2为本发明新型高速、高精数控内圆磨床整图。

图3为本发明磨头主轴系统示意图。

图4为本发明修整器示意图。

图5为本发明新型高速、高精数控内圆磨床的加工方法示意图。

图6为本发明一种动静压轴承的承载力和刚度计算方法示意图。

图7为本发明一种动静压轴承的承载力和刚度计算方法示意图

图8为本发明一种动静压轴承的承载力和刚度计算方法示意图

图中，各附图标记的含义如下：1、轴承体；2、主轴；3、轴向回油槽；4、磨头主轴系统；5、修整器；6、头架；7、直驱电机；8、第一滑板；9、第二滑板；10、砂轮架；11、减速电机；401、主轴电机；402、后动静压轴承；403、前动静压轴承；501、第一伺服电机；502、第二伺服电机；503、第一直线导轨；504、第二直线导轨；405、修整金刚刀。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

本实施例提供一种动静压轴承，如图1所示，包括轴承体1和主轴2，沿轴承体1内壁的圆周方向上设有阿基米德螺旋面区，阿基米德螺旋面区从216°起到155°30′止，阿基米德螺旋面区的阿基米德螺旋线每度升程

定义流通面积为A，使得通流面积A增大，静压负载力

加大，阿基米德螺旋面区包括浅腔，阿基米德螺旋面区的端部设置有深腔，用于形成轴承润滑油腔，轴承体1上均匀开设有4个4*1.26的轴向回油槽，其中一个轴向回油槽与深腔连通，减小了封油面长度a，

成小；增大了载荷系数

从而使轴承负载提高；图8所示。

深腔深度为hp＝1.0，使深腔油契的宽度增大，从而使动压W_d负载力增大，

一种动静压轴承的承载力和刚度计算方法，所述计算方法用到如下公式：

所述动静压轴承的动压承载力的公式如下：

所述动静压轴承的静压承载力的公式如下：

所述动静压轴承的轴向承载力的公式如下：

一种新型高速、高精数控内圆磨床，如图2-4所示，所述数控内圆磨床为5轴，包括X轴、C轴、Z轴、U轴和W轴，所述数控内圆磨床包括砂轮架10、磨头主轴系统4、修整器5、头架6、直驱电机7、减速电机11、第一滑板8和第二滑板9，砂轮架10设置在第一滑板8上形成Z轴，磨头主轴系统4和修整器5均设置在砂轮架10上，头架6设置在第二滑板9上形成X轴，直驱电机7、减速电机11设置在头架6上，直驱电机7带动头架6旋转形成C轴；

磨头主轴系统4包括主轴电机401、主轴箱体、主轴2、前动静压轴承403和后动静压轴承402，所述前动静压轴承403和后动静压轴承402均为上述的一种动静压轴承，主轴通过前动静压轴承402和后动静压轴承403安装在主轴箱体上，主轴电机1的输出轴与主轴连接；本实施例为外置式电主轴，电机转子轴即磨削主轴，安装在轴径φ60的30-003和30-004两个动静压轴承里，负载能力大，主轴径跳≤0.0015，旋转精度高，轴承刚度大。这些指标是相同规格的滚动承无法比拟的。电机采用瑞士的转子和定子，转速36000rpm，4.3kw，电机装在箱体外，无需冷却；以最小砂轮φ15为例，砂轮速度达：最小28m/s，这是现有内圆磨无法达到的；主轴与转子内孔以：1：20锥度联结，自锁性好。主轴前端，砂轮刀杆以4号莫氏锥在主轴内孔定位，主轴两个端面键传递扭矩。

修整器5包括第一直驱伺服电机501、第一直线导轨503、第二直驱伺服电机502、第二直线导轨5034和修整金刚刀505，第一直驱伺服电机501安装在第一直线导轨503形成W轴，第二直驱伺服电机502安装在第二直线导轨504形成U轴，修整金刚刀505设置在U轴上。

本机床加工方法：磨削时，根据工件的外形和尺寸不同，可采用纵磨法(见图5a)、切入磨法(见图5b)，有些普通内圆磨床上备有专门的端磨装置，可在一次装夹中磨削内孔和端面(见图5c)。

其中为了验证上述一种动静压轴承的承载力和刚度计算方法，给出如下推导过程，设轴承的长度：

本轴承的长度：L＝156；

轴承的长度按：L＝(1～1.5)D (1)；

D～轴承的轴径；

浅腔：由阿基米德螺旋线构成(通过刮削)，

每度升程

阿基米德螺旋线区60.5°；

起点半径：

终点半径：

同时阿基米德螺旋线与轴径表面构成了节流器(形成静压)，1个浅腔的宽度：

浅腔的通流面积A：

A＝B₁×L_x mm² (4)；

L_x一浅腔的长度；

1个浅腔油契的承载能力W：

由于轴承承载能力W是轴承油腔压力分布的面积分，即：

W＝∫∫_Dp_rAds；

其中：

(载荷系数)。

封油面长度a：

所以：

深腔的宽度：1个深腔油契的宽度：

其中：深腔的深度取：h_p＝1，深腔构成动压。

一个动压油契承载力：

其中：

则：轴承(1个油契)的承载能力：

以

00轴径的轴承为列：

W＝W_j+W_d＝700kg。

可见：浅腔阿基米德螺旋线的

直接影响R_m，从而影响浅腔的宽度B1也影响通流面积A，最终影响精压承载力；深腔的深度h_p直接影响深腔的宽度B2，从而影响动压的承载力。

一个动静压轴承的载荷的计算：

整个轴承动压径向承载力：F_d；

见图6，受力分析：

e-轴承受载后主轴中心垂直的偏移量；C_l-侧流系数；

当e＝0.5h时，10式化简为：

以

轴径的轴承为列：把已知参数代入得：

整个轴承的动压负载力：F_d＝3330kg；

整个轴承静压径向承载力：F_j；

见图7受力分析：

而：

h₂-静压油契2与轴径的间隙；h₄--静压油契4与轴径的间隙；c_T-节流系数＝0.62：

当h₄＝0.5 h₂且h₂＝0.04时，13式转化为：

以

轴径的轴承为例：把已知参数代入得：

F_j＝48360N＝4836kg。

故，整个轴承的径向负载力：F_径总＝7716kg。

而相同轴径的角接触滚子轴承径向负载是：3600--7500kg，可见动静压轴承是相同轴径的角接触滚子轴承径向负载的1--2倍或相等。

整个轴承的轴向承载力：F_z；

主轴系统的油压如果调为：10kg/cm2；

F_z＝10×10×10⁴×π(0.12²-0.11²)＝1×10⁶×7.22×10^-3＝7220N＝722kg。

动静压轴承动态工作的刚度：

动静压轴承的动态工作稳定性是取决于其刚度，

F-外部载荷；e-轴径中心的偏移量；

据刚度定义：

β---节流比；w---油腔负载；

以

轴径的轴承为例：把已知参数代入得：

这种刚度，相同轴径的动静压轴承相对于滚动轴承的刚度稍高或要高1—1.5倍，所以采用动静压轴承精度的稳定性和持续性及可靠性比采用滚动轴承好得多。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (3)

1.一种动静压轴承，所述轴承为轴套式、深浅腔、四油契结构，包括轴承体和主轴，其特征在于：沿轴承体内壁的圆周方向上设有阿基米德螺旋面区，阿基米德螺旋面区从216°起到155°30'止，阿基米德螺旋面区的阿基米德螺旋线每度升程

定义流通面积为A，使得通流面积A增大，静压负载力

加大，阿基米德螺旋面区包括浅腔，阿基米德螺旋面区的端部设置有深腔，用于形成轴承润滑油腔，轴承体上均匀开设有4个4*1.26的轴向回油槽，其中一个轴向回油槽与深腔连通，减小了封油面长度a,

减小；增大了载荷系数

从而使轴承负载提高；

深腔深度为h_p＝1.0,使深腔油契的宽度增大，从而使动压W_d负载力增大，

2.一种动静压轴承的承载力和刚度计算方法，其特征在于：所述计算方法用到如下公式：

所述动静压轴承的动压承载力的公式如下：

所述动静压轴承的静压承载力的公式如下：

所述动静压轴承的轴向承载力的公式如下：

3.一种新型高速、高精数控内圆磨床，所述数控内圆磨床为5轴，包括X轴、C轴、Z轴、U轴和W轴，其特征在于：所述数控内圆磨床包括砂轮架、磨头主轴系统、修整器、头架、直驱电机、减速电机、第一滑板和第二滑板，砂轮架设置在第一滑板上形成Z轴，磨头主轴系统和修整器均设置在砂轮架上，头架设置在第二滑板上形成X轴，直驱电机、减速电机设置在头架上，直驱电机带动头架旋转形成C轴；

磨头主轴系统包括主轴电机、主轴箱体、主轴、前动静压轴承和后动静压轴承，所述前动静压轴承和后动静压轴承均为权利要求1所述的一种动静压轴承，主轴通过前动静压轴承和后动静压轴承安装在主轴箱体上，主轴电机的输出轴与主轴连接；

修整器包括第一直驱伺服电机、第一直线导轨、第二直驱伺服电机、第二直线导轨和修整金刚刀，第一直驱伺服电机安装在第一直线导轨形成W轴，第二直驱伺服电机安装在第二直线导轨形成U轴，修整金刚刀设置在U轴上。

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