TWI598520B

TWI598520B - Spindle unit with hydrodynamic bearing unit

Info

Publication number: TWI598520B
Application number: TW104119774A
Authority: TW
Inventors: Ru-Lun Wen; Ze-Hao Wen
Original assignee: Fepotec Industrial Co Ltd
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2017-09-11
Also published as: TW201700874A

Description

具有動壓軸承單元的主軸裝置

本發明是有關於一種主軸裝置，特別是指一種具有動壓軸承單元的主軸裝置。

習知的主軸裝置，如同中華民國公告號第348590專利案所揭露之砂輪主軸穩定及潤滑系統，包含一穿設於一機座軸管內呈錐狀之砂輪主軸，且該砂輪主軸之後端部包括一固設有一止推軸承之平滑軸桿。另，該砂輪主軸之兩端外緣分別非接觸地穿套有一呈錐度配合之軸襯，該錐度方向是由軸向壓力源之端部往非軸向壓力源之端部漸縮。該止推軸承與該等軸襯三者相配合對該砂輪主軸產生定位與支撐，以獲得研磨時所需要的穩定性。雖然該等軸襯與該砂輪主軸間形成有油膜是以動壓方式支撐該砂輪主軸因而具備有高度精密性，然而該止推軸承卻是一精度遠不及該等動壓軸承的斜角滾珠軸承。在這樣的搭配下，將導致軸向精度的控制力不佳而使得整體加工精度無法獲得進一步的提升。如前文所述搭配不良的缺點亦見於中華民國公告號第M358035號專利案所揭露之平面磨床的砂輪頭。

另，如同中華民國公告號第I395886號專利案所揭露之具有動壓軸承之驅動器，包含一穿設於一定子內之轉子，該定子之兩端分別蓋設有一具有前動壓軸承之前蓋與一具有後動壓軸承之封蓋，且該轉子之兩端穿設出該前蓋與該封蓋並受該等前、後動壓軸承之徑向支撐。該驅動器還包含一設置於該轉子之一端之止推件，該止推件亦以動壓的方式提供該轉子的軸向支撐。然，該驅動器供潤滑油至該等前、後動壓軸承及該止推件乃是採一次性的預填方式，完成填油的步驟後便以封閉體封住填油孔洞。當該驅動器經過若干時間的運轉後，需要將已磨耗的潤滑油排出並重新更換潤滑油時並不方便。且，該驅動器中用以提供該轉子軸向支撐的止推件是與該轉子一併轉動，若是在大型加工系統中的主軸使用同樣的方式來提供軸向支撐，該止推件會使該主軸的動平衡不佳，將會對加工品質產生不良影響。如前文所述的缺點亦見於中華民國公告號第I294768號專利案所揭露之液體動壓軸承結構。

因此，本發明之目的，即在提供一種同時應用動壓軸承於提供主軸所需要的徑向支撐與軸向支撐、支撐構件不隨主軸一併轉動，且潤滑油是可以便於替換循環的具有動壓軸承單元的主軸裝置。

於是本發明具有動壓軸承單元的主軸裝置，包含一外筒、一心軸及一動壓軸承單元。

該外筒包括一圍繞一軸線界定出一軸孔之筒壁，該筒壁具有一前端部、一相反於該前端部之後端部、一設置於該前端部且能供一壓力油源注入之入油孔，及一設置於該後端部之出油孔。

該心軸可轉動地穿設於該軸孔，且包括一穿設出該外筒前端之連接段、位於該入油孔及該出油孔間且沿軸向相間隔的一外徑大於該連接段外徑之前支撐段及一後支撐段，及一介於該連接段與該前支撐段間之抵肩面。該前支撐段與該後支撐段其中至少一者外表面由該前端部朝該後端部呈漸縮之推拔狀。

該動壓軸承單元包括一非接觸地套設於該前支撐段且安裝於該筒壁的內壁面之前襯套、一非接觸地套設於該後支撐段且安裝於該筒壁的內壁面之後襯套，及一蓋設於該前端部且供該連接段穿出之前蓋。

該前襯套與該心軸的前支撐段之間界定出一位於該入油孔下游的前油隙。該後襯套與該心軸的後支撐段之間界定出一後油隙，該後油隙位於該前油隙下游且位於該出油孔上游。

該前蓋具有一相對於該抵肩面之小徑段、一由該小徑段朝前延伸且其外周面與該筒壁之內壁面相密合之大徑段，及一連接於該小徑段外周面與該大徑段外周面間且相對於該前襯套之過油環面。該小徑段具有一相對於該抵肩面且形成有複數環繞該心軸設置的建壓坡段之止推面。該前蓋還具有一緩衝油槽，及一連通於該緩衝油槽與該止推面間之油路組。其中，該緩衝油槽由該過油環面、該小徑段之外周面、該前襯套鄰近於該外筒之前端面與該筒壁之內壁面共同界定出，並且連通該入油孔及該前油隙。

本發明之功效在於，藉由該動壓軸承單元的該前油隙與該後油隙以動壓的方式分別徑向承托該心軸之前支撐段與後支撐段，及該止推面以動壓的方式軸向承托該心軸之抵肩面，因此該心軸在徑向及軸向是同時能獲得該動壓軸承單元的支撐。另，該前襯套、該後襯套及該止推面是固設於該外筒，亦即支撐構件不隨該心軸一併轉動。且該壓力油源注入之潤滑油，是能自該入油孔流動至該出油孔而排出，因此便於潤滑油之循環與替換。

1‧‧‧外筒

11‧‧‧筒壁

111‧‧‧前端部

112‧‧‧後端部

113‧‧‧入油孔

114‧‧‧出油孔

115‧‧‧旁通入油道

116‧‧‧後筒肩面

117‧‧‧開口

12‧‧‧軸孔

2‧‧‧心軸

21‧‧‧連接段

22‧‧‧前支撐段

23‧‧‧後支撐段

24‧‧‧抵肩面

25‧‧‧驅動段

3‧‧‧動壓軸承單元

31‧‧‧前襯套

311‧‧‧前油隙

312‧‧‧前建壓環段

313‧‧‧前過油道

32‧‧‧後襯套

321‧‧‧後油隙

322‧‧‧後建壓環段

323‧‧‧後過油道

324‧‧‧後襯小徑段

325‧‧‧後襯肩面

326‧‧‧後襯大徑段

33‧‧‧前蓋

331‧‧‧小徑段

332‧‧‧大徑段

333‧‧‧過油環面

334‧‧‧緩衝油槽

335‧‧‧油路組

336‧‧‧凸緣段

337‧‧‧連結面

338‧‧‧內止漏環

339‧‧‧外止漏環

340‧‧‧旁通油路組

341‧‧‧止推面

342‧‧‧建壓坡段

343‧‧‧儲油凹槽

344‧‧‧儲油環槽

345‧‧‧入油凹槽

346‧‧‧旁通孔

347‧‧‧穿孔

4‧‧‧後襯間隔環

5‧‧‧後蓋

51‧‧‧後蓋出油道

6‧‧‧匯流轉接件

61‧‧‧轉接輸入口

62‧‧‧匯流槽

63‧‧‧轉接輸出口

70‧‧‧加工裝置

80‧‧‧驅動裝置

81‧‧‧皮帶輪

90‧‧‧壓力油源

L‧‧‧軸線

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一側視組合部分剖面圖，說明本發明具有動壓軸承單元的主軸裝置之一第一實施例，其前端安裝一加工裝置且後端連接至一驅動裝置；圖2是沿圖1中之線II-II之一局部剖面圖，說明一前襯套與一前支撐段間界定出之一前油隙；圖3是該第一實施例之一局部側視部分剖面圖，說明一後襯套與一後蓋的設置方式；圖4是該第一實施例之一局部側視部分剖面圖，說明一前襯套與一前蓋的設置方式；圖5是該第一實施例之該前蓋的立體圖，說明該前蓋之一止推面上形成有複數建壓坡段及複數儲油凹槽；圖6是該前蓋的一側視圖，說明該等儲油凹槽之截面形狀；圖7是該前蓋的一局部側視圖；圖8是一局部側視部分剖面圖，說明本發明具有動壓軸承單元的主軸裝置之一第二實施例；及圖9是該第二實施例之一前蓋的立體圖，說明該前蓋之一止推面上形成有複數建壓坡段及複數儲油凹槽。

參閱圖1，本發明具有動壓軸承單元的主軸裝置之一第一實施例，包含一外筒1、一心軸2、一動壓軸承單元3、一後襯間隔環4、一後蓋5，及一匯流轉接件6。

該外筒1包括一圍繞於一軸線L界定出一軸孔12之筒壁11，該筒壁11具有一前端部111、一相反於該前端部111之後端部112、一設置於該前端部111且能供一壓力油源90注入之入油孔113、一設置於該後端部112之出油孔114，及一旁通入油道115。該旁通入油道115的一端連通該入油孔113，而另一端於該筒壁11之內壁面形成一開口117°

該心軸2可轉動地穿設於該軸孔12，且包括一穿設出該外筒1前端之連接段21、位於該入油孔113及該出油孔114間且沿軸向相間隔的一外徑大於該連接段21外徑之前支撐段22及一後支撐段23、一介於該連接段21與該前支撐段22間之抵肩面24，及一穿設出該外筒1後端之驅動段25。該前支撐段22與該後支撐段23之外表面由該前端部111朝該後端部112呈漸縮之推拔狀。

在本第一實施例中，該連接段21供一以砂輪為例的加工裝置70安裝設置。該驅動段25供一驅動裝置80的一皮帶輪81套設固定，藉此該驅動裝置80可驅動該心軸2轉動，而連動該加工裝置70轉動對工件進行加工。但值得說明的是，上述前後方位的定義也可以對調，該連接段21改供一馬達(圖未示)連接設置。該驅動段25改連動一加工裝置(圖未示)對工件進行加工。

該動壓軸承單元3包括一非接觸地套設於該前支撐段22且安裝於該筒壁11的內壁面之前襯套31、一非接觸地套設於該後支撐段23且安裝於該筒壁11的內壁面之後襯套32，及一蓋設於該前端部111且供該連接段21穿出之前蓋33。該前襯套31及該後襯套32分別位於該旁通入油道115於該筒壁11內壁面之開口117的前後側。

參閱圖1及圖2，該前襯套31與該心軸2的前支撐段22之間界定出一位於該入油孔113下游的前油隙311。該前油隙311具有複數環繞該心軸2間隔設置的前建壓環段312，及複數位於該等前建壓環段312之間的前過油道313，該等前過油道313的最大徑向尺寸大於該等前建壓環段312的最大徑向尺寸。

參閱圖2及圖3，該後襯套32與該心軸2的後支撐段23之間界定出一後油隙321，該後油隙321位於該前油隙311下游且位於該出油孔114上游。該後油隙321之結構近似於該前油隙311，具有複數環繞該心軸2間隔設置的後建壓環段322，及複數位於該等後建壓環段322之間的後過油道323，該等後過油道323的最大徑向尺寸大於該等後建壓環段322的最大徑向尺寸。該後襯套32沿軸向由前至後依序包括一後襯小徑段324、一後襯肩面325及一後襯大徑段326，並該筒壁11之內壁面相對於該後襯肩面325還形成有一供該後襯套32靠抵之後筒肩面116。藉由套設該後襯間隔環4於該後襯小徑段324且介於該後襯肩面325與該後筒肩面116間，而使得該後襯套32相對於該外筒1的設置位置沿軸向朝該後端部112偏移，而能對該後油隙321的尺寸進行調整。

參閱圖4、圖5及圖6，該前蓋33蓋設於該外筒1之前端部111且供該心軸2之連接段21穿出。該前蓋33具有一相對於該抵肩面24之小徑段331、一由該小徑段331朝前延伸且其外周面與該筒壁11之內壁面相密合之大徑段332、一連接於該小徑段331外周面與該大徑段332外周面間且相對於該前襯套31之過油環面333、一由該大徑段332朝前延伸且外徑大於該大徑段332外徑之凸緣段336、一連接於該凸緣段336外周面與該大徑段332外周面間且抵貼該外筒1前端面之連結面337、一塞設於該凸緣段336與該心軸2間的內止漏環338，及一塞設於該大徑段332與該筒壁11之內壁面間的外止漏環339。該小徑段331具有一相對於該抵肩面24且形成有複數環繞該心軸2設置的建壓坡段342之止推面341。該前蓋33還具有一連通於該小徑段331之外周面與該止推面341間之油路組335。在本實施例中，可藉由研磨該連結面337來縮短該凸緣段336 的長度，進而增長該大徑段332的長度，使得該前蓋33可沿軸向朝該外筒1的後端部112推移該心軸2，以調整該心軸2的軸向位置。

其中，該過油環面333、該小徑段331之外周面、該前襯套31鄰近於該外筒1之前端面與該筒壁11之內壁面共同界定出一連通該入油孔113及該前油隙311的緩衝油槽334。參閱圖7，該油路組335具有複數沿軸向凹設於該止推面341且分別位於每兩相鄰的建壓坡段342間之儲油凹槽343，該等儲油凹槽343的截面形狀概呈V型且連通於該緩衝油槽334與該止推面341間。

參閱圖3，該後蓋5是蓋設於該外筒1之後端部 112且供該心軸2之驅動段25穿出，且該後蓋5包括一連通於該出油孔114之後蓋出油道51。其中，該後蓋出油道51的數量亦可為複數。

該匯流轉接件6插設該後蓋出油道51，且包括一連通於該後蓋出油道51之轉接輸入口61、一連通該轉接輸入口61之匯流槽62，及一連通該匯流槽62之轉接輸出口63。其中，當該後蓋出油道51的數量為複數時，該轉接輸入口61的數量亦為複數。

參閱圖1，該壓力油源90將一潤滑油自該入油孔113注入至該緩衝油槽334，使得該潤滑油一方面循著該等儲油凹槽343流進該止推面341，另一方面依序流經該前油隙311、該後油隙321及該出油孔114，再流入該轉接輸入口61並匯集於該匯流槽62中，最後由該轉接輸出口63 朝一適當的方向方便將潤滑油排出及回收。

其中，當該心軸2轉動時，該潤滑油於該止推面341之該等建壓坡段342上形成具有承托壓力之油膜，藉以提供該止推面341與該抵肩面24間的軸向支撐力。該潤滑油於該前油隙311之該等前建壓環段312上形成具有承托壓力之油膜，藉以提供該前襯套31與該前支撐段22間的徑向支撐力。該潤滑油於該後油隙321之該等後建壓環段322上形成具有承托壓力之油膜，藉以提供該後襯套32與該後支撐段23間的徑向支撐力。

參閱圖8及圖9，為本發明具有動壓軸承單元的主軸裝置之一第二實施例，大致相同於該第一實施例，與該第一實施例的差異在於：該前蓋33還具有一旁通油路組340，該旁通油路組340包括一沿徑向凹設於該大徑段332內壁面且環繞於該心軸2之儲油環槽344、一凹設於該大徑段332之外周面且連通於該入油孔113與該緩衝油槽334間之入油凹槽345、一由該儲油環槽344沿徑向延伸至該入油凹槽345而將該儲油環槽344與該入油凹槽345相連通之旁通孔346，及複數分別由該等儲油凹槽343沿軸向延伸至該儲油環槽344而將該等儲油凹槽343與該儲油環槽344相連通之穿孔347。該壓力油源90將該潤滑油自該入油孔113注入該入油凹槽345後，該潤滑油除了經該緩衝油槽334並循著該等儲油凹槽343流進該止推面341的供油路徑之外，還增加另一循著該旁通孔346、該儲油環槽344及該等穿孔347流進該止推面341的供油路徑，從而使該止推面341能由上述兩個供油路徑獲得充足的潤滑油，讓該心軸2轉動時在該等建壓坡段342上穩定形成具有承托壓力的油膜。

綜上所述，本發明具有動壓軸承單元的主軸裝置，藉由該動壓軸承單元3的該前油隙311與該後油隙321以動壓的方式分別徑向承托該心軸2之前支撐段22與後支撐段23，及該止推面341以動壓的方式軸向承托該心軸2之抵肩面24，該心軸2在徑向及軸向是同時能獲得該動壓軸承單元3的支撐。另，該前襯套31、該後襯套32及該止推面341是固設於該外筒1，亦即支撐構件不隨該心軸2一併轉動。且該壓力油源90注入之潤滑油，是能自該入油孔113流動至該出油孔114並經由該後蓋出油道51流入該匯流轉接件6，最後朝一適當的方向由該轉接輸出口63方便將潤滑油排出及回收，因而便於潤滑油之循環與替換，故確實能達成本發明之目的。除此之外，本發明還有以下幾項優點：

一、藉由該緩衝油槽334連通於該入油孔113、該前油隙311及該止推面341，使注入之潤滑油一方面沿軸向依序流進該前油隙311及該後油隙321，另一方面流進該止推面341，從而於該心軸2與該止推面341、該前襯套31及該後襯套32間形成具有承托壓力之油膜。

二、該等儲油凹槽343提供充裕的空間供潤滑油積存，進而使潤滑油於該心軸2轉動時得以在該等建壓坡段342形成足夠的承托油膜。

三、該旁通入油道115提供潤滑油進入該後油隙321的另一路徑，使該動壓軸承單元3的各部位能更為迅速地受潤澤而使該心軸2得以進入運作模式。

四、該前蓋33與該外筒1前端相互固接之連結面337，是可藉由研磨的方式來調整該心軸2的軸向位置，以微調該前油隙311的尺寸。

五、塞設於該後襯套32之後襯肩面325與該筒壁11之後筒肩面116間之後襯間隔環4，亦可選用不同的大小以微調該後油隙321的尺寸。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。