CN109676520B - 一种腔内内反馈节流液体静压电主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种腔内内反馈节流液体静压电主轴，包括机体、液体静压轴承以及转轴，所述转轴通过所述液体静压轴承转动配合于所述机体内，所述液体静压轴承的内壁面设有节流器，所述节流器设有偶数个，每两个所述节流器之间相对设置，所述节流器包括节流凸台、集油油腔以及工作油腔，所述节流凸台与所述液体静压轴承的外部的进油支路连通，所述集油油腔包围所述节流凸台，所述工作油腔包围所述集油油腔，所述工作油腔与所述集油油腔之间通过第一封油凸缘分隔设置，两个相对设置的所述节流器中的其中一者的集油油腔与另一者的工作油腔连通。该腔内内反馈节流液体静压电主轴能够保证有效节流、性能稳定以及更容易加工，进而提高转轴的刚度。

Description

一种腔内内反馈节流液体静压电主轴

技术领域

本发明涉及电主轴技术领域，尤其涉及一种腔内内反馈节流液体静压电主轴。

背景技术

机床主轴是现代机床的核心功能部件，其作用是带动刀具(砂轮)或工件旋转，实现高速精密加工。液体动静压电主轴是以液体静压轴承为支撑，将机床主轴功能与电动机功能从结构上融为一体的新型机床主轴功能部件。

随着现代工业对机床加工精度和加工效率要求的不断提高，机床对主轴性能的要求也越来越高。液体静压电主轴相对传统皮带传动主轴省去了复杂的中间传动环节，兼具结构紧凑、可实现快速启动、准停等优点。另外液体静压电主轴还具有如下特点：高回转精度：应用于超精密加工可达50nm；高动态刚度和高阻尼减振性：“液体不可压缩性”和油膜的“吸振特性”，使其具有高动态刚度，可充分保证工件加工效率和表面质量。因而液体静压电主轴在高速精密、超精密机床领域的领军地位是不可动摇的。

而刚度又是衡量超精密机床主轴性能的重要指标之一。液体静压轴承利用外部压力供油并通过节流器调节油腔压力产生具承载能力的油膜。通过合理设计液体静压轴承节流方式及结构参数能大幅提高液体静压主轴刚度。

目前液体静压轴承普遍采用的节流方式有：固定节流、反馈节流等；

固定节流有小孔节流、毛细管节流、缝隙式节流等，其优点在于设计相对容易，制造成本较低；但固定节流的液体静压轴承节流特性不可调节，其刚度较低，难以实现高的主轴回转精度。

反馈节流目前有薄膜反馈节流、滑阀反馈节流、内反馈节流等；

薄膜反馈节流：其优点是在低的进油压力和大的间隙下可使轴获得较大的油膜刚度，缺点是对薄膜材料特性和制造工艺要求较高，薄膜节流器的一致性难以保证，一旦制造的节流器偏离实际范围，轴承的刚度特性就会大幅度降低。

滑阀反馈节流：其优点是能适应载荷变化大的工作条件，缺点与薄膜反馈类似，同时还存在着节流器尺寸偏大，需要通过油路连通外部，节流响应速度容易受到影响。

相比于薄膜反馈节流和滑阀反馈节流，内反馈节流结构更简单，响应更快，刚性更佳；但目前工程应用中的内反馈节流，其节流环节位于油腔之外，这样的腔外节流形式增加了主轴跨距，导致轴系的刚性难以实现最优；增大了液体摩擦面积，发热量很大，容易因为温升高导致抱轴；由于耗油量大，相应的泵功耗也较大，同时油量多还容易造成泄露、密封困难的问题。

为了克服腔外内反馈节流的上述缺陷，又有人提出了一种三列槽型油腔内反馈节流静压轴承结构，但该结构有以下明显缺陷：节流失效隐患：由于同一油腔中集油油腔与工作油腔之间无二级节流环节，两油腔之间油液压差很大，易导致直接窜油，且压力油内流及紊流等流体状态复杂，带来液压油泄漏甚至节流失效隐患。性能不稳定：该结构节流参数的设计要求随油路布置不同而不同，而油路布置的排列组合方式有多种，不同的油路布置带来的实际性能差别非常大；加工难度大：按照液体静压轴承的设计理论，采用三列槽节流方式的静压轴承客观上要求节流边宽度很窄才能实现合理的刚度，但是窄的节流边在实际加工中难以保证，即使倒角大小不一致也会导致节流效果差异很大，因而实际加工中很难实现，故在实际工程中难以应用和推广。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够保证有效节流、性能稳定以及更容易加工的腔内内反馈节流液体静压电主轴。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种腔内内反馈节流液体静压电主轴，包括机体、液体静压轴承以及转轴，所述转轴通过所述液体静压轴承转动配合于所述机体内，所述液体静压轴承的内壁面设有节流器，所述节流器设有偶数个，每两个所述节流器之间相对设置，所述节流器包括节流凸台、集油油腔以及工作油腔，所述节流凸台与所述液体静压轴承的外部的进油支路连通，所述节流凸台与所述转轴之间具有间隙，所述集油油腔包围所述节流凸台，所述工作油腔包围所述集油油腔，所述工作油腔与所述集油油腔之间通过第一封油凸缘分隔设置，两个相对设置的所述节流器中的其中一者的集油油腔与另一者的工作油腔连通。

进一步地，所述液体静压轴承的外壁面设有螺旋油槽，所述螺旋油槽的第一端与相对设置的两个所述节流器中的其中一者的集油油腔连通，所述螺旋油槽的第二端与相对设置的两个所述节流器中的另一者的工作油腔相连通。

进一步地，所述螺旋油槽的第一端开设有回油孔，所述螺旋油槽的第二端开设有第一进油孔，所述回油孔与所述集油油腔连通，所述第一进油孔与所述工作油腔连通，所述回油孔通过所述螺旋油槽与所述第一进油孔连通。

进一步地，所述液体静压轴承与所述机体之间过盈配合。

进一步地，所述节流凸台开设有第二进油孔，所述第二进油孔的第一端与所述节流凸台连通，所述第二进油孔的第二端与所述进油支路连通。

进一步地，所述液体静压轴承的外壁面还开设有环形油槽，所述第二进油孔的第二端通过所述环形油槽与所述进油支路连通。

进一步地，所述节流器还包括第二封油凸缘，所述第二封油凸缘环绕所述第一封油凸缘设置，所述第二封油凸缘与所述第一封油凸缘之间间隔设置并围合形成所述工作油腔。

进一步地，相邻两个所述节流器之间通过所述第二封油凸缘间隔形成回油槽，所述回油槽与所述进油支路连通。

进一步地，所述进油支路开设于所述机体。

进一步地，所述节流器设有四个。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

首先，转轴能够通过液体静压轴承的油压悬浮于油膜上，使得转轴与液体静压轴承之间没有直接接触，启动和运转期间摩擦副均被压力油膜隔开，滑动阻力仅仅来自于油液自身的粘性，由于转轴和高压油膜之间为面接触，其径向承载能力比传统轴承的刚性更大；

由于转轴的径向是通过油膜面接触，有别于传统的轴承线接触，其接触面积更大，摩擦副表面承载的压力比较均匀，因此受热温度分布比较均匀，膨胀问题更小，径向承载能力更大，刚性更高，发生碰撞时不易损坏；

由于同一节流器中的集油油腔与工作油腔之间通过第一封油凸缘分隔设置，因此能够避免同一节流器的集油油腔与工作油腔之间窜油，压力油内流及紊流问题更小，保证了有效地节流反馈；

由于同一节流器中的集油油腔与工作油腔之间通过第一封油凸缘分隔设置，而两个相对设置的节流器中的其中一者的集油油腔与另一者的工作油腔连通，因此，能够保证节流反馈，而且通过设置第一封油凸缘即可使得集油油腔与工作油腔相隔开，并且对第一封油凸缘的宽度要求不高，因此加工更加容易，而且节流反馈性能更加稳定；

该腔内内反馈节流液体静压电主轴对置油膜之间的压力差会随着负载的变化而变化，形成抵抗负载的能力，因此本发明的主轴具有更好的刚性；

由于工作油腔包围集油油腔，与现有技术中的工作油腔与集油油腔并列设置相比较，减小了整个液体静压轴承的长度，在保证反馈节流的前提下，使得该液体静压轴承的结构更为紧凑，克服了内反馈节流长度过长和摩擦功耗高的缺点。

附图说明

图1为本发明的一种腔内内反馈节流液体静压电主轴的内部结构示意图；

图2为图1所示的腔内内反馈节流液体静压电主轴中的液体静压轴承的结构示意图；

图3为图2所示的液体静压轴承的剖视图。

图中：1、机体；2、液体静压轴承；21、节流器；211、节流凸台；2111、第二进油孔；212、集油油腔；2121、回油孔；213、第一封油凸缘；214、工作油腔；2141、第一进油孔；215、第二封油凸缘；22、环形油槽；23、螺旋油槽；24、回油槽；3、转轴。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”、“竖直”、“顶”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，或是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1，示出了本发明一较佳实施例的一种腔内内反馈节流液体静压电主轴，该腔内内反馈节流液体静压电主轴包括机体1、液体静压轴承2以及转轴3，其中，转轴3通过液体静压轴承2转动配合于机体1内，即转轴3与液体静压轴承2的内圈过盈配合，而液体静压轴承2的外圈与机体1的安装孔固定连接。

液体静压轴承2的内壁面设有节流器21，节流器21设有偶数个，在本实施例当中，节流器21优选地设置有四个，每两个节流器21之间相对设置，保证每两个节流器21之间能够实现节流反馈的同时，使得该液体静压轴承2在运转过程中的油膜压力更加均匀。

其中，节流器21包括节流凸台211、集油油腔212以及工作油腔214，集油油腔212包围节流凸台211，节流凸台211与液体静压轴承2的外部的进油支路连通，以供油液进入集油油腔212，且节流凸台211与转轴3之间具有间隙，以保证油液能够进入集油油腔212，工作油腔214包围集油油腔212，工作油腔214与集油油腔212之间通过第一封油凸缘213分隔设置，以保证工作油腔214不与集油油腔212直接连通，两个相对设置的节流器21中的其中一者的集油油腔212与另一者的工作油腔214连通，形成节流器21内部反馈节流，以保证能够实现节流反馈。

当转轴3处于零负载状态时，即当转轴3的中心轴线与液体静压轴承2的中心轴线重合时，由于节流凸台211与液体静压轴承2的外部的进油支路连通，因此进油支路中的高压油液可通过各节流器21的节流凸台211形成第一次压力降后进入到对应节流器21的集油油腔212当中，由于同一节流器21中的集油油腔212与工作油腔214之间通过第一封油凸缘213分隔设置，且经过节流凸台211第一次节流之后油液压力降低，因此集油油腔212与工作油腔214之间因油液压差大而直接泄露的几率大幅减小，这样可保证同一节流器21中的集油油腔212与工作油腔214之间不会窜油，保证油压稳定，进而保证有效节流，还可避免发生油液紊流等状况。当转轴3处于负载状态时，两个相对设置的节流器21中的其中一者的节流凸台211与转轴3之间的间隙减小，因此，该间隙减小端的油膜压力增大，进油液阻增大，流量减少，而另一者的节流凸台211与转轴3之间的间隙增大，因此该间隙增大端的油膜压力减小，进油液阻减小，流量增多，由于两个相对设置的节流器21中的其中一者的集油油腔212与另一者的工作油腔214连通，因此间隙增大端的集油油腔212中的油液进入到与具有该集油油腔212的节流器21相对设置的另一节流器21的工作油腔214(即间隙减小端的工作油腔214)当中，完成对间隙减小端的工作油腔214的持续补偿，进而使得间隙减小端的工作油腔214的油膜压力进一步增大，进而使得对置油腔油膜压力差进一步增大，在油膜压力差的作用下，形成抵抗外载荷的能力，进一步提高主轴刚度，保证转轴3始终悬浮于高压油膜中并在高压油膜中稳定旋转。

参见图2以及图3，液体静压轴承2的外壁面设有螺旋油槽23，螺旋油槽23的第一端与相对设置的两个节流器21中的其中一者的集油油腔212连通，螺旋油槽23的第二端与相对设置的两个节流器21中的另一者的工作油腔214相连通。

具体地，螺旋油槽23的第一端开设有回油孔2121，螺旋油槽23的第二端开设有第一进油孔2141，回油孔2121与集油油腔212连通，第一进油孔2141与工作油腔214连通，回油孔2121通过螺旋油槽23与第一进油孔2141连通。

螺旋油槽23的数目与节流器21的数目相同，液体静压轴承2与机体1之间过盈配合，以保证螺旋油槽23之间不会窜油。

具体地，节流凸台211开设有第二进油孔2111，该第二进油孔2111的第一端与节流凸台211连通，第二进油孔2111的第二端与进油支路连通，其中，进油支路开设在机体1上。

为保证供油顺畅，液体静压轴承2的外壁面还开设有环形油槽22，第二进油孔2111的第二端通过环形油槽22与进油支路连通。

节流器21还包括第二封油凸缘215，第二封油凸缘215环绕第一封油凸缘213设置，第二封油凸缘215与第一封油凸缘213之间间隔设置并围合形成工作油腔214。

相邻两个节流器21之间通过第二封油凸缘215间隔形成回油槽24，该回油槽24的延伸方向与液体静压轴承2的中心轴线方向相同，回油槽24与进油支路连通，以保证回油顺畅。即当油液通过第二进油孔2111进入集油油腔212之后，处于集油油腔212中的部分油液通过螺旋油槽23到达与对面的工作油腔214，而处于工作油腔214中的一部分油液经第二封油凸缘215通过回油槽24泄出，保证该腔内内反馈节流液体静压电主轴回油顺畅，提高油液的利用率。

本发明所提出的腔内内反馈节流液体静压电主轴具有如下优势：

1、保留了反馈节流的高刚度优势；节流响应的路径最短，响应快；转轴3的位移会直接改变节流间隙的大小，通过节流量(油液流量)的迅速改变实现对置油膜刚度的大幅度变化，从而使主轴具有更高的刚度；

2、由于这种节流器21的响应速度更快、油液的利用率更高，因而在同样的轴承结构参数条件下可实现比现有其他节流方式更高的油膜刚度，从而进一步提高该腔内内反馈节流液体静压电主轴的回转精度；

3、集油油腔212和工作油腔214被第一封油凸缘213隔开，克服了三列槽型油腔内反馈节流中集油油腔212与工作油腔214通过封油凸缘缝隙连通而导致泄漏的固有不足，节流效果更稳定，提高该腔内内反馈节流液体静压电主轴的刚度更容易；

4、由于节流器21内置，而且集油油腔212被工作油腔214包围，与现有技术中的集油油腔与工作油腔并列设置相比较，结构更加紧凑，不会增加该腔内内反馈节流液体静压电主轴的轴向跨距，有利于实现该腔内内反馈节流液体静压电主轴的刚度优化；

5、相比于腔外内反馈节流，液体静压轴承2的耗油量大幅度降低，摩擦面积减小，发热量减小；

6、由于耗油量大幅度减少，回油不通畅的故障发生概率显著降低，显著降低了油路的密度难度。

7、由于转轴3一直处于旋转油膜摩擦状态，不容易堵塞。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种腔内内反馈节流液体静压电主轴，包括机体、液体静压轴承以及转轴，所述转轴通过所述液体静压轴承转动配合于所述机体内，其特征在于，所述液体静压轴承的内壁面设有节流器，所述节流器设有偶数个，每两个所述节流器之间相对设置，所述节流器包括节流凸台、集油油腔以及工作油腔，所述节流凸台与所述液体静压轴承的外部的进油支路连通，所述节流凸台与所述转轴之间具有间隙，所述集油油腔包围所述节流凸台，所述工作油腔包围所述集油油腔，所述工作油腔与所述集油油腔之间通过第一封油凸缘分隔设置，两个相对设置的所述节流器中的其中一者的集油油腔与另一者的工作油腔连通。

2.如权利要求1所述的一种腔内内反馈节流液体静压电主轴，其特征在于，所述液体静压轴承的外壁面设有螺旋油槽，所述螺旋油槽的第一端与相对设置的两个所述节流器中的其中一者的集油油腔连通，所述螺旋油槽的第二端与相对设置的两个所述节流器中的另一者的工作油腔相连通。

3.如权利要求2所述的一种腔内内反馈节流液体静压电主轴，其特征在于，所述螺旋油槽的第一端开设有回油孔，所述螺旋油槽的第二端开设有第一进油孔，所述回油孔与所述集油油腔连通，所述第一进油孔与所述工作油腔连通，所述回油孔通过所述螺旋油槽与所述第一进油孔连通。

4.如权利要求2所述的一种腔内内反馈节流液体静压电主轴，其特征在于，所述液体静压轴承与所述机体之间过盈配合。

5.如权利要求1所述的一种腔内内反馈节流液体静压电主轴，其特征在于，所述节流凸台开设有第二进油孔，所述第二进油孔的第一端与所述节流凸台连通，所述第二进油孔的第二端与所述进油支路连通。

6.如权利要求5所述的一种腔内内反馈节流液体静压电主轴，其特征在于，所述液体静压轴承的外壁面还开设有环形油槽，所述第二进油孔的第二端通过所述环形油槽与所述进油支路连通。

7.如权利要求1-6中任一项所述的一种腔内内反馈节流液体静压电主轴，其特征在于，所述节流器还包括第二封油凸缘，所述第二封油凸缘环绕所述第一封油凸缘设置，所述第二封油凸缘与所述第一封油凸缘之间间隔设置并围合形成所述工作油腔。

8.如权利要求7所述的一种腔内内反馈节流液体静压电主轴，其特征在于，相邻两个所述节流器之间通过所述第二封油凸缘间隔形成回油槽，所述回油槽与所述进油支路连通。

9.如权利要求1所述的一种腔内内反馈节流液体静压电主轴，其特征在于，所述进油支路开设于所述机体。

10.如权利要求1所述的一种腔内内反馈节流液体静压电主轴，其特征在于，所述节流器设有四个。

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