CN109128224A - 高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴，包括：轴颈、径向轴承轴瓦、止推盘、止推轴承轴瓦、主轴、注气密封环、电机定子、电机转子、冷却水套、壳体、外围设备。径向(止推)轴承采用水作为润滑剂，轴颈和止推盘上刻有螺旋槽，并在台区加工减阻微织构；径向(止推)轴承轴瓦由特碳石墨制成，在轴颈(止推盘)表面制备Ta‑Si基纳米复合涂层；主轴采用动压螺旋槽径向、止推轴承混合支承，在轴承端部设计了专用的非接触注气密封环，主轴由稀土永磁无刷直流电机驱动，电机定子通过冷却水套冷却；该发明具有轴承温升低、摩擦功耗小、回转精度高、稳定性好、抗空蚀能力强和无污染的优势，特别适合用于高速精密加工机床。

Description

高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴

技术领域

本发明专利涉及一种高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴，属于高速加工机床领域。

背景技术

与传统的滚动轴承电主轴和油润滑轴承电主轴相比，水润滑静压轴承电主轴具有回转精度高、摩擦磨损小、温升低、转速高、寿命长、无污染等突出优势，近年来，该类电主轴已成为高速加工机床行业的研究热点之一。应当看到，水润滑静压轴承是依靠外部供给系统输送高压水，并通过节流器调控静压腔内的压力，形成静压润滑膜来承受外部载荷。也就是说，水润滑静压轴承电主轴，必须配备一套高压供水装置。然而，目前我国高压供水系统尚不能自给，进口产品价格高，导致了水润滑静压轴承电主轴的附件成本过高，严重制约了该类产品在机床领域的工程应用。

水润滑动压轴承，依靠主轴旋转产生动压效应承载，无需外围高压供水装置。水润滑动压轴承结构简单、成本低廉，因此，研发水润滑动压轴承电主轴，大幅降低产品的成本，为该类电主轴走向工程应用提供保障。

然而，在电主轴启动初期，水润滑动压轴承往往难以形成动压水膜，轴承存在磨损安全风险。目前普通圆柱水润滑动压轴承，在水泵、船舶等领域已有广泛地应用，但是该类普通圆柱水轴承，大多为橡胶材料，回转精度较低，不适用于高速精密电主轴；同时，普通圆柱动压轴承在小偏心率下会出现严重的失稳现象。水润滑介质粘度低、无污染，在高速工况下具有较强的锈蚀性和空蚀性，从而缩短轴承的使用寿命。

因此，发明高速水润滑动压轴承，继而发明一类高速水润滑动压轴承电主轴，对推动高速加工机床主轴的科技进步有重要意义。

发明内容

技术问题：针对水润滑轴承电主轴存在的技术问题，本发明提供了一种高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴，旨在降低轴承成本、减小成膜转速、延长工作寿命、提高动态性能。

技术方案：本发明的一种高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴包括壳体、设置在所述壳体内的动压螺旋槽径向轴承、设置在所述动压螺旋槽径向轴承内的主轴、设置在所述主轴前端的动压螺旋槽止推轴承、设置在所述主轴末端的电机转子和电机定子、安装在所述电机定子外部的冷却水套、设置在动压螺旋槽止推轴承前端和动压螺旋槽径向轴承后端的非接触式前注气密封环、后注气密封环，主轴采用动压螺旋槽径向轴承和动压螺旋槽止推轴承联合支承，由电机定子、电机转子组成的稀土永磁无刷直流电机驱动。外围设备包括变频器、供气系统和冷却供水系统。

其中，

所述动压螺旋槽径向轴承包括前径向轴承和后径向轴承，前径向轴承包括前径向轴承轴颈和前径向轴承轴瓦，后径向轴承包括后径向轴承轴颈和后径向轴承轴瓦；前径向轴承轴颈和后径向轴承轴颈处于主轴的中部，前径向轴承轴瓦和后径向轴承轴瓦固定安装于壳体内。

所述动压螺旋槽止推轴承包括前止推轴承和后止推轴承，前止推轴承包括前止推瓦和止推盘，后止推轴承包括后止推瓦和止推盘；止推盘过盈安装于主轴前端，前止推瓦由前注气密封环顶紧固定，后止推瓦安装在壳体内，前止推瓦和后止推瓦由止推轴承挡环相隔开。

所述前径向轴承轴颈和后径向轴承轴颈上刻有双列人字形螺旋槽，在止推盘的前后表面上也刻有螺旋槽，前径向轴承轴颈、后径向轴承轴颈和止推盘的前后表面包括台区、槽区和坝区，同时台区还加工有减阻微织构。

所述前径向轴承轴瓦、后径向轴承轴瓦、前止推瓦和后止推瓦都由自润滑材料的特碳石墨制成，具有极低的摩擦磨损特性。

在所述前径向轴承轴颈、后径向轴承轴颈和止推盘的前后表面，采用双阴极金属－非金属等离子溅射沉积技术制备Ta-Si基纳米复合涂层，以提高轴承的抗空蚀性。

所述电机转子由锥面定位并通过锁紧螺母紧固于主轴末端，电机定子过盈配合安装于冷却水套内侧，冷却水套外侧过盈配合安装于后壳体内，电机转子与电机定子在轴向相对应。

所述壳体内设置有壳体进水道和壳体出水道，前、后动压螺旋槽径向轴承轴瓦上分别设置有与壳体进水道相通的前径向轴承进水道和后径向轴承进水道；前径向轴承进水道两侧设置有前径向轴承左O形密封圈和前径向轴承右O形密封圈，前径向轴承轴瓦内侧设置有与前径向轴承进水道相通的前径向轴承轴瓦集水槽；后径向轴承进水道两侧设置有后径向轴承左O形密封圈和后径向轴承右O形密封圈，后径向轴承轴瓦内侧设置有与后径向轴承进水道相通的后径向轴承轴瓦集水槽；在前动压螺旋槽径向轴承的前端、后动压螺旋槽径向轴承的后端、前后动压螺旋槽径向轴承之间分别设置有前回水槽、中间回水槽和后回水槽，前回水槽和后回水槽分别通过后止推瓦进水道和后注气密封环出水道与壳体出水道相通。

所述壳体内设置有壳体进水道和壳体出水道，前、后径向轴承轴瓦上设置有与壳体进水道相通的前径向轴承进水道和后径向轴承进水道；前径向轴承进水道两侧设置有前径向轴承左O形密封圈和前径向轴承右O形密封圈，前径向轴承轴瓦内侧设置有与前径向轴承进水道相通的前径向轴承集水槽；后径向轴承进水道两侧设置有后径向轴承左O形密封圈和后径向轴承右O形密封圈，后径向轴承轴瓦内侧设置有与后径向轴承进水道相通的后径向轴承集水槽；在前径向轴承的前端、后径向轴承的后端、前后径向轴承之间分别设置有前出水槽、中间出水槽和后出水槽，前出水槽和后出水槽分别通过后止推瓦出水道和后注气密封环出水道与壳体出水道相通。

所述止推轴承挡环上设置有与壳体进水道相通的止推轴承挡环进水道，在前止推轴承前端的前注气密封环内设置有前注气密封环出水槽，并且经过前注气密封环出水道、前止推瓦出水道，然后与壳体出水道相通。

润滑介质水由进水口进入到壳体进水道，然后分别流经前径向轴承进水道、后径向轴承进水道、后止推瓦进水道、止推轴承挡环进水道，流入到动压螺旋槽径向轴承和动压螺旋槽止推轴承的间隙中，后又流经前出水槽、中间出水槽、后出水槽和前注气密封环出水槽流回到壳体回水道，从出水口流出电主轴，然后再次循环利用。

所述壳体内设置有壳体进气道，前注气密封环内设置有前注气密封环进气道，前注气密封环进气道与前注气密封环集气槽相通，后注气密封环内设置有后注气密封环进气道，后注气密封环进气道与后注气密封环集气槽相通。

压缩空气由前注气密封环进气口、后注气密封环进气口进入，经由前注气密封环进气道、壳体进气道和后注气密封环进气道流入前注气密封环集气槽和后注气密封环集气槽，以阻止润滑介质水流入电机或流出壳体。

所述螺旋槽包括与轴承间隙处于同一数量级，能够产生动压效应的对数曲线形状的沟槽，所述减阻微织构包括能够产生减阻效应的的微沟或凹坑。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下突出优势：

本发明可替代水润滑静压轴承电主轴，还能省却庞大的外围高压供水装置，大大降低了主轴运行成本。电主轴采用动压螺旋槽径向、止推轴承联合支承，动压螺旋槽轴承动压效应显著，形成全膜流体润滑的转速低，减小了主轴在低速运行时摩擦和磨损；在高速工况下，主轴的承载力和刚度大、稳定性好，具有良好的静动态特性。动压螺旋槽轴承的台区还加工有减阻微织构，高速时能有效减小润滑流体的粘性阻力，降低轴承温升，增强主轴热稳定性，提高主轴的极限转速和回转精度。

动压螺旋槽轴承的轴瓦采用自润滑材料(如特碳石墨)制成，电主轴在启动和停机时轴承的摩擦磨损小，保证了电主轴的安全性。动压螺旋槽轴承的轴颈和止推盘表面制备有复合涂层(如采用双阴极金属－非金属等离子溅射沉积技术制备Ta-Si基纳米复合涂层)，轴承在水润滑时具有良好的抗空蚀性，可显著延长电主轴的使用寿命。

轴承两端的注气密封环不仅防止润滑液体水流出壳体外部，还有效阻止了液体水沿着电主轴轴向进入电机定子和电机转子之间的空隙，从而保证了电主轴运行的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴沿进水通道方向纵剖的结构示意图；

图2为本发明的高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴沿进气通道方向纵剖的结构示意图；

图3为动压螺旋槽轴承的结构示意图；a)水润滑动压螺旋槽推力轴承，b)水润滑动压螺旋槽径向轴承；

图中：序号与零部件名称之间的对应关系如下表所示：

具体实施方式

本发明的一种高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴，包括壳体7、安置在壳体7中的动压螺旋槽径向轴承和止推轴承、采用径向-止推轴承联合支承的主轴1、安置在轴承端部的非接触式前、后注气密封环、与主轴1锥面配合安装的电机转子15、安置在电机定子14外部的冷却水套13、外围设备。动压螺旋槽径向轴承和止推轴承均采用水作为润滑剂，外围设备包括变频器、供气系统和冷却供水系统等。

主轴1由动压螺旋槽径向-止推轴承联合支承。其中，动压螺旋槽径向轴承包括前径向轴承和后径向轴承，前径向轴承包括前径向轴承轴颈9和前径向轴承轴瓦8，后径向轴承包括后径向轴承轴颈11和后径向轴承轴瓦10；前径向轴承轴颈9和后径向轴承轴颈11处于主轴1的中部，前径向轴承轴瓦8和后径向轴承轴瓦10固定安装于壳体7内；动压螺旋槽止推轴承包括前止推轴承和后止推轴承，前止推轴承包括前止推瓦3和止推盘5，后止推轴承包括后止推瓦6和止推盘5；止推盘5过盈安装于主轴1前端，前止推瓦3由前注气密封环2顶紧固定，后止推瓦6安装在壳体7内，前止推瓦3和后止推瓦6由止推轴承挡环4相隔开。

在前径向轴承轴颈9和后径向轴承轴颈11上刻有双列人字形螺旋槽，在止推盘5的前后表面上也刻有螺旋槽，前径向轴承轴颈9、后径向轴承轴颈11和止推盘5的前后表面包括槽区20、台区21和坝区22，同时台区21还加工有减阻微织构23。螺旋槽的深度与动压螺旋槽径向轴承、动压螺旋槽止推轴承的轴承间隙处于同一数量级。高速工况下，螺旋槽产生显著的动压效应以支撑主轴1，同时减阻微织构23还能起到一定的减阻作用。

前径向轴承轴瓦8、后径向轴承轴瓦10、前止推瓦3和后止推瓦6都由特碳石墨制成，特碳石墨为一种自润滑材料，具有极低的摩擦磨损特性。采用双阴极金属－非金属等离子溅射沉积技术，在前径向轴承轴颈9、后径向轴承轴颈11和止推盘5的前后表面制备Ta-Si基纳米复合涂层24，以提高轴承的抗空蚀性。

主轴1由电机定子14和电机转子15组成的稀土永磁无刷直流电机驱动，电机置于主轴1末端；电机转子15由锥面定位并通过锁紧螺母16紧固于主轴1末端，电机定子14过盈配合安装于冷却水套13内侧，冷却水套13外侧过盈配合安装于后壳体17内，电机转子15与电机定子14在轴向相对应。

壳体7内设置有壳体进水道702和壳体出水道703，前、后径向轴承轴瓦上设置有与壳体进水道702相通的前径向轴承进水道804和后径向轴承进水道1004。前径向轴承进水道804两侧设置有前径向轴承左O形密封圈802和前径向轴承右O形密封圈803，前径向轴承轴瓦8内侧设置有与前径向轴承进水道804相通的前径向轴承集水槽801；后径向轴承进水道1004两侧设置有后径向轴承左O形密封圈1002和后径向轴承右O形密封圈1003，后径向轴承轴瓦10内侧设置有与后径向轴承进水道1004相通的后径向轴承集水槽1001。在前径向轴承的前端、后径向轴承的后端、前后径向轴承之间分别设置有前出水槽602、中间出水槽705和后出水槽1201，前出水槽602和后出水槽1201分别通过后止推瓦出水道603和后注气密封环出水道1204与壳体出水道703相通。止推轴承挡环4上设置有与壳体进水道702相通的止推轴承挡环进水道401，在前止推轴承前端的前注气密封环2内设置有前注气密封环出水槽201，并且经过前注气密封环出水道202、前止推瓦出水道301，然后与壳体出水道703相通。润滑介质水由进水口701进入到壳体进水道702，然后分别流经前径向轴承进水道804、后径向轴承进水道1004、后止推瓦进水道601、止推轴承挡环进水道401，流入到动压螺旋槽径向轴承和动压螺旋槽止推轴承的间隙中，后又流经前出水槽602、中间出水槽705、后出水槽1201和前注气密封环出水槽201流回到壳体回水道703，从出水口704流出电主轴，然后再次循环利用。

壳体7内设置有壳体进气道707，前注气密封环2内设置有前注气密封环进气道204，前注气密封环进气道204与前注气密封环集气槽205相通，后注气密封环12内设置有后注气密封环进气道1203，后注气密封环进气道1203与后注气密封环集气槽1202相通。压缩空气由前注气密封环进气口203、后注气密封环进气口706进入，经由前注气密封环进气道204、壳体进气道707和后注气密封环进气道1203流入前注气密封环集气槽205和后注气密封环集气槽1202，以阻止润滑介质水流入电机或流出壳体7。

Claims (9)

1.一种高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴，其特征在于，该电主轴包括壳体(7)、设置在所述壳体(7)内的动压螺旋槽径向轴承、设置在所述动压螺旋槽径向轴承内的主轴(1)、设置在所述主轴(1)前端的动压螺旋槽止推轴承、设置在所述主轴(1)末端的电机转子(15)和电机定子(14)、安装在所述电机定子(14)外部的冷却水套(13)、设置在动压螺旋槽止推轴承前端和动压螺旋槽径向轴承后端的非接触式前注气密封环(2)、后注气密封环(12)，主轴(1)采用动压螺旋槽径向轴承和动压螺旋槽止推轴承联合支承，由电机定子(14)、电机转子(15)组成的稀土永磁无刷直流电机驱动。

2.根据权利要求1所述的高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴，其特征在于，所述动压螺旋槽径向轴承包括前径向轴承和后径向轴承，前径向轴承包括前径向轴承轴颈(9)和前径向轴承轴瓦(8)，后径向轴承包括后径向轴承轴颈(11)和后径向轴承轴瓦(10)；前径向轴承轴颈(9)和后径向轴承轴颈(11)处于主轴(1)的中部，前径向轴承轴瓦(8)和后径向轴承轴瓦(10)固定安装于壳体(7)内。

3.根据权利要求1所述的高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴，其特征在于，所述动压螺旋槽止推轴承包括前止推轴承和后止推轴承，前止推轴承包括前止推瓦(3)和止推盘(5)，后止推轴承包括后止推瓦(6)和止推盘(5)；止推盘(5)过盈安装于主轴(1)前端，前止推瓦(3)由前注气密封环(2)顶紧固定，后止推瓦(6)安装在壳体(7)内，前止推瓦(3)和后止推瓦(6)由止推轴承挡环(4)相隔开。

4.根据权利要求2所述的高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴，其特征在于，所述前径向轴承轴颈(9)和后径向轴承轴颈(11)上刻有双列人字形螺旋槽，在止推盘(5)的前后表面上也刻有螺旋槽，前径向轴承轴颈(9)、后径向轴承轴颈(11)和止推盘(5)的前后表面包括槽区(20)、台区(21)和坝区(22)，同时台区(21)还加工有减阻微织构(23)。

5.根据权利要求2或3所述的高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴，其特征在于，所述前径向轴承轴瓦(8)、后径向轴承轴瓦(10)、前止推瓦(3)和后止推瓦(6)都由自润滑材料制成；所述前径向轴承轴颈(9)、后径向轴承轴颈(11)和止推盘(5)表面制备有抗空蚀涂层(24)；所述自润滑材料包括特碳石墨。

6.根据权利要求1所述的高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴，其特征在于，所述电机转子(15)由锥面定位并通过锁紧螺母(16)紧固于主轴(1)末端，电机定子(14)过盈配合安装于冷却水套(13)内侧，冷却水套(13)外侧过盈配合安装于后壳体(17)内，电机转子(15)与电机定子(14)在轴向相对应。

7.根据权利要求1、2或3所述的高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴，其特征在于，所述壳体(7)内设置有壳体进水道(702)和壳体出水道(703)，前、后径向轴承轴瓦(8)(10)上设置有与壳体进水道(702)相通的前径向轴承进水道(804)和后径向轴承进水道(1004)。前径向轴承进水道(804)两侧设置有前径向轴承左O形密封圈(802)和前径向轴承右O形密封圈(803)，前径向轴承轴瓦(8)内侧设置有与前径向轴承进水道(804)相通的前径向轴承集水槽(801)；后径向轴承进水道(1004)两侧设置有后径向轴承左O形密封圈(1002)和后径向轴承右O形密封圈(1003)，后径向轴承轴瓦(10)内侧设置有与后径向轴承进水道(1004)相通的后径向轴承集水槽(1001)。在前径向轴承的前端、后径向轴承的后端、前后径向轴承之间分别设置有前出水槽(602)、中间出水槽(705)和后出水槽(1201)，前出水槽(602)和后出水槽(1201)分别通过后止推瓦出水道(603)和后注气密封环出水道(1204)与壳体出水道(703)相通；止推轴承挡环(4)上设置有与壳体进水道(702)相通的止推轴承挡环进水道(401)，在前止推轴承前端的前注气密封环(2)内设置有前注气密封环出水槽(201)，并且经过前注气密封环出水道(202)、前止推瓦出水道(301)，然后与壳体出水道(703)相通。

8.根据权利要求1、2或3所述的高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴，其特征在于，所述壳体(7)内设置有壳体进气道(707)，前注气密封环(2)内设置有前注气密封环进气道(204)，前注气密封环进气道(204)与前注气密封环集气槽(205)相通，后注气密封环(12)内设置有后注气密封环进气道(1203)，后注气密封环进气道(1203)与后注气密封环集气槽(1202)相通。

9.根据权利要求4所述的高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴，其特征在于，所述螺旋槽包括与轴承间隙处于同一数量级，能够产生动压效应的对数曲线形状的沟槽，所述减阻微织构(23)包括能够产生减阻效应的的微沟或凹坑。