非对称高速磨床砂轮主轴圆锥动压轴承的制作方法

1.本发明属于机械技术领域，具体涉及一种非对称高速磨床砂轮主轴圆锥动压轴承。


背景技术：

2.磨床砂轮主轴轴承一般有滚动轴承和滑动轴承；其中滑动轴承又分为静压轴承和动压轴承。本发明仅涉及动压轴承。介绍一种“非对称高速磨床砂轮主轴圆锥动压轴承”。这里高速磨削指除磨削超硬材料外通常为强力高效磨削工件。磨床主轴动压滑动轴承是最早机床主轴轴承之一，目前普遍使用的是在一九0五年发明的“活支可倾瓦块”动压轴承，其工作原理是：利用主轴自身旋转将润滑液带入活支瓦块中，使瓦块在原本偏心的活支点上旋转微量弧度，与主轴表面形成一个夹角，产生油楔而实现动压工作效应，产生且仅产生主轴在y轴和z 轴二微支承载荷，即只产生径向载荷，而轴向无承载力。这种轴承为非完整主轴承载轴承，其结构动压效应显著，工作原理简单，且受外界影响较小。但该轴承需在轴向增设一维约束，并由此带来容易影响整个轴承系统工作的干扰。
3.本文中，设定x为轴承轴向，y为轴承垂直径向，z为轴承水平径向。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种无需轴向约束、系统工作稳定的非对称高速磨床砂轮主轴圆锥动压轴承。
5.本发明提供的非对称高速磨床砂轮主轴圆锥动压轴承，其结构如图1、图2所示，包括：前轴承2、后轴承5、端盖1、壳体3；其中，轴承孔径与磨床砂轮主轴直径匹配；前轴承2和后轴承5的内壁均为锥台体，且前轴承2和后轴承5结构为非对称，即两者的锥度不同；设前轴承2的内壁锥度为k1，后轴承5的内壁锥度为k2， k1在1:7
‑‑
1:10）之间，k2在1：5
‑‑
1：7之间，即k2略大于k1；锥度的定义如下：k=(r
‑
r):l，r为锥台下底半径，r为锥台上底半径，l为锥台母线长度。
6.本发明中，前轴承2和后轴承5的内壁分别开有3条形状相同圆弧形油槽7，等间距分布；即将轴承内壁分隔为相同的三段圆弧（从轴横截面看）；并且，每段内壁圆弧对应的圆心角等于或近似等于弧形油槽对应的圆心角；弧形油槽的母线与锥台母线平行。
7.本发明中，圆弧形油槽7最大深度为10
‑
15 mm。
8.与本发明设计的前轴承2和后轴承5匹配的磨床砂轮主轴4，其前后段也为非对称的锥台体，并且其锥度分别与前轴承2和后轴承5锥度一致；组装时，分别将前轴承2和后轴承5装配至砂轮主轴的前后段位置，前、后轴承的内壁主轴前后段两锥台体的间隙为50
‑
60μ（丝）；前、后轴承分别通过轴承与壳体过盈配合，进行固定；然后前、后轴承的两端分别加上端盖；再在后轴承5端的主轴上安装上砂轮。
9.本发明设计的非对称高速磨床砂轮主轴圆锥动压轴承，其轴承油腔承载机理参见
图3所示。
10.轴承工作前，油液充满三个油槽及其对应油腔8即四边形abcd中（这里暂不考虑间隙)，当主轴（如图示n方向）转向启动后，油腔abcd中的油液被主轴带入befc封油面上。这里，四边形abcd中的bc边是轴承径向封油面9的边界线，ab边是油腔的上圆弧，cd边是油腔的下圆弧 ，ad边是油槽与油腔的边界线。油腔是贯穿的，也就是说此轴承油腔无轴向封油面。主轴的转动过程产生如下结果：就是形成了阶梯动压油楔，产生的动压力区域10可承受载荷，主轴转速增大，油楔动压效应加大，承受载荷升高。这里油液粘度也与载荷成正比。
11.本发明设计的非对称高速磨床砂轮主轴圆锥动压轴承，其工作原理参见图4所示。
12.当主轴旋转时（如图示n），油液由油腔abcd面越过y垂直径向封油面边界线bc，挤入封油面befc中，这里，be边是油腔的上圆弧，ef 边是油槽与油腔的边界线，fc边是油腔的下圆弧，在整个x轴向宽度上产生承载力。由于是圆锥体，将载荷分解为轴承径向分力和轴向分力。其中，径向分力又分成垂直分力（承受主轴系统重力）和水平分力（承受主轴切削力）。而轴向分力为轴承的轴向刚度。有了轴向刚度，本轴承系统能独立完成磨削工件，而不需在轴向再增设x轴向约束，且通过选择不同前后轴承的圆锥体k值，来改变x轴向载荷，可进行有效的磨削工件端面，这是圆锥轴承与非圆锥轴承的根本区别。
13.本发明设计的轴承系统是自锁圆锥体摩擦副，参见图1所示，选取合适的轴承x轴向定位，使之成为非自锁圆锥轴承。一般情况下，前后二轴承的x轴向分力相互平衡，由于动压油腔两端是贯穿的，无轴向封油面，砂轮主轴可进行高速旋转，否则易产生高温而影响磨削工件。同时，本轴承与“活支可倾瓦”一样也是单向旋转轴承。
14.本发明设计的非对称高速磨床砂轮主轴圆锥动压轴承，具有如下优越性：（1）1905年，世界首次出现了“活支可倾瓦块”动压滑动轴承（称三块瓦）成为当时机械旋转轴的优秀支承；这种瓦块轴承一直沿用至今；由于瓦块仅约束旋转轴的径向运动，而轴向需要另外设置约束，增加了机构的复杂度；本发明设计的圆锥动压轴承,妥善解决了这个问题，即由于为成对的圆锥体轴承产生的轴向分力约束了主轴的轴向运动，无需另外设置约束；（2）由于本发明设计的圆锥动压轴承是整体结构，相比于同为整体结构的静压轴承，轴与轴承的接触面大大减少，有利于主轴高速旋转而增温不多；主轴高速旋转带来两大优势：（1）砂轮线速度高，有利于磨削；（2）主轴高速旋转使动刚度增强，同样有利于磨削；（3）由于动压轴承不需要轴承供油系统，省略了介格贵的供油系统，以及对所供油的冷却系统；并且，工艺简单，有利于降低设备成本。
附图说明
15.图1为本发明非对称高速磨床砂轮主轴圆锥动压轴承结构图示。
16.图2为本发明轴承在yz方向的截面图。
17.图3为本发明轴承在yz方向的截面图，显示轴承油腔承载机理。
18.图4为本发明轴承在yx方向的截面图，显示轴承工作原理。
19.图中标号：1为端盖，2为前轴承，3为壳体，4为磨床砂轮主轴，5为后轴承，6为皮带轮，7为油槽，8为油腔，9为封油面，10为动压区域。
具体实施方式
20.下面通过具体例子，进步介绍本发明。
21.某型号的高速磨床砂轮主轴圆锥动压轴承，其结构结构参见图1、图2所示，包括：前轴承2、后轴承5、端盖1、壳体3；前轴承2、后轴承5封装于壳体3中。其中，前轴承2圆锥台的上底半径为100mm，下底半径为112mm，母线长度为120mm，则其锥度为：1：10。后轴承2圆锥台的上底半径为100mm，下底半径为110mm，母线长度为70mm，则其锥度为：1：7。
22.轴承内壁可有3个等间距分布的相同形状的圆弧形油槽6，每个油槽所在弧度段对应的圆心角为60度，轴承内壁其余3段弧度段对应的圆心角均为60度。圆弧形油槽6最大深度为12mm。
23.磨床砂轮主轴4的中间为圆柱体，前后两侧为两个圆锥体，其锥度分别与前轴承2、后轴承5的锥度一致；中间圆柱体的长度为200
‑
250mm；直径略大于两侧两个圆锥体下底的直径。
24.按图1所示进行组装，控制前轴承2、后轴承5与磨床砂轮主轴4的前后两个圆锥体的间隙为50
‑
60μ（丝）。通过轴承与壳体过盈配合固定，两端同样处理；然后在两端安装上端盖。
25.由上述设计的动压轴承与磨床砂轮主轴组配后，即可进行工作。其磨床砂轮线速v工作范围为：60
m
/s≤v≤100
m
/s；当：v≤80
m
/s，采用带轮工作；v>80
m
/s，采用电主轴工作。