阅读说明：本技术 非对称高速磨床砂轮主轴圆锥动压轴承 (Conical dynamic pressure bearing of grinding wheel spindle of asymmetric high-speed grinding machine ) 是由 王国良 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明属于机械技术领域,具体为一种非对称高速磨床砂轮主轴圆锥动压轴承。本发明圆锥动压轴承包括前轴承、后轴承、端盖、壳体；前轴承和后轴承的内壁均为圆锥台体,且前轴承和后轴承结构为非对称,即两者的锥度不同；后轴承锥度略大于前轴承锥度；前轴承和后轴承的内壁分别开有3条形状相同圆弧形油槽,等间距分布；与前轴承和后轴承匹配的磨床砂轮主轴,其前后段也为非对称的锥台体,并且其锥度分别与前轴承和后轴承锥度一致。本发明设计的圆锥动压轴承可承受载荷大,主轴转速增大,油楔动压效应加大,从而使承受载荷升高。(The invention belongs to the technical field of machinery, and particularly relates to a conical dynamic pressure bearing of a grinding wheel spindle of an asymmetric high-speed grinding machine. The invention relates to a conical dynamic pressure bearing, which comprises a front bearing, a rear bearing, an end cover and a shell; the inner walls of the front bearing and the rear bearing are both cone frustum bodies, and the front bearing and the rear bearing are asymmetric in structure, namely the two bearings have different tapers; the taper of the rear bearing is slightly larger than that of the front bearing; the inner walls of the front bearing and the rear bearing are respectively provided with 3 strip-shaped same arc-shaped oil grooves which are distributed at equal intervals; the front section and the rear section of the grinding wheel spindle of the grinding machine matched with the front bearing and the rear bearing are also asymmetric frustum bodies, and the conicity of the grinding wheel spindle is respectively consistent with that of the front bearing and the rear bearing. The conical dynamic pressure bearing designed by the invention has the advantages of large bearable load, increased rotating speed of the main shaft and increased oil wedge dynamic pressure effect, thereby increasing the bearable load.)

非对称高速磨床砂轮主轴圆锥动压轴承

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

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。

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。

本发明中，圆弧形油槽7最大深度为10-15 mm。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

图2为本发明轴承在YZ方向的截面图。

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。

图4为本发明轴承在YX方向的截面图，显示轴承工作原理。

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

下面通过具体例子，进步介绍本发明。

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100 mm，下底半径为112 mm，母线长度为120 mm，则其锥度为：1：10。后轴承2圆锥台的上底半径为100 mm，下底半径为 110 mm，母线长度为70 mm，则其锥度为：1：7。

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12 mm。

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 200-250 mm；直径略大于两侧两个圆锥体下底的直径。

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。

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。