静压轴承在磨床磨头改造上的应用
发布时间：2013-09-29四川资阳机车厂 （641303） 陈光志
目前国内使用的很多磨床磨头的结构都为动压滑动轴承，如M1650Q、M1432、M7150等都采用的是该种磨头，由于其起动和停止时很难建立润滑油膜，使用寿命很低；另一方面由于动压滑动轴承的刚度有一定的限制，制造难度很大，即使生产厂家采用了先进的生产工艺也很难生产出高回转精度和大刚度的轴承，因此其加工工件的精度和表面粗糙度都不是十分理想。经过认真分析，可以采用静压轴承对机床进行技术革新，完全可以克服上述弊端，让机床焕发新春。
一、磨头结构的分析和选型
1、圆柱型轴瓦静压轴承磨头
目前国内很多磨头静压轴承都采用的圆柱型轴瓦轴承，其结构见图1。为了控制主轴的轴向和径向位移，分别由径向油室和轴向油室产生径向推力和轴向推力来实现主轴的平衡。这种结构的轴瓦结构比较简单，但一方面由于轴和轴瓦的装配间隙要靠轴和轴瓦的制造精度来保证，如果轴或轴瓦的制造尺寸超差，装配时间隙偏大就很难调整，只有通过重新制作轴或轴瓦来保证合适的间隙从而保证合适的节流比；另一方面这种磨头的卸货装置都在其后端，主轴较长，造成磨头的刚度和强度降低。
一、磨头结构的分析和选型
1、圆柱型轴瓦静压轴承磨头
目前国内很多磨头静压轴承都采用的圆柱型轴瓦轴承，其结构见图1。为了控制主轴的轴向和径向位移，分别由径向油室和轴向油室产生径向推力和轴向推力来实现主轴的平衡。这种结构的轴瓦结构比较简单，但一方面由于轴和轴瓦的装配间隙要靠轴和轴瓦的制造精度来保证，如果轴或轴瓦的制造尺寸超差，装配时间隙偏大就很难调整，只有通过重新制作轴或轴瓦来保证合适的间隙从而保证合适的节流比；另一方面这种磨头的卸货装置都在其后端，主轴较长，造成磨头的刚度和强度降低。
图1 普通圆柱型直瓦静压轴承示意图
1.砂轮；2.墙面油塞；3.径向油室；4.主轴；5.带轮；6.卸货机构
2、锥体静压轴承磨头
由于圆柱型轴瓦静压轴承存在以上缺陷，这种缺陷对维修机床造成很大的困难，能否设计一种能在装配时调整间隙的静压轴承呢？通过分析，可以设计一种锥体静压轴承来满足使用要求，其结构见图2。这种结构是由两锥瓦的锥型油室中同时产生一径向推力和轴向推力控制主轴的轴向和径向位移，使主轴处于平衡状态。比圆柱型轴瓦静压轴承磨头少了两个油室，结构相对简单。由于它没有端面油室，调整轴和轴瓦的装配间隙相当方便，只需将调整垫片加厚或减少就可获得理想的配合间隙，很容易保证其节流比。在设计时可以将卸货装置设计在磨头内部，大大缩短主轴的长度，从而也提高了磨头的刚度和强度。
由于圆柱型轴瓦静压轴承存在以上缺陷，这种缺陷对维修机床造成很大的困难，能否设计一种能在装配时调整间隙的静压轴承呢？通过分析，可以设计一种锥体静压轴承来满足使用要求，其结构见图2。这种结构是由两锥瓦的锥型油室中同时产生一径向推力和轴向推力控制主轴的轴向和径向位移，使主轴处于平衡状态。比圆柱型轴瓦静压轴承磨头少了两个油室，结构相对简单。由于它没有端面油室，调整轴和轴瓦的装配间隙相当方便，只需将调整垫片加厚或减少就可获得理想的配合间隙，很容易保证其节流比。在设计时可以将卸货装置设计在磨头内部，大大缩短主轴的长度，从而也提高了磨头的刚度和强度。
图2 锥体静压轴承示意图
1.砂轮；2.锥瓦油腔；3.主轴；4.卸货机构；5.带轮
1.砂轮；2.锥瓦油腔；3.主轴；4.卸货机构；5.带轮
二、静压轴承的设计与制作
从以上分析中可以看出锥体静压轴承磨头比其他轴承都有很大的优越性，但它却在实际中运用很少，主要由于设计和制作上有一定的难度，特别是在加工时要保证两个锥体静压轴承轴瓦的同轴度。以一台外圆磨床磨头的改造为例，该机床是20世纪50年代从苏联进口的机床，机床主轴采用的是动压轴承，使用寿命很低，修理很麻烦。
1、静压轴承轴瓦结构的设计
轴瓦设计图示意图见图3。
从以上分析中可以看出锥体静压轴承磨头比其他轴承都有很大的优越性，但它却在实际中运用很少，主要由于设计和制作上有一定的难度，特别是在加工时要保证两个锥体静压轴承轴瓦的同轴度。以一台外圆磨床磨头的改造为例，该机床是20世纪50年代从苏联进口的机床，机床主轴采用的是动压轴承，使用寿命很低，修理很麻烦。
1、静压轴承轴瓦结构的设计
轴瓦设计图示意图见图3。
图3 轴瓦设计简图
设计轴瓦时由于各腔的高压油路必经轴瓦的外圆表面，轴瓦外圆虽然与磨头体孔有微量的过盈，但在调整时瓦要产生移动，可能使配合面产生间隙。在加工孔和瓦外圆时，由于加工的几何误差也可能造成间隙。实际中可能造成高压油从高压油腔油路流入低压油腔油路中去，形成混油，导致薄膜节流失去作用。为了防止这一现象的产生，设计时在轴瓦的外圆周表面上开了几条特殊的回油槽，见图3中A向和B向所示，将各油腔压力油路分割开来，从而合理地解决了这个问题。
2、静压轴承轴瓦同心度的解决
静压轴承轴瓦制作的Z大难度在于保证两轴瓦外圆的同轴度，它直接影响磨头的装配精度和运动精度，对加工件的表面粗糙度的影响相当大。通过分析，笔者认为可以这样加工：首先将磨头箱体轴瓦安装孔加工到图样要求，然后将两轴瓦内孔研磨好，再以轴瓦的锥孔为基准配磨主轴两处锥度。主轴精磨好后，把轴瓦按图4装配在主轴上，加工轴瓦外圆和磨轴瓦的端面达图样要求，就能保证两轴瓦的同心度。
2、静压轴承轴瓦同心度的解决
静压轴承轴瓦制作的Z大难度在于保证两轴瓦外圆的同轴度，它直接影响磨头的装配精度和运动精度，对加工件的表面粗糙度的影响相当大。通过分析，笔者认为可以这样加工：首先将磨头箱体轴瓦安装孔加工到图样要求，然后将两轴瓦内孔研磨好，再以轴瓦的锥孔为基准配磨主轴两处锥度。主轴精磨好后，把轴瓦按图4装配在主轴上，加工轴瓦外圆和磨轴瓦的端面达图样要求，就能保证两轴瓦的同心度。
图4 保证两轴瓦外圆同心度的加工示意图
1.主轴；2.定位套；3.左轴瓦；4.右轴瓦
3、轴和轴瓦之间间隙的调整
由于轴和轴瓦采用锥体结构，间隙大小完全由专门设计的调整垫来保证（见图5），如果间隙偏小，可以加厚调整垫，间隙较大可以减薄调整垫，轴和轴瓦的间隙调整相当方便、可靠。同时为了维修时该调整垫的拆装方便，可以将调整垫做好后分成两个半圆垫（见图6），这样只要将连接轴瓦和体之间的螺钉取出就可方便地取出调整垫。
由于轴和轴瓦采用锥体结构，间隙大小完全由专门设计的调整垫来保证（见图5），如果间隙偏小，可以加厚调整垫，间隙较大可以减薄调整垫，轴和轴瓦的间隙调整相当方便、可靠。同时为了维修时该调整垫的拆装方便，可以将调整垫做好后分成两个半圆垫（见图6），这样只要将连接轴瓦和体之间的螺钉取出就可方便地取出调整垫。
图5 轴瓦配合间隙调整示意图
1.主轴箱；2.调整垫；3.轴瓦；4.油封；5.主轴
图6 调整垫
4、薄膜反馈器的设计与制造
目前采用的薄膜反馈器都是由前后两块节流板中间夹一块薄膜片组成，这种结构加工时很困难，由于在加工和装配时很难保证薄膜两边各孔和圆台的同心度，就有可能失去薄膜节流的实际意义。因此我们重新设计了一套组合式的薄膜节流器（见图7）。
目前采用的薄膜反馈器都是由前后两块节流板中间夹一块薄膜片组成，这种结构加工时很困难，由于在加工和装配时很难保证薄膜两边各孔和圆台的同心度，就有可能失去薄膜节流的实际意义。因此我们重新设计了一套组合式的薄膜节流器（见图7）。
图7 组合式薄膜反馈器
1.前压板；2.前节流板；3.薄膜；4.后节流板；5.后压板
加工时用一块同薄膜厚度相等的金属片和图7上的两块节流板按图7连接好后，加工定位销孔，然后钻图7上的各ØA孔达图样要求，接着拆开紧固件以ØA孔为基准加工图7上的2、4两件上的各圆台和孔达图样要求，这样就保证了薄膜两边各孔和圆台的同心度。
来源：《冷加工》2006年第6期