液静压主轴轴向油腔装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种液静压主轴轴向油腔装置，特别是涉及应用在多功能复合工具机主轴系统、主轴模块，或是应用在滚珠导螺杆的液静压支撑轴承，利用本发明的油腔装置可提升主轴轴向刚性及旋转加工能力，同时提高主轴旋转作动的精度及使用寿命者。
【背景技术】
[0002]—般主轴等转动件多利用轴承支撑定位，藉轴承减少主轴转动时的磨擦并承受负载，传统应用于主轴等转动件的轴承主要是滚动轴承，其主要是由内、外套圈、滚珠或滚子及保持器所构成，滚珠或滚子设于内、外套圈之间，并由保持器维持圆滑的滚动状态。
[0003]传统轴承由于利用滚珠或滚子等转动件作为内环与外环间的介质，当主轴转动时，构成轴承的内环、外环、滚珠或滚子等转动件、及保持器等各元件之间，形成相对的磨擦致造成了磨损，故传统轴承的制造精密度要求高，且使用寿命短，为改善传统轴承的问题，遂发展出利用油膜取代转动体的液态轴承。
[0004]液态轴承由于使用油膜取代滚珠等转动件，相较之下，可有效减低转动时的磨擦，故其精度高、噪音低，且较不易升温发热；现有液静压轴承是由外部供给润滑油，通过液体油膜提供轴承的润滑，所以使用液静压轴承，主轴磨损率低、使用寿命长、起动所需功率小，在极低的运转速度下也能应用。
[0005]液静压轴承的开发，使得工具机有机会发展出将车床、铣床与磨床结合的多功能型加工设备。以往无法达成车、铣、磨等多功能复合设备的原因，除了加工切屑不易处理外，还包含轴承预压的问题，因为现有工具机的主轴或为了因应不同种类的加工，会选择轻预压或中预压类型以符合不同的加工需求。此外，为了延长高精度轴承的寿命，会依加工需求的差异区分成三种设备:重切削、中切削与轻切削。而液静压轴承属于非接触式轴承，即使应用在中切削与轻切削领域，只要在液静压轴承可以应用的区间，那就不会有寿命缩短的问题(只要控制好使用油膜的刚性，不使其失效致使轴承刚体互相磨擦)。虽然，液静压轴承相较传统轴承具有许多优点，由于其使用润滑油作为介质，而油膜刚性关系着传动主轴的精度和使用寿命，如何改良液静压主轴轴向的刚性便成为使用液静压主轴和轴承的重要课题。
[0006]以下兹列举数件液静压主轴先前技术文献为例，以了解现有现有的液静压主轴所亟需改善的部分，如美国第5462364号专利案即是采用液静压轴承技术，其中油室为弹性变形结构用以控制流体流量，参数设计得宜可提供较高刚性，但弹性变形使精度无法掌握，因此在精度的可靠度较低。
[0007]再如美国第5921731号专利案也是一液静压主轴构造，采用对称锥面油室设计，虽可达成高速的功效，但相对刚性较低。因为锥面两端的油腔对称面要达到相互对称具有相当的难度。因此在难以对称与平行的状态下，精度与刚性就很难展现出来。
[0008]另外美国第6367977号专利案为一应用液静压轴承技术配合滚动轴承以提升轴向刚性的结构，其刚性虽能提升，但是应用接触式传动的滚动轴承同时，也降低了高精度高寿命的性能。
[0009]由以上的前案技术可知，液静压轴承刚性大小，是取决于油腔室面积、封油边产生的流阻与节流器的配合，本发明人即为了解决上述问题，而提出本发明以改良提升液静压主轴轴承的刚性。
【发明内容】
[0010]液静压轴承是通过液压系统强制的把高压润滑液由入油口送入轴体与轴承面的间隙之中，利用液体静压力来承担负载的一种轴承，因此如何在有限空间加大油腔室面积，与提高液静压主轴轴承的刚性有密切的关系。本发明的目的在于公开一种液静压主轴轴向油腔装置，是将轴向油室延伸到径向区域，即在于有限的主轴空间内增大轴向油室使用的区间，提升液静压轴承的轴向刚性，以使液静压主轴应用的范围更加广泛。
[0011]通过本发明液静压主轴轴向油腔装置，可以提升主轴的旋转加工能力，并提高主轴旋转作动的精度及使用寿命者。
[0012]为达成上述的目的与功效，本发明揭示一种液静压主轴轴向油腔装置，是可应用在多功能复合工具机主轴系统、主轴模块、或是滚珠导螺杆的液静压支撑轴承，其包含:轴向油室的封油边、径向油室的封油边、液静压油腔，主轴轴向形成有一间隙，径向形成有另一间隙。轴向间隙与径向间隙搭配形成一封闭的油腔面，该油腔面分别与轴向间隙、径向间隙形成流阻，再与节流器的注油小孔配合可以在主轴腔室内产生所需的刚性。亦即轴向油室的封油边与轴向间隙间形成一流阻、径向油室的封油边与径向间隙间形成另一流阻，轴向流阻会随着轴向间隙的大小而改变，整体的流阻值为轴向流阻与径向流阻之和，主轴轴向油腔内的整体流阻再配合节流器小孔节流控制压力源，可使得本发明液静压轴向油腔构造的刚性值提升。
[0013]有关本发明的液静压轴向油腔构造与一般传统的液静压轴向支撑轴承油腔分别与节流器小孔节流配合以取得最佳化刚性值，是假设在设计空间大小相同和设计参数相同的条件下所得到的数据，一般传统的液静压轴向支撑轴承与节流器小孔节流最佳化的刚性值为9.46kg/um,本发明的刚性值为13.6kg/um,本发明约较传统的液静压轴向支撑轴承的刚性值提升近43%，前述刚性值求取的程序和公式将于下文中详述。
[0014]本发明的液静压油室具体参数尺寸和引用公式如下说明:
[0015]其中，ra代表油腔外径，rb为油腔内径，a为油腔岛部宽度、b为油腔岛部长度。将油腔各部尺寸简化成L(油腔长)，B(油腔宽)，a(油腔岛部宽度)，b(油腔岛部长度)。
[0016]因此，油腔的流阻R1=12X流体粘滞系数Xa(油腔岛部宽度)X[L(油腔长)_b(油腔岛部长度)]/(间隙A) 3+24X流体粘滞系数Xb (油腔岛部长度)X [B (油腔宽)-a(油腔岛部宽度)/2]/(间隙I) 3+12X流体粘滞系数Xa(油腔岛部宽度)X [L(油腔长)_b(油腔岛部长度)]/(间隙A’)3。而小孔节流器的流阻值R2为8X流体密度XQ(流体流量)/(流量系数2X PX小孔直径4)，整体系统流阻为R=R1+R2。设压力源压力为Ps，油腔压力为Pa，则整体流量Q=Ps/R，而Pa=QXRl,而刚性=Pa(间隙A-0.001mm) X (油腔作用面积)-Pa(间隙A) X (油腔作用面积)，也就是油膜变化0.0Olmm时，推力的差值。
【附图说明】
[0017]图1为本发明应用在滚珠导螺杆的液静压支撑轴承的剖面示意图；
[0018]图1-1为图1油腔装置的部分放大图；
[0019]图2为本发明轴向油腔装置的前视图；
[0020]图3为本发明液静压油室各部参数尺寸的示意图；
[0021]图4为图3的简化图；
[0022]图5为本发明刚性最佳化分析数据图；
[0023]图6为传统轴向液静压油腔刚性最佳化分析数据图；
[0024]图6-1为传统轴向液静压油腔构造图；
[0025]图7为本发明油室压力分布图；
[0026]图8为传统液静压油腔压力分布图。
[002