專利名稱：流體靜壓螺母和導向絲杠組件以及該螺母的成型方法
以及該螺母的成形方法本發明總體上涉及一種用于水平運動拖板上的流體靜壓螺母和導向絲杠組件，例如，該組件可以用來支承一個砂輪。更具體地說，本發明涉及一種與導向絲杠配合工作(螺紋互補)的流體靜壓螺母的成形方法，該螺母在其內部限定有用來接納壓力流體的通道。
在現有的磨床中，磨料砂輪可旋轉地安裝在磨頭上，用以相對于諸如凸輪軸等工件移動，以便將工件磨成所需的大小和形狀。工件被固定在床頭箱和尾座之間，同時磨頭與砂輪一起通過螺母和導向絲杠的相互配合而實現平移。螺母在其內部加工有螺紋，并與外部有螺紋的導向絲杠配裝而一起工作。螺母固定在磨頭上，導向絲杠由一個電機驅動，該電機聯接在導向絲杠上遠離螺母的一端。該電機可以進行數控式控制，它可以使導向絲杠相對于螺母作順時針或逆時針運動，從而使磨料砂輪相對于工件作直線平移。
以前，那些直徑為16英寸，用金剛砂制成的磨料砂輪，由于持續的磨削工作循環而逐漸磨損，而使砂輪的直徑減小。使用一段時間以后，砂輪直徑可能會減少3至4英寸，由于砂輪不斷“縮小”，電機即根據一定程序驅動導向絲杠使磨頭和砂輪向前接近工件，以補償該縮小量。由于導向絲杠被送進，因而在惡劣的工業環境中，如在工廠或工作間現場進行持續運轉就會在絲杠的一段長度上造成與砂輪縮小量相差不多的磨損。
隨著諸如CBN(立方氮化硼)等材料制成的更加耐用、硬度更高的砂輪的出現，砂輪直徑的減小幾乎達到了難以察覺的程度。CBN砂輪的研磨精度高，所需的修整少，更換頻率低，因此受到廣泛的歡迎。但是，CBN砂輪和其它具有鉆石般硬度的砂輪的使用，卻加重了與酏置在磨頭和砂輪上的導向絲杠和螺母組件的磨損問題。只要使用傳統的磨床，磨損將不可避免地出現，砂輪尺寸的顯著減小，會使導向絲杠的相當一段長度受到磨損，相反，使用CBN砂輪，它的直徑減小很少，只有幾分之一英寸的量級，卻會把磨損集中到導向絲杠的某一部分長度上，這種局部磨損部位將導致導向絲杠的過早損壞。這種情況的反復出現，就會妨礙磨頭相對于工件的精確的平移運動，同時，也無法保證對凸輪軸和其它機械零件的現行工藝條件所要求的精確加工公差。
人們曾采取許多方法來解決以下問題(1)局部磨損，(2)螺母和導向絲杠的螺紋的金屬接觸表面之間的過度摩擦，(3)螺紋間隙。
目前所采用的方法之一是在螺紋接觸表面之間使用尺寸精確的滾珠軸承，并使滾珠在整個螺母中作循環運動。這個方法可以很好地解決過度磨損和螺紋間隙的問題。但是這種方法容易造成過早損壞并且在運動方向上沒有任何緩沖作用。
另一種方法是利用流體靜壓軸承，即在螺紋的接觸表面之間使用一層流體薄膜；這種方法同樣需要使該流體薄膜通過加壓分布在整個螺母之中，以防止螺母和導向絲杠上的相互配合工作的螺旋排列的齒之間的金屬與金屬的接觸。這種加壓分布需要在金屬制的螺母本體內精確地加工出槽、歧管和分配通道等，以及其它的流體流動回路，以便把適量的流體輸送到所要求的位置上。
還有一種方法是在一般導向絲杠的四周澆鑄上一層環氧樹脂材料，或者鑄出這一段導向絲杠的仿型膜。環氧樹脂需要經過特殊的填充劑處理以增加其強度、潤滑性和耐磨性，并減小其原有的脆性。當該鑄件固化以后(固化通常在室溫和環境壓力下進行)，可將它從導向絲杠上卸下并將覆蓋層保留在螺母上。當以后導向絲杠相對于螺母行進時，螺母的內螺紋與導向絲杠的結構緊密配合，可以減少摩擦損失和不重合度。
采用諸如可澆鑄的聚合物等環氧樹脂材料的方法在以下專利中有詳細介紹如1988年12月13日授與諾思·A·布朗(Ross A·Brown)等人專利權的美國專利第4,790,971號和1992年10月6日授與凱文·丁·利澤柏(Kevin J·Lizenby)專利權的美國專利第5,152,948號，這兩個專利都是轉讓給密歇根州特拉弗斯城的川奈克(Trantek)公司的(TranTek Inc.of Traverse City，Michigen)。
上述方法中的每種方法都在某些方面具有一定的缺陷如成本、復雜程度、工作特性等，并且找出一種能解決以上所有問題(如局部磨損、過度摩擦、螺紋間隙等)的方法的工作至今尚未完成。
由于已清楚地認識到現有技術在解決現存問題方面的不足之外，本發明設計了一種獨特的螺母，這種螺母把已知的流體靜壓軸承的良好特性與在部分導向絲杠四周澆鑄環氧樹脂或其它可澆鑄聚合物來充當軸承材料的簡便性結合起來。澆鑄后的這種有內螺紋的螺母在其可澆鑄的聚合物材料的內部形成通道，以使流體靜壓連續輸入到該螺母中。最后，當澆鑄和固化工序完成之后，螺母上可望形成一層流體薄膜，它適合于與在其桿體上具有加工出螺旋螺紋的導向絲杠一起使用。
本發明公開一種在其內部粘接著限定有內部通道的剛性聚合物材料的獨特的帶內螺紋螺母的成形方法。本方法包括把環氧樹脂注入模具空腔內(該空腔由導向絲杠的外螺紋與螺母的內螺紋之間的間隙所確定)之前，把臘或定位折疊帶制成的壓條布置在導向絲杠或部分導向絲杠的外表面上的步驟。該臘或折疊帶在所形成的鑄件的外表面上限定一個空穴。在把臘或折疊帶取下后，即在粘接在螺母內的剛性聚合物上形成有通道。
該螺母可以充當可澆鑄聚合物材料的鑄模，在把螺母固定在磨床的磨頭的懸垂吊耳上之前，應先把螺母加工到所需尺寸。其內螺紋上粘接有剛性聚合物材料的覆蓋層的螺母，當導向絲杠通過該螺母前行或后退時，與導向絲杠的外螺紋輪廊緊密配合。同時，螺母中的通道由注入螺母的入口孔中的流體所加壓，該流體流過這個通道以后就在螺母和導向絲杠之間的相互配合表面上能形成一個薄膜流體軸承。
澆鑄工作是在室溫和環境壓力下進行的，所形成的螺母和導向絲杠組件既具有采用可澆鑄的聚合物形成剛性覆蓋層的簡易性，又具有低摩擦、不粘連的特點，這是由于在螺母和導向絲杠上的相互配合的螺紋之間能形成一層流體薄膜的緣故。
在讀過本文附圖與其一致的說明之后，容易形成并且內部具有通道的螺母的其它優點即可被熟練的技術人員所發現。例如該通道由于在覆蓋層的下面有金屬螺旋螺紋而得到加強，從而延長了它的壽命和提高了工作精度。該濤鑄工藝適用于不同形狀的螺紋和多圈螺旋的螺紋以及類似螺紋。此外，這種加工流體靜壓螺母的方法使螺母的生產成本與市場上的滾珠絲杠的成本差不多，而且無需復雜而困難的機械加工。
現通過下列附圖及具體實施例詳細描述本發明的其他目的、特點、方法及結構。其中
圖1是一個普通磨床的側視圖，該磨床的特點在于它裝有根據本發明的原理制成的獨特的流體靜壓螺母和導向絲杠組件；圖2是用來制造靜壓螺母的模具與導向絲杠標準件的一個放大的剖面圖，該圖示出的是造型材料加入以前的情況；圖3是用來制造靜壓螺母的模具與導向絲杠標準件的一個放大的剖面圖，該圖示出的是模制材料加入以后的情況；以及圖4是固定在該磨床上的獨特的流體靜壓螺母的一個放大的剖面圖，圖中示出了它與導向絲杠的運轉關系。
現在來參看上述各附圖，圖1中表示出一磨床的某些關鍵零件，磨床一般以參考編號10表示。大型金屬床身12通過澆注混凝土被固定在工作場地的地面(未示出)上。該床身12的前端高于它的其他部分。拖板14可以在床身12的前端橫向移動，轉臺16與拖板14組配合運行。床頭箱18和尾座(來示出)通過燕尾連接20固定在轉臺16上。工件22被固定在床頭箱和尾座之間，工件(它是一個凸輪軸)上的一個凸起部分在該圖中可以看見。
滑座24沿著床身12的上表面作縱向移動，而磨頭26則沿著滑座24的上表面移動。砂輪28被固定在靠近磨頭26的前端的輪軸30上，而電機32通過環形帶34驅動砂輪28。輪軸30的中心線與工件32的中心線水平對準。
支座36懸垂于磨頭26，通道38沿該支座軸向穿過。流體靜壓螺母40被固定在通道38內部，而該螺母的內部加工有螺紋。長導向絲杠42的前端從螺母40中穿過，該導向絲杠的外部加工有螺紋。小電機44通過聯軸器46被固定在導向絲杠42的后端，該電機驅動導向絲杠42支螺母40作相對運動，從而使磨頭26和砂輪28與工件22作相對運動。電機44由計算機控制程序發出的信號(通常為數字形式)進行控制，該控制程序修正砂輪28和工件22的位置并控制其運行情況。
磨床10在很多方面與普通磨床相一致，但在該磨床的內部具有能最令人滿意地運行的獨特的流體靜壓螺母40。加工該種流體靜壓螺母40的方法也是具有創造性的，它是一種與現有加工方法完全不同的方法。
圖2通常示出了一個模具50，通過特殊順序的操作步驟，可以把它轉變成流體靜壓螺母40。模具50通常包括一個金屬的圓柱體，在該圓柱體上有一個在其兩端開口的中心孔。一小固定蓋52將該模具的一端封閉住，而一大固定蓋54則將其另一端封閉住。
內孔56穿過固定蓋52伸展，壓板58在內孔中的位置可以通過轉動螺柱60進行調整。在壓板58的位置調定以后，上緊止動螺釘62使螺柱止動并將它保持在該固定位置上。
大固定蓋54包括一個帶有伸出凸緣64的環形體，該凸緣伸展入模具50中。壓板66在凸緣64內移動，且該壓板66的移動由中央螺柱68和調整螺釘70、72進行控制。
導向絲杠標準件74通過在其兩端施加壓力而被固定在模具50的內部，標準件74的尺寸和形狀與導向絲杠42的斷面相一致，該導向絲杠工作時穿過流體靜壓螺母40，并與螺母40相配合運行。標準件74通過精密加工而成，它具有精密的公差，并在很長的連續工作時間內，可以重復用來加工流體靜壓螺母40。
標準件74在外部加工有外螺旋螺紋，該外螺旋螺紋應選定成與形成在模具50的內壁上的內螺紋互補的螺紋。如圖2所示。
第一蠟制壓條76以螺旋形施加于標準件74上的每個螺紋的開始端或前導端。同樣第二蠟制壓條78也以螺旋形施加于每個螺紋的另一端或后沿端。在把標準件74插入圓柱形模具50內以前，先將臘制壓條76、78施加于標準件74的螺紋上。
在把蠟制壓條76、78施加于標準件74上以后，將標準件74插入到模具50內，而向內調整壓板58、66使標準件74鎖定在模具50內的固定位置上。在把標準件74插入模具50內以前，應先將脫模涂層涂敷在尚未被臘制壓條覆蓋的標準件74上。
把環氧樹脂或其它可澆鑄的聚合物材料80通過模具50的入口82注入并使其進入標準件74上的外齒與模具50內的互補內齒之間所限定的間隙中。在互補的齒之間的任何位置上，都有幾分之一英寸的微小間隙以避免金屬與金屬的接觸。將空氣通過出口84從模具中排出，以避免產生氣泡。此外，多余的聚合物材料也可以通過出口84排出。
聚合物材料流入在標準件74上的外螺紋與模具50上的內螺紋之間所精確形成的連續的空腔或間隙中。臘制壓條76，78牢固地粘敷在標準件74的外螺紋上，并且不受聚合物材料80和標準件74上的脫模涂層(未示出)的腐蝕。
在聚合物材料充滿連續的空腔中以后，可將模具50在室溫和環境壓力條件下固化12～18小時。可澆鑄的聚合物材料80即固化并成為剛性覆蓋層。然后，從模具50的兩端把固定蓋52、54卸下，并將導向絲杠標準件74從模具50中退出。先前涂敷于標準件74上的脫模涂層可以防止可澆鑄的聚合物材料80粘敷到標準件74上。
已經證明，有幾種可澆鑄的聚合物材料能滿足使模具50成功地工作的條件，和/或符合流體靜壓螺母40的極限工作特性。然而一種以“Moglice”商標出售的環氧樹脂材料已被證明是最令人滿意的材料，這種材料可以從德溫特(Devit)公司買到。
在導向絲杠標準件74被卸下以后，帶有剛性聚合物材料80的剛性覆蓋層粘敷在模具50的內螺紋上，模具50被加工到所要求的形狀和尺寸。在圖4所示的最后結構中，模具50已轉變成為流體靜壓螺母40。臘制壓條76、78已由人工從固化的剛性材料80上取下，從而在朝向導向絲杠42的外螺紋的聚合物材料80的暴露表面上形成了通道86、88。其上的臘可以用適當的溶劑將它溶解，然后再將它洗掉。
于是，流體靜壓螺母就被定位在懸掛于磨頭26下面的支座36中的通道38內，如圖4所示長導向絲杠42的前端穿過螺母40并且和該螺母相配合使磨頭26和砂輪28相對于工件22移動。圖4示出了螺母40與一部分長導向絲杠42之間的工作關系。
如前所述，把臘制壓條76、78取下后就在固化的聚合物80的暴露表面上限定有彎曲的相反的螺旋通道86、88。螺母的金屬螺紋則作為這些通道的結構支承。第一進口管道90把流體輸送到螺旋通道86中，從而當導向絲杠相對于螺母向前送進時，螺母40就相對于導向絲杠42漂浮在空氣的薄膜上。第二進口管道92把流體輸送到螺旋通道88中，從而當導向絲杠相對于螺母退回時，螺母40就漂浮在流體的薄膜上。這些流體的薄膜與成形的聚合物材料80一起保證螺母40在基本上沒有摩擦的情況下工作。
盡管上面提供了本發明的優選實施例，但是毫無疑問，對于熟練的技術人員來說，還可以對它進行各種更改和改進。例如用來制作壓條76、78的蠟可以是蜂蠟。用作同樣用途的膠帶可以是一種重荷條件下工作的膠帶，例如電工膠帶或管道膠帶，這些膠帶被加工成半圓形狀后再粘接在導向絲杠標準件74的螺旋螺紋上，以便形成壓條76、78。
在某些情況下，從模具50中卸下導向絲杠標準件74，去掉固化聚合物材料80上的壓條76、78以后，只有少量的剩余物需用溶劑洗去，或用人工將它從聚合物材料80上取下。此外，雖然流體靜壓螺母40在凸輪磨床中已經得到了應用，但該螺母在其它精密機床的工件拖板的螺母和導向絲杠組件中也同樣可以應用。因此，對本發明權利要求書的理解應當是廣義的，即由于流體靜壓螺母以及流體靜壓螺母與導向絲杠組件所獲得的實用技術和科學方面的有意義的進步都屬于本發明的范圍。
權利要求
1.一種加工在機床中與導向絲杠一起使用的流體靜壓螺母的方法，該方法包括以下各步驟a)把一個導向絲杠標準件插入一模具中，該絲杠標準件至少具有一條沿其長度延伸的螺旋螺紋；b)所述模具在其內表面上至少限定有一條螺旋螺紋，該螺旋螺紋與所述導向絲杠的外表面上的螺旋螺紋是互補的，并且相互之間隔開一個間隙；c)把至少一個壓條材料沿所述標準件的外表面的所述螺旋螺紋粘貼；d)把一種可澆鑄的聚合物材料注入所述模具中，并將模具上的內螺紋與導向絲杠標準件上的外螺紋之間的間隙充滿；e)形成所述壓條的材料能夠抵抗聚合物材料的物理損害和化學腐蝕；f)把所述聚合物固化成剛性覆蓋層；和g)把所述壓條從固化的聚合物覆蓋層上取下，從而在所述固化的聚合物材料覆蓋層上就形成了一條螺旋形通道。
2.如權利要求1中所述的流體靜壓螺母的加工方法，其還包括以下各步驟h)把其上粘有聚合物材料剛性覆蓋層的所述模具裝設在導向絲杠上，以及i)把加壓流體注入到所述螺旋通道中，使所述模具浮置在流體的薄膜上，從而起著相對導向絲杠的流體靜壓螺母的作用。
3.如權利要求1中所述的流體靜壓螺母的加工方法，其還包括以下步驟在把所述導向絲杠標準件插入所述模具內以前，在該標準件上涂敷上脫模涂層。
4.如權利要求1中所述的流體靜壓螺母的加工方法，其中，該模具包括一個大體上其兩端裝有固定蓋的圓柱體，所述方法還包括調整所述固定蓋以使所述導向絲杠標準件固定在所述模具中的某個固定位置上的步驟。
5.如權利要求1中所述的流體靜壓螺母的加工方法，其中，能夠抵抗物理損害和化學腐蝕的材料包括蠟。
6.如權利要求1中所述的流體靜壓螺母的加工方法，其中，能夠抵抗物理損害和化學腐蝕的材料包括被折疊成壓條狀的管道膠帶。
7.如權利要求1中所述的流體靜壓螺母的加工方法，其中，所述聚合物材料在室溫和環境壓力的條件下進行固化。
8.一種加工適合于與導向絲杠一起使用的流體靜壓螺母的方法，該方法包括以下步驟a)加工出一個在其內表面上限定有至少一條螺旋螺紋的圓柱體模具；b)把導向絲杠標準件插入所述模具中，該絲杠標準件具有至少一條在其螺桿的外表面上延伸的螺旋螺紋；c)在把所述導向絲杠標準件插入到模具中之前，應先把至少一條壓條材料粘貼在所述導向絲杠標準件的所述螺旋螺紋的表面上；d)把一種可澆注的聚合物材料注入到所述模具中，并將模具上的內螺紋與導向絲桿標準件上的外表面上的螺旋螺紋之間壓條以外的間隙充滿，e)把所述聚合物材料固化成一個剛性覆蓋層；f)把所述導向絲杠標準件從所述模具中取出，露出粘貼在所述模具上的聚合物材料的剛性覆蓋層；g)把所述壓條材料從所述剛性覆蓋層的外表面上取下，從而在其表面上形成至少一條通道；以及h)所述通道內能接受加壓流體，從而使所述模具與長導向絲杠一起工作時，起著流體靜壓螺母的作用。
9.如權利要求8中所述的流體靜壓螺母的加工方法，其中，所述圓柱體模具在其內表面上限定有許多條螺旋螺紋，而所述導向絲杠標準件在其桿體的外表面上具有許多條與其互補的螺旋螺紋。
10.如權利要求9中所述的流體靜壓螺母的加工方法，其中，所述螺紋有一第一表面和一第二表面，且一條連續的壓條材料粘貼在所述螺旋螺紋的第一表面上，而另一條連續的壓條材料則粘貼在所述螺旋螺紋的第二表面上。
11.如權利要求10中所述的方法，其還包括以下步驟在把所述導向絲杠標準件插入所述模具中之前，應在該導向絲杠標準件上涂上脫模涂層，所述脫模涂層可使導向絲杠標準件從所述模具中取出時，不致損傷剛性覆蓋層。
12.如權利要求10中所述的方法，其還包括以下步驟選用在形狀和尺寸上相一致的模具的內螺紋和導向絲杠的外螺紋，以使剛性覆蓋層能防止模具與導向絲桿標準件之間的接觸。
13.如權利要求8中所述的方法，其中，所述聚合物材料在室溫和環境壓力條件下進行固化。
14.一種用于機床的流體靜壓螺母，其包括a)一個具有在其兩端開口的中央孔的圓柱體，所述圓柱體用金屬制成；b)在所述中央孔的孔壁上限定著至少一條螺旋螺紋；c)一種剛性的厚塑料覆蓋層粘接在所述螺紋的所有暴露表面上；d)所述螺母以一個空穴為特征，該空穴位于所述塑料覆蓋層的暴露面所限定的所述螺紋的輪廊上，當所述螺母與導向絲杠一起工作時，所述空穴用來作為接受壓力流體的一條通道。
15.一種用于機床的流體靜壓螺母與導向絲杠組件，其包括a)所述流體靜壓螺母包括一個具有在其兩端開口的中央孔的圓柱體，所述圓柱體由金屬制成；b)在所述中央孔的孔壁上限定有至少一條螺旋螺紋；c)一種剛性的塑料覆蓋層粘貼在所述螺母的所述內螺紋的所有暴露的表面上；d)在所述塑料覆蓋層的暴露面上限定有一空穴；e)一個其螺桿的外表面上形成有至少一條螺旋螺紋的導向絲杠，所述導向絲杠由金屬制成；f)當所述螺母與所述導向絲杠一起工作時，所述塑料覆蓋層能防止所述螺母上的所述螺紋與所述導向絲杠上的所述螺紋之間的金屬對金屬的接觸；其特征在于g)在所述塑料覆蓋層和所述導向絲杠的所述螺旋螺紋的外表面之間的空穴形成了一條連續的螺旋形通道；以及h)用來把加壓流體通過所述螺母的圓柱體注入所述通道內的裝置，當導向絲杠相對螺母運動時，所述螺母便浮置在流體薄膜上。
16.如權利要求15中所述的流體靜壓螺母與導向絲杠組件，其中，所述機床是一臺磨床，它包括一個用來安裝工件的工件夾持裝置，一個砂輪、一個磨頭、一個支承所述磨頭的滑座，一根穿過所述砂輪并把它固定在所述磨頭上以使砂輪轉動的輪軸，一個懸垂于所述磨頭下面的支座，固定在所述支座內的所述螺母，穿過所述螺母延伸的所述導向絲杠，以及一個與所述導向絲杠相連接的電機，該電機使導向絲杠旋轉從而使所述磨頭和所述砂輪相對于所述工件夾持裝置移動位置。
17.如權利要求16中所述的流體靜壓螺母與導向絲杠組件，其中，工件為圓柱形，而所述磨床為凸輪磨床。
18.如權利要求15中所述的流體靜壓螺母與導向絲杠組件，其中，所述機床包括一個床身，一個固定在所述床身上固定的工件夾持裝置，一個可以相對所述床身移動的拖板，固定在所述拖板上的所述螺母，一個固定在所述拖板上的砂輪，固定在所述拖板上的所述流體靜壓螺母，以及一個用來驅動所述導向絲杠的電機，該電機使所述絲杠相對于所述螺母移動，使所述拖板和所述砂輪相對于所述工件夾持裝置移動。
全文摘要
一種流體靜壓螺母(40)及其加工方法，將一個具有外螺紋的絲杠標準件(74)插入具有內螺紋的圓柱形模具(50)中。將蠟制壓條(76、78)粘貼在絲杠標準件(74)的外螺紋上，而其余部分則涂上脫模涂層。從而在螺母(40)的內螺紋和絲杠標準件(74)的外螺紋之間限定一個連續的空腔。把聚合物注入空腔中。壓條(76、78)取下后，在聚合物層中就留下兩條反向的螺旋通道(86、88)。
文檔編號B29C70/78GK1114829SQ9419072
公開日1996年1月10日 申請日期1994年7月21日 優先權日1993年7月28日
發明者W·W·普發拉格 申請人:西方阿特拉斯有限公司