CN101674916B

CN101674916B - 长工作距离主轴驱动系统和方法

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Publication number: CN101674916B
Application number: CN2008800125777A
Authority: CN
Inventors: 韦斯利·杰克·威尔莫特
Original assignee: National Oilwell Varco LP
Current assignee: National Oilwell Varco LP
Priority date: 2007-04-18
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2028-04-11
Also published as: EP2136962B1; WO2008129237A1; DE602008003109D1; CN101674916A; US20100129170A1; US20140308149A1; ATE485128T1; US9604289B2; EP2136962A1; US8888419B2

Abstract

一种用于加工管子的内孔的工具(100)，包括：电动机(10)，具有带旋转输出部的壳体；壳体套筒(14a)和轴(22)；第一轴承壳体(16)，具有可旋转地支承的第一主轴(102)，安装在壳体套筒上；以及连接至工具头的端部套筒和轴。电动机输出部沿着公共轴线(1)驱动壳体轴、第一轴承主轴、端轴和工具头。工具头中的改变机构(56、58)将所述驱动的方向改变为与所述公共轴线横切。一个输出部(60)适于容纳刀头。量规装置(18、18’)设置在所述工具头上，并且适配成在使用中抵靠管子的孔，并保持工具头相对于管轴线径向定位；且支撑装置(24、24’)设置在所述壳体轴、第一轴承壳体和端部套筒中的一个或多个上，并适配成在使用中抵靠管子的孔并支撑工具。工具的较长长度可加工长管子的内部。

Description

长工作距离主轴驱动系统和方法

技术领域

本发明涉及用于物料修整(conditioning)、物料处理和物料去除(其中包括但不限于抛光、磨光、表面处理、研磨、铣削和钻孔)的系统和方法；并且，在某些具体方面，本发明涉及这样的系统，在系统中将动力施加至在工件内部与主轴臂的轴线成一定角度倾斜的工具主轴(tool spindle，刀具主轴)。本发明具体涉及管子内部的螺旋槽的加工，从而最终形成在油气开采工业中使用的泥浆电动机(mud motor)的定子和在各种应用中使用的泵的定子。

背景技术

现有技术公开了许多传统的延长工作距离(reach，作用范围)的直角加工系统，对于从构件内部去除材料的某些应用，一些系统具有有限的工作距离(例如，大约1米或40英寸)并且具有较大的外部尺寸(例如，大约13厘米或5英寸)。某些具有延长工作距离的主轴臂(由单件式的轴和壳体制成)的现有系统由于共振和振动，以及由于制造这种系统的方法中的各种缺点，而存在问题。

某些传统的直角加工头设计适合于多种应用，但是，一些工作距离超过40英寸的系统不能达到预期效果。一些现有系统的轴尺寸导致形成了在任一端处由轴承支撑的相对长的轴，这样的轴具有较低的临界速度。即使在较低速度下，轴系统的弯曲或下垂也可能导致轴的振荡。由于壳体尺寸和轴承位置直径的原因，一体式的轴布置可能具有较小的横截面积，这会限制扭矩并减小扭转刚度。通常，促使在高转速下运转的相对长的一体式轴平衡可能是不实际的。由于需要扭转刚度以防止失效，并且如果周期性振动传递至主轴头，那么，某些现有系统的主轴中的振动会缩减刀头(tool bit)寿命和主轴头寿命。

制造一体式轴会在加工精度(例如，关于同心性、圆形度、平直度和平行定位面)上产生相当严重的制造问题。相对长的轴和壳体的不同热膨胀会在轴承上产生过多的负载，或在工作过程中引起振荡。对于某些相对长的轴，为轴上的切割头提供辅助保养存在困难，例如，为齿轮箱提供冷却/润滑油；为加工工具提供冷却液；以及去除切屑。

现有技术公开了许多用于物料去除的系统，例如，但不限于以下供参考的文件中所公开的系统：美国专利2,372,913；3,037,429；3,568,568；5,025,548；5,240,360；5,664,917；以及德国专利No.DT2,120,133，它们整体结合于此以供参考。

现有技术公开了许多向下打眼的电动机、泥浆电动机、动力部件、人造升举步进式腔体泵(progressive cavity pump)、工业步进式腔体泵、其部件以及其制造方法，包括但不限于那些在如下文件中公开的：美国专利3,084,631；3,499,830；3,547,798；3,553,095；3,616,343；3,769,194；3,896,012；4,104,009；4,250,371；4,376,020；4,391,547；4,475,996；4,772,246；4,909,337；5,417,281；5,611,397；5,759,019；6,019,583；6,183,226；6,230,823；6,568,076；6,644,358；6,905,319；以及于2005年4月14日公开的美国专利申请No.20050079083和2003年5月15日公开的美国专利申请No.20030089621，所有所述专利和专利申请整体结合于此以供参考。

本发明人认识到有以下需求：用于物料表面修整、表面处理或从构件内部去除物料的有效且高效的长工作距离系统，尤其是用于形成向下打眼的电动机的定子和形成这种定子的内部结构的系统和方法。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于物料加工(包括但不限于物料修整加工和构件内部的物料去除)的系统和方法；并且在某些方面中，提供了带有动力主轴的系统和方法，以执行主要表面的修整或处理加工或物料去除加工，例如，抛光、磨光、研磨、铣削和钻孔。在某些方面中，这些系统和方法提供这样的操作，长工作距离的动力主轴可在工件内部的笔直/螺旋状的路径中移动，或者可在工件内部的特定轮廓形状的路径上移动。

在某些方面中，这种系统和方法使用这样的装置，其中将旋转动力提供给连接至工具主轴的主轴臂，上述工具主轴与主轴臂轴线的垂线成正角或负角地倾斜，或者等于主轴臂轴线的垂线。

因此，本发明的至少某些优选实施方式的目的是，提供新的、有用的、独特的、有效的、非显而易见的用于表面修整或用于从构件内部去除物料的系统和方法。

因此，本发明的至少某些优选实施方式的目的是，提供新的、有用的、独特的、有效的、非显而易见的用于从构件内部去除物料以形成用于向下打眼的电动机的定子的系统和方法。

因此，本发明的至少某些优选实施方式的目的是，提供新的、有用的、独特的、有效的、非显而易见的带有长工作距离动力主轴的系统。

根据本发明，提供了一种用于加工具有管轴线的管子的内孔(bore)的工具，所述工具包括：

a)电动机，具有带旋转输出部的壳体；

b)壳体套筒，在其近端处可连接至围绕上述输出部的电动机的壳体；

c)壳体轴，设置在壳体套筒中，具有可连接至所述输出部的近端；

d)第一轴承壳体，具有可旋转地轴颈支承(journalled，支承)的第一主轴，所述第一轴承壳体的近端可安装在壳体套筒的远端上，并且所述第一主轴的近端能够驱动性地(drivingly)连接至所述轴；

e)端部套筒(end sleeve)，在其近端处可连接至围绕第一主轴的所述第一轴承壳体的远端；

f)端轴，设置在端部套筒中；

g)工具头，在其近端处可连接至围绕端轴的所述端部套筒的远端，并且工具头的旋转输入部可驱动性地连接至端轴，所述电动机输出部沿着公共轴线驱动壳体轴、第一轴承主轴、端轴和工具头输入部；

h)改变机构，位于所述工具头中，以便将所述驱动的方向改变成横切所述公共轴线；

i)适于容纳刀头的所述工具头的输出部；

j)量规装置(gauge means)，设置在所述工具头上，适配成在使用中抵靠在管子的孔上，并保持工具头相对于管轴线径向地定位；

k)位于工具头输出部上的刀头；以及

l)支撑装置，设置在所述壳体套筒、第一轴承壳体和端部套筒中的一个或多个上，并适配成在使用中抵靠在管子的孔上并支撑工具。

本发明的优选特征

在以下讨论的特征是“优选的”、“方便的”或“在一个实施方式中”出现，或其是“可能”出现的，这些限定条件被赋予其固有的意义，如读者将期望的，所讨论的特征对于本发明最广泛的范围来说不是必须的，而是可选的。

优选地，壳体套筒通过所述第一轴承壳体和至少一个中间套筒以及至少一个中间轴承壳体而与所述端部套筒分隔开；每个所述中间轴承壳体均具有可旋转地轴颈支承的中间主轴，并且每个中间套筒具有设置于其中的中间轴。每个主轴可以由轴承可旋转地支承在其轴承壳体内。

所述轴承优选地具有外径(D_B)和内径(D_BI)，并且所述外径和所述内径之间的差(D_B-D_BI)在所述外径的10％至30％之间，轴承外径(D_B)与轴承壳体外径(D_H)的比值(R)在30％至60％之间。由于下面更全面地说明的原因，发现这种薄轴承是有利的，因为在轴向和径向上的推力载荷相对小，因而其直径应较大，以便增强由轴承支承的元件的扭转刚度。同样，大轴承需要更多的预载荷以减小游动(free play)，而本轴承优选地允许一定程度的轴向运动自由度，以适应热膨胀。

所述支撑装置优选地包括多个附设至每个轴承壳体的外表面的接触板。从所述接触板的外部到所述轴线的径向距离可以大于从所述轴承壳体的外表面到所述轴线的径向距离，并且也可以大于从每个套筒的外表面到所述轴线的径向距离。优选地，每个轴承壳体可通过其圆柱配合面而安装至每个套筒，并且所述轴承壳体通过轴向设置的螺栓固定，经由所述轴承壳体或套筒的所述外表面中的凹槽可接近所述螺栓。所述凹槽可容纳所述接触板，当所述接触板附设在所述轴承壳体的所述外表面上的适当位置时，所述接触板封闭所述凹槽，从而使得不能接近所述螺栓。

轴承壳体、套筒和工具头优选地包括交叉钻孔(cross-drilled，横向钻孔)通道，当所述工具装配后，上述通道彼此流体连通。这些通道可用来将流体供应至所述工具头，可能用于冷却所述工具头和/或，在对流体加压的情况下，以使在所述工具运动时将废料从所述工具排出。流体可以是润滑剂。因此，流体是气态的或液态的。事实上，毫无疑问地，可以有两组通道，一组通道传输加压气体，以将切割物料或其他废料从管子的孔中移走，而另一组通道包括切削液，以润滑刀头并冲走切割物。

替代地，或附加地，电连接件(electrical connection)可穿过交叉钻孔通道，以便向设置在所述工具头中的传感装置提供电力。为了检测各种情况(包括故障情况)，这可能是理想的，从而可以调整或暂停由工具所影响的加工或其他处理过程。

所述改变机构优选地包括第一伞齿轮和第二锥齿轮；其中，所述第一伞齿轮围绕所述公共轴线旋转，并能够驱动性地连接至所述旋转输入部，并且所述第二伞齿轮与所述第一齿轮啮合并围绕所述横向轴线旋转，所述第二齿轮能够驱动性地连接至所述工具头输出部。

事实上，工具头可包括连接在一起的第一构件和第二构件，并且其中，所述第一伞齿轮可旋转地设置在所述第一构件中，第一构件连接至所述端部套筒，并且其中，所述第二伞齿轮可旋转地设置在所述第二构件中，第二构件连接至所述第一构件。

在大多数情况中，所述横向轴线垂直于所述公共轴线。然而，明显地，该横向轴线可倾斜，并且，事实上，这在一些情况中可能是优选的，以下进一步说明了其实例。

可通过调节装置将所述第一齿轮和第二齿轮的位置在其各自的轴向方向上进行调节。优选地，它们螺旋伞齿轮，其益处在于一个齿轮相对于另一个齿轮可精确定位。调节装置允许对这些伞齿轮各自的位置进行微调，从而可消除齿隙。所述调节装置可包括用于每个齿轮的垫片。这些垫片可轻易地替换或加工至高精度。

在一个实施方式中，所述量规装置设置在所述端部套筒与所述工具头之间，或设置在所述端部套筒与所述工具输出部之间的所述工具头上。在这种情况下，所述量规装置可包括在量规装置壳体中的耐磨垫(wear pad)和将所述耐磨垫推压在所述管子的孔上的致动器。致动器可包括由液压驱动的至少两个活塞，并且耐磨垫可被至少一个压缩/张力弹簧拉回。

在另一实施方式中，所述量规装置设置在所述工具头的远离所述端部套筒的一端上。然后，所述量规装置可包括量规装置壳体和所述量规装置壳体内部的多个量规元件，每个元件均是设置在承座(socket)中的球轴承的形式，上述承座夹持在所述量规装置壳体中。

至少一个量规元件可以将其球轴承可弹性位移地(resilientlydisplaceably)安装在弹簧上，所述弹簧设置在所述承座内，并能够径向移动，其余的所述球轴承是径向静止的。

所述径向静止的球轴承也可经由容纳所述球轴承的杯状物而装载在弹簧上，通过设置在所述杯状物中的平头螺钉来防止所述径向静止的球轴承在径向上移动。

事实上，所述元件可以都具有相同的结构，并且所述球轴承(那些能够径向移动的球轴承)利用所述平头螺钉在杯状物中的布置而能够径向移动，这些平头螺钉改变杯状物在所述量规装置壳体中的有效深度，从而它们可被承座选择性地夹持在量规装置壳体的底部上，以使选择的球轴承静止。

当所述工具运转时，一个或多个所述径向静止的球轴承接触管子的与所述刀头相对的所述孔。这为工具提供了刚性支撑。理想地，一个或两个其他的球轴承也是静止的，以阻止由旋转的刀头的反作用引起的扭转运动，该扭转运动与公共轴线和工具横向轴线都横切。因此，围绕刀头的包围层(envelop)的四分之一可能被径向静止的球轴承支撑，而剩下的四分之三可能被可弹性位移的球轴承支撑，从而能够适应所加工的管子的内轮廓的变化，同时不会使工具卡住。

虽然这里使用了术语“球轴承”，但是使用其他球形端元件(子弹形部件)或甚至辊柱(例如，桶形元件)也是可行的，并且相应地构造术语。

所述工具头优选地包括具有所述工具头输出部的工具板和可连接至所述端部套筒的适配板(adaptor plate)，所述工具板和适配板可围绕所述公共轴线相对于彼此在多个角位置中连接在一起，并且所述量规装置壳体具有设置在所述适配板上的套筒的形式。

优选地，所述量规装置由多个(数量为m)螺钉紧固在所述适配板上，这些螺钉穿过在所述量规装置壳体的第一凸缘中的、最小周向延伸范围(circumferential extension，周向范围)为p°的弓形槽，每个所述螺钉相对于所述公共轴线与下一个螺钉沿圆周隔开(360/m)°。方便地，m是4。方便地，p是22.5°。附带地，术语“周向延伸范围”在这里用来表示对于给定厚度的螺钉，槽所允许的旋转角度。

所述量规装置可布置成使得所述球轴承总体上可相对于所述适配板设置在任何角方向上。这种布置可包括在所述第一凸缘中的所述径向槽的延伸范围和围绕量规装置壳体的量规元件的角度布置。因此，通过松开螺钉，量规装置壳体可围绕公共轴线旋转至相对于端部套筒和连接至其上的适配板的一个不同角位置。

优选地，有x个量规元件围绕所述量规装置壳体均匀隔开，并且其中，所述布置是，由p＝(360/f₁(m，x))°给出所述第一凸缘中的弓形槽的最小周向延伸范围，其中，f₁(m，x)是m和x的函数，在给出了m个螺钉和x个量规元件的条件下，该函数给出了量规元件相对于适配板的不同方向的数量。在例如具有七个量规元件和四个螺钉的情况中，量规元件相对于端部套筒具有28个不同的角方向，并且在凸缘中没有任何给予旋转自由度的槽。结果，在所述量规装置包括七个围绕所述公共轴线均匀隔开的量规元件和四个穿过所述第一凸缘的螺钉的情况下，每个所述弓形槽的周向延伸范围至少是大约12.9°。然而，如果有数目可均匀整除的量规元件(例如八个)和四个螺钉，那么，相对于适配板旋转量规壳体对于改变各个量规元件的相对角位置没有影响。因此，弓形槽的延伸范围(45°)仅由量规元件的数量决定。在具有六个量规元件和四个螺钉的情况下，则具有十二个方向，需要30°的槽。

优选地，所述量规装置由多个(数量为n)螺钉紧固在所述工具板上，这些螺钉穿过在所述量规装置壳体的第二凸缘中的、最小周向延伸范围为q°的弓形槽，每个所述螺钉相对于所述公共轴线与下一个螺钉沿圆周隔开(360/n)°。

优选地，所述量规装置布置成使得所述工具板可相对于所述适配板设置在任何角方向上。所述布置可包括在所述第一凸缘和第二凸缘中的所述周向槽的延伸范围(p，q)和用来固定所述第一凸缘和第二凸缘的螺钉数量(m，n)。所述第二凸缘中的所述槽的周向延伸范围(q)取决于多个因素，包括所述第一凸缘中的周向槽的延伸范围(p)，工具头20、稳固装置18和适配板32之间可能具有的不同方向的数目。

方便地，所述第一凸缘和第二凸缘中的所述槽的周向延伸范围(p和q)是相同的。

在另一方面中，本发明提供了一种使用上面限定的工具加工管子的内孔的方法，本方法包括以下步骤：

i)装配工具；

ii)将工具设置在管子的孔中，将该管子布置成使得当工具设置于其中时，所述量规装置抵靠在管子的孔上，并且保持工具头相对于管轴线径向地定位，并且使支撑装置抵靠在管子的孔上并且支撑工具；

iii)将刀头设置在工具头输出部上；

iv)操作电动机并驱动工具穿过管子，从而使刀头在管子的孔上工作。

优选地，所述刀头是铣削刀头(milling tool bit)选集(selection)中的一个，选集中的每个所述刀头均具有用来在所述管子内部加工槽的不同尺寸，每个槽均由相应的凸起(lobe)隔开。当然，如果要实现其他操作(例如，磨光或研磨)，则相应地选择刀头。

优选地，由所述选集中的每个刀头在一系列加工行进中加工所述孔。可由所述选集中的每个刀头从所述孔中铣削出多条平行槽。当所述刀头在所述孔上进行加工时，管子可旋转并轴向地移动。以这种方式，在管子中形成螺旋状槽。然而，从多个方面来看，优选地，仅使管子旋转而使工具移动。这具有几个优点。刀头相对于重力具有恒定的角位置，从而使得切割向下进行，以使得切割不会妨碍刀头的后续切割动作。精确调节相同部件上的两个尺寸的布置比仅调节两个部件中的每个部件的一个尺寸更复杂。

优选地，在步骤iii)之前执行步骤ii)，工具头穿过管子的端部伸出并超过管子端部，并且在步骤iv)期间，将工具通过管子而收回，以使工具在张力下运转。这也用来对任何未对准进行矫正，以保持公共轴线的一致性。

量规装置优选地布置成使得当所述工具运转时，所述球轴承位于所述孔的所述凸起上。在步骤ii)期间，当管子被定位在所述工具上时，所述球轴承对所述管子的孔进行划刻(score)，从而在所述凸起上形成轨迹，随后在步骤iv)期间形成所述凸起。在切割螺旋状槽的情况中，理想的是在插入工具时旋转管子，从而当工具通过管子被收回时，所述划刻就形成了螺旋状轨迹，在后续加工过程中将跟随上述轨迹。

本发明的方法在步进式腔体泵的定子或电动机的定子的制造中有具体应用。事实上，在该方面中，优选地：

所述刀头是铣削刀头选集中的一个，选集中的每个所述刀头均具有用来在所述管子内部加工槽的不同尺寸，每个槽均由相应的凸起隔开；

由所述选集中的每个刀头在一系列加工行进中加工所述孔；

由所述选集中的每个刀头从所述孔上铣削出多条平行槽；

当所述刀头在所述孔上进行加工时，所述管子旋转并轴向地移动；并且

所述选集中的铣削刀头的径向延伸范围逐渐增加而周向延伸范围逐渐减小，从而在所述定子中形成了步进式螺旋状槽，最终的铣削刀头包括成形钻头(shaped bit)，从而使定子具有正弦截面轮廓。

术语“正弦”在这里不是用作数学意义，而仅是表示波状的定性意义。事实上，在一个实施方式中，该形状由不同直径的圆交替交叉而产生。

在又一方面中，本发明提供了用于泥浆电动机的、用于另一步进式腔体电动机的、或用于步进式腔体泵的定子，该定子由上面限定的方法制造。这种定子的特征在于机械加工痕迹，具体地是在凸起的冠部(crown)上进行划刻。事实上，在步进式腔体电动机和腔体泵的领域中，技术人员将理解，定子的内表面涂覆有弹性材料，以减小这种电动机的转子的冲击影响，并减小限于转子和定子之间聚集的固体材料的影响。因此，下层金属的粗糙表面(例如，量规装置按压的凹痕)，可帮助弹性体层的粘结。

本发明认识到并致力于解决上述问题和盼望已久的需求，并在各种可能的实施方式及其等同物中提供了针对这些问题的解决方案和满足这些需求的方案。对于受益于本发明的实现、教导、公开和建议的本领域技术人员来说，结合附图，从以下为了公开的目的而给出的优选实施方式的描述中将理解其他的目的和优点。这些描述的细节并非意在阻碍本专利的覆盖本发明的目的，而是不管其他人以后可能如何通过增加或进一步改进的变型形式来掩盖本发明，都能够覆盖本发明。

通过上述布置来加工孔的管子并不必须具有圆形外径。其可以是正方形的或具有任何适于特定应用的方便的或优选的轮廓。

附图说明

在下文中，将参照附图进一步描述本发明的实施方式，附图中：

图1A是长工作距离主轴驱动系统的第一实施方式的侧视图；

图1B是图1A的系统的一部分的放大侧视图；

图1C是图1B的那部分系统的横截面图；

图1D是图1B的那部分系统的横截面图；

图1E是图1A的系统的一部分的透视图；

图1F是图1A的系统的一部分的透视图；

图2A是图1A的系统的轴承壳体的横截面图；

图2B是图1A的系统的轴承壳体的横截面图；

图3是图1A的系统的内部稳定装置的端视图；

图3A是沿着图3的线A-A剖开的横截面图；

图3B是沿着图3A的线B-B剖开的横截面图；

图3C是沿着图3A的线C-C剖开的横截面图；

图3D是沿着图3A的线D-D剖开的横截面图；

图3E是沿着图3A的线E-E剖开的横截面图；

图3F是图3A所示部分的透视图；

图4是长工作距离主轴驱动系统的第二实施方式的示意图；

图5是图4的驱动系统的侧视剖面图；

图6是图4的夹具壳体和夹具组件的透视剖面图；

图7是图4的轴承壳体和平面轴(plane shaft)的透视剖面图，它们分别连接两个延伸管和轴；

图8是图4的适配板、稳定组件和主轴头的侧视剖面图；

图9是沿着图8的稳定组件的线X-X剖开的剖面图；

图10是示出了用于在工件的内表面上加工槽的刀头和方法的示图；

图11是在加工之后的工件的横截面图；以及

图12是图7的轴承壳体的透视图，其中示出了凸起的路径。

具体实施方式

图1A至图1H示出了根据本发明的系统(工具)100。系统100包括驱动滑轮126的电动机10’，滑轮126通过传动带132驱动安装在轴130上的另一滑轮128，上述轴支承在底座134中。轴130穿过夹具组件12’a而被支承，主轴臂组件500的近端夹在上述夹具组件中。组件500包括第一延伸管(壳体套筒)14’。第一轴承壳体16’安装在第一延伸管14’的远端上，并且可以将更多的延伸管14’安装在轴承壳体16’的另一端(远端)上。可以根据需要提供许多的延伸管14’和轴承壳体16’，以实现主轴臂组件500的特定总体长度。

每个轴承壳体16’可旋转地安装一平面轴(主轴)102，并且这些轴承壳体之间支撑着延伸管14’内的动力轴(line shaft)(壳体轴/端轴)22’。第一动力轴22’安装在轴130上并由其驱动。主轴头20’安装在最远的延伸管(端部套筒)14’上，并设置有适配板32’和稳定装置18’。标有数字144的物品表示用于根据本发明的物料处理或物料去除的加工或方法的任何工具、头部或附件。如图1B所示的是切割头114a。

系统100安装在底座134上。电动机安装件136(见图1E、图1F)铰接至底座134，用于调节传动带132的张力。

在某些实施方式中，本发明提供可安装在各种已有机床上的主轴附件，或者，其用于专门设有这种主轴的机器以用来进行主表面处理或切割加工。这些机器，在某些方面中，例如用电动机提供其自身的动力。在某些具体实施方式中，根据本发明的长工作距离主轴驱动系统安装在底座、安装座、车架或滑道上，从而系统的相对中心高度是可调节的(例如，在一个方面中，在中心与相关轴线中可获得的行程极限之间调节)。电动机通过动力输出单元提供旋转运动，该动力输出单元安装并容纳电动机(原动机)，并且当使用同步传动带(timing belt)时允许张力调节。从动的同步传动带滑轮128由轴承组件和轴130的布置刚性地支撑，上述布置向相对一侧上的主轴传动装置提供输出。

在某些方面中，将整合至动力轴中的波纹管联接器的一半设置在系统100(动力输出(PTO)单元)的输出部上，在上述动力轴的任一端上具有锥形压配合连接件。因此，如果将相同的压配合锥形连接件连接并定位在需要动力的装置上，那么任何需要旋转运动的装置都可联接至动力输出单元。

在某些方面中，不同尺寸的主轴臂可与PTO单元互换。数字500指示的“主轴臂组件”是用来描述使得加工操作能够进行的配件的集合术语，包括从PTO上的夹具组件到主轴臂的稳定端(在一些方面中，包括主轴头、适配板和稳定装置)之间的部件。可选地，将扭矩限制器整合到自PTO单元的动力轴的第一部分中，以防止过载情况，并由此防止传输线下的部件的损坏。

动力轴(例如，见图1D的动力轴22’)横跨轴承壳体16’之间的距离，还提供扭转刚性的扭矩传输，并且允许轴向偏差和角度偏差。适当的动力轴22’包括市场上可购买的动力轴。动力轴22’设置有内部万向节，以在达到临界极限之前增加运行转速。(第一、最接近的)输入动力轴22’在连接端处不被支撑，所有支撑都来自于PTO单元和锥形配合夹具联接器12’a。此动力轴22’横跨至下一个轴承壳体16’，在此处，平面轴102允许动力轴22’与集成的夹紧系统(未示出，但是可在下面看到)连接。

带有轴承壳体16’和延伸管14’的组件500具有适合于工件的内部尺寸的横截面，并具有等于或小于被加工工件的内部尺寸和形状的外部尺寸。

还可参考图2A和图2B，每个延伸区段14’在两端处具有向内加工出的凹槽，它们在非常窄的范围内同心。这些特征为轴承壳体16’的内径122提供定位，以保持延伸模块同心。“延伸模块”包括在再一次重复以增加主轴臂长度之前用来完成一次横跨的部件，例如，延伸管14’，加上其动力轴22’，加上轴承壳体16’及其轴102。同心性参照例如主轴头20’和PTO 100，以及它们之间的所有部件。轴承壳体16’将轴102支撑在轴承104、106上。轴承承托108、110将轴承104、106保持在适当的位置中。密封件(例如，见图2A中的密封件112、116)安装在轴承壳体轴102的任一端，以防止污垢或污染物进入。

延伸管14’的PCD(节圆直径)上的一列锥形孔16’a中安装有双头螺柱17，这些双头螺柱使用螺母16’c在轴承壳体16’与延伸管14’之间实现夹紧。螺母16’c局部容纳在螺母凹槽118中。轴承壳体16’也在所需要对主轴头提供辅助服务(例如，压缩空气/油/电线通道等)的尽可能多的位置处交叉钻有通道145(见图1D和图2B)，并且在两端设置密封特征以确保没有流体(空气/液体)损失。类似地，顺着延伸管14’的长度设置纵向孔，该纵向孔与轴承壳体16’的交叉钻孔相连，从而完成从电动机组件100到主轴头20’的连通路径。通过轴承壳体与延伸管之间的压缩，密封件131来密封延伸管通道和轴承壳体。

通过管子14’和轴承壳体16’连接的交叉钻孔通道145可用于为主轴头20’提供冷却空气，并吹走工具的废料以防止加工过程重复处理废料，这种重复处理将缩短刀头寿命并增加动力需求。还可以将润滑剂供应至主轴头20’，以将工作温度保持在可接受的水平上，并确保在其工作寿命中提供足够的润滑。电连接件可经过通道而到达主轴头20’以连接转换器，以便测量由于加工扭矩而引起的组件的扭矩/振动或扭转角，或是任何其他形式的头部处需要的电控制。在某些方面中，主轴头20’具有适合于主轴速度和扭矩所需要的最优加工需求的输入/输出比。

每个轴承壳体16’均为动力轴22’提供刚性的中间支撑，以保持动力轴平直，并防止系统中出现振荡或其他谐波。壳体16’位于工件的内表面上，其本身能够在外部被夹紧。壳体16’与其中的轴承25’和轴22’共用公共轴线，最终保持动力轴22’在主轴臂组件500的轴线上旋转。

可用螺钉26’将接触板24’拧入壳体的外部。

主轴头20’包括驱动件160，其从动力轴区段22’取得运动并改变旋转轴线(使其倾斜成正角或负角直到垂直方向)以适应处理过程。驱动件160包括轴160a和160b以及轴承160c至160f。轴160a具有螺旋伞齿轮160g，其与轴160b上的螺旋伞齿轮160h驱动性地啮合。

虽然并未示出，但是可使用为单个模块化单元的工具保持系统。这种模块化单元使用带有螺柱和螺栓紧固件的凹槽，以与轴承壳体16’基本相同的方式紧固。

在图3至图3F中，示出了目前描述的实施方式的内部稳定装置18’，其包括设计为朝向工件的内侧推压耐磨垫172并朝向相对侧推压主轴头20’(参见图1A)的气动(或液压)致动器。这确保了物料去除的一致深度，增加了刚度，并减小了主轴头/工具的振动。稳定装置18’具有壳体150，其可以具有任何适当的横截面形状。带有双O形环密封件的两个活塞174连接/桥接耐磨垫172，并用帽顶螺钉(cap head screw)176锁定在适当的位置。在工作时，耐磨垫172用壳体150(见图3A)和活塞174保持成脊状。在工作过程中的恒定侧力期间，作用距离(actuation distance)非常小，并且耐磨垫172在壳体150中配合良好，以便释放任何应变条件下的活塞174。一旦在活塞174的底座出现零压力情况，那么耐磨垫172就被两个压缩弹簧178拉回。通过转动螺栓182并向下拉弹簧保持架184以增加弹簧178的伸展，由此实现恰当水平的预加载。如果系统被加压时位于工件的孔之外，那么，两个止动销186防止活塞174和耐磨垫172被推离壳体150。将主轴头20’和稳定装置18’紧固在一起的适配板32’还确保交叉钻孔通道准确地对准。图3A示出了用于内部为圆形的工件的内部稳定装置的实例。

弹簧178的一端由销152保持，另一端由销154保持。柱塞156塞住活塞174下方的凹槽158。用于移动活塞174的流体(例如，空气)经由入口161进入。O形环密封件162密封活塞/壳体界面。

螺栓166将适配板32’闩在稳定装置18’上。适配板由容纳在主轴头20’中的螺柱151和其上的螺母167闩在主轴头20’上。流体从延伸管14’的交叉钻孔通道进入入口250，流体进而被引向连接稳定装置18’中所有活塞的通道251以驱动这些活塞。

在本发明的范围内可使用任何稳定装置，这些稳定装置将保持刀头114的恒定深度，减小或消除振动，抵销扭曲(扭转卷拢)和/或保持系统在小张力下以减小自然下垂。

以下参照图4至图12描述长工作距离主轴驱动系统的第二实施方式。除其他差异以外，第二实施方式包括第一实施方式的轴承壳体和稳定组件的变型。

图4示出了长工作距离主轴驱动系统100’、500’的示图。驱动系统包括电动机10、夹具壳体12、延伸管14a至14c、轴承壳体16、稳定装置18和主轴头20。延伸管14a至14c通过轴承壳体16而彼此分开。在图4公开的实施方式中，延伸管14a至14c由电动机延伸管14a、中间延伸管14b和铣削延伸管14c组成。延伸管14a至14c是包围动力轴22a至22c的壳体套筒(见图5)。与延伸管14a至14c的命名法相似，上述动力轴由电动机轴22a、中间轴22b和铣削轴22c组成。虽然，上面描述中公开的实施方式包括三个延伸管14a至14c和轴22a至22c，但是，技术人员将理解的是，本发明不限于这种情况，从而本发明的替代实施方式可包括n个延伸管和轴，并且对于n＞1的情况，本发明进一步包括分隔延伸管和轴的(n-1)个轴承壳体16。

从图5所示的驱动系统的剖面图中可以看到，电动机10具有旋转输出部10a，该旋转输出部具有非圆形恒定横截面并与设置在夹具壳体12内的夹具组件12a中的承座接合。夹具组件12a固定至电动机轴22a的近端，并允许将无振动的且基本非弹性的扭矩从旋转输出部10a传递至电动机轴22a。

图6给出了夹具组件12a的更详细的视图。优选地，使用角度灵活的联接器12b，其包括交替地夹在动力轴22a和夹具12a上的空心薄盘。另外，夹具组件12a可包括机械装置和/或电子装置，以监测并限制传递至电动机轴22a的扭矩。例如，可结合扭矩限制器(未示出)，以防止过载情况，并由此防止对传输线沿线的部件的损坏。

轴22a至22c包括空心圆柱管，并从延伸管14a至14c的孔14d内的夹具组件延伸开。为了角刚度(angular rigidity)的目的，直径要尽可能大，使得上述空心圆柱管能被构造为相对薄壁的管子。在远端处(相对于夹具组件12a而言)，电动机轴22a包括联轴器23(见图7)，其容纳平面轴102的设置在轴承壳体16内的一端。平面轴102具有非圆形横截面并与互补的联轴器23接合，从而它们驱动性地连接，允许在没有滑动的情况下将扭矩从旋转的电动机轴22a传递至平面轴102。在图7公开的实施方式中，平面轴102的端部形成花键，在此处，这些花键与轴22a至22c的端部中的互补槽接合。轴向弓形截面的孔23a将联接器23的在轴102的花键附近的壁变薄。螺纹孔23b与轴向孔23a交叉，并允许平头螺钉(未示出)将变薄的壁夹在平面轴102上，从而消除它们之间的旋转连接中的任何松弛，同时仍保持同心。延伸管的壁中的径向孔允许键进入，以对平头螺钉进行操作。

平面轴102由轴承25支承，以便在轴承壳体16的孔中旋转。轴承保持器可将轴承25保持在适当的位置。密封轴承壳体16，以防止不需要的物料进入其中并干扰其操作。考虑到被支撑的部件的尺寸，轴承较小。然而，这由于两个原因而非常必要。首先，要被轴承吸收的力较小，实质上仅包括动力轴22和平面轴102的重量。第二，大的轴承需要大的预载荷，以接收不可避免的反冲。因此，小轴承能吸收产生的较小的力，其次，其需要较小的预载荷，这意味着其可相对更自由地运转。虽然轴承小，但是，这仅表示体积(bulk)小，而非直径小，直径应尽可能大以保持系统的角刚度。事实上，轴承的直径不应是驱动系统所有部件中最小的。具体地，轴承的直径应大于联接器23的直径，在本实施方式中，联接器23具有最小直径，由此，对于给定的扭矩其最可能扭曲。因此，轴承的外径优选地是至少50mm，外径与内径的差小于10mm。事实上，在一个实施方式中，外径是65mm，且外径与内径的差是15mm。然而，这取决于轴承壳体16的外径D_H，从而，轴承外径D_B与轴承壳体外径D_H的比值R优选地在30％至60％之间。本实例中的轴承壳体具有150mm的外径(R＝0.43)。此外，轴承外径与轴承内径的差(D_B-D_BI)优选地在D_B的10％至30％之间((D_B-D_BI)/D_B＝0.23)。优选地，轴承壳体外径D_H在50mm至200mm之间。当然，这也是管子的孔的内径。管子的长度(L)优选地在2m至5m之间，从而，工具直径与工作距离的比值(D_H/L)在1/100至1/10，优选地在1/60至1/20之间。

轴承壳体16还包括多个接触板24，这些接触板被若干个螺钉26附设至轴承壳体16的外表面。当设置接触板24时，螺钉26的螺钉头深深地位于接触板24的螺钉孔24a内。螺钉26相对于管轴线1径向地布置在螺钉孔24a中。这种布置使得驱动系统的操作员能通过例如研磨而灵活地减小接触板24的厚度，而不会与螺钉26相干涉，因此不影响接触板24与轴承壳体16的固定连接。当微调驱动系统以将工件加工成具有特定内径时，操作员可能希望这样做。当然，类似地，可用垫片填充接触板，以增加其直径。

由平行于管轴线的螺栓30将轴承壳体16固定至延伸管14a至14c。使用者可经由轴承壳体16中的凹槽28接近螺栓30。在用螺钉将接触板24拧紧在适当位置时，凹槽28被接触板24覆盖，从而防止进一步接近螺栓30。

轴承壳体16可进一步包括交叉钻孔形成的孔，这些孔与延伸管14a至14c中的相似通道排成直线。通过延伸管14a至14c和轴承壳体16连接的交叉钻孔通道可用于向主轴头20供应冷却空气，并吹走刀头上的废料，以防止加工过程重复处理废料，这种重复处理将缩减刀头的寿命并增加动力需求。还可以向主轴头20供应润滑剂，以将工作温度保持在可接受的水平，并确保在其工作寿命中提供足够的润滑。电连接件可经过通道到达主轴头20以连接转换器，以便测量由于加工扭矩而引起组件的扭矩/振动或扭转角，或是任何其他形式的头部处需要的电控制。在某些方面中，主轴头20具有适合于主轴速度和扭矩所需要的最优加工需求的输入/输出比。

在图8中，可以看到，铣削延伸管14c通过若干个螺栓34(在图8中仅能看到一个螺栓34)连接至适配板32。使用者经由铣削延伸管14c中的凹槽36可接近螺栓34。在铣削延伸管14c内，铣削轴22c通过另一个角度灵活且轴向灵活(但是径向刚性)的联接器22d连接至工具输入轴38，该联接器与上述的电动机轴22a与电动机输出部10a之间的联接器12b相似。事实上，理想的是，在每个动力轴22与轴承轴102之间均具有一个这样的联接器。工具输入轴38具有非圆形恒定横截面(例如，花键形的)，并接合在铣削轴22c的互补联接器23中，从而上述两个轴38、22c驱动性地连接(如上所述的那样，用平头螺钉和弓形槽(未示出)夹住)。适配板32的内径大于工具输入轴38的外径，但小于铣削延伸管14c的外径。适配板32包括第一区段32a、第二区段32b和第三区段32c。第一区段32a的外径与铣削延伸管14c的外径基本相等。第二区段32b从第一区段32a沿着工具输入轴38的长度延伸，并具有小于第一区段32a的外径。工具输入轴38由两组环形轴承40支承，以便在适配板32的孔内旋转。适配板32具有螺钉33，这些螺钉保持环形轴承40并允许它们如所需要的那样进行预加载。

当装配系统时，将稳定装置18置于第二区段32b上，并由螺栓42a(在图8中仅能看到一个这样的螺栓42a)附设至第一区段32a。垫圈(或垫片)43将稳定装置与第一区段32a分开，并由螺栓42a将其紧密地保持在稳定装置与第一区段之间。一旦稳定装置18附设于适配板32，主轴头20便可安装在剩下的、从稳定装置18伸出的第二区段32b的第三区段32c上。由螺栓42b(在图8中仅能看到一个这样的螺栓42b)将主轴头20附设于稳定装置。使用者可通过稳定装置18的表面中的凹槽44接近螺栓42a、42b。注意，主轴头20仅附设至稳定装置18，并且不直接闩在适配板32上，从而如果没有螺栓42a，那么主轴头20和稳定装置18将相对于适配板32围绕管轴线1自由地共同旋转。

在图8公开的实施方式中，适配板32包括通道46a，该通道将铣削延伸管14c的交叉钻孔通道46b连接至主轴头20的交叉钻孔通道46c。通道46a至46c可由钻孔形成，其中，端部可用密封件47密封，以产生想要的通道路径。该路径包括主轴头20中的、围绕适配板的第三区段32c的圆形槽46d。因此，不管主轴头与适配板围绕工具输入轴38的轴线1的相对旋转方向如何，通道46a都可与通道46c相连。

稳定装置18独立于通道46a至46c的体系。稳定装置用来朝向工件的内侧推压多个球轴承接触48，并朝向相对侧推压主轴头20。这确保了物料去除的一致深度，增加了硬度，并减小了主轴头20和工具的振动。参照图9可更好地理解稳定装置18。

在图9中，球轴承48安装在装载于弹簧52上的承座50中。承座50’被螺钉54保持，并通过平头螺钉51来防止承座50和其中的球轴承48’的径向运动，平头螺钉51选择性地增加承座50’的视厚度。相反地，由于平头螺钉不存在或是从承座50”中的相应孔53收回，因此其余的球轴承48”可与其各自的承座50”在弹簧52上自由地径向移动。理想的是，固定的球轴承48’接触工件的与工具头相对的内侧，以阻止其运动。图9所示的球轴承布置使得：由在工件上工作的刀头所产生的垂直于管轴线1的力从所示的大约10:00位置处被刚性地阻止。

由于以下进一步说明的原因，稳定装置18(也被称为量规装置)在适配板32上围绕轴线1旋转的旋转位置被布置为可无限变化。至少是这种意义：即球轴承接触48可相对于适配板设置在任何(或至少，许多不同的)角方向上。将稳定装置18夹在适配板32上的螺钉42a、42b设置在适配板中的孔中，这些孔设置在四个四分之一圆周处(12:00、03:00、06:00和09:00)。图9的稳定装置18具有七个角度均匀隔开的球轴承接触48，彼此隔开51.4°，这意味着任何球轴承接触48和一个四分之一圆周之间均具有5个不同的角度，即0°、a₁＝51.4°、a₂＝(90-51.4)＝38.6°、a₃＝(2a₁-90)＝12.9°、以及a₄＝(90-a₁-a₃)＝2a₃＝a₁/2＝25.7°。因此，如果稳定装置中的容纳螺钉42a、42b的孔41是弓形的，并且以轴线为中心，并允许12.9°的最小调节量，则可以实现稳定装置相对于适配板32的所有角位置。事实上，在一般情况中，其中有m个螺钉42b和x个球轴承48，那么弓形槽41的最小周向延伸范围p由p＝360°/(f₁(m，x))给出，其中，f₁(m，x)是基于m和x的值的函数，其返回稳定装置18相对于工具头20和其工具支架60的有可能的不同方向的数量。

类似地，n个螺钉42b所穿过的弓形槽41的最小周向延伸范围q取决于多个因素，包括已确定的延伸范围p以及螺钉42a、42b的数量m和n。然而，技术人员能够确定需要什么来实现刀头输出部60相对于适配板32、以及由此相对于端部套筒14的所有角方向，以及需要什么来实现球轴承48相对于刀头输出部60的所有角方向。

下面说明了这些调节可能性存在的原因。然而，现在返回图8，可以看到，工具输入轴38在主轴头20内终止。在输入轴38的终止端，第一螺旋伞齿轮56与工具输出轴60上的互补的第二螺旋伞齿轮58啮合。工具输出轴60平行于工具轴线2设置在主轴头内，并相对于工具输入轴38和管轴线1垂直。第二伞齿轮58由螺钉64和榫钉66固定至工具输出轴60的下端。共同地，螺钉64和榫钉66分别防止伞齿轮58相对于工具输出轴60的不想要的轴向运动和剪切运动。工具输出轴60由两对轴承68a、68b支承在主轴头20内以进行旋转。

工具输出轴60的下端60a设置在主轴头20的下部20a的孔72中。两对轴承68a、68b保持在适当的位置，并通过垫圈和相关的螺钉70a、70b的组来预加载。垫圈70a、70b朝着主轴头20的内凸缘20c的方向将轴承68a、68b的外环挤压在它们之间。内环挤压在输出轴60的凸缘60c、垫片60d及伞齿轮58之间。然而，垫片58a介入并且决定伞齿轮58的轴向位置(相对于工具输出轴60的轴线2)。这是重要的，以使齿轮58与伞齿轮56精确地啮合。事实上，同样地，垫片43的厚度决定了伞齿轮56的轴向位置(相对于工具输入轴38的轴线1)。工具输出轴60具有上端60b，该上端通过主轴头20的上部伸出。上端60b包括用于稳固地容纳刀头并向其传递扭矩的工具主轴62。它们的连接是已知的，因而不需要进一步解释。

参照图10可最佳地理解一种加工工件的内表面74的方法。将工件(空心的钢筒，其形成步进式腔体泵或电动机的定子)插在主轴头20和延伸管14a至14c上。在一个实施方式中，当工件在球轴承48上经过时，球轴承对工件的内表面74进行划刻或使之形成凹痕(indent，凹口)。从而，划痕对于以后工件在球轴承48上经过是有利的，优选地，当工件插入到延伸管14a至14c上时，工件围绕管轴线1旋转。如果这样做的话，划痕将用来在以下进一步说明的后续加工过程中在球轴承48上导引工件，这些划痕形成了球轴承48可重复沿着行进的轨迹。当工件在适当位置中时，工件的长轴线(“工件轴线”)与管轴线1基本同心，并且主轴头20在靠近电动机10的相对端处从工件的开口端伸出。

然后，将浅且宽的第一铣削刀头I(图10)插入工具主轴62并固定在适当的位置，进而接通电动机10。随着刀头I旋转，工具100’、500沿着管轴线1在远离工件的方向上移动，同时工件围绕管轴线1旋转。第一铣削刀头I具有厚度T和宽度W，并且当垂直于工具轴线2观察时，其具有矩形横截面(但是也可以在下面看到)。当工件相对于刀头I移动时，刀头I在内表面74中铣削出螺旋形的槽。在第一次行进(pass)之后，即，当已经移动刀头使得从工件的一端到另一端铣削出槽时，则拆除刀头I，将工件再一次放置在延伸管14a至14c上方，并且在执行第二次行进之前，重新插入钻头I。应该注意，并非必须拆除刀头进而在将工具100’、500重新在工件中定位之后重新插入刀头。相反地，使刀头I沿着在之前铣削操作过程中产生的槽的路线行进，则工具可简单地依照轨迹返回工件上。事实上，在这种情况下，电动机将连续工作以确保刀头不会停止运转。工件可围绕轴线1进行少量的位置变化，以适应两个可能想要的效果。第一个效果可能是，刀头顺着槽切口沿中心移动，需要记住的是，无论动力轴14的扭转刚度是多大，其在加工过程中都将不可避免地会有一些扭曲，将需要在返回途径(此处将没有用于保持刀头于中心处的相应扭曲)上调节上述扭曲。第二个效果可能是确保实际上在返回途径上完成切割。由于这将具有使刀头的边缘变钝的效果，而不仅只是逆着之前铣削的表面摩擦工具，因此可能只是很小的量来确保上述效果。

事实上，原则上，返回路径没有理由不能完全切出新的槽。然而，如果这样布置，那么将需要把支撑元件放置在适当的位置，以保持动力轴14平直并与轴线1同心。当电动机1相对于工件轴向前进时，这些支撑元件将需要是可移动的。在工件附近，支撑元件将需要围绕轴线1延伸360°，以在所有方向上支撑工具头，并确保仅在轴线1的方向上具有一个自由度。然而，铰接蛤壳式(hingedclamshell-type)布置将是一个可能的布置。

上述选项(使刀头顺着其槽重新收回或在相反方向上切割新的槽)仅是为了有效利用时间的目的而建议，而对于本发明来说不是主要的。主要的是，使工具返回至其初始位置，从而使其能够第二次进而更多次地穿过工件。

在第二次行进中，工具I在工件的表面74中铣削出与第一个槽相同的槽，但是处在不同周向位置处。后续的过程产生所需数量的槽和凸起，对于七个球轴承48的支撑来说，将是7个槽。一旦用刀头I执行了所有的行进过程，则用刀头II重复该过程。与刀头I相比，刀头II的厚度和宽度更小，但是能更深地(即，在径向上离轴线1更远)穿透到工件中。用刀头II重复上述过程可使槽深度变深，从而增加槽之间的凸起80的相对高度(见图11)。类似地，用后续的刀头III至V进行进一步的行进过程以去除物料，从而在内表面74中形成阶梯状槽75a。可用适当的成形刀头通过另外的行进过程来去除剩余材料76(图10中的阴影)，以形成最终轮廓78。产生的圆形截面槽78具有(较大的)直径D₁，并且被直径为D₂(较小的)的突出的圆形凸起80外接。事实上，凸起80的轮廓使得直径D₂的圆伸入工件的表面74中，从而在每个凸起80上形成“平的”冠部77。当然，上述冠部实质上并不是平的，而是具有初始的孔74的轮廓。只有在离旋转中心(轴线1)等距这层意义上，才说上述冠部是平的。

虽然可以认为，使用适当的成形刀头的单次行进会产生想要的槽78和凸起80，但是，这种方法将对刀头要求非常高，并将产生大量长切屑，有效去除这些长切屑是有难度的。虽然，图10公开的实施方式使用具有矩形横截面的刀头I至V，但是，技术人员将理解，其他实施方式将包括使用带有不同横截面的刀头来产生期望的轮廓78、80。事实上，也可布置刀头V，以去除其下方的阴影部分，由于为了用足够宽的刀头来去除凸起80附近的三角形物料，刀头将必须旋转得足够快以有效去除这些物料，或旋转地足够慢以去除中心部分(刀头V下方)。

虽然图10示出刀头I至V具有矩形截面且在由每个刀头产生的各个阶梯之间留下连续系带(continuous ligament)76a，但这些都不是优选的。在图10的右侧，刀头I至V的轮廓与左侧轮廓在两个方面上不同。首先，每个刀头的直径W更大，从而它们延伸至最终轮廓78中，并形成了最终轮廓的一部分。下面将解释此效果。其次，每个刀头的拐角不尖锐，而是具有平滑的轮廓，从而在所有刀头I至V行进之后，轮廓75b的内拐角平滑地弯曲。同样，下面进一步解释此效果。

同样，虽然刀头I至V被描述为径向地横过保持架60，并围绕径向横向轴线2旋转，但是有使刀头向后倾斜的情况。这种倾斜的效果是使静止状态点(每个刀头的旋转中心)不与工件接触。因此，尽管工具保持架60被示出为相对于工具头的公共轴线1是径向的，但是，倾斜的话也可能具有一些优点。

事实上，当然要注意，电动机是可变速的，从而使工具以对于正在进行中的任务来说适当的速度旋转。注意，在任何情况下，齿轮56/58都是减速的。这具有一些作用。首先是，其减小了加载在驱动系上直到工具输出轴上的扭矩，从而减小了轴承25上的负载。扭矩减小的结果是扭曲更少，从而动力轴表现得刚度更大，并且减小了扭转振动，这延长了工具寿命。这还意味着伞齿轮56的直径较小，意味着齿轮58能更靠近轴线1并不太可能伸入工件的实心截面中。

图11示出了从工件轴线1向下看的工件300的横截面的实例。可清楚地看到槽78和凸起80。事实上，工件可被预定为形成泥浆电动机或其他步进式腔体机的定子，并且可最终涂覆有弹性材料层302，该弹性材料层缓冲并密封转子(未示出)与定子300之间的接触。在附图的插图中示出了凸起80的局部放大部分。可通过任何方便的手段来附着层302，但目前的程序包括：在施加弹性体之前，沉积一层打底层，随后沉积一层粘合剂。众所周知，实心物体的尖锐外拐角使施加在物体上的液体远离拐角流出，从而在使用粘合剂的情况下，可能出现粘合剂不充足而无法实现这种尖锐边缘处的牢固粘结。同样众所周知的是，尖锐的凹痕导致液体汇集到凹痕中。在使用粘合剂的情况下，这可能具有阻止完全固化或增加粘合剂深度的效果，每一种情况都可能导致无效粘结。另一方面，同样众所周知的是，表面积越大，表面积越粗糙，那么粘结强度就越大。

因此，由于这些原因，弯曲轮廓75b是优选的。此外，虽然每个刀头I至V的底角308是平滑弯曲的，(从而防止粘合剂汇集)，但是该底角也会插入“最终”轮廓78中。这表示在邻近三角形76b处决不会有任何系带76a相连。因此，当最终刀头去除三角形76b时，可避免长切屑颗粒的形成。实际的最终轮廓也可能使弯曲峰点310处在拐角308之间，上述拐角同样没有尖锐到导致粘合剂的损耗。然而，这在以下方面非常重要，由于拐角308，管子的用于粘接至弹性体层302的表面积增加。因此，本发明不仅提供了一种用于形成定子的螺旋通道78的有效方法，还可以在弹性体层附着至其上时提高弹性体层的连接强度。事实上，峰点310和拐角308在凸起80的侧翼(flank)中限定出起伏形状。

图11的插图中还示出了其冠部77中的凹痕304，凹痕304是在工具前后移动通过定子300时，球轴承48的重复轨迹运动中产生。此凹痕在上述加工过程中是重要的。

当工具第一次插入孔中时，工具完成至少一个(可能多个)试验行进(trial pass)，从而球轴承48在孔中加工出凹痕轨迹304。这些凹痕不仅穿透表面77，还在任一侧上型锻出唇缘304a。在知道球轴承48和管子300的材料的硬度以及由弹簧52施加的力的情况下，可基于简单的计算而确定凹痕和唇缘的精确尺寸。然而，更重要地，凹痕和唇缘在抵抗工具扭曲的同时切割出轮廓78。刀头的反作用力相对于轴线1是周向的，因此球轴承必须拱到(ride up)唇缘304a上方从而压缩弹簧52。当然，在唇缘上引起任何运动所需要的力是很大的，从而此效果导致工具的扭转刚度显著增加。

顺便提及，因为凹痕304具有球轴承48的半径，所以当粘合剂施加改变时不会引起粘合剂的汇集。唇缘304a也不会尖锐到引起损耗。因此，这些特征还提高了弹性体层对定子300的孔的粘结强度。

回到图8，主轴头20、稳定装置18和适配板32都可相对于彼此围绕轴线1旋转。此旋转的自由度是这样的，其使得相对于主轴头20和稳定装置18的球轴承48的方向而言，所有结构组合都是可能的。这对于实现工件的最有效的减震和保持是重要的。球轴承48相对于工具结构的方向也是重要的，因为希望球轴承48接触在加工工件的内表面74时产生的凸起80并沿着这些凸起行进。

同样地，适配板32、稳定装置18和主轴头20相对于轴承壳体16的可调节性允许凸起80接触对工件提供支撑的接触板24。优选地，每个接触板24在任一次加工中都与至少两个凸起80接触。图12示出了当工件沿着管轴线1移动同时围绕管轴线1旋转时，凸起80在轴承壳体16的接触板24上方经过的路径72。

在工具的操作中，可能希望刀头能相对于工件以任何角度定向，不必干涉夹具12、12’a。因此，将刀头挤压至一侧，或垂直向上地挤压，有可能最有效地清除切屑。第二，理想地，槽、其节距及其导程的数量都应该可根据最终装置的需求而进行选择，最终装置可以是步进式腔体泵或电动机或其他装置。因此，槽的数量决定了它们之间的凸起的数量，由此决定量规元件48的数量。由于工具和稳定装置18之间不可避免地会有轴向分离，所以稳定装置的角位置必须与螺旋槽的节距和导程紧密相关，当然所述节距和导程由槽的数量(至少在对于节距的情况下)、管子围绕工具的相对旋转速度和工具穿过管子的拉出速度而决定。

替代实施方式可在任何或所有主轴头20、稳定装置18和适配板32上具有刻度，以帮助使用者来建立其想要的结构，这些结构与螺旋槽78的节距P及其导程L(给定槽78的单个完全旋转的长度)相关。

本发明的某些实施方式提供了如下特征中的一个、一些或所有：

a.以一定间隔支撑的刚性支持动力轴；

b.提供支撑以保持动力轴平直的轴承壳体；

c.由于上述a和b而增加的转速；

d.与小直径实心轴相比，增加的轴截面极惯性矩(polar secondmoment of area)；

e.增加的扭矩传递；

f.增大的轴刚度；

g.增加的动力；

h.减小的质量惯性矩；

i.对弯曲和未对准(横向/轴向/角度)的调节；

j.(通过动力轴)适应不同的热膨胀；

k.通过交叉钻孔通道可连接辅助装置；

l.方便地将短区段加工成紧密度公差是可能的，从而确保工件的良好配合并增加刚度，以及降低加工过程中的振动(延长了工具寿命)；

m.易于装配/维修；

n.可沿着工件长度增加或去除区段；

o.内稳定装置减小了振动并增加了切割深度的一致性；以及

p.动力轴具有适应轴向(由热作用导致)和角度(由头部运动和弯曲导致)偏差的灵活性，并能够用来帮助将主轴头设计成具有更小的横截面，从而使主轴头的旋转中心远离PTO的轴线。

总之，因此可以看到本发明和这里公开的实施方式非常适于实现上述目的，并可达到所述目标。在不背离本发明的精神和范围的前提下，可对主题进行某些改变。可以认识到，在本发明的范围内进行改变是可能的，并且可进一步认为，每个元件或步骤均可理解为表示所有等同的元件或步骤。可以认为，不管可能使用什么样的形式，都旨在可尽可能宽地且尽可能合法地覆盖本发明。

在本说明书的描述和权利要求中，词语“包括”和“包含”及其变型，例如“包括了”和“包含了”，表示“包括但不限于”，并不旨在(也不会)排除其他组成部分、增加物、部件、整体或步骤。

在本说明书的描述和权利要求中，单数包括复数，除非在上下文中另外要求。特别地，在使用不确定项的地方，说明书被理解为考虑了复数和单数，除非在上下文中另外要求。

与本发明的特定方面、实施方式或实例结合在一起而描述的特征、整体、特性、混合物、化学组成部分或组均被理解为可应用于这里的描述的任何其他方面、实施方式或实施例，除非与这里描述的内容不兼容。

读者的注意力关注所有与本说明书同时提交或在其之前提交的、与本申请有关的论文和文献，这些论文和文献与本说明书一起供公众审阅，所有这种论文和文献的内容结合于此以供参考。

本说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)、和/或由此公开的任何方法或工艺的所有步骤，能够以任何组合方式组合，除了至少某些这种特征和/或步骤互相排斥的组合方式以外。

本说明书中公开的每个特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)，可被用于相同、等同或相似目的的替代特征替换，除非另外明确说明。因此，除非另外明确说明，否则，公开的每个特征仅是一系列同类的等同或相似特征中的一个实例。

本发明不限于任何上述实施方式的细节。本发明延伸至属于本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新的特征、或任何新的特征组合，或者延伸至由此公开的任何方法或工艺的步骤的任何新的步骤、或任何新的步骤组合。

Claims

1.一种用于加工具有管轴线的管子(300)的内孔的工具(100)，所述工具包括：

a)电动机(10’)，具有带旋转端输出部(126)的壳体；

b)壳体套筒(14’)，具有靠近所述旋转端输出部的第一端以及远离所述旋转端输出部的第二端，所述壳体套筒能够连接至围绕所述输出部的所述电动机的壳体；

c)壳体轴(22’)，设置在所述壳体套筒中，能够连接至所述输出部；

d)第一轴承壳体(16’)，具有靠近所述旋转端输出部的第一端以及远离所述旋转端输出部的第二端、以及一外表面，并且所述第一轴承壳体具有可旋转地轴颈支承的第一主轴(102)，所述第一轴承壳体的第一端能够安装在所述壳体套筒的第二端上，并且所述第一主轴能够驱动性地连接至所述轴；

e)端部套筒(14’)，具有靠近所述旋转端输出部的第一端以及远离所述旋转端输出部的第二端，所述端部套筒在其第一端处能够连接至围绕所述第一主轴的所述第一轴承壳体的第二端；

f)端轴(22’)，设置在所述端部套筒中，所述端轴能够连接至所述第一主轴；

g)工具头(20’)，具有靠近所述旋转端输出部的第一端以及远离所述旋转端输出部的第二端，所述工具头在其第一端处能够连接至围绕所述端轴的所述端部套筒的第二端，并且所述工具头的旋转输入部(38)能够驱动性地连接至所述端轴，所述电动机输出部沿着公共轴线驱动所述壳体轴、第一轴承主轴、端轴和工具头输入部；

h)改变机构(56、58)，位于所述工具头中，以便将所述驱动的方向改变成沿横切所述公共轴线的横向轴线(2)的方向；

i)所述工具头的输出部(60)，适于容纳刀头；

j)量规装置(18’)，设置在所述工具头上，适配成在使用中抵靠在所述管子的孔上，并保持所述工具头相对于所述管轴线径向地定位；

k)刀头(114a)，位于所述工具头输出部上；以及

l)支撑装置(24’)，设置在所述壳体套筒、第一轴承壳体和端部套筒中的一个或多个上，并适配成在使用中抵靠在所述管子的孔上并支撑所述工具。

2.根据权利要求1所述的工具，其中，所述壳体套筒(134)通过所述第一轴承壳体(16’)和至少一个中间套筒(14b)以及至少一个中间轴承壳体(16)而与所述端部套筒(14’)隔开，每个所述中间轴承壳体均具有可旋转地轴颈支承的中间主轴(102)，并且每个中间套筒均具有设置于其中的中间轴(22b)。

3.根据前述权利要求2所述的工具，其中，每个主轴均由轴承(104、106)可旋转地轴颈支承在其轴承壳体内。

4.根据权利要求3所述的工具，其中，所述轴承具有外径(D_B)和内径(D_BI)，并且所述外径与所述内径之间的差(D_B-D_BI)在所述外径的10％至30％之间，且轴承外径(D_B)与轴承壳体外径(D_H)的比值(R)在30％至60％之间。

5.根据前述权利要求1所述的工具，其中，所述支撑装置(24’)包括多个附设至每个轴承壳体的所述外表面的接触板(24)。

6.根据权利要求5所述的工具，其中，从所述接触板的外部到所述公共轴线的径向距离大于从所述轴承壳体的外表面到所述公共轴线的径向距离，并且也大于从每个壳体套筒及端部套筒的外表面到所述公共轴线的径向距离。

7.根据前述权利要求5所述的工具，其中，每个轴承壳体均能够通过其圆柱配合面(122)而安装至所述壳体套筒或端部套筒，并通过轴向设置的螺栓(17、30)固定，经由所述轴承壳体或所述壳体套筒或端部套筒的所述外表面中的凹槽(118、28)能够接近所述螺栓。

8.根据引用权利要求7所述的工具，其中，所述凹槽容纳所述接触板，当所述接触板在所述轴承壳体的所述外表面上被附设在位时，所述接触板封闭所述凹槽，从而使得不能接近所述螺栓。

9.根据前述权利要求1所述的工具，其中，所述轴承壳体、所述套筒和所述工具头均包括交叉钻孔通道(46a、46b、46c)，当

所述工具装配后，所述交叉钻孔通道彼此流体连通。

10.根据权利要求9所述的工具，其中，所述交叉钻孔通道用来将流体供应至所述工具头。

11.根据权利要求10所述的工具，其中，所述流体用来冷却所述工具头。

12.根据权利要求10所述的工具，其中，所述流体被加压，以使在所述工具运转时将废料从所述工具移走。

13.根据权利要求10所述的工具，其中，所述流体是润滑剂。

14.根据权利要求9所述的工具，其中，电连接件穿过所述交叉钻孔通道，以便向设置在所述工具头中的传感装置提供电力。

15.根据权利要求1所述的工具，其中，所述改变机构包括第一伞齿轮(56)和第二伞齿轮(58)；其中，

所述第一伞齿轮(56)围绕所述公共轴线(1)旋转，并能够驱动性地连接至所述旋转输入部(38)，并且，

所述第二伞齿轮(58)与所述第一齿轮啮合并围绕所述横向轴线(2)旋转，所述第二齿轮能够驱动性地连接至所述工具头输出部(60)。

16.根据权利要求15所述的工具，其中，所述工具头包括连接在一起的第一构件(18)和第二构件(20)，并且其中，所述第一伞齿轮(56)可旋转地设置在所述第一构件(18)中，所述第一构件连接至所述端部套筒(14c)，并且其中，所述第二伞齿轮(58)可旋转地设置在所述第二构件(20)中，所述第二构件连接至所述第一构件。

17.根据权利要求16所述的工具，其中，所述横向轴线(2)垂直于所述公共轴线(1)。

18.根据权利要求17所述的工具，其中，通过调节装置能够将所述第一伞齿轮和所述第二伞齿轮的位置在其各自的轴向方向上进行调节。

19.根据权利要求18所述的工具，其中，所述调节装置包括用于每个齿轮的垫片。

20.根据前述权利要求1所述的工具，其中，所述量规装置包括在量规装置壳体(18’)中的耐磨垫(122)和将所述耐磨垫推压在所述管子的孔上的致动器(174)。

21.根据权利要求20所述的工具，其中，所述致动器包括由液压驱动的至少两个活塞(174)。

22.根据权利要求21所述的工具，其中，所述耐磨垫被至少一个压缩/张力弹簧(178)拉回。

23.根据权利要求20所述的工具，其中，所述量规装置设置在所述工具头的远离所述端部套筒的一端上。

24.根据权利要求1所述的工具，其中，所述量规装置包括量规装置壳体(18)和位于所述量规装置壳体内部的多个量规元件(48”)，每个元件均是设置在承座(50)中的球轴承(48)的形式，所述承座夹持在所述量规装置壳体中。

25.根据权利要求24所述的工具，其中，至少一个量规元件将其球轴承可弹性位移地安装在弹簧(52)上，所述弹簧设置在所述承座内，并能够径向移动，其余的所述球轴承是径向静止的。

26.根据权利要求25所述的工具，其中，所述径向静止的球轴承经由容纳所述球轴承的杯状物(50”)也装载在弹簧上，所述径向静止的球轴承通过设置在所述杯状物中的平头螺钉(51)来防止径向移动。

27.根据权利要求26所述的工具，其中，所述元件都具有相同的结构，并且能够径向移动的所述球轴承利用所述平头螺钉在所述杯状物中的布置而能够径向移动，所述平头螺钉改变所述杯状物在所述量规装置壳体中的有效深度，从而它们能够被所述承座选择性地夹持在所述量规装置壳体的底部，以使所选择的球轴承静止。

28.根据权利要求25所述的工具，其中，当所述工具运转时，一个或多个所述径向静止的球轴承接触所述管子的与所述刀头相对的所述孔。

29.根据权利要求28所述的工具，其中，所述量规装置(18)设置在所述端部套筒(14c)和所述工具头(20)中间，或设置在所述端部套筒和所述工具头输出部之间的所述工具头上。

30.根据权利要求29所述的工具，其中，所述工具头包括具有所述工具头输出部(60)的工具板(20)和能够连接至所述端部套筒的适配板(32)，所述工具板和适配板能够围绕所述公共轴线相对于彼此在多个角位置中连接在一起，并且所述量规装置壳体具有设置在所述适配板上的套筒(18)的形式。

31.根据权利要求30所述的工具，其中，所述量规装置由数量为m的多个螺钉(42a)紧固在所述适配板上，这些螺钉穿过在所述量规装置壳体的第一表面中的、最小周向延伸范围为p°的弓形槽(44)，每个所述螺钉相对于所述公共轴线与下一个螺钉沿圆周隔开(360/m)°。

32.根据权利要求31所述的工具，其中，所述量规装置(18)被布置成使得所述球轴承总体上能够相对于所述适配板(32)设置在任何角方向上。

33.根据权利要求32所述的工具，其中，所述布置包括在所述第一表面中的所述弓形槽(44)的延伸范围和围绕所述量规装置壳体的所述量规元件(48”)的角度设置。

34.根据权利要求33所述的工具，其中，具有围绕所述量规装置壳体均匀隔开的x个量规元件(48”)，并且其中，所述布置是，由p＝(360/f₁(m，x))°给出所述第一表面中的所述弓形槽(44)的最小周向延伸范围，其中，f₁(m，x)是m和x的函数，在给出m个螺钉(42a)和x个量规元件的条件下，该函数给出了所述量规元件相对于所述适配板的不同方向的数量。

35.根据权利要求34所述的工具，其中，所述量规装置包括围绕所述公共轴线均匀隔开的七个量规元件(48”)和穿过所述第一凸缘的四个螺钉，从而每个所述弓形槽(44)的周向延伸范围至少是12.9°。

36.根据权利要求30所述的工具，其中，所述量规装置由数量为n的多个螺钉(42b)紧固在所述工具板上，这些螺钉穿过在所述量规装置壳体的第二表面中的、最小周向延伸范围为q°的弓形槽(41)，每个所述螺钉相对于所述公共轴线与下一个螺钉沿圆周隔开(360/n)°。

37.根据权利要求36所述的工具，其中，所述量规装置被布置成使得所述工具板(20)能够相对于所述适配板(32)设置在任何角方向上。

38.根据权利要求37所述的工具，其中，所述布置包括在所述第一表面和第二表面中的所述周向槽的延伸范围和螺钉的数量。

39.根据权利要求38所述的工具，其中，在所述第一凸缘和第二凸缘中的所述周向槽的延伸范围是相同的。

40.一种使用根据前述权利要求中任一项所述的工具加工管子(300)的内孔的方法，所述方法包括步骤：

i)装配所述工具(100)；

ii)将所述工具设置在所述管子的孔(74)中，将所述管子布置成使得当所述工具设置于其中时，所述量规装置(18’)抵靠在所述管子的孔上，并且保持所述工具头相对于所述管轴线(1)径向地定位，并且使所述支撑装置(24’)抵靠在所述管子的孔上并且支撑所述工具；

iii)将所述刀头设置在所述工具头输出部(60)上；

iv)操作所述电动机并驱动所述工具穿过所述管子，从而使所述刀头在所述管子的孔上工作。

41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述刀头是铣削刀头选集中的一个，所述选集中的每个所述刀头均具有用来在所述管子内部加工槽(78)的不同尺寸，每个槽均由相应的凸起(80)隔开。

42.根据权利要求41所述的方法，其中，由所述选集中的每个刀头在一系列加工行进中加工所述孔。

43.根据权利要求41所述的方法，其中，由所述选集中的每个刀头从所述孔中铣削出多条平行槽。

44.根据权利要求43所述的方法，其中，当所述刀头在所述孔(74)上进行加工时，所述管子(300)相对于所述工具旋转并轴向地移动。

45.根据权利要求44所述的方法，其中，当插入所述工具时所述管子旋转，从而所述平行槽形成螺旋状轨迹。

46.根据权利要求41所述的方法，其中，在步骤iii)之前执行步骤ii)，步骤ii)进一步包括所述工具头穿过所述管子的端部伸出并超过该端部，并且在步骤iv)期间，将所述工具穿过所述管子而收回，以使其在张力下运转。

47.根据权利要求46所述的方法，其中，所述量规装置被布置成使得当所述工具运转时，所述球轴承(48)位于所述孔的所述凸起(80)上。

48.根据权利要求47所述的方法，其中，在步骤ii)期间，当所述管子被定位在所述工具上时，所述球轴承划刻所述管子的孔，从而在所述凸起上形成轨迹(304)，所述凸起随后在步骤iv)期间形成。

49.根据权利要求48所述的方法，其中，当插入所述工具时所述管子旋转，从而所述划刻形成螺旋状轨迹。

50.根据权利要求41所述的方法，在步进式腔体泵或电动机的定子的制造中使用。

51.根据权利要求50所述的方法，

其中，所述刀头是铣削刀头选集中的一个，所述选集中的每个所述刀头均具有用来在所述管子内部加工槽的不同尺寸，每个槽均由相应的凸起隔开；

其中，由所述选集中的每个刀头在一系列加工行进中加工所述孔；

其中，由所述选集中的每个刀头从所述孔中铣削出多条平行槽；

其中，当所述刀头在所述孔上进行加工时，所述管子旋转并轴向地移动；并且

其中，所述选集中的铣削刀头的径向延伸范围逐渐增加而周向延伸范围逐渐减小，由此在所述定子中形成了步进式螺旋状槽，最终的铣削刀头包括成形钻头，从而使所述定子具有正弦截面轮廓。

52.一种用于泥浆电动机的、或用于步进式腔体机的、或用于步进式腔体泵的定子，其中所述定子包括具有内孔的管子，该内孔由根据权利要求50或51所述的方法制造，或由根据权利要求1至39中任一项所述的工具制造。

53.一种用于泥浆电动机的、或用于步进式腔体机的定子，包括具有正弦内轮廓的管子，所述内轮廓包括由根据权利要求51中所述的方法制成的凸起和槽，其中，所述凸起的冠部形成凹痕，在所述内轮廓上形成弹性体层。

54.根据权利要求53所述的定子，还包括位于所述凸起的侧翼中的起伏形状。