CN116833818B - 一种主轴用气封环喷机构 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种主轴用气封环喷机构，包括本体部和喷嘴，本体部呈环状结构；本体部包括沿厚度方向相对设置的第一端面和第二端面，各喷嘴沿周向布置于第一端面，第二端面设有介质入口和气体入口，本体部沿周向设有多个喷气孔；本体部内设有沿周向布置的第一环形腔和第二环形腔，第一环形腔分别与介质入口及喷嘴连通，第二环形腔分别与气体入口及喷气孔连通，并且，由各喷气孔喷出的气体能够形成风幕。该主轴用气封环喷机构能够有效防止异物进入转轴的轴承内部，同时能够向刀具和工件之间喷射冷却介质以进行冷却、润滑和清理，简化整体结构和加工工序、降低装配要求。

Description

一种主轴用气封环喷机构

技术领域

本发明涉及数控机床主轴领域，具体涉及一种主轴用气封环喷机构。

背景技术

数控机床的主轴部件主要用于切削加工，所处环境有切削液、切削油、铁屑、粉末等，为保护主轴内部轴承不受污染，需要在主轴端部设计密封结构，防止外部介质进入轴承内部。现有的主轴密封形式主要为气封，气封是利用高速压缩空气形成风幕，通过风幕封堵旋转件与静止件之间的间隙，防止异物进入轴承内部。

主轴用于切削时需要通过冷却介质对刀具和工件之间进行冷却、润滑和清理，通过设置环喷机构喷射冷却介质时，将环喷机构安装于主轴，则需要设置相应的密封和安装结构，导致整体结构复杂且占用过多的设计空间、装配要求较高。

因此，如何有效防止异物进入转轴的轴承内部，同时能够向刀具和工件之间喷射冷却介质以进行冷却、润滑和清理，简化整体结构和加工工序、降低装配要求，是本领域技术人员所需要解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种主轴用气封环喷机构，能够有效防止异物进入转轴的轴承内部，同时能够向刀具和工件之间喷射冷却介质以进行冷却、润滑和清理，简化整体结构和加工工序、降低装配要求。

为解决上述技术问题，本申请提供一种主轴用气封环喷机构，包括本体部和喷嘴，所述本体部呈环状结构；所述本体部包括沿厚度方向相对设置的第一端面和第二端面，各所述喷嘴沿周向布置于所述第一端面，所述第二端面设有介质入口和气体入口，所述本体部沿周向设有多个喷气孔；所述本体部内设有沿周向布置的第一环形腔和第二环形腔，所述第一环形腔分别与所述介质入口及所述喷嘴连通，所述第二环形腔分别与所述气体入口及所述喷气孔连通，并且，由各所述喷气孔喷出的气体能够形成风幕。

可选地，所述喷气孔的出口的轴线与所述本体部的轴线之间的夹角大于等于0°且小于90°，所述喷气孔的出口朝向第一端面的一侧。

可选地，所述本体部设有至少两组所述喷气孔，每一组的各所述喷气孔分别沿所述本体部的周向均匀间隔设置，且每一组所述喷气孔喷出的气体能够分别形成一道风幕。

可选地，至少一组所述喷气孔开设于所述第一端面，至少一组所述喷气孔开设于所述本体部的内周壁。

可选地，所述第二端面设有多个沿周向均匀间隔布置的所述气体入口，各所述气体入口分别与所述第二环形腔连通。

可选地，所述第二环形腔包括第一层腔和第二层腔，所述第一层腔与所述气体入口连通，所述第二层腔与各所述喷气孔连通，所述第一层腔和所述第二层腔之间通过多个沿周向均匀间隔布置的通气孔连通。

可选地，所述第二环形腔还包括连通于所述第一层腔和所述第二层腔之间的至少一层第三层腔，所述第三层腔与所述第一层腔之间、所述第三层腔和所述第二层腔之间以及相邻两层所述第三层腔之间，分别通过一组沿周向均匀间隔布置的多个通气孔连通。

可选地，沿气体流通方向，位于下游侧的一组通气孔的数量不少于位于上游侧的一组通气孔的数量。

可选地，由所述介质入口通入所述第一环形腔内的介质，能够由所述喷嘴喷出，所述介质为气态介质或液态介质。

可选地，所述本体部通过3D打印或铸造一体成型。

本申请所提供的主轴用气封环喷机构包括如下有益效果：

由介质入口通入的介质会进入第一环形腔内，并由第一环形腔分配至各喷嘴，最终由喷嘴喷出。介质可以是液态介质也可以是气态介质，在此不做具体限制。由喷嘴喷出的液态介质能够在加工过程中，对刀具和工件进行冷却、润滑和清理，以对刀具进行防护，而由喷嘴喷出的气态介质能够在加工过程中，对刀具和工件进行冷却和清理。介质入口仅有一个，方便对其进行密封，装配工艺简单。

由气体入口通入的气体会进入第二环形腔内，并由第二环形腔流动分配至各喷气孔，最终由喷气孔喷出后，能够形成风幕。风幕能够对主轴的端部进行密封，防止加工过程中产生的切削液、切削油、铁屑、粉末等异物进入主轴的轴承内，从而能够在加工过程中，对主轴的轴承提供防护。

由于喷气孔的数量为多个，并沿本体部的周向布置，相较于通过单孔吹气形成的风幕来说，能够有效提高该风幕的均匀性和密封性。

该主轴用气封环喷机构，能够集成密封和环喷于一体，保证均匀、良好的密封性的同时，还能够向刀具和产品喷射冷却介质，以实现冷却、润滑和清洁，集成度高，可简化整体结构、减小整体体积、降低安装要求，提高安装效率。

第一环形腔、第二环形腔、介质入口、气体入口、喷气孔可一体成型于本体部，具体可通过3D打印、铸造等方法制作本体部，可简化加工操作、降低加工难度，进而降低成本。

附图说明

图1是本申请实施例所提供的主轴用气封环喷机构的结构示意图；

图2是图1中本体部朝向第二端面的一侧的结构示意图；

图3是图2的俯视图；

图4是图3中的A-A剖视图；

图5是第二环形腔包括第一层腔和第二层腔时本体部的剖视图。

图1-图5中，附图标记说明如下：

10本体部；20喷嘴；

1第一端面，11安装槽，12通孔，13环形凸起；

2第二端面，21介质入口，22气体入口；

3第一环形腔；

4第二环形腔，41第一层腔，42第二层腔，43通气孔；

5喷气孔，51第一喷孔，52第二喷孔；

6内周壁；

7安装孔。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步的详细说明。

本申请实施例提供了一种主轴用气封环喷机构，如图1和图2所示，该主轴用气封环喷机构包括本体部10和喷嘴20，其中，本体部10呈环状结构，并用于与主轴的端部固定。

本体部10包括沿厚度方向相对设置的第一端面1和第二端面2，其中，各喷嘴20沿周向布置于第一端面1，第二端面2设有介质入口21和气体入口22，介质入口21可通过管路与外部冷却介质连通，气体入口22可通过管路与外部气源连通，本体部10沿周向还间隔设置有多个喷气孔5。

将该本体部10安装于主轴的端部时，第一端面1位于远离主轴的一侧，第二端面2位于朝向主轴的一侧。

本体部10内设有沿周向布置的第二环形腔4和第一环形腔3，不难理解，第二环形腔4和第一环形腔3是指沿本体部10的周向布置的环形腔体，其中，第一环形腔3分别与介质入口21以及喷嘴20连通，第二环形腔4分别与气体入口22及喷气孔5连通。

由介质入口21通入的介质会进入第一环形腔3内，并由第一环形腔3分配至各喷嘴20，最终由喷嘴20喷出。本实施例中，介质可以是液态介质也可以是气态介质，在此不做具体限制。由喷嘴20喷出的液态介质能够在加工过程中，对刀具和工件进行冷却、润滑和清理，以对刀具进行防护，而由喷嘴20喷出的气态介质能够在加工过程中，对刀具和工件进行冷却和清理。介质入口21仅有一个，方便对其进行密封，装配工艺简单。

由气体入口22通入的气体会进入第二环形腔4内，并由第二环形腔4流动分配至各喷气孔5，最终由喷气孔5喷出后，能够形成风幕。风幕能够对主轴的端部进行密封，防止加工过程中产生的切削液、切削油、铁屑、粉末等异物进入主轴的轴承内，从而能够在加工过程中，对主轴的轴承提供防护。

由于喷气孔5的数量为多个，并沿本体部10的周向布置，相较于通过单孔吹气形成的风幕来说，能够有效提高该风幕的均匀性和密封性。

本实施例所提供的主轴用气封环喷机构，能够集成密封和环喷于一体，保证均匀、良好的密封性的同时，还能够向刀具和产品喷射冷却介质，以实现冷却、润滑和清洁，集成度高，可简化整体结构、减小整体体积、降低安装要求，提高安装效率。

第一环形腔3、第二环形腔4、介质入口21、气体入口22、喷气孔5可一体成型于本体部10，具体可通过3D打印、铸造等方法制作本体部10，可简化加工操作、降低加工难度，进而降低成本。

在本实施例中，各喷气孔5的出口的轴线与本体部10的轴线之间的夹角都是大于等于0°且小于90°，如45°、60°等，喷气孔5的出口大致朝向第一端面1的一侧设置，即朝向远离主轴的一侧设置。具体的，喷气孔5的轴线可以是直线也可以是具有折弯的结构，此处所述的夹角是指喷气孔5的出口的轴线与本体部10的轴线之间的夹角。如此设置，由各喷气孔5喷出的气体流动方向是向远离主轴的一侧，能够通过风幕阻挡外部异物进入的同时，还能够通过气体吹走异物。

如图1所示，本体部10设置有两组喷气孔5，每一组都设置有多个沿周向均匀间隔布置的喷气孔5，每个喷气孔5都分别与第二环形腔4连通，且每一组喷气孔5都能形成一道风幕，并形成一道密封。也就是说，该主轴用气封环喷机构，能够在主轴的端部形成两道风幕，密封效果更可靠。

如图1以及图4和图5所示，一组喷气孔5开设于第一端面1，并形成第一喷孔51，另一组喷气孔5开设于本体部10的内周壁6，并形成第二喷孔52，其中，内周壁6是指本体部10的中心孔的周壁，如此设置，便于两组喷气孔5的布置。当然，也可以将多组喷气孔5设于第一端面1和内周壁6上，在此不做具体限制。

由第一喷孔51喷出的气体形成的第一风幕与本体部10的轴线之间的夹角为第一夹角，由第二喷孔52喷出的气体形成的第二风幕与本体部10的轴线之间的夹角为第二夹角，第一夹角不大于第二夹角，如此设置，保证两组风幕独立且互不干涉。

本实施例中，第一端面1是指本体部10远离主轴的一侧，可以是平面结构也可以设置有凸起结构，如图4和图5所示，为便于安装并保证密封效果，第一端面1还设置有环形凸起13，该环形凸起13沿本体部10的内缘周向设置，第一喷孔51设于该环形凸起13，或者也可以直接将第一喷孔51设置在第一端面1未凸出的结构均可。

不难理解，为避免有喷嘴20喷出的水或气体对风幕造成影响，沿本体部10的径向方向，喷嘴20位于喷气孔5的外侧，如图4和图5所示，第一环形腔3位于第二环形腔4的外侧，如此设置，方便第一环形腔3与喷嘴20连通、第二环形腔4与喷气孔5连通，简化整体结构。

为保证通入第二环形腔4内的气体能够沿周向均匀地通入各喷气孔5，避免靠近气体入口22处的气体压力较大，远离气体入口22处的气体压力较小，保证由喷气孔5喷出的气体所形成的风幕的均匀性和密封性，本实施例中，提供如下三种方法：

第一种方法，如图2-图4所示，第二端面2设置有多个气体入口22，各气体入口22分别与第二环形腔4连通，并且各气体入口22沿周向均匀间隔布置；

第二种方法，如图5所示，第二环形腔4包括第一层腔41和第二层腔42，第一层腔41和第二层腔42都是沿本体部10周向布置的环形腔，其中，第一层腔41与气体入口22连通，第二层腔42与各喷气孔5连通，并且第一层腔41和第二层腔42之间通过多个通气孔43连通，各通气孔43沿周向均匀间隔布置；

第三种方法，是将上述第一种方法和第二种方法结合，第二端面2设置有多个气体入口22，并且第二环形腔4包括第一层腔41和第二层腔42。

上述第一种方法中，多个气体入口22分别通过进气管路与气源连通，气源分别向各气体入口22均匀供气，由各气体入口22同时向第二环形腔4内供气，使得第二环形腔4内的气体分布均匀，第二环形腔4能够向各喷气孔5分配等量的气体，使得由各喷气孔5喷出的气体均匀，保证形成的风幕的均匀性和密封性。

第二种方法中，气体入口22可仅有一个，与第一层腔41连通，由气体入口22进入第一层腔41内的气体能够分别沿多个通气孔43进入第二层腔42内，通过第二层腔42向各喷气孔5再分配气体，由于各通气孔43沿本体部10的周向均匀布置，因此，气体在由第一层腔41经过通气孔43进入第二层腔42内时，能够保证第二层腔42内的气体分布均匀，使得第二层腔42能够向各喷气孔5分配等量的气体，进而保证形成风幕的均匀性和密封性。

当然，本实施例中，为进一步保证第二层腔42内的气体分布的均匀性，还可以在第一层腔41和第二层腔42之间连通设置有第三层腔，该第三层腔与第一层腔41之间，以及第三层腔和第二层腔42之间分别通过多个通气孔43连通，也就是说，第一层腔41和第三层腔之间有一组通气孔43，第三层腔和第二层腔42之间有一组通气孔43，每一组的多个通气孔43都是沿周向均匀间隔布置的。

具体的，第三层腔可以仅有一个也可以有两个或更多个均可，当第三层腔的数量为两个或两个以上时，相邻两个第三层腔之间也通过多个沿周向均匀间隔布置的通气孔43连通。不难理解，第三层腔的数量越多，第二层腔42内气体分布均匀性就越好，由第二层腔42向各喷气孔5喷出的气体越均匀。具体的，是否设置第三层腔，以及第三层腔的数量可根据实际情况设置即可。

并且，当设置有第三层腔时，通气孔43至少有两组，沿气体流通方向，位于下游侧（指朝向喷气孔5的一侧）的一组中通气孔43的数量不少于位于上游侧（指朝向气体入口22的一侧）的一组中通气孔43的数量。如此设置，以保证位于气体下游侧的层腔内的气体均布效果更好。

该第二种方法仅通过一个气体入口22与外部气源连通，能够简化与外部气源之间的连接。

各层腔（包括第一层腔41、第三层腔和第二层腔42）通过通气孔43连通，具体的，对于各层腔的布置不做限制，如图5所示，各层腔依次沿本体部10的厚度方向层叠布置，或者，各层腔沿本体部10的径向方向布置，或者，还可以是部分层腔沿本体部10的厚度方向层叠布置，部分层腔沿本体部10的径向方向布置均可。

第三种方法集成上述两种方法，进一步确保由第二层腔42向各喷气孔5喷出的气体均匀。该第三种方法可参考上述第一种方法和第二种方法的描述，为避免重复，在此不再赘述。

如图1、图4和图5所示，第一端面1沿周向设置有多个安装槽11，安装槽11的槽底与第一环形腔3连通的通孔12，各喷嘴20分别对应安装于安装槽11内，第一环形腔3能够通过通孔12与安装于安装槽11内的喷嘴20连通，并向喷嘴20提供冷却介质。安装槽11的设置方便对喷嘴20进行安装操作，保证喷嘴20的安装稳定性，并且便于喷嘴20与第一环形腔3之间的连通。

本实施例中，对于各环形腔，如第一环形腔3、第二环形腔4（包括第一层腔41、第二层腔42、第三层腔）的截面的大小和形状均不作限制，各环形腔的截面大小可根据实际冷却介质及气体的需求情况设置即可，各环形腔的截面形状可以是相同也可以不同，如圆形、四边形、三角形、多边形、不规则形状等中的一种或多种组合均可。同样的，各孔结构的截面大小和形状也不做限制。

如图1-图3所示，本体部10沿周向贯穿设置有多个安装孔7，具体的，该本体部10通过穿过安装孔7的螺栓与主轴的端部连接固定，安装方便。或者，还可以是本体部10设置有法兰部，通过法兰部与主轴固定均可。

具体的，本体部10的成型工艺包括如下步骤：

S1：通过一体成型技术制备本体部10；

S2：通过流体清洗各环形腔和孔结构；

S3：粗车加工面；

S4：铣加工安装孔7；

S5：精车加工面；

S6：粗磨加工面；

S7：精磨加工面。

其中，步骤S1中，一体成型技术可以是3D打印、铸造等技术，制备本体部10的毛坯件。

步骤S2中，各环形腔包括一体成型于本体部10的第一环形腔3、第二环形腔4（第一层腔41、第二层腔42、第三层腔以及连通孔12），孔结构包括介质入口21、气体入口22、喷气孔5以及设于安装槽11底部的通孔12等。

加工面可以是第二端面2的表面也可以是法兰部的法兰面均可。

以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种主轴用气封环喷机构，其特征在于，包括本体部（10）和喷嘴（20），所述本体部（10）呈环状结构；

所述本体部（10）包括沿厚度方向相对设置的第一端面（1）和第二端面（2），各所述喷嘴（20）沿周向布置于所述第一端面（1），所述第二端面（2）设有介质入口（21）和气体入口（22），所述本体部（10）沿周向设有多个喷气孔（5）；

所述本体部（10）内设有沿周向布置的第一环形腔（3）和第二环形腔（4），所述第一环形腔（3）分别与所述介质入口（21）及所述喷嘴（20）连通，所述第二环形腔（4）分别与所述气体入口（22）及所述喷气孔（5）连通，并且，由各所述喷气孔（5）喷出的气体能够形成风幕；

所述本体部（10）设有至少两组所述喷气孔（5），每一组的各所述喷气孔（5）分别沿所述本体部（10）的周向均匀间隔设置，且每一组所述喷气孔（5）喷出的气体能够分别形成一道风幕；

每个所述喷气孔（5）都分别与所述第二环形腔（4）连通；

至少一组所述喷气孔（5）开设于所述第一端面（1），至少一组所述喷气孔（5）开设于所述本体部（10）的内周壁（6）；

沿所述本体部（10）的径向方向，所述喷嘴（20）位于所述喷气孔（5）的外侧。

2.根据权利要求1所述的主轴用气封环喷机构，其特征在于，所述喷气孔（5）的出口的轴线与所述本体部（10）的轴线之间的夹角大于等于0°且小于90°，所述喷气孔（5）的出口朝向第一端面（1）的一侧。

3.根据权利要求1所述的主轴用气封环喷机构，其特征在于，所述第二端面（2）设有多个沿周向均匀间隔布置的所述气体入口（22），各所述气体入口（22）分别与所述第二环形腔（4）连通。

4.根据权利要求1-3任一项所述的主轴用气封环喷机构，其特征在于，所述第二环形腔（4）包括第一层腔（41）和第二层腔（42），所述第一层腔（41）与所述气体入口（22）连通，所述第二层腔（42）与各所述喷气孔（5）连通，所述第一层腔（41）和所述第二层腔（42）之间通过多个沿周向均匀间隔布置的通气孔（43）连通。

5.根据权利要求4所述的主轴用气封环喷机构，其特征在于，所述第二环形腔（4）还包括连通于所述第一层腔（41）和所述第二层腔（42）之间的至少一层第三层腔，所述第三层腔与所述第一层腔（41）之间、所述第三层腔和所述第二层腔（42）之间以及相邻两层所述第三层腔之间，分别通过一组沿周向均匀间隔布置的多个通气孔（43）连通。

6.根据权利要求5所述的主轴用气封环喷机构，其特征在于，沿气体流通方向，位于下游侧的一组通气孔（43）的数量不少于位于上游侧的一组通气孔（43）的数量。

7.根据权利要求1-3任一项所述的主轴用气封环喷机构，其特征在于，由所述介质入口（21）通入所述第一环形腔（3）内的介质，能够由所述喷嘴（20）喷出，所述介质为气态介质或液态介质。

8.根据权利要求1-3任一项所述的主轴用气封环喷机构，其特征在于，所述本体部通过3D打印或铸造一体成型。