CN2500430Y - 高速气动主轴头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种以蜗轮驱动并由气体轴承支承的用于加工精密小孔和微孔的高速气动主轴头,它具有自动调节装置——调速器,以及由涡轮上的径向孔构成的气压传感装置。调速器为一种灵敏的气动式装置,蜗轮上的传感装置将负荷引起的转速变化感应为真空度信号,调速器按真空度信号控制进气阀调节蜗轮供气压力。由于本实用新型公开的高速气动主轴头具有随负荷自动调节供气压力的特点,因而主轴头具有硬机械特性,并可充分利用气源压力,使有效扭矩和功率大为增加。

Description

高速气动主轴头

一、技术领域

本实用新型属于一种由空气涡轮驱动的高速气动主轴头，尤其是适用于加工精密小孔和微孔的高速气动主轴头。

二、背景技术

高速气动主轴头由于采用了以气体轴承为轴承的空气涡轮主轴，具有转速高、回转精度高、振动小、寿命长，以及工作温度低和调速简便等其他主轴头往往不都具有的这些特点，因而能满足精密小孔和微孔加工对主轴头提出的一系列要求。但是现行高速气动主轴头显著不足的是机械特性软，加载时主转转速将急剧降落，涡轮的驱动扭矩几乎不随转速而变化，因此严重地影响加工效率和质量，从而限制了对它的广泛应用。在国内，目前制造的高速气动磨头(风动磨头)，其基本结构大致相同，已有每分钟从数万转至十几万转的不同型号，被用于对薄壁小孔和小尺寸内锥面进行间断磨削，但由于机械特性软，对一般小孔的连续磨削尚不能进行，而需要采用高频电动磨头。由本专利申请人于1978年设计的高速风动台钻(型号为GFZ，现有专业厂家生产)，首先应用于燃油喷射装置喷孔加工。由于钻削这样的喷孔所需扭矩小，因此机械特性问题还不突出，但随着使用范围的扩大，仍存在上述机械特性问题。在国外，例如在日本，已将TPF型空气涡轮主轴头用于小孔和微孔的加工，并已系列化生产。但这种主轴头即使在加工微孔时，主轴也往往发生扭矩不足的问题(铃木荣二等：超高速微孔加工，《機械工具》1983年第4期64-70页)。

现行的高速气动主轴头结构都局限于用简单阀门来改变涡轮的供气压力，以确定所需转速，在确定转速下进气阀开启状态不变，供气压力不变。显然，就主轴而言，空转状态时涡轮驱动力矩与主轴内阻力矩保持平衡，而加载时依靠转速下降，内阻力矩减小来达到平衡，但以内阻的变化增大力矩是有限的，因此机械特性软，有效扭矩和功率小。为了改变高速气动主轴的机械特性，在负荷条件下保持主轴转速稳定，有效的办法是利用某些动力机械的工作方式，例如内燃机燃油喷射油量调节的类似方法，使涡轮供气压力(供气量)随负荷而变化，即负荷增加，供气压力增高，从而实现供气压力随负荷自动调节。

三、发明内容

针对已有技术的上述不足，本实用新型的目的是通过改变供气特性提供一种具有硬机械特性且有效扭矩和功率显著提高的高速气动主轴头，以满足加工精密小孔和微孔的要求。

为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

高速气动主轴头包括有轴头体、轴承、主轴、涡沦、进气阀和气体流道，涡轮固置在主轴上，主轴通过轴承安置在轴头体内，涡轮位于轴头体内的涡轮室内，其特征在于还设计有转速传感装置与转速自动调节装置，传感装置与调节装置相连，调节装置的输出端与进气阀可控制阀芯开启度地相联。

为了更好地实现上述目的，本实用新型还进一步采取了以下技术措施：

在上述所说的涡轮室内，在涡轮切向喷孔的喷气方向设计有消声器。

在上述所说的轴头体总排气口处设计有消声器。所说的消声器由多孔烧结材料结构环构成。

上述所说的涡轮为气流反冲式涡轮，由位于涡轮圆周上的切向喷孔、位于涡轮中央的进气室和将切向喷孔与进气室沟通的流道构成。

上述所说的轴承为气体悬浮轴承。

上述所说的转速传感装置为气压式转速传感装置，由涡轮上的径向孔和与调节装置相连接的气压传感通道构成，径向孔和气压传感通道均与有气体泄漏的结构间隙相通，径向孔的另一端与气体排出口相通。

上述所说的转速自动调节装置为气动式转速自动调节装置，由装置壳体、前膜片、后膜片、球阀、调速弹簧和调速手轮构成，装置壳体与前后膜片构成四个相互隔开的腔室，球阀位于前后膜片之间，前膜片与进气阀的阀杆联接，调速弹簧的两端分别与后膜片和调速手轮联接，前膜片的前后腔室分别与进气阀后面和前面的气体流道相通，后膜片的前后腔室分别与大气和气压式传感装置的气压传感通道相通。

上述所说的调速弹簧为组合弹簧，由分别套置在一起的圆柱内弹簧、中弹簧和外弹簧构成。

上述所说的前膜片的后腔室通过节流器与进气阀前面的气体流道相通。

上述所说的后膜片前腔室还没置有与调速弹簧作用相反的作用于后膜片的背弹簧。

本实用新型还采取了其他一些技术措施，实施例对这些技术措施有详细描述。

本实用新型由于采取了新的技术方案和多方面的技术措施，与现有技术相比其优点和积极效果是显著的，主要体现在以下方面：

1.本实用新型所提供的高速气动主轴头具有特有的自动调节装置——调速器和主轴头结构，保证了涡轮供气压力随负荷自动调节，这样的供气特性使该主轴头具有硬机械特性。调速器特有的巧妙结构，使调速器灵敏度高、稳定性好，可获得小的调速率。所述的供气特性也使该主轴头可在宽广的调速范围内充分利用气源供气压力，比现行同类主轴头有大得多的有效扭矩和功率。因此，可显著提高加工精密小孔和微孔的效率和质量，扩大其加工范围。

2.由于涡轮供气压力随负荷自动调节，以及利用反冲式涡轮驱动，可提高压缩空气的利用效率。

3.由于设计了前、后消声器，大大降低了噪音，可把工作时发生的空气动力噪音降低到充许的水平，改善了工人的工作环境。

4.利用气动式调速器比利用其他类型的调速器使结构大为简化。

5.由于连接上清洁、干燥的气源就能工作，使用方便，不仅可方便地与专用机床配套，而且可直接与大量的通用机床配套，与硬机械特性接近的异步电动机相比，不但可省去高频电动主轴头所需的价格昂贵的电流变频器，也不需要采取专门的冷却和润滑措施，因此结构简单，生产价格低。

本实用新型还具有其他一些优点，例如所采取的技术措施使空气轴承具有较高的承载能力、刚度和稳定性。

四、附图说明

附图1是本实用新型实施例的结构剖视图。

附图2是附图1的右视图。

五、具体实施方式

附图1和附图2描述了本实用新型的一个实施例，它是一种高速气动磨削主轴头，下面结合该实施例与附图对本实用新型进行更详细的说明。

在主轴头中，主轴1的一端设计有用于轴向压装涡轮8的装配孔，通过该装配孔与涡轮刚性联接，另一端伸出主轴头体安装切削工具6。主轴由小间隙空气静压轴承系统支承。配置在主轴轴颈两端的两个轴颈轴承和靠近轴颈的一个止推轴承分别位于轴承体2的圆筒和法蓝上。主轴以涡轮为止推盘，对应的另一止推轴承位于止推轴承体12上，两止推轴承间安装隔圈10加以联接，形成距离不变的两个刚性止推轴承。轴承体精密地安装在主轴体3中，用螺钉将其法蓝紧固于主轴体内端面上。在轴承体的圆筒上安装了孔塞7，构成轴颈轴承带圆形气室的喷孔。止推轴承的喷孔由三角形的环槽连接，此外，在考虑气量消耗的条件下增大轴颈轴承两排喷孔线间的距离，以增加轴承的刚度和高速转动时作为混合轴承的动压浮力分量。

进气阀体13和止推轴承体12连接，进气阀体上装有进气阀35、开停阀14和进气接头34。气源的压缩空气从进气接头进入进气阀体，由进气阀体不同气道分别供往空气轴承、涡轮和调速器。供往空气轴承的气流经气道58、60、圆弧槽61和气道62与67分别进入止推轴承体和轴承体2的轴承，供往涡轮8的气流经气道57、进气阀、开停阀和气道49与47从轴向进入涡轮的进气室，供往调速器的气流经气道56进入，此外，进气阀体上有反馈管15，经进气阀调压后进入涡轮的气流同时通过反馈管进入调速器。

进气阀体13中安装的进气阀35为一平衡式节流阀，它在阀簧36作用下落向进气阀体的环形座面。进气阀尾部活塞与止推轴承体12的轴向孔配合，它的杆部伸出进气阀体与调速器接触。

与主轴1端部刚性联接的涡轮8为一反冲式空气涡轮，涡轮一侧在靠近其圆周部位具有切向喷孔64，利用喷孔喷射气流的反作用力驱动主轴。进入位于涡轮中央的进气室的气流经孔66流向喷孔，气流在喷孔斜截面上膨胀，在设计转速对应的供气压下将形成超音速流动，这种涡轮与一般的叶片涡轮比较，由于避免了叶片、间隙和通风损耗，提高了压缩空气的利用效率。

涡轮8上的转速传感装置为一真空度感应装置，由涡轮另一侧与圆周接通的径向孔43构成。该径向孔内端与位于中心的轴向孔39连接，转速传感装置实际上是一个离心式真空泵，高速旋转时将使轴向孔39形成真空度，通过涡轮孔40和主轴孔41从环槽42抽出由轴承端部间隙泄漏出的气体，进而通过轴承体孔44和气道50将转速变化的真空度信号传送至调速器。

真空泵径向孔43和涡轮喷孔64的排气区域用装在隔圈10中的隔环9分开，以防止主轴头内排气压力增高时真空度信号的减弱和畸变。隔环以间隙包围涡轮，其上加工了经气道63和59与大气相通的环槽65。真空泵的排气经槽45和气道48进入大气。

主轴头设计有由多孔烧结材料结构环构成的前消声器4和后消声器11，以适应工况强化对降低空气动力噪音的要求。后消声器安装在隔圈10和止推轴承体12之间，位于涡轮排气区域周围，前消声器安装在前盖5内，随前盖安装的主轴体3中，位于涡轮排气的大气出口。

涡轮8的排气由气腔46经后消声器11、止推轴承体12、隔圈10、轴承体2和主轴体3上的气道38以及前消声器4从主轴体流出，并利用绝热膨胀的气流冷却轴承部位，防止高速时轴承温度的升高。

主轴头体由主轴体3、止推轴承体12、进气阀体13、球阀体16和调速器盖24连接而成。主轴头中的进气阀体也是调速器的座体，由于调速器和主轴体连成一体，利用进气阀体的进气接头34集中供气避免了使用多根外接管道。球阀体上装有球阀32和节流器33，调速器盖上装有调速手轮25。

在进气阀体13和球阀体16之间安装了前膜片18，在球阀体和调速器盖24之间安装了后膜片20。前膜片上固定着垫片17，工作时其中心的锥面压向进气阀35，后膜片上固定着压钉23和弹簧前座21，通过压钉压向球阀32的芯球。前膜片、后膜片和连接的壳体将调速器分隔为四个腔室。球阀为一溢流阀，球阀体把腔54和52分开。腔55通过进气阀上的反馈管15与涡轮进气压力管道连接；腔54通过节流器35和进气阀体孔56与气源连接；腔52通过球阀体孔53与大气相通；腔51与真空信号管路50连接。在后膜片的弹簧前座上安装了组合式调速弹簧，由调速器盖上的调速手轮25支承，在后膜片的压钉上作用了背簧22，调速弹簧的弹力使后膜片压向球阀，而真空吸力和背簧反向作用于后膜片。

当主轴转速一定时，膜片处于稳定状态。当主轴在负荷作用下转速下降时，真空度随之下降，这时后膜片20在调速弹簧作用下压向球阀32，球阀开度减小，即与气源连接的腔54经球阀和腔52溢往大气的气量减少，腔54气压升高，使前膜片18压向进气阀35，进气阀开度增大，涡轮供气压升高，因而主轴头将以更大的输出扭矩工作。由于涡轮进气压力升高，腔55气压也随之升高，前膜片进入平衡，使转速和真空度接近原来的状态。当为最大输出扭矩时，供气压力接近气源压力。当主轴卸荷时，将发生相反的过程。

球阀32开度的微量变化通过腔54将引起对前膜片18作用力产生很大的变化，使调速器具有高的灵敏度，腔54为调速器的放大级。

用调速手轮25通过弹簧后座26调整调速弹簧予紧力，选择主轴不同的转速。调速弹簧予紧力越大涡轮供气压力越高，主轴转速也越高。在进气阀体13上可旋下两螺塞37之一安装压力表，指示涡轮供气压力以对应所选转速。

调速弹簧由圆柱形的内簧27、中簧29和外簧31经小座圈28和大座圈30串联组合而成。内簧刚度较小，外簧刚度较大，在用调速手轮予紧调速弹簧时，随着弹簧后座26和小座圈之间间隙的消除，继而小座圈与大座圈之间间隙的消除，该组合式调速弹簧的刚度可以在足够的范围内变化。由于转速传感装置——离心式真空泵所形成的真空度随转速增大的规律成非线性关系，使用这样的调速弹簧使调速器能适应低速、中速、高速的需要，既能保证低速时的灵敏度，又能保证高速时的稳定性，在整个调速范围内均获得较小的调速率。根据本专利申请人进行的试验，调速率可达到高速不超过5％，低速小于10％的要求。圆柱弹簧灵敏度高，且设计和制造简单。弹簧后座与小座圈和小座圈与大座圈之间的设计间隙可用垫片(图中未示)调整达到。

背簧22使调速弹簧对应转速的予紧力增加，可消除调速弹簧在予紧力较小时因制造误差带来的影响。

在调速器盖24上还装有螺塞19，装配试车时可拆下该螺塞，利用其孔检查作用予调速器的真空度和真空管路的密封性。

上述实施例可用于30000-100000转/分转速范围的高速气动主轴头，其结构可作为其他转速的高速气动主轴头的基本结构，实现系列化。

Claims (10)

1、一种高速气动主轴头，包括轴头体、轴承(2)、主轴(1)、涡沦(8)、进气阀(35)和气体流道，涡轮固置在主轴上，主轴通过轴承安置在轴头体内，涡轮位于轴头体内的涡轮室，其特征在于还设计有转速传感装置与转速自动调节装置，传感装置与调节装置通过信号传感通道连接，调节装置与所述进气阀可控制进气阀阀芯开启度地相联。

2、如权利要求1所述的高速气动主轴头，其特征是在涡轮室的涡轮切向喷孔喷气方向设计有消声器(11)。

3、如权利要求2所述的高速气动主轴头，其特征是在轴头体的总排气口处设计有消声器(4)，所说的消声器可由多孔烧结材料结构环构成。

4、如权利要求1或2或3所述的高速气动主轴头，其特征在于所说的涡轮为气流反冲式涡轮，由位于涡轮圆周上的切向喷孔(64)、位于涡轮中央的进气室和将切向喷孔与进气室沟通的流道(66)构成。

5、如权利要求4所述的高速气动主轴头，其特征在于所说的轴承为气体悬浮轴承。

6、如权利要求5所述的高速气动主轴头，其特征在于所说的转速传感装置为气压式转速传感装置，由涡轮上的径向孔(43)和与调节装置相连接的气压传感通道(45、48)构成，径向孔(43)和气压传感通道均与有气体泄漏的结构间隙相通，径向孔的另一端与气体排出口相通。

7、如权利要求6所述的高速气动主轴头，其特征在于所说的转速自动调节装置为气动式转速自动调节装置，由装置壳体、前膜片(18)、后膜片(20)、球阀(32)、调速弹簧和调速手轮构成，装置的壳体与前后膜片构成四个相互隔开的腔室，球阀位于前后膜片之间，前膜片与进气阀的阀杆相联接，调速弹簧的两端分别与后膜片和调速手轮联接，前膜片的前后腔室分别与进气阀(35)后面和前面的气体流道相通，后膜片的前后腔室分别与大气和气压式传感装置的气压传感通道相通。

8、如权利要求7所述的高速气动主轴头，其特征在于所说的调速弹簧为组合弹簧，由分别套置在一起的圆柱内弹簧(27)、中弹簧(28)和外弹簧(31)构成。

9、如权利要求7所述的高速气动主轴头，其特征在于所说的前膜片的后腔室通过节流器与进气阀前面的气体流道相通。

10、如权利要求7所述高速气动主轴头，其特征是在后膜片的前腔室还没置有与调速弹簧作用相反的作用于后膜片的背弹簧(22)。

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