TWI611863B - 心軸總成 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種經組態以裝配於一工具固持件之內部錐形承窩處之心軸總成，該總成包含：一旋轉軸件，其經組態用於在該工具固持件內旋轉；一軸承總成，其包括一前端軸承總成及後端軸承總成，該軸承總成經組態以在該工具固持件內徑向地及軸向地支撐該旋轉軸件，且達成該軸件在該工具固持件內之高速旋轉；一渦輪，其與該旋轉軸件可操作地連接，該渦輪經組態以旋轉該旋轉軸件；複數個通路，其經組態以允許自該工具固持件流動之高壓冷卻劑流體驅動該渦輪，其中該軸承總成之至少一個軸承安置於該心軸總成之一部分中，該心軸總成之該部分經組態以位於由該工具固持件之該錐形承窩及一前部夾持螺母界定之空間中。

Description

心軸總成

心軸提供用於增加諸如車床、銑床、鑽床等加工裝置之生產及改良其總效率。然而，習知心軸可極為複雜，且通常由極昂貴組件(諸如進階軸承總成及馬達)構造。因此，心軸往往極為昂貴，此將其使用限定至僅極高生產數量及高切割品質。

一替代解決方案係心軸增速器(亦稱為心軸速度增加器或倍增器)。此等裝置可裝配於加工裝置上且與加工裝置之主心軸一起旋轉。因此，總成之總旋轉速度可係心軸增速器之旋轉速度與加工裝置之主心軸之旋轉速度之代數總和。

此外，諸多心軸增速器要求對加工裝置之一外部動力供應，諸如氣壓、水壓或電。通常，此等外部動力供應不可用於陳舊及低成本之加工裝置。因此，此等加工裝置對諸多心軸增速器之利用係不實際的。此事實尤其降低此等解決方案之市場大小。

然而，諸多加工裝置(包含在所有大小之工場處發現之此等加工裝置)包含用於透過主心軸遞送經加壓冷卻劑流體之系統。

根據本發明之實施例，提供一種經組態以裝配於一工具固持件之內部錐形承窩處之心軸總成，該總成具有一後端及一前端，該前端接近於該總成之一工具夾持系統，且該後端接近於與該工具夾持系統 相反之該總成之一端。該總成可包含：一旋轉軸件，其經組態用於在該工具固持件內旋轉；一軸承總成，其包含一前端軸承總成及後端軸承總成，其經組態以在該工具固持件內徑向地及軸向地支撐該旋轉軸件，且達成該軸件在該工具固持件內之高速旋轉；一渦輪，其與該旋轉軸件可操作地連接，該渦輪經組態以旋轉該旋轉軸件；複數個通路，其經組態以允許自該工具固持件流動之高壓冷卻劑流體驅動該渦輪，其中該軸承總成之至少一個軸承安置於該心軸總成之經組態以位於由該工具固持件之該錐形承窩及一前部夾持螺母界定之空間中之一部分中。

此外，根據本發明之實施例，該心軸總成可包含機械地支撐該心軸總成之組件之一中空殼體。

此外，根據本發明之實施例，該中空殼體可包含一夾套。

此外，根據本發明之實施例，該等通路可由該殼體之外表面及該工具固持件之錐形承窩之內表面至少部分地界定。

此外，根據本發明之實施例，該複數個通路可經組態以允許至少某些冷卻劑流體流動通過該軸承總成以冷卻及潤滑該等軸承。

此外，根據本發明之實施例，該複數個通路可包含一冷卻劑排放口。

此外，根據本發明之實施例，該冷卻劑排放口可允許該冷卻劑流體朝向安裝於該心軸總成上之一工具之一工作點流動。

此外，根據本發明之實施例，該冷卻劑排放口可包含位於該心軸總成之一前端處且選自包含開口、噴嘴及噴灑器之群組之構件。

此外，根據本發明之實施例，該複數個通路可包含穿過該旋轉軸件之一中空隧道，該中空隧道經組態以允許某些冷卻劑以高壓及低流速朝向安裝於該心軸總成上之一工具之一中心鏜孔流動。

此外，根據本發明之實施例，該心軸總成之後端可包含一動態 密封系統以實質上防止流動通過旋轉軸件之中空隧道之冷卻劑流體之洩漏。

此外，根據本發明之實施例，該動態密封系統可允許冷卻劑流體透過該動態密封系統之洩漏，且該複數個通路可包含經組態以允許洩漏之冷卻劑流體流動至後端軸承總成及前端軸承總成之通路，從而向後端軸承總成及前端軸承總成提供潤滑及冷卻。

此外，根據本發明之實施例，該前端軸承總成及後端軸承總成可以選自包含背對背、面對面及串列之群組之一組態安裝。

此外，根據本發明之實施例，每一軸承總成可包含至少一個軸承。

此外，根據本發明之實施例，該渦輪可放置於選自包含以下各項之群組之一位置中：在後端軸承總成後面、在後端軸承與前端軸承總成之間及在前端軸承總成前面。

此外，根據本發明之實施例，該軸承總成可預載有由一彈簧施加之預載壓力。

此外，根據本發明之實施例，前端軸承總成及後端軸承總成可彼此毗鄰地定位，且其中可藉由此定位達成預載。

此外，根據本發明之實施例，渦輪可選自包含以下各項之群組：一軸向衝擊渦輪、一徑向衝擊渦輪及一反應渦輪。

此外，根據本發明之實施例，冷卻劑可係水與油之乳狀液。

此外，根據本發明之實施例，心軸總成可包含工具夾持系統。

此外，根據本發明之實施例，心軸總成可包含用於轉子保持系統之一配備件。

此外，根據本發明之實施例，心軸總成可包含一旋轉速度量測系統，諸如包含用於量測軸件之旋轉速度之一霍爾(Hall)感測器之一速度量測系統。

100‧‧‧心軸系統

110‧‧‧心軸/心軸總成

111‧‧‧第一部分

112‧‧‧旋轉軸件/軸件

113‧‧‧第二部分

114‧‧‧渦輪/前端渦輪

116‧‧‧中空支撐結構/支撐結構

117‧‧‧殼體

120‧‧‧軸承總成

122‧‧‧前端軸承

124‧‧‧後端軸承

125‧‧‧O型環

130‧‧‧前部夾持螺母

132‧‧‧開口

140‧‧‧後部總成/基座

142‧‧‧動態密封系統

143‧‧‧中空銷/靜止中空件/靜止中空銷

144‧‧‧柄

145‧‧‧密封件

146‧‧‧箭頭/流動路程

147‧‧‧螺旋螺紋

148‧‧‧基座

149‧‧‧預載螺桿

150‧‧‧工具夾持系統

151‧‧‧夾持夾套

152‧‧‧工具夾持螺母

162‧‧‧中空區段

164‧‧‧隧道

180‧‧‧工具

185‧‧‧工作點

190‧‧‧工具固持件/工具夾持件

192‧‧‧錐形承窩

200‧‧‧心軸總成/心軸

210‧‧‧標準夾套/夾套

212‧‧‧縱向底部槽/底部槽/縱向槽

214‧‧‧周邊隧道

216‧‧‧縱向頂部槽/頂部槽

218‧‧‧孔

220‧‧‧衝擊渦輪/渦輪/前端渦輪

222‧‧‧葉片

230‧‧‧前端軸承

250‧‧‧前端

300‧‧‧中間渦輪心軸總成/心軸總成

310‧‧‧殼體

320‧‧‧軸件

322‧‧‧區域

330‧‧‧前端軸承

331‧‧‧夾持系統

332‧‧‧後端軸承

334‧‧‧O型環

340‧‧‧徑向衝擊渦輪/徑向渦輪

342‧‧‧葉片

350‧‧‧噴嘴

352‧‧‧隧道

354‧‧‧槽

356‧‧‧隧道

358‧‧‧O型環

400‧‧‧後部渦輪心軸總成/心軸總成

410‧‧‧殼體

420‧‧‧軸件

422‧‧‧中空區段

430‧‧‧前端軸承

432‧‧‧後端軸承

434‧‧‧O型環

440‧‧‧徑向衝擊渦輪/渦輪/徑向渦輪

441‧‧‧柄

443‧‧‧靜止中空銷

444‧‧‧柄

446‧‧‧動態密封系統

448‧‧‧基座

450‧‧‧開口

454‧‧‧槽

456‧‧‧隧道

460‧‧‧隧道

462‧‧‧隧道

500‧‧‧後部渦輪心軸總成/心軸總成

600‧‧‧心軸總成

610‧‧‧殼體

620‧‧‧軸件

622‧‧‧葉片

630‧‧‧前端軸承

632‧‧‧後端軸承

640‧‧‧後部反應渦輪/反應渦輪/渦輪

642‧‧‧隧道

650‧‧‧熱收縮工具夾持系統/彈性變形工具夾持系統

662‧‧‧開口

700‧‧‧心軸總成

710‧‧‧支撐件

711‧‧‧夾套

720‧‧‧軸件

722‧‧‧中空區段

730‧‧‧前端軸承

732‧‧‧後端軸承

733‧‧‧螺母

734‧‧‧O型環

740‧‧‧後部反應渦輪/渦輪/反應渦輪

742‧‧‧通道

743‧‧‧靜止中空基座

744‧‧‧柄

746‧‧‧動態密封系統

762‧‧‧開口

770‧‧‧中心隧道/隧道系統

771‧‧‧周邊隧道

772‧‧‧墊片

780‧‧‧隧道系統

800‧‧‧無框架心軸總成

820‧‧‧軸件

822‧‧‧葉片/圓形中空區段/中空區段

830‧‧‧前端軸承

832‧‧‧後端軸承

834‧‧‧波形彈簧

836‧‧‧區域

840‧‧‧徑向衝擊渦輪/衝擊渦輪/渦輪

880‧‧‧前部夾持螺母

882‧‧‧前端支撐件

884‧‧‧後端支撐件

886‧‧‧斜槽

900‧‧‧心軸總成

901‧‧‧心軸系統

902‧‧‧隧道

920‧‧‧軸件

925‧‧‧軸件

930‧‧‧前端軸承/軸承

932‧‧‧後端軸承/軸承

940‧‧‧反應渦輪/渦輪

945‧‧‧螺母

950‧‧‧工具夾持系統

960‧‧‧孔

980‧‧‧前部夾持螺母

1000‧‧‧雙軸承心軸總成/心軸總成

1010‧‧‧外部套管

1030‧‧‧前端軸承

1032‧‧‧後端軸承

1034‧‧‧盤形彈簧

1100‧‧‧雙軸承心軸總成/心軸總成

1130‧‧‧前端軸承

1132‧‧‧後端軸承

1134‧‧‧螺桿螺母

a‧‧‧虛線框

A‧‧‧虛線框

b‧‧‧虛線框

L‧‧‧心軸總成之縱向尺寸

L1‧‧‧第一部分之縱向尺寸

L2‧‧‧第二部分之縱向尺寸

R‧‧‧旋轉軸線

I-I‧‧‧截面

V-V‧‧‧截線

本說明書之結論部分中已特別指出及清晰地主張了關於本發明之標的物。然而，當藉助附圖來讀取時參考以下詳細說明可最好地理解本發明之組織及操作方法兩者、以及其目的、特徵及優點。

圖1A係根據本發明之實施例之一例示性心軸系統之一圖式；圖1B係根據本發明之實施例對圖1A之例示性心軸系統之一示意性剖面圖解說明；圖1C係根據本發明之實施例對圖1A之例示性心軸系統之示意性剖面圖解說明之一放大視圖；圖1D係根據本發明之實施例對圖1C之示意性剖面圖解說明之底部部分之一放大視圖；圖2A係根據本發明之實施例對具有一標準夾套之一例示性心軸總成之一示意性剖面圖解說明；圖2B係根據本發明之實施例對圖2A之例示性心軸總成之示意性剖面圖解說明之一放大視圖；圖2C係根據本發明之實施例對圖2A之例示性心軸總成之一3D圖解說明；圖3A係根據本發明之實施例對一例示性中間渦輪心軸總成之一示意性剖面圖解說明；圖3B係根據本發明之實施例對圖3A之例示性心軸總成之一示意性部分等角剖面圖解說明；圖4A係根據本發明之實施例對一例示性後部渦輪心軸總成之一示意性剖面圖解說明；圖4B係根據本發明之實施例對圖4A之例示性心軸總成之一示意性圖解說明；圖5係根據本發明之實施例對另一例示性後部渦輪心軸總成之一 示意性剖面圖解說明；圖6A係根據本發明之實施例對具有一後部反應渦輪640之一例示性心軸總成之一示意性剖面圖解說明；圖6B係根據本發明之實施例對圖6A之例示性心軸總成之一示意性部分等角剖面圖解說明；圖7A係根據本發明之實施例對具有一前反應渦輪之一例示性心軸總成之一縱向示意性剖面圖解說明；圖7B係根據本發明之實施例對圖7A之例示性心軸總成之一示意性3D圖解說明；圖7C係根據本發明之實施例對圖7A之例示性心軸總成之一示意性部分剖面圖解說明；圖7D係根據本發明之實施例對圖7A之例示性心軸總成之一橫向示意性剖面圖解說明；圖8A係根據本發明之實施例對一例示性無框架心軸總成之一示意性剖面圖解說明；圖8B係根據本發明之實施例對圖8A之例示性心軸總成之一示意性圖解說明；圖8C係根據本發明之實施例對圖8A之例示性心軸總成之一示意性部分等角剖面圖解說明；圖9A係根據本發明之實施例對一例示性基於轉子之心軸總成之一水平示意性剖面圖解說明；圖9B係根據本發明之實施例對一例示性軸件之一示意性圖解說明；圖9C係根據本發明之實施例對另一例示性軸件之一示意性圖解說明；圖9D係根據本發明之實施例對圖9A之例示性心軸總成之一示意 性剖面圖解說明；圖10係根據本發明之實施例對一例示性雙軸承心軸總成之一水平示意性剖面圖解說明；且圖11係根據本發明之實施例對另一例示性雙軸承心軸總成之一水平示意性剖面圖解說明。

應瞭解，為圖解說明之簡潔及清晰起見，未必按比例繪製圖中所展示之元件。舉例而言，為清晰起見，可相對於其他元件誇大某些元件之尺寸。進一步地，在認為適當之處，可在該等圖當中重複若干元件符號來指示對應或類似元件。

在下列詳細說明中，列舉大量特定細節以便提供對本發明之一透徹理解。然而，熟習此項技術者將瞭解，無需此等特定細節亦可實施本發明。在其他例項中，未詳細闡述眾所周知之方法、程序及組件及電路以免模糊本發明。

儘管本發明之實施例不限於此方面，但如本文中使用之術語「複數」及「複數個」可包含(舉例而言)「多個」或「兩個或兩個以上」。術語「複數」或「複數個」可貫穿該說明書用於闡述兩個或兩個以上組件、裝置、元件、單元、參數或諸如此類。

根據本發明之實施例，一心軸總成可經組態以裝配於一加工裝置之一工具固持器之一內部錐形承窩處。該心軸總成可沿心軸總成之縱向尺寸劃分成一第一部分及一第二部分。該心軸總成經設計以使得當該心軸總成安裝於一工具固持器上時，該心軸總成之第一部分可安置於或位於由該工具固持器之錐形承窩及該前部夾持螺母界定之一空間中。舉例而言，當根據本發明之實施例之心軸總成安裝於一工具固持器上時，該心軸總成之縱向尺寸之至少一半可安置於或位於由該工具固持器之錐形承窩及該前部夾持螺母界定之一空間中。根據本發明 之實施例，該心軸總成之第一部分包含該心軸之至少後端軸承總成。

貫穿本發明申請案，術語「主心軸」可係指加工裝置必備之一心軸。根據本發明之實施例之一心軸總成之主要組件可係：一支撐結構；一旋轉軸件，其經組態為繞一旋轉軸線R在工具固持件內旋轉；一軸承總成，其經組態以在該工具固持件內徑向地及軸向地支撐該旋轉軸件及達成該軸件之高速旋轉；及一渦輪，其與該旋轉軸件可操作地連接。該渦輪可經組態以回應於流體(諸如由加工裝置供應之高壓冷卻劑流體)穿過工具固持件之一流動來旋轉該旋轉軸件。該心軸總成可進一步包括複數個通路，該複數個通路經組態以允許自該工具固持件流動穿過該心軸總成之高壓冷卻劑流體驅動該渦輪。心軸之至少一個軸承(舉例而言，後端軸承總成)位於或安置於錐形腔中，該錐形腔係由該工具固持件之承窩及前部夾持螺母界定之空間。該工具固持件之該承窩可係錐形的，具有一圓錐形狀。

根據本發明之實施例之心軸可(舉例而言)在0.2Nm之扭矩下達到40Krpm之旋轉速度。然而，根據本發明之實施例之心軸可達到更高或更低之旋轉速度，及其他扭矩量值。應注意，當與根據本發明之某些實施例之心軸一起工作時，加工裝置之主心軸通常不旋轉。此可消除由於工具固持件中與心軸中之容差之累積效應所致的容差錯誤疊加，且改良心軸效能之總準確度。然而，本發明之實施例並不限於此方面；因此，根據某些實施例，加工裝置之主心軸可與心軸一起旋轉，因此達到高工作速度，該高工作速度係主心軸與根據本發明之實施例之一心軸之特定旋轉速度之代數總和。

旋轉軸線R可係在心軸及工具固持件中心之一縱向軸線。貫穿本發明申請案使用以闡述根據本發明之實施例之心軸中之元件位置之術語係相對於根據本發明之實施例之心軸之一工具夾持系統沿旋轉軸線R做出。一正向或前部方向係指工具夾持系統之方向，或可具有接近 於彼工具夾持系統之一意義。類似地，一相反的後部方向係指反向方向、與工具夾持系統相反之心軸之端，或可具有接近於與工具夾持系統相反之端之一意義。類似地，術語「在......前面」可係指一元件與另一元件相比沿旋轉軸線R接近於工具夾持系統放置，且術語「在......後面」可係指一元件與另一元件相比沿旋轉軸線R遠離工具夾持系統放置。

根據本發明之實施例，工具固持件可係一標準工具固持件(諸如BT40或HSK40)或一適當工具固持件。該工具固持件之一後部錐形端可達成牢固安裝於諸如一車床銑床、鑽床等之一加工裝置(未展示)上。一工具固持件之內部錐形承窩可遵照及服從與一心軸附接至一旋轉工具固持件有關之任何習知相關標準。舉例而言，一工具固持件之內部錐形承窩可遵照ER40或ER32、TG100、SC、R8、MT2夾套標準。

如本文所使用，支撐結構係指根據本發明之實施例用於向心軸之各種組件提供機械支撐之元件。該支撐結構可包含適當殼體或標準殼體，諸如一ER40-ER16夾套。另一選擇係，在本發明之某些實施例中，工具固持件之內部錐體可為心軸提供殼體，而支撐結構可包含用於將軸承固持於適當位置處之元件。

根據本發明之實施例，心軸之渦輪可與旋轉軸件可操作地連接。該渦輪可使用任一適合技術(諸如螺旋固定、黏合等)安裝於旋轉軸件上。另一選擇係，該渦輪及該軸件可提供為一整體。該渦輪可係一衝擊渦輪、一反應渦輪或其任一組合。該渦輪可位於：該軸件之一前端處、在前端軸承與夾持系統之間、在該軸件之一中間部分處、在前端軸承與後端軸承之間及在該軸件之一後端處、在該後端軸承後面。

根據本發明之實施例，該軸承總成可包含一前端軸承總成及一 後端軸承總成。該前端軸承總成及一後端軸承總成中之每一者可包含一或多個軸承。該軸承總成可包含支撐徑向負載及軸向負載兩者之任一類型之軸承。該軸承總成之容差可介於自低精確度(諸如ABEC標度中之ABEC 1類或ISO 492標準之正常類6X)上至高精確度(諸如ABEC標度之ABEC 9P類或ISO 492標準之正常類2)之間。舉例而言，該軸承總成可包含球軸承，諸如深槽球軸承、角接觸球軸承、四點接觸球軸承或磁石式軸承。基於特定設計要求，可使用具有止動環槽之軸承、接觸密封型、非接觸密封型、屏蔽型或開放型軸承。可以背對背(BTB)、面對面(FTF)或串列組態安裝該前端軸承總成與該後端軸承總成。

可藉由任一適合預載技術達成軸承預載。預載旨在藉由施加負載以推動軸承從而使得軸承固定至軸承軌來消除沿軸向方向及徑向方向兩者之餘隙。舉例而言，可使用恒壓技術來預載前端軸承及後端軸承。舉例而言，可使用抵靠一剛性停止器元件(諸如一預載螺桿、一螺桿螺母、渦輪等)將一致(恆定)壓力施加至前端軸承總成及後端軸承總成之一彈簧來達成軸承預載。可使用任一類型之適合彈簧(諸如O型環、螺旋彈簧、盤形彈簧、波形彈簧及/或指形彈簧)來預載前端軸承總成及後端軸承總成。取決於前端軸承總成及一後端軸承總成之組態，可將預載施加至前端軸承總成及一後端軸承總成之內軌或外軌上。另一選擇係，亦可使用定位預載。可藉由當在軸向負載下將前端軸承及後端軸承機械鎖定於適當位置來達成定位預載。

根據本發明之實施例，經組態以允許自工具固持件流動之高壓冷卻劑流體驅動渦輪之複數個通路中之至少某些通路可由支撐結構之外表面及工具固持件之錐形承窩之內表面至少部分地界定。另外地，或另一選擇係，該等通路可係在心軸內部。舉例而言，該等通路可包含：由支撐結構界定之隧道、由軸件之中心處之中空隧道提供之中心 通路、構建於軸承之球之間的通路等。

根據本發明之實施例，心軸之一旋轉軸件可包含：在中心處之一中空隧道，其提供經組態以允許自工具固持件流動之高壓冷卻劑流體以高壓及低流速朝向可沿工具中心安置之一中心通路流動。該心軸總成之後端可包含一動態密封系統，諸如曲徑系統，其意欲通常以一高效率但非極致高效防止流動通過旋轉軸件之中空隧道之冷卻劑流體之洩漏。該動態密封系統可允許冷卻劑流體透過該動態密封系統之洩漏。可提供經組態以允許洩漏之冷卻劑流體流動至後端軸承總成及前端軸承總成之通路，從而向後端軸承總成及前端軸承總成提供潤滑及冷卻。

該冷卻劑流體可係由工具固持件附接至之加工裝置供應之任何流體。通常，該冷卻劑流體係約95%水與5%油之一乳狀液。高壓冷卻劑流體通常由加工裝置以8巴至20巴(且可高達90巴)之一壓力供應。

根據本發明之實施例，可提供通路以在用於驅動渦輪之後允許冷卻劑排出。舉例而言，冷卻劑出口可包含提供於心軸總成之一前端處之開口，該等開口允許冷卻劑遠離心軸流動。舉例而言，該等開口可允許冷卻劑朝向安裝於心軸總成上之一工具之一工作點流動。另一選擇係，可在心軸總成之一前端處提供噴嘴或噴灑器以朝向工具之工作點引導離開渦輪區域及/或軸承總成之冷卻劑，因此冷卻該工作點且自其移除碎屑。出口可藉由指向朝向該工作點之一角度之隧道提供。一工具之工作點可係一工具與一工件之接觸點或接觸區域。

本發明之實施例並不限於一特定工具夾持系統或一特定工具。可將任一適合工具(諸如任何切割工具、研磨工具、搪磨工具等)安裝於根據本發明之實施例之心軸總成上。另外，可使用任一適合之工具夾持系統及技術，諸如一夾持夾套、熱收縮夾持、彈性變形夾持、液壓或鎳鈦(Nitinol)形狀記憶合金(NiTi)夾持等。類似地，本發明之實 施例並不限於用於在裝配及拆卸工具時防止心軸軸件之旋轉之任何特定轉子保持方法。舉例而言，心軸中可包含用於轉子保持之配備件，諸如兩個扁平區域(適合用於一平鍵)、複數個孔、六個扁平區域、特殊槽等。如本文中所使用，轉子可係指心軸之旋轉部分，諸如軸件及附接至軸件之部分。

本發明之實施例可包含用於量測軸件之旋轉速度之構件。可使用任一適合之旋轉速度量測方法及技術。舉例而言，一磁體可安裝於旋轉軸件上，且可使用包含一霍爾效應感測器之旋轉速度量測系統用於旋轉速度量測。

現將藉助於例示性設計來示範本發明之實施例。應注意，當前發明不限於所展示之特定實例，且本文所闡述之原理之實施方案可隨用以滿足特定設計要求所要求而變化。另外，下列實例中之某些實例可僅呈現本發明之實施例之選定態樣。

參照圖1A，其繪示根據本發明之實施例對一例示性心軸系統100之一圖解說明。根據本發明之實施例，心軸系統100可包含安裝於一工具固持件190上且固持一工具180之心軸總成110。工具180及心軸110之旋轉軸件(圖1A中未展示)經調適以關於稱作旋轉軸線R之一共同中心軸線旋轉。

參照圖1B及圖1C，其繪示根據本發明之實施例對沿圖1A上所標記之截平面I-I之心軸系統100之一示意性剖面。圖1C係侷限於虛線框「a」內之心軸系統100之部分之一放大視圖。根據本發明之實施例，心軸110可包含一旋轉軸件112、一渦輪114、一軸承總成120、一中空支撐結構116、一前部夾持螺母130、一後部總成140及一工具夾持系統150，以及其他。

軸件112可與渦輪114可操作地連接，以使得渦輪114之旋轉可使旋轉軸件112旋轉。舉例而言，渦輪114可安裝於軸件112上，或另一 選擇係，渦輪114及旋轉軸件112可製成為一整體。渦輪114可係一衝擊渦輪，且可位於(舉例而言)軸件112之一前端處、在前端軸承122與前部夾持螺母130之間。

軸承總成120可經組態以在支撐結構116及工具固持件190內徑向地及軸向地支撐旋轉軸件112，且達成軸件112在支撐結構116及工具固持件190內之高速旋轉。軸承總成可包含至少兩個軸承。舉例而言，軸承總成120可包含一前端軸承122及一後端軸承124。儘管在圖1A至圖1C中呈現之本發明之實施例中，軸承總成120包含角接觸球軸承，但本發明之實施例並不限於此類型之軸承。前端軸承122及一後端軸承124可以如圖1C中所呈現之背對背(BTB)組態安裝，或另一選擇係，以如此項技術中已知之面對面(FTF)或串列組態安裝。前端軸承122及後端軸承124相對於彼此之特定安裝類型可經選擇以滿足特定設計要求。

前端軸承122及後端軸承124可藉由使用恒壓技術而預載有壓力，舉例而言，使用O型環125作為將恒壓抵靠預載螺桿149施加至前端軸承122及後端軸承124之一彈簧。亦可使用其他類型之彈簧(諸如螺旋彈簧、盤形彈簧、波形彈簧及指形彈簧)用於預載前端軸承122及後端軸承124。

心軸總成可沿著心軸總成110之縱向尺寸(標記為L)劃分成一第一部分111(具有標記為L1之一縱向尺寸)及一第二部分113(具有標記為L2之一縱向尺寸)。心軸總成110經設計以使得當將心軸總成110安裝於工具固持件190上時，心軸總成110之第一部分111安置或位於由工具固持件190之錐形承窩192及前部夾持螺母130界定之一空間中。根據本發明之實施例，心軸總成110之第二部分113至少包含後端軸承124。因此，當將心軸總成110安裝於工具固持件190上時，至少後端軸承124可安置於圓錐形腔中，該圓錐形腔係由工具固持件190之錐形 承窩192之內表面及前部夾持螺母130界定之空間。

支撐結構116可包含具有複數個通路(未展示)之一殼體117，該複數個通路經組態以允許自工具固持件190流動之高壓冷卻劑流體驅動渦輪114。舉例而言，殼體117可在其外周邊處具有自殼體117之最後部部分延伸至殼體117之最前部部分之縱向槽，其中冷卻劑流體可朝向渦輪114之葉片流動。舉例而言，可為殼體117使用一標準夾套。本發明之實施例並不限於一特定槽數目或隧道數目及組態。可利用可使得高壓冷卻劑以一足夠壓力及適當角度到達渦輪114以使渦輪114以足夠速度旋轉之任何通路設計。舉例而言，槽可係垂直的，亦即垂直於基座148，或可相對於基座140以一角度安置。在驅動渦輪之後，可提供通路以允許冷卻劑排出。舉例而言，可在前部夾持螺母130處提供開口132以允許冷卻劑流動遠離心軸110。另一選擇係，可提供噴嘴或噴灑器以朝向工具180之一工作點185引導冷卻劑，因此冷卻工作點185且自其移除碎屑。

軸件112可包含一中空區段162，從而提供經組態以允許自工具固持件190流動之高壓冷卻劑流體到達可沿工具180之中心安置之一中心通路(未展示)之一通路。後部總成140可包含一動態密封系統142，其意欲以一高效率但非極致高效防止流動通過中空區段162之冷卻劑流體之洩漏。然而，動態密封系統142可允許冷卻劑流體透過動態密封系統142之洩漏。確實透過動態密封系統142洩漏之冷卻劑流體可流動至後端軸承124且透過隧道164流動至前端軸承122，從而向後端軸承124及前端軸承122提供潤滑及冷卻。因此冷卻劑流體可潤滑後端軸承124及前端軸承122。

現在參照圖1D，其繪示侷限於圖1B之虛線框「b」內之心軸系統100之部分之底部部分之一放大視圖。後部總成140可包含一基座148。基座148可相對於軸件112靜止(亦即，不旋轉)且藉由(舉例而言) 螺旋螺紋147固定至支撐結構116。另外地，或另一選擇係，基座148可藉由任何其他適合方法(諸如黏合、焊接及諸如此類)固定至支撐結構116。一中空銷143可位於基座148之一中心通路中且藉由任一適合方法(諸如藉由螺旋固定、黏合或諸如此類)固定至基座148。中空銷143可具有突出至軸件112之中空區段162中之一柄144。中空銷143可藉由密封件145密封。當不密封時，中空銷143可提供用於使高壓冷卻劑自工具固持件190朝向工具180流動之通路。可沿靜止中空件143(相對於支撐結構116)及旋轉預載螺桿149之界面提供一動態密封系統142，在圖1D中藉由一系列箭頭146示範其一項例示性流動路程。靜止中空銷143可包覆有以低的靜摩擦係數為特徵之一材料，諸如特夫綸(Teflon)。動態密封系統142可具有對高壓冷卻劑之高流動阻力，且因此防止多數高壓冷卻劑自中空區段162洩漏且防止壓力損失。動態密封系統142對冷卻劑流體之流動之阻擋可經設定以允許透過動態密封系統142之洩漏，以使得可以潤滑及冷卻軸承所期望之量流動至後端軸承124且透過隧道164流動至前端軸承122。

現在返回至圖1C，心軸110可包含一工具夾持系統150。工具夾持系統150可包含一夾持夾套151及一工具夾持螺母152。應注意，本發明之實施例並不限於特定工具夾持配置及方法，且可使用任何其他適合之工具夾持配置及技術，諸如收縮、液壓或形狀記憶合金單元。

參照圖2A及圖2B，其繪示根據本發明之實施例對具有一標準夾套210之一例示性心軸總成200之一示意性剖面圖解說明。圖2B係侷限於虛線框A內之心軸總成200之部分之一放大視圖。心軸總成200可大體而言類似於心軸總成110。心軸200之支撐結構可使用一標準夾套210實施。夾套210可在其前端250處經加工以使得其內徑經調整以容納前端軸承230。

參照圖2C，其繪示根據本發明之實施例對例示性心軸總成200之 一3D圖解說明。夾套210可具有自夾套之後端至少延伸至周邊隧道214之複數個縱向底部槽212，及至少自周邊隧道214延伸至夾套210之前端之複數個縱向頂部槽216。當裝配至工具固持件190中時(見圖1A至圖1B中)，底部槽212、周邊隧道214及頂部槽216可與工具固持件190之錐形承窩192之內表面及前部夾持螺母130之內表面(兩者形成一外部「封套」)一起(見圖1B中)界定用於高壓冷卻劑流體之通路。在操作期間，由工具固持件190提供之高壓冷卻劑可流動通過底部槽212進入周邊隧道214中且穿過頂部槽216以擊中衝擊渦輪220之葉片222。頂部槽216可包含可在需要時藉由墊片(未展示)密封之孔218。密封該等孔中之某些孔可提供對流動至可相對於夾套210旋轉之渦輪220之冷卻劑之壓力、且因此對渦輪220之旋轉速度及扭矩之某些控制。

參照圖3A，其繪示根據本發明之實施例對一例示性中間渦輪心軸總成300之一示意性剖面圖解說明，且參照圖3B，其繪示對該例示性中間渦輪心軸總成之一示意性部分等角剖面圖解說明。一徑向衝擊渦輪340可位於軸件320之一中心部分處、在前端軸承330與後端軸承332之間。徑向渦輪340之葉片342之長度相對於前端渦輪114及220增加(分別見圖1C及圖2A中)。增加葉片342之長度可增加葉片表面積，與其中渦輪位於前端處、在前端軸承與夾持系統331之間的心軸總成110及200相比，此可增加徑向渦輪340及心軸總成300之效率。與一前端渦輪組態相比，將徑向渦輪340定位於軸件320之一中心部分處可使得前端軸承330與工具之工作點之間的距離減小。此可合意地減小前端軸承330上之反應扭矩。將徑向渦輪340定位於軸件320之一中心部分處可要求前端軸承330及後端軸承332之FTF組態。可藉由擠壓軸件320之區域322之O型環334來達成預載。渦輪340可係軸件320之一組成部分。

構建於殼體310之底部外表面處之槽354可與工具固持件190之錐 形承窩192(見圖1B中)之內表面一起界定用於高壓冷卻劑流體之通路。在操作期間，高壓冷卻劑可自工具固持件190流動通過槽354進入隧道356以自一徑向方向擊中徑向渦輪340之葉片342。O型環358可在殼體310與工具固持件190之錐形承窩192之內表面之間提供用於防止高壓冷卻劑洩漏出心軸總成300所必需之密封。

在擊中徑向渦輪340之葉片342之後，冷卻劑可流動通過界定於殼體310中之隧道352且透過噴嘴350流出心軸總成300。噴嘴350可經調整以控制冷卻劑流動之角度以使得可朝向裝配於心軸總成300上之工具之工作點引導冷卻劑。

參照圖4A，其繪示根據本發明之實施例對一例示性後部渦輪心軸總成400之一示意性剖面圖解說明，及參照圖4B，其繪示該例示性後渦輪心軸總成之一示意性圖解說明。一徑向衝擊渦輪440可位於軸件420之一後部部分處、在基座448與後端軸承432之間。渦輪440可藉由(舉例而言)螺旋固定、黏合或兩者固定至軸件420。

構建於殼體410之底部外表面處之槽454可與工具固持件190之錐形承窩192(見圖1B中)之內表面一起界定用於高壓冷卻劑流體之通路。在操作期間，高壓冷卻劑可自工具固持件190流動通過槽454進入隧道456以自一徑向方向擊中徑向渦輪440之葉片(未展示)。在擊中徑向渦輪340之葉片之後，冷卻劑可流動至後端軸承432且穿過界定於殼體410中之隧道460到達前端軸承430，因此向後端軸承432及前端軸承430提供潤滑及冷卻。冷卻劑可透過界定於殼體410中且結束於開口450處之隧道462流通。

心軸總成400之前端軸承430可大於心軸總成400之後端軸承432。增加前端軸承430之大小可增加前端軸承430可承載之負載，且因此心軸總成400可承載之總負載可相對於具有一較小前端軸承430之實施例而增加。然而，由於預載壓力通常與軸承大小有關，因此在設 計預載位準時應加以關注。舉例而言，每一軸承可具有一定範圍之所允許預載位準，因此，可選擇在後端軸承432及前端軸承430兩者之所允許預載位準內之一預載位準。以BTB組態放置後端軸承432及前端軸承430，且使用抵靠渦輪440擠壓後端軸承432之O型環434來執行預載。

心軸總成400可包含一動態密封系統446，該動態密封系統意欲以一高效率防止流動通過軸件420之中空區段422之冷卻劑流體之洩漏。確實透過動態密封系統446洩漏之冷卻劑流體可流動至渦輪440，但並不使渦輪440旋轉。動態密封系統446可界定於靜止中空銷443之柄444之外表面與旋轉渦輪440之柄441之內表面之間。

參照圖5，其繪示根據本發明之實施例對另一例示性後部渦輪心軸總成500之一示意性剖面圖解說明。心軸總成500僅就後端軸承432及前端軸承430具有實質上相同大小而言極為類似於心軸總成400。圖5給出關於隧道460及462之一不同視圖。

參照圖6A，其繪示根據本發明之實施例對具有一後部反應渦輪640之一例示性心軸總成600之一示意性剖面圖解說明，及參照圖6B，其繪示該例示性心軸總成之一示意性部分等角剖面圖解說明。圖6B呈現為後側向上。一反應渦輪640可位於軸件620之一後部部分處，在後端軸承632後面。渦輪640可藉由(舉例而言)螺旋固定、黏合或兩者固定至軸件620。高壓冷卻劑可自工具固持件190(圖1中所展示)直接流動至渦輪640之葉片622上。反應渦輪640可係一螺槳形渦輪，以與衝擊渦輪相比之相對高扭矩但低速度為特徵。心軸總成600可包含熱收縮工具夾持系統650。工具替換要求軸件620之前部部分之加熱。熱收縮工具夾持系統被視為比夾套夾持相對準確。

在擊中反應渦輪640之葉片之後，冷卻劑可流動通過後端軸承632、通過界定於殼體610及前端軸承630中之隧道642，因此向後端軸 承632及前端軸承630提供潤滑及冷卻。冷卻劑可透過界定於殼體610中之開口662排出。開口662可相對於旋轉軸線R以一銳角傾斜，因此冷卻劑可沿一假設工作點之大體方向流動。

分別地，參照圖7A，其繪示根據本發明之實施例對具有一後部反應渦輪740之一例示性心軸總成700之一徑向示意性剖面圖解說明，及參照圖7B，其繪示該例示性心軸總成之一示意性3D圖解說明，及參照圖7C，其繪示該例示性心軸總成之示意性部分剖面圖解說明，及參照圖7D，其繪示該例示性心軸總成之一橫向剖面圖解說明。圖7D繪示心軸總成700沿圖7A上呈現之截線V-V之一剖面圖解說明。

心軸總成700可包含實施為一隧道系統780之一反應渦輪740，該隧道系統包含中心隧道770及周邊隧道771。周邊隧道771可以一平角或鈍角α(阿爾法)安置。在操作期間，高壓冷卻劑可自工具固持件190(圖1A中所展示)流動通過軸件720之中空區段722且到達隧道系統770，因此形成可使渦輪740旋轉之一推力。中心隧道770可自跨越中心且到達周邊隧道771之相反方向全程鑽孔，且可密封有墊片772。另一選擇係，中心隧道770可自周邊鑽孔至中心中，其中在周邊與周邊隧道771之間的中心隧道770之部分被密封。舉例而言，渦輪740可包含三對中心隧道770及周邊隧道771，其彼此以約120度之一角度安置。

心軸總成700可包含一動態密封系統746，其意欲以高效率防止流動通過軸件720之中空區段722之洩漏。確實透過動態密封系統746洩漏之冷卻劑流體可流動至後端軸承732、通道742及前端軸承730。動態密封系統746可界定於靜止中空基座743之柄744之外表面與旋轉軸件720之內表面之間。冷卻劑可透過開口762排出。

後端軸承732及前端軸承730係以BTB組態放置且可使用O型環734執行預載，該O型環抵靠固定至軸件720之螺母733擠壓後端軸承 732。可藉由夾套711及額外支撐件710來提供一支撐結構。

參照圖8A，其繪示根據本發明之實施例對一例示性無框架心軸總成800之一水平示意性剖面圖解說明，及參照圖8B，其繪示該例示性無框架心軸總成之一示意性部分等角剖面圖解說明，及參照圖8C，其繪示該例示性無框架心軸總成之一示意性圖解說明。一徑向衝擊渦輪840可位於軸件820之一中心部分處、在前端軸承830與後端軸承832之間。徑向衝擊渦輪840可係軸件820之一組成部分。因此，徑向衝擊渦輪840及軸件820可提供為一單件。前端軸承830可安裝於前端支撐件882上，且後端軸承832可安裝於後端支撐件884上。自一操作觀點，工具固持件190可充當固持後端支撐件884、軸件820及前端支撐件882之一殼體。一前部夾持螺母880可螺旋固定至工具固持件190以將無框架心軸總成800之若干部分進一步固持在一起。

根據本發明之實施例，至少後端軸承832可安置於一圓錐形腔中，該圓錐形腔係由工具固持件190之錐形承窩192之內表面及前部夾持螺母880界定之空間。

後端支撐件884可在其外周邊處具有斜槽886。當裝配至工具固持件190中時，斜槽886可與工具固持件190之錐形承窩192之內表面一起界定用於高壓冷卻劑流體之通路。在操作期間，高壓冷卻劑可自工具固持件190流動通過斜槽886到達衝擊渦輪840之葉片822。斜槽886可垂直於衝擊渦輪840之葉片822，以使得高壓冷卻劑流體可以一約45度擊中衝擊渦輪840之葉片822，因此增加渦輪840及無框架心軸總成800之效率。前端軸承830及後端軸承832可以FTF組態放置，且可使用抵靠軸件820之區域836擠壓前端軸承830之彈簧(諸如一波形彈簧834)來執行預載。

無框架心軸總成800可包含彈性變形工具夾持系統650。當在軸件820之製造階段期間對軸件820之圓形中空區段822鑽孔時，可藉由 一保持系統在(舉例而言)兩點處夾持軸件820之前部部分。當釋放夾持時，中空區段822獲得一橢圓體剖面。工具替換要求藉由一保持系統夾持軸件820之前部部分然後插入工具。當釋放該夾持時，可在位於該橢圓體之短軸處之兩個接觸點處固持該工具。

參照圖9A，其繪示根據本發明之實施例對一例示性基於轉子之心軸總成900之一剖面圖解說明。除軸件920外，心軸總成900皆可由標準現貨部件裝配，諸如：球軸承、O型環、預載螺母、ER夾套(作為心軸殼體)、工具固持件(亦為心軸殼體之部分)及工具夾持系統(夾套及螺母)。反應渦輪940可位於(舉例而言)軸件920之一前端處、在前端軸承930與工具夾持系統950之間。反應渦輪940可係軸件920之一組成部分。因此，反應渦輪940及軸件920可提供為一單件。前端軸承930及後端軸承932可BTB、彼此鄰接地放置，且可使用定位預載技術來預載。前端軸承930及後端軸承932可在渦輪940與螺母945之間固持於適當位置處。可藉由複數個孔960達成對轉子保持之準備。

現在參照圖9B，其繪示根據本發明之實施例對一例示性軸件920之一示意性圖解說明。軸件920繪示為後側向上。反應渦輪940的輪廓是從軸件920上雕刻出來。圖9C繪示根據本發明之實施例對一第二例示性軸件925之一示意性圖解說明。軸件925類似於軸件920，但針對轉子保持做出之準備不同，此處係藉助六個扁平區域達成。

現在參照圖9A至圖9C，高壓冷卻劑流體可自工具固持件190穿過形成於軸件920或925之側面上之隧道902朝向渦輪940流動。隧道902提供用於軸件920或925與軸承930及932之間的高壓冷卻劑之通路。另外，高壓冷卻劑流體可自工具固持件190穿過軸承930及932朝向渦輪940流動。前端軸承930之外軌可提供密封以防止高壓冷卻劑流體在其到達渦輪940之前洩漏出心軸總成900。

參照圖9D，其繪示根據本發明之實施例對例示性心軸系統901沿 圖1A上所標記之截面I-I之一示意性剖面圖解說明。根據本發明之實施例，心軸系統901可包含安裝於一工具固持件190上且固持一工具180之心軸總成900。心軸總成900可包含夾套210。夾套210可係一標準現貨夾套。夾套210可在其外周邊處具有縱向槽212。為防止冷卻劑噴濺至非期望方向，可密封夾套210。

根據本發明之實施例，至少後端軸承932可安置於一圓錐形腔中，該圓錐形腔係由工具固持件190之錐形承窩192之內表面及前部夾持螺母980界定之空間。

參照圖10，其繪示根據本發明之實施例對一例示性雙軸承心軸總成1000之一剖面圖解說明。心軸總成1000之操作原理類似心軸總成900之此等操作原理。心軸總成1000可包含一反應渦輪940，類似於心軸總成900中使用之反應渦輪940。前端軸承1030及後端軸承1032可各自包含一對毗鄰軸承。每一對可BTB裝配，同時前端軸承1030及後端軸承1032係FTF裝配。一外部套管1010可向前端軸承1030及後端軸承1032提供支撐以防止可在裝配及拆卸工具時發生之可能損害。可藉由抵靠渦輪940擠壓前端軸承1030及後端軸承1032之一彈簧(諸如盤形彈簧1034)達成恒壓預載。

參照圖11，其繪示根據本發明之實施例對另一例示性雙軸承心軸總成1100之一剖面圖解說明。心軸總成1100之操作原理類似心軸總成900之此等操作原理。心軸總成1100可包含一反應渦輪940，類似於心軸總成900中使用之反應渦輪940。前端軸承1130及後端軸承1132可彼此毗鄰定位且可各自包含一對毗鄰軸承。每一對可BTB裝配，同時前端軸承1130及後端軸承1132係FTF裝配。可藉由螺桿螺母1134及渦輪940達成定位預載。

儘管本文已圖解說明及闡述了本發明之某些特徵，然而熟習此項技術者現在將能想出諸多修改、替代、改變及等效形式。因此，應 瞭解，隨附申請專利範圍意欲涵蓋歸屬於本發明之真正精神內之所有此等修改及改變。

100‧‧‧心軸系統

110‧‧‧心軸/心軸總成

180‧‧‧工具

185‧‧‧工作點

190‧‧‧工具固持件/工具夾持件

R‧‧‧旋轉軸線

I-I‧‧‧截面

Claims (9)

1. 一種經組態以裝配於一工具固持件之內部錐形承窩處之心軸總成，該總成具有一後端及一前端，該前端接近於該總成之一工具夾持系統，且該後端接近於與該工具夾持系統相反之該總成之一端，該總成包括：一旋轉軸件，其經組態用於在該工具固持件內旋轉；一軸承總成，其包括一前端軸承總成及後端軸承總成，該軸承總成經組態以在該工具固持件內支撐該旋轉軸件，且達成該軸件在該工具固持件內之旋轉；一渦輪，其與該旋轉軸件可操作地連接，該渦輪經組態以旋轉該旋轉軸件；一中空殼體，其機械地支撐該心軸總成之若干組件；及複數個槽，其形成於該中空殼體之外表面且經組態以搭配該工具固持件之錐形承窩之內表面形成若干通路，以允許自該工具固持件流動之8至90巴的高壓冷卻劑流體驅動該渦輪，其中該軸承總成之至少一個軸承安置於該心軸總成之一部分中，該心軸總成之該部分經組態以位於由該工具固持件之該錐形承窩及一前部夾持螺母界定之空間中。
2. 如請求項1之心軸總成，其中該中空殼體包括一夾套。
3. 如請求項1之心軸總成，其包括穿過該旋轉軸件之一中空隧道，該中空隧道經組態以允許該冷卻劑中之某些冷卻劑以8至90巴的高壓朝向安裝於該心軸總成上之一工具之一中心鏜孔流動。
4. 如請求項1之心軸總成，其中該前端軸承總成及後端軸承總成以選自由以下各項組成之群組之一組態安裝：背對背、面對面及串列軸承定向。
5. 如請求項1之心軸總成，其中每一軸承總成包括至少一個軸承。
6. 如請求項1之心軸總成，其中該渦輪放置在該前端軸承總成前面。
7. 如請求項1之心軸總成，其中該渦輪選自由以下各項組成之群組：一軸向衝擊渦輪、一徑向衝擊渦輪及一反應渦輪。
8. 如請求項1之心軸總成，其中該冷卻劑係水與油之乳狀液。
9. 如請求項1之心軸總成，其包括一工具夾持系統。