專利名稱：透平氣動主軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速主軸，特別涉及氣動主軸，屬于能源和動力技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高速加工作為先進制造技術(shù)之一，在工業(yè)各部門特別是航空航天、汽車工業(yè)、PCB鉆孔和模具加工等領(lǐng)域獲得了十分廣泛的應(yīng)用。目前常用的高速主軸在結(jié)構(gòu)上分為兩類，即分離式高速主軸和內(nèi)裝式電主軸(又稱電主軸)。分離式高速主軸通過中間的傳動裝置(如皮帶、齒輪等)帶動軸體旋轉(zhuǎn)而進行工作，由于受其傳動機構(gòu)的影響，主軸速度的提高受到了一定限制。電主軸是將高速電機置于機床主軸部件 內(nèi)部，通過交流變頻控制系統(tǒng)直接驅(qū)動軸體，使軸體獲得所需的工作速度和扭矩，與傳統(tǒng)的主軸傳動系統(tǒng)相比結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，不但省略了中間傳動環(huán)節(jié)引起的誤差，實現(xiàn)了電機對軸體的零間隙傳動，而且具有轉(zhuǎn)速高、功率大、剛性好、壽命長等優(yōu)點，能夠有效的降低傳動誤差和加工誤差對工件的影響，確保了機床系統(tǒng)高速運轉(zhuǎn)的可靠性，因此在高速、超高速精密加工中得到了廣泛應(yīng)用。但是，由于電主軸的電動機位于主軸單元中，自然散熱條件較差，電動機在高速運轉(zhuǎn)過程中，電動機內(nèi)部功率損耗所產(chǎn)生的熱量及高速運轉(zhuǎn)的軸承由于摩擦產(chǎn)生的熱量很容易傳入軸體和殼體中使軸體及殼體產(chǎn)生熱位移，直接影響主軸的性能。另外，由于電主軸在高頻窄波下工作，通常在其外殼產(chǎn)生強烈的感應(yīng)電流，因此需要采用特殊浸漆工藝及外殼接地的方法對定子進行屏蔽，增加了機構(gòu)的復(fù)雜性。由于電主軸存在諸多缺陷，限制了其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于電主軸存在上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種透平氣動主軸。本發(fā)明透平氣動主軸，包括殼體和貫穿該殼體第一端部的軸體，所述殼體包括設(shè)有若干氣道的環(huán)形透平基座、連接在該透平基座的第一端的設(shè)有進氣孔的第一端蓋、和連接在該透平基座的第二端的設(shè)有若干排氣孔的第二端蓋，第二端蓋構(gòu)成所述殼體的第一端部，所述第一端蓋與所述透平基座的第一端之間設(shè)置氣腔；所述軸體中部安裝氣動透平機，所述氣動透平機的透平定子和透平轉(zhuǎn)子對應(yīng)固連在所述透平基座內(nèi)和所述軸體上，所述軸體分別在所述透平轉(zhuǎn)子的兩端處設(shè)置止推軸承以支撐所述軸體和承受該軸體受到的軸向力。優(yōu)選地，所述止推軸承包括緊貼在所述透平轉(zhuǎn)子第一端的第一止推軸承和緊貼在所述透平轉(zhuǎn)子第二端的第二止推軸承，所述止推軸承為滾動軸承。優(yōu)選地，所述第二止推軸承通過固連在第二端蓋的軸承端蓋和/或所述軸體上的軸肩定位，所述第一止推軸承的內(nèi)圈通過固連在軸體第一端的內(nèi)圈端蓋定位在所述軸體上。優(yōu)選地，所述透平氣動主軸還包括軸向間隙自動補償機構(gòu)，該軸向間隙自動補償機構(gòu)包括與所述第一止推軸承的外圈的端面帖合的補償彈簧座、與所述補償彈簧座相對且相隔一定間隔的補償彈簧壓緊端蓋、以及設(shè)置于它們之間的預(yù)壓緊彈簧，所述補償彈簧壓緊端蓋與所述透平基座固連。優(yōu)選地，所述第二止推軸承與所述透平轉(zhuǎn)子之間設(shè)置密封裝置，該密封裝置含密封擋圈和密封環(huán)，所述密封擋圈安裝在所述第二端蓋的內(nèi)端面，與第二端蓋的內(nèi)端面密合，所述密封擋圈上設(shè)置與所述若干排氣孔對應(yīng)的若干第三氣孔，并在第三氣孔內(nèi)安裝防塵罩，所述密封環(huán)設(shè)置在所述密封擋圈和所述透平轉(zhuǎn)子之間。
優(yōu)選地，所述軸向間隙自動補償機構(gòu)與所述第一止推軸承之間設(shè)置第一潤滑腔，所述補償彈簧壓緊端蓋設(shè)置連通所述氣腔和所述第一潤滑腔的第一氣孔，所述透平基座上設(shè)置所述第一潤滑腔的潤滑脂注入通道。優(yōu)選地，所述密封擋圈與所述第二止推軸承之間設(shè)置第二潤滑腔，所述密封擋圈上設(shè)置連通所述第二潤滑腔和所述透平轉(zhuǎn)子與密封擋圈之間的環(huán)形腔的第二氣孔，第二止推軸承的軸承端蓋上設(shè)置所述第二潤滑腔的潤滑脂注入通道。優(yōu)選地，所述透平定子上含有若干形狀相同的第一葉片，且相鄰兩個第一葉片之間形成收斂形噴嘴，該透平定子上所有的噴嘴組成定子噴嘴環(huán)；所述透平轉(zhuǎn)子上含有若干形狀相同的第二葉片，且相鄰兩個第二葉片之間形成收斂形噴嘴，該透平轉(zhuǎn)子上所有的噴嘴組成轉(zhuǎn)子噴嘴環(huán)，所述透平轉(zhuǎn)子上噴嘴的朝向與透平定子上噴嘴的朝向相反。優(yōu)選地，所述若干排氣孔均勻分布在所述軸體周圍，且從第二端蓋的內(nèi)側(cè)到外側(cè)，所述排氣孔逐漸遠(yuǎn)離所述軸體。優(yōu)選地，所述軸體第二端的中心孔中設(shè)置彈性套，且該軸體第二端的外周螺接鎖緊套，磨頭或鉆頭通過該彈性套和該鎖緊套與所述軸體連接。本發(fā)明透平氣動主軸以壓縮空氣為エ質(zhì)，當(dāng)氣體エ質(zhì)在其氣動透平機中流過時，氣體的可用焓降首先轉(zhuǎn)變成透平轉(zhuǎn)子的機械能并驅(qū)動軸體高速旋轉(zhuǎn)，進而帶動磨頭和/或鉆頭旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動力的直接輸出。從能量轉(zhuǎn)換的角度來看，本發(fā)明透平氣動主軸是將氣體エ質(zhì)的可用焓降轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的，這與電主軸將電能轉(zhuǎn)換為機械能是不同的；從結(jié)構(gòu)上看，本發(fā)明透平氣動主軸不但克服了中間傳動環(huán)節(jié)引起的誤差，而且無需設(shè)置電磁屏蔽機構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。上述能量利用方式的原理性區(qū)別及結(jié)構(gòu)特點，使得本發(fā)明透平氣動主軸不但具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、不產(chǎn)生電磁干擾、工作壽命長、易維護及氣體エ質(zhì)無需內(nèi)加潤滑油等優(yōu)點，而且具有能量利用率高、效率高、工作壓カ低等顯著優(yōu)點，在エ業(yè)自動化領(lǐng)域和氣動工具中具有廣泛的應(yīng)用前景，是新一代的高效氣動主軸。


圖I為本發(fā)明一個實施例透平氣動主軸的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖I中氣動透平機的葉型結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下通過實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理、結(jié)構(gòu)和工作過程作進ー步的說明。參照圖1，本透平氣動主軸包括殼體、貫穿該殼體第一端部(即圖I中的右端部)的軸體22、以及氣動透平機。
殼體由環(huán)形透平基座8、第一端蓋2、第二端蓋16和軸承端蓋23組成，透平基座8上設(shè)置若干氣道31，第一端蓋2安裝在透平基座8的第一端，且第一端蓋2與透平基座8的第一端之間設(shè)置氣腔3，第一端蓋2上設(shè)置進氣孔I，第二端蓋16安裝在透平基座8的第二端，第二端蓋16上設(shè)置若干排氣孔15。氣動透平機為反擊式氣動透平機，包括透平定子11和透平轉(zhuǎn)子12，氣動透平機安裝在軸體22的中部，其透平定子11固連在透平基座8內(nèi)，透平轉(zhuǎn)子12固連在軸體22上。第一端蓋2上的進氣孔I 、透平基座8上的若干氣道31以及第二端蓋16上的若干排氣孔15構(gòu)成了氣動透平機的氣體工質(zhì)的通道。軸體22在透平轉(zhuǎn)子12的第一端(即圖I中的左端)處設(shè)置第一止推軸承7，在透平轉(zhuǎn)子12的第二端設(shè)置第二止推軸承，本實施例中，第二止推軸承是由兩個軸承24和25并排設(shè)置組成的軸承組，第一止推軸承和第二止推軸承起支撐軸體22和承受軸體22受到的軸向力的作用。典型實施例中，軸承7、24和25采用滾動軸承。第一止推軸承7內(nèi)圈的一側(cè)緊貼在透平轉(zhuǎn)子12第一端,通過內(nèi)圈端蓋33定位在軸體22上，內(nèi)圈端蓋33通過螺釘30固定在軸體22的第一端。第二止推軸承的外圈通過固連在第二端蓋16的軸承端蓋23定位，內(nèi)圈通過軸體22上的軸肩定位。為了消除軸承游隙并自動補償因軸體22高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的軸向間隙，提高軸體22高速運轉(zhuǎn)的可靠性和氣密性，透平氣動主軸進一步還包括軸向間隙自動補償機構(gòu)，該軸向間隙自動補償機構(gòu)包括與第一止推軸承7的外圈的端面帖合的補償彈簧座6、與補償彈簧座6相對且相隔一定間隔的補償彈簧壓緊端蓋5、以及設(shè)置于它們之間的預(yù)壓緊彈簧4，補償彈簧壓緊端蓋5與透平基座8固連，預(yù)壓緊彈簧4提供的預(yù)緊力擠壓第一止推軸承7外圈的端面，可以自動補償軸體22與相鄰零件間因磨損而產(chǎn)生的軸向間隙，并可以消除軸承游隙。典型實施例中，補償彈簧壓緊端蓋5左端面與透平基座8的左端面平齊，補償彈簧壓緊端蓋5的右端沿軸體22的旋轉(zhuǎn)中心線方向開有若干第一彈簧腔，對應(yīng)地，補償彈簧座6的左端沿軸體22的旋轉(zhuǎn)中心線方向開有若干第二彈簧腔，預(yù)壓緊彈簧4安裝在對應(yīng)的第一彈簧腔和第二彈簧腔中。為了進一步提高主軸的性能，在第二推軸承與透平轉(zhuǎn)子12之間還設(shè)置了密封裝置，該密封裝置含密封擋圈29和密封環(huán)13，密封擋圈29通過螺釘27安裝在第二端蓋16的內(nèi)端面，與第二端蓋16的內(nèi)端面密合，密封擋圈29上設(shè)置與若干排氣孔15對應(yīng)的若干第三氣孔，并在第三氣孔內(nèi)安裝防塵罩14，密封環(huán)13設(shè)置在密封擋圈29和透平轉(zhuǎn)子12之間。密封環(huán)能13能夠進一步保證氣體流經(jīng)透平定子11與透平轉(zhuǎn)子12之間的流道從而推動透平轉(zhuǎn)子12旋轉(zhuǎn)。還可以在軸向間隙自動補償機構(gòu)與第一止推軸承7之間設(shè)置第一潤滑腔32，在補償彈簧壓緊端蓋5設(shè)置連通氣腔3和第一潤滑腔32的第一氣孔34，在透平基座8上設(shè)置第一潤滑腔32的潤滑脂注入通道9，在潤滑脂注入通道9的入口處設(shè)置螺堵10。還可以在密封擋圈29與第二止推軸承之間設(shè)置第二潤滑腔26，在密封擋圈29上設(shè)置連通第二潤滑腔26和透平轉(zhuǎn)子12與密封擋圈29之間的環(huán)形腔的第二氣孔28，在第二止推軸承的軸承端蓋23上設(shè)置第二潤滑腔26的潤滑脂注入通道17，在潤滑脂注入通道17的入口處設(shè)置螺堵18。
氣體由進氣孔I進入氣腔3，大部分氣體通過透平基座上的氣道31以合適的角度流入透平定子11和透平轉(zhuǎn)子12之間的流道，推動透平轉(zhuǎn)子12并帶動軸體22旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)氣體能量與機械能的轉(zhuǎn)換，少部分氣體通過第一氣孔34進入第一潤滑腔32 ;進行能量轉(zhuǎn)換后的氣體進入透平轉(zhuǎn)子12和密封擋圈29之間的環(huán)形腔，大部分通過排氣孔15排出，少部分通過第二氣孔28進入第二潤滑腔26。在較佳的實施例中，若干排 氣孔15均勻分布在軸體22周圍，且從第二端蓋16的內(nèi)側(cè)到外側(cè)，排氣孔15逐漸遠(yuǎn)離軸體22。軸體22第二端的中心孔中設(shè)置彈性套19，且軸體22第二端的外周螺接鎖緊套20，磨頭或鉆頭21通過彈性套19和鎖緊套20與軸體22連接。彈性套19可以實現(xiàn)軸體22和磨頭旋轉(zhuǎn)軸線的自動對齊。參照圖2，透平定子11上含有若干形狀相同的第一葉片35，且相鄰兩個第一葉片35之間形成收斂形噴嘴36，該透平定子上所有的噴嘴36組成定子噴嘴環(huán)；透平轉(zhuǎn)子12上含有若干形狀相同的第二葉片38，且相鄰兩個第二葉片38之間形成收斂形噴嘴37，該透平轉(zhuǎn)子上所有的噴嘴37組成轉(zhuǎn)子噴嘴環(huán)，透平轉(zhuǎn)子12上噴嘴37的朝向與透平定子11上噴嘴36的朝向相反。透平定子11和透平轉(zhuǎn)子12葉片的流道設(shè)計成收縮型，氣體首先流經(jīng)透平定子上第一葉片35的流道，在第一葉片的流道中氣體熱力學(xué)能和壓カ能所組成的焓值降低轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的動能，經(jīng)過加速的氣體以特定的角度流入到透平轉(zhuǎn)子上第二葉片38的流道中，氣體在透平轉(zhuǎn)子上第二葉片38的流道中進行第二次可用焓降能量的轉(zhuǎn)換，并對透平轉(zhuǎn)子上的第二葉片38產(chǎn)生ー個反向的作用力以推動透平轉(zhuǎn)子12旋轉(zhuǎn)。由于反擊式氣動透平機中氣體膨脹更為充分，因此反擊式透平機的效率較高，本反擊式透平氣動機的工作效率一般可達到60%以上，這不但與其獨特的工作原理，即氣體エ質(zhì)兩次膨脹、能量利用率高有夫，而且還與其通流部分符合流體力學(xué)及熱力學(xué)有關(guān)規(guī)律的完善設(shè)計密不可分。本透平氣動主軸從能量轉(zhuǎn)換的角度來看，是將氣體エ質(zhì)的可用焓降轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能；從結(jié)構(gòu)上看，本透平氣動主軸內(nèi)含反擊式透平機，其透平基本級即透平定子與透平轉(zhuǎn)子之間無零件間的滑動接觸，而且氣體エ質(zhì)在透平基本級中進行了兩次可用焓降能量的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的機械能通過與透平轉(zhuǎn)子固連的軸體輸出。上述能量利用方式的原理及結(jié)構(gòu)特點，使得本透平氣動主軸不但避免了分離式高速主軸中間的傳動裝置(如皮帶、齒輪等)，而且避免了電主軸需要的電磁屏蔽機構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。本透平氣動主軸不僅具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、工作壽命長、易維護及氣體エ質(zhì)無需內(nèi)加潤滑油等優(yōu)點，而且具有能量利用率高、效率高、工作壓カ低、轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、功率密度大等顯著優(yōu)點，在數(shù)控機床、高速小孔磨床等エ業(yè)自動化領(lǐng)域和氣動工具中具有廣泛的應(yīng)用前景，是ー種新型高效的氣動主軸。
權(quán)利要求
1.一種透平氣動主軸，包括殼體和貫穿該殼體第一端部的軸體(22)，其特征在于所述殼體包括設(shè)有若干氣道(31)的環(huán)形透平基座(8)、連接在該透平基座的第一端的設(shè)有進氣孔(I)的第一端蓋(2)、和連接在該透平基座的第二端的設(shè)有若干排氣孔(15)的第二端蓋(16)，第二端蓋構(gòu)成所述殼體的第一端部，所述第一端蓋與所述透平基座的第一端之間設(shè)置氣腔(3);所述軸體中部安裝氣動透平機，所述氣動透平機的透平定子(11)和透平轉(zhuǎn)子(12)對應(yīng)固連在所述透平基座內(nèi)和所述軸體上，所述軸體分別在所述透平轉(zhuǎn)子的兩端處設(shè)置止推軸承以支撐所述軸體和承受該軸體受到的軸向力。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透平氣動主軸，其特征在于所述止推軸承包括緊貼在所述透平轉(zhuǎn)子第一端的第一止推軸承(7)和緊貼在所述透平轉(zhuǎn)子第二端的第二止推軸承(24和25)，所述止推軸承為滾動軸承。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透平氣動主軸，其特征在于所述第二止推軸承通過固連在第二端蓋(16)的軸承端蓋(23)和/或所述軸體上的軸肩定位，所述第一止推軸承的內(nèi)圈通過固連在軸體第一端的內(nèi)圈端蓋(33)定位在所述軸體上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透平氣動主軸，其特征在于還包括軸向間隙自動補償機構(gòu)，該軸向間隙自動補償機構(gòu)包括與所述第一止推軸承的外圈的端面帖合的補償彈簧座(6)、與所述補償彈簧座相對且相隔一定間隔的補償彈簧壓緊端蓋(5)、以及設(shè)置于它們之間的預(yù)壓緊彈簧(4)，所述補償彈簧壓緊端蓋與所述透平基座固連。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透平氣動主軸，其特征在于所述第二止推軸承與所述透平轉(zhuǎn)子之間設(shè)置密封裝置，該密封裝置含密封擋圈(29)和密封環(huán)(13)，所述密封擋圈安裝在所述第二端蓋的內(nèi)端面，與第二端蓋的內(nèi)端面密合，所述密封擋圈上設(shè)置與所述若干排氣孔對應(yīng)的若干第三氣孔，并在第三氣孔內(nèi)安裝防塵罩(14)，所述密封環(huán)設(shè)置在所述密封擋圈和所述透平轉(zhuǎn)子之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的透平氣動主軸，其特征在于所述軸向間隙自動補償機構(gòu)與所述第一止推軸承之間設(shè)置第一潤滑腔(32)，所述補償彈簧壓緊端蓋設(shè)置連通所述氣腔(3)和所述第一潤滑腔的第一氣孔(34)，所述透平基座上設(shè)置所述第一潤滑腔的潤滑脂注入通道(9)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的透平氣動主軸，其特征在于所述密封擋圈與所述第二止推軸承之間設(shè)置第二潤滑腔(26)，所述密封擋圈上設(shè)置連通所述第二潤滑腔和所述透平轉(zhuǎn)子與密封擋圈之間的環(huán)形腔的第二氣孔(28)，第二止推軸承的軸承端蓋(23)上設(shè)置所述第二潤滑腔的潤滑脂注入通道(17)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透平氣動主軸，其特征在于所述透平定子(11)上含有若干形狀相同的第一葉片(35)，且相鄰兩個第一葉片之間形成收斂形噴嘴(36)，該透平定子上所有的噴嘴組成定子噴嘴環(huán)；所述透平轉(zhuǎn)子(12)上含有若干形狀相同的第二葉片(38)，且相鄰兩個第二葉片之間形成收斂形噴嘴(37)，該透平轉(zhuǎn)子上所有的噴嘴組成轉(zhuǎn)子噴嘴環(huán)，所述透平轉(zhuǎn)子上噴嘴的朝向與透平定子上噴嘴的朝向相反。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透平氣動主軸，其特征在于所述若干排氣孔(15)均勻分布在所述軸體周圍，且從第二端蓋的內(nèi)側(cè)到外側(cè)，所述排氣孔逐漸遠(yuǎn)離所述軸體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任意一項所述的透平氣動主軸，其特征在于所述軸體第二端的中心孔中設(shè)置彈性套(19)，且該軸體第二端的外周螺接鎖緊套(20)，磨頭或鉆頭(21)通過該彈性套和該鎖緊套與所述軸體連接
全文摘要
一種透平氣動主軸，包括殼體和貫穿該殼體第一端部的軸體，所述殼體包括設(shè)有若干氣道的環(huán)形透平基座、連接在該透平基座的第一端的設(shè)有進氣孔的第一端蓋、和連接在該透平基座的第二端的設(shè)有若干排氣孔的第二端蓋，第二端蓋構(gòu)成所述殼體的第一端部，所述第一端蓋與所述透平基座的第一端之間設(shè)置氣腔；所述軸體中部安裝氣動透平機，所述氣動透平機的透平定子和透平轉(zhuǎn)子對應(yīng)固連在所述透平基座內(nèi)和所述軸體上，所述軸體分別在所述透平轉(zhuǎn)子的兩端處設(shè)置止推軸承以支撐所述軸體和承受該軸體受到的軸向力。本主軸具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、不產(chǎn)生電磁干擾、工作壽命長、易維護、效率高等優(yōu)點。
文檔編號B23B19/02GK102615297SQ20121011439
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月18日
發(fā)明者劉建春, 葉佩青, 夏必忠, 張輝, 汪勁松, 王殿新, 聶權(quán) 申請人:清華大學(xué)深圳研究生院