專利名稱：高速氣動主軸頭的制作方法
專利說明
一、技術(shù)領(lǐng)域本實(shí)用新型屬于一種由空氣渦輪驅(qū)動的高速氣動主軸頭，尤其是適用于加工精密小孔和微孔的高速氣動主軸頭。
二背景技術(shù)：
高速氣動主軸頭由于采用了以氣體軸承為軸承的空氣渦輪主軸，具有轉(zhuǎn)速高、回轉(zhuǎn)精度高、振動小、壽命長，以及工作溫度低和調(diào)速簡便等其他主軸頭往往不都具有的這些特點(diǎn)，因而能滿足精密小孔和微孔加工對主軸頭提出的一系列要求。但是現(xiàn)行高速氣動主軸頭顯著不足的是機(jī)械特性軟，加載時(shí)主轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速將急劇降落，渦輪的驅(qū)動扭矩幾乎不隨轉(zhuǎn)速而變化，因此嚴(yán)重地影響加工效率和質(zhì)量，從而限制了對它的廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)，目前制造的高速氣動磨頭(風(fēng)動磨頭)，其基本結(jié)構(gòu)大致相同，已有每分鐘從數(shù)萬轉(zhuǎn)至十幾萬轉(zhuǎn)的不同型號，被用于對薄壁小孔和小尺寸內(nèi)錐面進(jìn)行間斷磨削，但由于機(jī)械特性軟，對一般小孔的連續(xù)磨削尚不能進(jìn)行，而需要采用高頻電動磨頭。由本專利申請人于1978年設(shè)計(jì)的高速風(fēng)動臺鉆(型號為GFZ，現(xiàn)有專業(yè)廠家生產(chǎn))，首先應(yīng)用于燃油噴射裝置噴孔加工。由于鉆削這樣的噴孔所需扭矩小，因此機(jī)械特性問題還不突出，但隨著使用范圍的擴(kuò)大，仍存在上述機(jī)械特性問題。在國外，例如在日本，已將TPF型空氣渦輪主軸頭用于小孔和微孔的加工，并已系列化生產(chǎn)。但這種主軸頭即使在加工微孔時(shí)，主軸也往往發(fā)生扭矩不足的問題(鈴木榮二等超高速微孔加工，《機(jī)械工具》1983年第4期64-70頁)。
現(xiàn)行的高速氣動主軸頭結(jié)構(gòu)都局限于用簡單閥門來改變渦輪的供氣壓力，以確定所需轉(zhuǎn)速，在確定轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣閥開啟狀態(tài)不變，供氣壓力不變。顯然，就主軸而言，空轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)渦輪驅(qū)動力矩與主軸內(nèi)阻力矩保持平衡，而加載時(shí)依靠轉(zhuǎn)速下降，內(nèi)阻力矩減小來達(dá)到平衡，但以內(nèi)阻的變化增大力矩是有限的，因此機(jī)械特性軟，有效扭矩和功率小。為了改變高速氣動主軸的機(jī)械特性，在負(fù)荷條件下保持主軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，有效的辦法是利用某些動力機(jī)械的工作方式，例如內(nèi)燃機(jī)燃油噴射油量調(diào)節(jié)的類似方法，使渦輪供氣壓力(供氣量)隨負(fù)荷而變化，即負(fù)荷增加，供氣壓力增高，從而實(shí)現(xiàn)供氣壓力隨負(fù)荷自動調(diào)節(jié)。
三
發(fā)明內(nèi)容
針對已有技術(shù)的上述不足，本實(shí)用新型的目的是通過改變供氣特性提供一種具有硬機(jī)械特性且有效扭矩和功率顯著提高的高速氣動主軸頭，以滿足加工精密小孔和微孔的要求。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用了如下技術(shù)方案高速氣動主軸頭包括有軸頭體、軸承、主軸、渦淪、進(jìn)氣閥和氣體流道，渦輪固置在主軸上，主軸通過軸承安置在軸頭體內(nèi)，渦輪位于軸頭體內(nèi)的渦輪室內(nèi)，其特征在于還設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)速傳感裝置與轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)裝置，傳感裝置與調(diào)節(jié)裝置相連，調(diào)節(jié)裝置的輸出端與進(jìn)氣閥可控制閥芯開啟度地相聯(lián)。
為了更好地實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型還進(jìn)一步采取了以下技術(shù)措施在上述所說的渦輪室內(nèi)，在渦輪切向噴孔的噴氣方向設(shè)計(jì)有消聲器。
在上述所說的軸頭體總排氣口處設(shè)計(jì)有消聲器。所說的消聲器由多孔燒結(jié)材料結(jié)構(gòu)環(huán)構(gòu)成。
上述所說的渦輪為氣流反沖式渦輪，由位于渦輪圓周上的切向噴孔、位于渦輪中央的進(jìn)氣室和將切向噴孔與進(jìn)氣室溝通的流道構(gòu)成。
上述所說的軸承為氣體懸浮軸承。
上述所說的轉(zhuǎn)速傳感裝置為氣壓式轉(zhuǎn)速傳感裝置，由渦輪上的徑向孔和與調(diào)節(jié)裝置相連接的氣壓傳感通道構(gòu)成，徑向孔和氣壓傳感通道均與有氣體泄漏的結(jié)構(gòu)間隙相通，徑向孔的另一端與氣體排出口相通。
上述所說的轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)裝置為氣動式轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)裝置，由裝置殼體、前膜片、后膜片、球閥、調(diào)速彈簧和調(diào)速手輪構(gòu)成，裝置殼體與前后膜片構(gòu)成四個(gè)相互隔開的腔室，球閥位于前后膜片之間，前膜片與進(jìn)氣閥的閥桿聯(lián)接，調(diào)速彈簧的兩端分別與后膜片和調(diào)速手輪聯(lián)接，前膜片的前后腔室分別與進(jìn)氣閥后面和前面的氣體流道相通，后膜片的前后腔室分別與大氣和氣壓式傳感裝置的氣壓傳感通道相通。
上述所說的調(diào)速彈簧為組合彈簧，由分別套置在一起的圓柱內(nèi)彈簧、中彈簧和外彈簧構(gòu)成。
上述所說的前膜片的后腔室通過節(jié)流器與進(jìn)氣閥前面的氣體流道相通。
上述所說的后膜片前腔室還沒置有與調(diào)速彈簧作用相反的作用于后膜片的背彈簧。
本實(shí)用新型還采取了其他一些技術(shù)措施，實(shí)施例對這些技術(shù)措施有詳細(xì)描述。
本實(shí)用新型由于采取了新的技術(shù)方案和多方面的技術(shù)措施，與現(xiàn)有技術(shù)相比其優(yōu)點(diǎn)和積極效果是顯著的，主要體現(xiàn)在以下方面1.本實(shí)用新型所提供的高速氣動主軸頭具有特有的自動調(diào)節(jié)裝置——調(diào)速器和主軸頭結(jié)構(gòu)，保證了渦輪供氣壓力隨負(fù)荷自動調(diào)節(jié)，這樣的供氣特性使該主軸頭具有硬機(jī)械特性。調(diào)速器特有的巧妙結(jié)構(gòu)，使調(diào)速器靈敏度高、穩(wěn)定性好，可獲得小的調(diào)速率。所述的供氣特性也使該主軸頭可在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)充分利用氣源供氣壓力，比現(xiàn)行同類主軸頭有大得多的有效扭矩和功率。因此，可顯著提高加工精密小孔和微孔的效率和質(zhì)量，擴(kuò)大其加工范圍。
2.由于渦輪供氣壓力隨負(fù)荷自動調(diào)節(jié)，以及利用反沖式渦輪驅(qū)動，可提高壓縮空氣的利用效率。
3.由于設(shè)計(jì)了前、后消聲器，大大降低了噪音，可把工作時(shí)發(fā)生的空氣動力噪音降低到充許的水平，改善了工人的工作環(huán)境。
4.利用氣動式調(diào)速器比利用其他類型的調(diào)速器使結(jié)構(gòu)大為簡化。
5.由于連接上清潔、干燥的氣源就能工作，使用方便，不僅可方便地與專用機(jī)床配套，而且可直接與大量的通用機(jī)床配套，與硬機(jī)械特性接近的異步電動機(jī)相比，不但可省去高頻電動主軸頭所需的價(jià)格昂貴的電流變頻器，也不需要采取專門的冷卻和潤滑措施，因此結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)價(jià)格低。
本實(shí)用新型還具有其他一些優(yōu)點(diǎn)，例如所采取的技術(shù)措施使空氣軸承具有較高的承載能力、剛度和穩(wěn)定性。
四

附圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)剖視圖。
附圖2是附圖1的右視圖。
五具體實(shí)施方式
附圖1和附圖2描述了本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，它是一種高速氣動磨削主軸頭，下面結(jié)合該實(shí)施例與附圖對本實(shí)用新型進(jìn)行更詳細(xì)的說明。
在主軸頭中，主軸1的一端設(shè)計(jì)有用于軸向壓裝渦輪8的裝配孔，通過該裝配孔與渦輪剛性聯(lián)接，另一端伸出主軸頭體安裝切削工具6。主軸由小間隙空氣靜壓軸承系統(tǒng)支承。配置在主軸軸頸兩端的兩個(gè)軸頸軸承和靠近軸頸的一個(gè)止推軸承分別位于軸承體2的圓筒和法藍(lán)上。主軸以渦輪為止推盤，對應(yīng)的另一止推軸承位于止推軸承體12上，兩止推軸承間安裝隔圈10加以聯(lián)接，形成距離不變的兩個(gè)剛性止推軸承。軸承體精密地安裝在主軸體3中，用螺釘將其法藍(lán)緊固于主軸體內(nèi)端面上。在軸承體的圓筒上安裝了孔塞7，構(gòu)成軸頸軸承帶圓形氣室的噴孔。止推軸承的噴孔由三角形的環(huán)槽連接，此外，在考慮氣量消耗的條件下增大軸頸軸承兩排噴孔線間的距離，以增加軸承的剛度和高速轉(zhuǎn)動時(shí)作為混合軸承的動壓浮力分量。
進(jìn)氣閥體13和止推軸承體12連接，進(jìn)氣閥體上裝有進(jìn)氣閥35、開停閥14和進(jìn)氣接頭34。氣源的壓縮空氣從進(jìn)氣接頭進(jìn)入進(jìn)氣閥體，由進(jìn)氣閥體不同氣道分別供往空氣軸承、渦輪和調(diào)速器。供往空氣軸承的氣流經(jīng)氣道58、60、圓弧槽61和氣道62與67分別進(jìn)入止推軸承體和軸承體2的軸承，供往渦輪8的氣流經(jīng)氣道57、進(jìn)氣閥、開停閥和氣道49與47從軸向進(jìn)入渦輪的進(jìn)氣室，供往調(diào)速器的氣流經(jīng)氣道56進(jìn)入，此外，進(jìn)氣閥體上有反饋管15，經(jīng)進(jìn)氣閥調(diào)壓后進(jìn)入渦輪的氣流同時(shí)通過反饋管進(jìn)入調(diào)速器。
進(jìn)氣閥體13中安裝的進(jìn)氣閥35為一平衡式節(jié)流閥，它在閥簧36作用下落向進(jìn)氣閥體的環(huán)形座面。進(jìn)氣閥尾部活塞與止推軸承體12的軸向孔配合，它的桿部伸出進(jìn)氣閥體與調(diào)速器接觸。
與主軸1端部剛性聯(lián)接的渦輪8為一反沖式空氣渦輪，渦輪一側(cè)在靠近其圓周部位具有切向噴孔64，利用噴孔噴射氣流的反作用力驅(qū)動主軸。進(jìn)入位于渦輪中央的進(jìn)氣室的氣流經(jīng)孔66流向噴孔，氣流在噴孔斜截面上膨脹，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的供氣壓下將形成超音速流動，這種渦輪與一般的葉片渦輪比較，由于避免了葉片、間隙和通風(fēng)損耗，提高了壓縮空氣的利用效率。
渦輪8上的轉(zhuǎn)速傳感裝置為一真空度感應(yīng)裝置，由渦輪另一側(cè)與圓周接通的徑向孔43構(gòu)成。該徑向孔內(nèi)端與位于中心的軸向孔39連接，轉(zhuǎn)速傳感裝置實(shí)際上是一個(gè)離心式真空泵，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)將使軸向孔39形成真空度，通過渦輪孔40和主軸孔41從環(huán)槽42抽出由軸承端部間隙泄漏出的氣體，進(jìn)而通過軸承體孔44和氣道50將轉(zhuǎn)速變化的真空度信號傳送至調(diào)速器。
真空泵徑向孔43和渦輪噴孔64的排氣區(qū)域用裝在隔圈10中的隔環(huán)9分開，以防止主軸頭內(nèi)排氣壓力增高時(shí)真空度信號的減弱和畸變。隔環(huán)以間隙包圍渦輪，其上加工了經(jīng)氣道63和59與大氣相通的環(huán)槽65。真空泵的排氣經(jīng)槽45和氣道48進(jìn)入大氣。
主軸頭設(shè)計(jì)有由多孔燒結(jié)材料結(jié)構(gòu)環(huán)構(gòu)成的前消聲器4和后消聲器11，以適應(yīng)工況強(qiáng)化對降低空氣動力噪音的要求。后消聲器安裝在隔圈10和止推軸承體12之間，位于渦輪排氣區(qū)域周圍，前消聲器安裝在前蓋5內(nèi)，隨前蓋安裝的主軸體3中，位于渦輪排氣的大氣出口。
渦輪8的排氣由氣腔46經(jīng)后消聲器11、止推軸承體12、隔圈10、軸承體2和主軸體3上的氣道38以及前消聲器4從主軸體流出，并利用絕熱膨脹的氣流冷卻軸承部位，防止高速時(shí)軸承溫度的升高。
主軸頭體由主軸體3、止推軸承體12、進(jìn)氣閥體13、球閥體16和調(diào)速器蓋24連接而成。主軸頭中的進(jìn)氣閥體也是調(diào)速器的座體，由于調(diào)速器和主軸體連成一體，利用進(jìn)氣閥體的進(jìn)氣接頭34集中供氣避免了使用多根外接管道。球閥體上裝有球閥32和節(jié)流器33，調(diào)速器蓋上裝有調(diào)速手輪25。
在進(jìn)氣閥體13和球閥體16之間安裝了前膜片18，在球閥體和調(diào)速器蓋24之間安裝了后膜片20。前膜片上固定著墊片17，工作時(shí)其中心的錐面壓向進(jìn)氣閥35，后膜片上固定著壓釘23和彈簧前座21，通過壓釘壓向球閥32的芯球。前膜片、后膜片和連接的殼體將調(diào)速器分隔為四個(gè)腔室。球閥為一溢流閥，球閥體把腔54和52分開。腔55通過進(jìn)氣閥上的反饋管15與渦輪進(jìn)氣壓力管道連接；腔54通過節(jié)流器35和進(jìn)氣閥體孔56與氣源連接；腔52通過球閥體孔53與大氣相通；腔51與真空信號管路50連接。在后膜片的彈簧前座上安裝了組合式調(diào)速彈簧，由調(diào)速器蓋上的調(diào)速手輪25支承，在后膜片的壓釘上作用了背簧22，調(diào)速彈簧的彈力使后膜片壓向球閥，而真空吸力和背簧反向作用于后膜片。
當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，膜片處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)主軸在負(fù)荷作用下轉(zhuǎn)速下降時(shí)，真空度隨之下降，這時(shí)后膜片20在調(diào)速彈簧作用下壓向球閥32，球閥開度減小，即與氣源連接的腔54經(jīng)球閥和腔52溢往大氣的氣量減少，腔54氣壓升高，使前膜片18壓向進(jìn)氣閥35，進(jìn)氣閥開度增大，渦輪供氣壓升高，因而主軸頭將以更大的輸出扭矩工作。由于渦輪進(jìn)氣壓力升高，腔55氣壓也隨之升高，前膜片進(jìn)入平衡，使轉(zhuǎn)速和真空度接近原來的狀態(tài)。當(dāng)為最大輸出扭矩時(shí)，供氣壓力接近氣源壓力。當(dāng)主軸卸荷時(shí)，將發(fā)生相反的過程。
球閥32開度的微量變化通過腔54將引起對前膜片18作用力產(chǎn)生很大的變化，使調(diào)速器具有高的靈敏度，腔54為調(diào)速器的放大級。
用調(diào)速手輪25通過彈簧后座26調(diào)整調(diào)速彈簧予緊力，選擇主軸不同的轉(zhuǎn)速。調(diào)速彈簧予緊力越大渦輪供氣壓力越高，主軸轉(zhuǎn)速也越高。在進(jìn)氣閥體13上可旋下兩螺塞37之一安裝壓力表，指示渦輪供氣壓力以對應(yīng)所選轉(zhuǎn)速。
調(diào)速彈簧由圓柱形的內(nèi)簧27、中簧29和外簧31經(jīng)小座圈28和大座圈30串聯(lián)組合而成。內(nèi)簧剛度較小，外簧剛度較大，在用調(diào)速手輪予緊調(diào)速彈簧時(shí)，隨著彈簧后座26和小座圈之間間隙的消除，繼而小座圈與大座圈之間間隙的消除，該組合式調(diào)速彈簧的剛度可以在足夠的范圍內(nèi)變化。由于轉(zhuǎn)速傳感裝置——離心式真空泵所形成的真空度隨轉(zhuǎn)速增大的規(guī)律成非線性關(guān)系，使用這樣的調(diào)速彈簧使調(diào)速器能適應(yīng)低速、中速、高速的需要，既能保證低速時(shí)的靈敏度，又能保證高速時(shí)的穩(wěn)定性，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均獲得較小的調(diào)速率。根據(jù)本專利申請人進(jìn)行的試驗(yàn)，調(diào)速率可達(dá)到高速不超過5％，低速小于10％的要求。圓柱彈簧靈敏度高，且設(shè)計(jì)和制造簡單。彈簧后座與小座圈和小座圈與大座圈之間的設(shè)計(jì)間隙可用墊片(圖中未示)調(diào)整達(dá)到。
背簧22使調(diào)速彈簧對應(yīng)轉(zhuǎn)速的予緊力增加，可消除調(diào)速彈簧在予緊力較小時(shí)因制造誤差帶來的影響。
在調(diào)速器蓋24上還裝有螺塞19，裝配試車時(shí)可拆下該螺塞，利用其孔檢查作用予調(diào)速器的真空度和真空管路的密封性。
上述實(shí)施例可用于30000-100000轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速范圍的高速氣動主軸頭，其結(jié)構(gòu)可作為其他轉(zhuǎn)速的高速氣動主軸頭的基本結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系列化。
權(quán)利要求1.一種高速氣動主軸頭，包括軸頭體、軸承(2)、主軸(1)、渦淪(8)、進(jìn)氣閥(35)和氣體流道，渦輪固置在主軸上，主軸通過軸承安置在軸頭體內(nèi)，渦輪位于軸頭體內(nèi)的渦輪室，其特征在于還設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)速傳感裝置與轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)裝置，傳感裝置與調(diào)節(jié)裝置通過信號傳感通道連接，調(diào)節(jié)裝置與所述進(jìn)氣閥可控制進(jìn)氣閥閥芯開啟度地相聯(lián)。
2.如權(quán)利要求1所述的高速氣動主軸頭，其特征是在渦輪室的渦輪切向噴孔噴氣方向設(shè)計(jì)有消聲器(11)。
3.如權(quán)利要求2所述的高速氣動主軸頭，其特征是在軸頭體的總排氣口處設(shè)計(jì)有消聲器(4)，所說的消聲器可由多孔燒結(jié)材料結(jié)構(gòu)環(huán)構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的高速氣動主軸頭，其特征在于所說的渦輪為氣流反沖式渦輪，由位于渦輪圓周上的切向噴孔(64)、位于渦輪中央的進(jìn)氣室和將切向噴孔與進(jìn)氣室溝通的流道(66)構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求4所述的高速氣動主軸頭，其特征在于所說的軸承為氣體懸浮軸承。
6.如權(quán)利要求5所述的高速氣動主軸頭，其特征在于所說的轉(zhuǎn)速傳感裝置為氣壓式轉(zhuǎn)速傳感裝置，由渦輪上的徑向孔(43)和與調(diào)節(jié)裝置相連接的氣壓傳感通道(45、48)構(gòu)成，徑向孔(43)和氣壓傳感通道均與有氣體泄漏的結(jié)構(gòu)間隙相通，徑向孔的另一端與氣體排出口相通。
7.如權(quán)利要求6所述的高速氣動主軸頭，其特征在于所說的轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)裝置為氣動式轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)裝置，由裝置殼體、前膜片(18)、后膜片(20)、球閥(32)、調(diào)速彈簧和調(diào)速手輪構(gòu)成，裝置的殼體與前后膜片構(gòu)成四個(gè)相互隔開的腔室，球閥位于前后膜片之間，前膜片與進(jìn)氣閥的閥桿相聯(lián)接，調(diào)速彈簧的兩端分別與后膜片和調(diào)速手輪聯(lián)接，前膜片的前后腔室分別與進(jìn)氣閥(35)后面和前面的氣體流道相通，后膜片的前后腔室分別與大氣和氣壓式傳感裝置的氣壓傳感通道相通。
8.如權(quán)利要求7所述的高速氣動主軸頭，其特征在于所說的調(diào)速彈簧為組合彈簧，由分別套置在一起的圓柱內(nèi)彈簧(27)、中彈簧(28)和外彈簧(31)構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求7所述的高速氣動主軸頭，其特征在于所說的前膜片的后腔室通過節(jié)流器與進(jìn)氣閥前面的氣體流道相通。
10.如權(quán)利要求7所述高速氣動主軸頭，其特征是在后膜片的前腔室還沒置有與調(diào)速彈簧作用相反的作用于后膜片的背彈簧(22)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種以蝸輪驅(qū)動并由氣體軸承支承的用于加工精密小孔和微孔的高速氣動主軸頭,它具有自動調(diào)節(jié)裝置——調(diào)速器,以及由渦輪上的徑向孔構(gòu)成的氣壓傳感裝置。調(diào)速器為一種靈敏的氣動式裝置,蝸輪上的傳感裝置將負(fù)荷引起的轉(zhuǎn)速變化感應(yīng)為真空度信號,調(diào)速器按真空度信號控制進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)蝸輪供氣壓力。由于本實(shí)用新型公開的高速氣動主軸頭具有隨負(fù)荷自動調(diào)節(jié)供氣壓力的特點(diǎn),因而主軸頭具有硬機(jī)械特性,并可充分利用氣源壓力,使有效扭矩和功率大為增加。
文檔編號B24B41/00GK2500430SQ0124785
公開日2002年7月17日 申請日期2001年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月11日
發(fā)明者蔡貴鈞, 蔡林洹 申請人:蔡貴鈞