CN103252672A - 心轴组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种心轴组件，配置成组装在工具保持件的内部锥形插座处，所述组件包括：旋转轴，配置成在所述工具保持件内旋转；轴承组件，包括前端轴承组件和后端轴承组件，且配置成在工具保持件内径向和轴向地支撑旋转轴并且能够实现所述轴在工具保持件内高速旋转；涡轮机，操作性地与旋转轴连接，所述涡轮机配置成旋转旋转轴；多个通道，配置成允许高压冷却剂流体从工具保持件的流动以驱动所述涡轮机，其中，所述轴承组件的至少一个轴承设置在心轴组件的配置成位于由工具保持件的锥形插座和前夹紧螺母所限定的空间内的一部分中。

Description

心轴组件

背景技术

心轴（spindle）提高产量、并且提高机加工装置的总效率，所述机加工装置比如为车床、铣床、钻床等等。然而，现有心轴非常复杂，并且通常由非常昂贵的部件（比如，先进轴承组件和电机）构成。因此，心轴往往非常昂贵，这就使其仅仅限于非常高的生产量和高切割质量的应用。

一种替换的解决方案为心轴调速装置（也称为心轴增速器或倍速器）。这些装置可组装在加工装置上并且与加工装置的主轴一起旋转。因此，该组件的整体转速可以为心轴调速装置的转速和机加工装置的主轴的转速的代数和。

而且，很多心轴调速装置要求机加工装置具有外部动力源，比如，气压、水压或电力。通常，这些外部动力源不可用于较旧的低成本的机加工装置中。因此，这些机加工装置使用多个心轴调速装置不太实际。这就大幅减少了这些解决方法的市场规模。

然而，很多机加工装置（包括各种规模的车间内可见的机加工装置）包括用于通过主轴传送加压的冷却剂流体的***。

发明内容

根据本发明的实施方式，提供了一种心轴组件，其配置成组装在工具保持件（tool holder）的内部锥形插座处，所述组件具有后端和前端，所述前端邻近所述组件的工具夹紧***，并且所述后端邻近所述组件的与所述工具夹紧***相对的一端。所述组件可包括：旋转轴，其配置成在所述工具保持件内旋转；轴承组件，其包括前端轴承组件和后端轴承组件，配置成在工具保持件内径向和轴向地支撑旋转轴并且能够实现所述轴在工具保持件内的高速旋转；涡轮机，其操作性地与旋转轴连接，所述涡轮机配置成转动旋转轴；多个通道，其配置成允许高压冷却剂流体从工具保持件中流动以驱动所述涡轮机，其中，所述轴承组件的至少一个轴承设置在心轴组件的配置成位于由工具保持件的锥形插座和前夹紧螺母所限定的空间内的部分中。

而且，根据本发明的实施方式，心轴组件可以包括空心壳体，以用于机械支撑所述心轴组件的部件。

而且，根据本发明的实施方式，所述空心壳体可以包括套爪（collet）。

而且，根据本发明的实施方式，所述通道可至少部分由壳体的外表面和工具保持件的锥形插座的内表面限定。

而且，根据本发明的实施方式，所述多个通道可以配置成允许冷却剂流体的至少一些流过轴承组件，以便冷却和润滑轴承。

而且，根据本发明的实施方式，所述多个通道可以包括冷却剂排放装置。

而且，根据本发明的实施方式，所述冷却剂排放装置可以允许冷却剂流体朝着安装在心轴组件上的工具的工作点流动。

而且，根据本发明的实施方式，所述冷却剂排放装置可以包括位于心轴组件的前端并且选自包括以下装置的组的装置：开口、喷嘴和喷洒器。

而且，根据本发明的实施方式，所述多个通道可以包括穿过旋转轴的空心隧道，所述空心隧道配置成允许冷却剂中的一些以高压和低流速朝着心轴组件上安装的工具的中央钻孔流动。

而且，根据本发明的实施方式，所述心轴组件的后端可以包括动态密封***，以用于基本上防止流过旋转轴的空心隧道的冷却剂流体的渗漏。

而且，根据本发明的实施方式，所述动态密封***可以允许冷却剂流体通过动态密封***的的渗漏，并且所述多个通道可以包括配置成允许渗漏冷却剂流体流动至后端轴承组件和前端轴承组件中的通道，从而为后端轴承组件和前端轴承组件提供润滑和冷却。

而且，根据本发明的实施方式，所述前端轴承组件和后端轴承组件可以以选自包括以下配置的组中的一个配置来安装：背靠背安装、面对面安装和级联安装。

而且，根据本发明的实施方式，每个轴承组件可以包括至少一个轴承。

而且，根据本发明的实施方式，所述涡轮机可以位于选自包括以下位置的组中的一个位置：在后端轴承组件的后面、在后端轴承组件和前端轴承组件之间、以及在前端轴承组件的前面。

而且，根据本发明的实施方式，所述轴承组件可以预先加载弹簧施加的预加载压力。

而且，根据本发明的实施方式，所述前端轴承组件和后端轴承组件可以定位成彼此相邻，并且其中，可以由这个定位来实现预加载。

而且，根据本发明的实施方式，所述涡轮机可以选自包括以下涡轮机的组：轴向冲力式涡轮机、径向冲力式涡轮机和反动式涡轮机。

而且，根据本发明的实施方式，所述冷却剂可以为水和油的乳浊液。

而且，根据本发明的实施方式，心轴组件可以包括工具夹紧***。

而且，根据本发明的实施方式，心轴组件可以包括转子定位***的配制装置。

而且，根据本发明的实施方式，心轴组件可以包括转速测量***，比如，包括用于测量轴的转速的霍尔传感器的速度测量***。

附图说明

在本说明书的结尾部分，特别指出并且明确地要求保护本发明的主题。然而，当参照附图进行阅读时，通过参考以下详细描述，在组织和操作方法上，可以最好地理解本发明及其目标、特征和优点，附图中：

图1A为根据本发明实施方式的一个示例性心轴***的视图；

图1B为根据本发明实施方式的图1A的示例性心轴***的示意性截面图；

图1C为根据本发明实施方式的图1A的示例性心轴***的示意性截面图的放大图；

图1D为根据本发明实施方式的图1C的示意性截面图的底部的放大图；

图2A为根据本发明实施方式的具有标准套爪的一个示例性心轴组件的示意性截面图；

图2B为根据本发明实施方式的图2A的示例性心轴组件的示意性截面图的放大图；

图2C为根据本发明实施方式的图2A的示例性心轴组件的三维图；

图3A为根据本发明实施方式的一个示例性中间涡轮机心轴组件的示意性截面图；

图3B为根据本发明实施方式的图3A的示例性心轴组件的示意性局部等轴截面图；

图4A为根据本发明实施方式的一个示例性后部涡轮机心轴组件的示意性截面图；

图4B为根据本发明实施方式的图4A的示例性心轴组件的示意图；

图5为根据本发明实施方式的另一个示例性后部涡轮机心轴组件的示意性截面图；

图6A为根据本发明实施方式的具有后部反动式涡轮机640的一个示例性心轴组件的示意性截面图；

图6B为根据本发明实施方式的图6A的示例性心轴组件的示意性局部等轴截面图；

图7A为根据本发明实施方式的具有前部反动式涡轮机的一个示例性心轴组件的纵向示意性截面图；

图7B为根据本发明实施方式的图7A的示例性心轴组件的示意性三维图；

图7C为根据本发明实施方式的图7A的示例性心轴组件的示意性局部截面图；

图7D为根据本发明实施方式的图7A的示例性心轴组件的横向示意性截面图；

图8A为根据本发明实施方式的一个示例性无框心轴组件的示意性截面图；

图8B为根据本发明实施方式的图8A的示例性心轴组件的示意图；

图8C为根据本发明实施方式的图8A的示例性心轴组件的示意性局部等轴截面图；

图9A为根据本发明实施方式的一个示例性基于转子的心轴组件的水平示意性截面图；

图9B为根据本发明实施方式的一个示例性轴的示意图；

图9C为根据本发明实施方式的另一个示例性轴的示意图；

图9D为根据本发明实施方式的图9A的示例性心轴组件的示意性截面图；

图10为根据本发明实施方式的一个示例性双轴承心轴组件的水平示意性截面图；以及

图11为根据本发明实施方式的另一个示例性双轴承心轴组件的水平示意性截面图。

要认识到，为了简化清楚地显示，图中所显示的部件没有必要按比例绘制。比如，为了清楚起见，可以相对于其他部件，放大某些部件的尺寸。而且，在认为合适的地方，可以在图中重复参考标号，以表示相应或相似的部件。

具体实施方式

在以下具体实施方式中，提出了多个具体细节，以便彻底地理解本发明。然而，本领域的技术人员会理解的是，没有这些具体的细节，也可以实践本发明。在其他情况下，未详细描述众所周知的方法、步骤和部件，以便凸显本发明。

虽然本发明的实施方式不限于这一点，但是本文中所使用的术语“多个”和“许多”可以包括比如“多个”或“两个或更多个”。在整个说明书中，术语“多个”或“许多”可以用于描述两个或更多个部件、装置、元件、单元、参数等等。

根据本发明的实施方式，心轴组件可以配置成组装在机加工装置的工具保持件的内部锥形插座处。可以沿着心轴组件的纵向尺寸，将心轴组件分成第一部件和第二部件。该心轴组件设计成使得，当心轴组件安装在工具保持件上时，心轴组件的第一部件可以设置在或位于由工具保持件的锥形插座和前夹紧螺母所限定的空间内。比如，当心轴组件安装在工具保持件上时，根据本发明实施方式的心轴组件的纵向尺寸的至少一半可以设置在或位于由工具保持件的锥形插座和前夹紧螺母所限定的空间内。根据本发明的实施方式，心轴组件的第一部件包括至少心轴的后端轴承组件。

在本申请中，术语“主轴”可以表示与机加工装置成为一体的心轴。根据本发明实施方式的心轴组件的主要部件可以为支撑结构、配置成在工具保持件内围绕旋转轴线R旋转的旋转轴、配置成在工具保持件内径向且轴向地支撑旋转轴并且能够高速旋转所述轴的轴承组件、以及操作性地与旋转轴连接的涡轮机。涡轮机可以配置成响应于流体流动来转动旋转轴，所述流体比如为由机加工装置所提供的流过工具保持件的高压冷却剂流体。心轴组件可以进一步包括多个通道，所述多个通道配置成允许高压冷却剂流体从工具保持件流过心轴组件以驱动涡轮机。心轴的至少一个轴承（比如，后端轴承）位于或设置在锥形腔体内，该腔体为由工具保持件的插座和前夹紧螺母所限定的空间。工具保持件的插座可以为具有锥形形状的锥形。

根据本发明实施方式的心轴可以达到比如40Krpm的转速，并具有0.2Nm的力矩。然而，根据本发明实施方式的心轴可以达到更高或更低的转速以及其他量级的力矩。应注意的是，当与根据本发明实施方式的心轴一起运转时，机加工装置的主轴通常不旋转。由于工具保持件内和心轴内的容差的累积效应，这可以消除容许误差的叠加，并且提高心轴性能的总体精确度。然而，本发明的实施方式不限于这一点；因此，根据某些实施方式，机加工装置的主轴可以与该心轴一起旋转，从而达到较高的工作速度，该速度为所述主轴和根据本发明实施方式的心轴的特定转速的代数和。

旋转轴线R可以为纵向轴线，位于心轴和工具保持件的中心。沿着旋转轴线R，相对于根据本发明实施方式的主轴的工具夹紧***，来采用本申请中用于描述根据本发明实施方式的心轴内的元件的位置的术语。正向或前向表示工具夹紧***的方向，或者可以表示邻近这个工具夹紧***。同样，相反的后侧方向表示反向，心轴的与工具夹紧***相对的端部，或者可以表示邻近这个工具夹紧***的相对端部。同样，术语“在...之前”可以表示一个部件沿着旋转轴线R相对于另一个部件更靠近工具夹紧***，并且术语“在...之后”可以表示一个部件沿着旋转轴线R相对于另一个部件离工具夹紧***更远。

根据本发明的实施方式，工具保持件可以为标准工具保持件，比如BT40或HSK40，或适当的工具保持件。工具保持件的后锥形端能够固定安装在机加工装置（未显示）上，比如，车床、铣床、钻床等等。工具保持件的内部锥形插座可以符合并遵守有关附接心轴和旋转工具保持件的任何已知的相关标准。比如，工具保持件的内部锥形插座可以符合ER40或ER32、TG100、SC、R8、MT2套爪标准。

本文中所使用的支撑结构表示用于为根据本发明实施方式的心轴的不同部件提供机械支撑的元件。支撑结构可以包括适当的或标准的壳体，比如ER40-ER16套爪。可替换地，在本发明的某些实施方式中，工具保持件的内部锥体可以为心轴提供壳体，而支撑结构可以包括用于将轴承保持在位的元件。

根据本发明的实施方式，心轴的涡轮机可以操作性地与旋转轴连接。可以使用任何合适的技术，比如，旋拧、粘合等等，将涡轮机安装在旋转轴上。可替换地，涡轮机和所述轴可以形成为一体件。涡轮机可以为冲力式涡轮机、反动式涡轮机、或其任何组合。涡轮机可以位于轴的前端、位于前端轴承和夹紧***之间、位于轴的中间部分、位于前端轴承和后端轴承之间、位于轴的后端、位于后端轴承的后面。

根据本发明的实施方式，轴承组件可以包括前端轴承组件和后端轴承组件。前端轴承组件和后端轴承组件中的每个可以包括一个或多个轴承。轴承组件可以包括支撑径向和轴向载荷的任何类型的轴承。轴承组件的容差范围可以从较低的精度（比如，ABEC级别的ABEC1等级或ISO492标准的普通等级6X）到较高的精度（ABEC级别的ABEC9P等级或ISO492标准的普通等级2）。比如，轴承组件可以包括深沟滚珠轴承、角接触滚珠轴承、四点接触滚珠轴承或磁式轴承等的滚珠轴承。根据具体的设计要求，可以使用具有止动环槽的轴承、接触密封型、非接触密封型、屏蔽型或开放型的轴承。可以以背靠背（BTB）、面对面（FTF）或级联配置来安装前端轴承组件和后端轴承组件。

通过任何合适的预加载技术，可以实现轴承预加载。通过施加载荷以推动轴承，从而将轴承固定到轴承轨道中，预加载可用于消除轴向和径向上间隙。比如，可以使用恒定压力技术来预先加载前端轴承和后端轴承。比如，可以使用弹簧来实现轴承预加载，该弹簧将一致（恒定）的压力施加给前端轴承组件和后端轴承组件以抵靠比如预加载螺钉、螺母、涡轮机等刚性止动器元件。比如O型环、盘簧、碟形弹簧、波形弹簧、和/或指形弹簧等的任何类型的合适弹簧可以用于预加载前端轴承组件和后端轴承组件。根据前端轴承组件和后端轴承组件的配置，可以将预负荷施加在前端轴承组件和后端轴承组件的内部或外部轨道上。可替换地，也可以使用定位预加载。通过将前端轴承和后端轴承机械地锁定在位，同时处于轴向负荷下，可以实现定位预加载。

根据本发明的实施方式，多个通道中的配置成允许高压冷却剂流体从工具保持件流动的驱动所述涡轮机的至少一些通道可以至少部分地由支撑结构的外表面和工具保持件的锥形插座的内表面限定。附加地或替换地，所述通道可以在心轴的内部。比如，所述通道可以包括由支撑结构限定的隧道、由轴的中心处的空心隧道提供的中央通道、轴承的滚珠之间的通道等等。

根据本发明的实施方式，心轴的旋转轴在中心包括空心隧道，该空心隧道提供一个通道，该通道配置成允许高压冷却剂流体从工具保持件以高压和低流速朝着可以沿着工具的中心设置的中央通道流动。心轴组件的后端可以包括动态密封***，比如，迷宫***，所述密封***用于通常以较高的但并非最佳的效率来防止冷却剂流体通过旋转轴的空心隧道的渗漏。动态密封***可以允许冷却剂流体通过动态密封***的渗漏。可以提供这样通道，其配置成允许渗漏的冷却剂流体流动至后端轴承组件和前端轴承组件中，从而为后端轴承组件和前端轴承组件提供润滑和冷却。

冷却剂流体可以为通过工具保持件所附接的机加工装置提供的任何流体。通常，冷却剂流体为大约95%的水和5%的油的乳浊液。高压冷却剂流体通常由机加工装置提供，其压力为8-20巴，并且可以高达90巴。

根据本发明的实施方式，可以提供这样通道，其允许冷却剂在用于驱动涡轮机之后被排放。比如，冷却剂排放装置可以包括位于心轴组件的前端的开口，这些开口允许冷却剂从心轴流出。比如，开口可以允许冷却剂朝着心轴组件上安装的工具的工作点流动。可替换地，喷嘴或喷洒器可以设置在心轴组件的前端，以便朝着工具的工作点引导离开涡轮机区域和/或轴承组件的冷却剂，从而冷却工作点并且从工作点去除碎屑。排放装置可以通过以一角度指向工作点的隧道提供。工具的工作点可以为工具与工件接触的点或区域。

本发明的实施方式不限于特定的工具夹紧***或特定工具。诸如任何切割工具、研磨工具、搪磨工具等的任何合适的工具都可以安装在根据本发明实施方式的心轴组件上。此外，可以使用任何合适的工具夹紧***和技术，比如，夹紧套爪、热收缩夹紧装置、弹性变形夹紧装置、液压或镍钛（镍钛合金）—形状记忆合金（NiTi）夹紧装置等等。同样地，本发明的实施方式不限于用于防止心轴旋转同时组装和拆卸工具的任何特定的转子定位方法。比如，在心轴内可以包括用于转子固定的配制装置，比如，两个平坦区域（适用于平键）、多个孔、六个平坦区域、特殊的狭槽等等。本文中使用的转子可以表示心轴的旋转部件，比如，轴和与附接至轴的部件。

本发明的实施方式可以包括用于测量轴的转速的装置。可以使用任何合适的转速测量方法和技术。比如，可以将磁体安装在旋转轴上，并且可以使用包括霍尔效应传感器的转速测量***来进行转速测量。

现在通过示例性设计，来阐述本发明的实施方式。应注意的是，本发明不限于所显示的特定实例，并且本文中所描述的原理的实施可以按照规定变化，以便满足特定的设计要求。此外，某些以下实例可以仅仅提出本发明的实施方式的所选方面。

参看图1A，其描绘了根据本发明实施方式的一个示例性心轴***100的视图。根据本发明的实施方式，心轴***100可以包括心轴组件110，所述心轴组件安装在工具保持件190上并且保持工具180。工具180和心轴110的旋转轴（图1A中未显示）适合于通过称为旋转轴线R的共同中心轴线旋转。

参看图1B和图1C，其描绘了根据本发明实施方式的沿着图1A上标记的截面I-I的心轴***100的示意性截面图。图1C为心轴***100的限制在虚线“a”内的部分的放大图。根据本发明的实施方式，心轴110此外可以包括旋转轴112、涡轮机114、轴承组件120、空心支撑结构116、前夹紧螺母130、后组件140、以及工具夹紧***150。

轴112可以操作性地与涡轮机114连接，以使涡轮机114的旋转可以转动旋转轴112。比如，涡轮机114可以安装在轴112上，或者可替换地，涡轮机114和旋转轴112可以制成为一体件。涡轮机114可以为冲力式涡轮机并且可以位于比如轴112的前端处、前端轴承122和前夹紧螺母130之间。

轴承组件120可以配置成在支撑结构116和工具保持件190内径向和轴向地支撑旋转轴112，并且能够允许轴112在支撑结构116和工具保持件190内高速旋转。轴承组件可以包括至少两个轴承。比如，轴承组件120可以包括前端轴承122和后端轴承124。尽管在图1A-图1C中所显示的本发明的实施方式中，轴承组件120包括角接触滚珠轴承，但本发明的实施方式不限于这种类型的轴承。前端轴承122和后端轴承124可以以图1C中所示的背靠背（BTB）的配置安装，或者可替换地，以在本领域中已知的面对面（FTF）或级联的配置安装。可以选择前端轴承122和后端轴承124相对于彼此的安装的特定类型，以便满足特定的设计要求。

可以使用恒压技术来对前端轴承122和后端轴承124预加载压力，比如，通过作为弹簧的O型环125，其对前端轴承122和后端轴承124施加一致的压力以抵靠预加载螺钉149）。其他类型的弹簧，比如，盘簧、碟形弹簧、波形弹簧、以及指形弹簧，可以用于预加载前端轴承122和后端轴承124。

沿着心轴组件110的纵向尺寸（由L表示），可以将心轴组件分成具有以L1表示的纵向尺寸的第一部件111和具有以L2表示的纵向尺寸的第二部件113。心轴组件110设计成使得，当心轴组件110安装在工具保持件190上时，心轴组件110的第一部件111设置在或位于由工具保持件190的锥形插座192和前夹紧螺母130所限定的空间内。根据本发明的实施方式，心轴组件110的第一部件113包括至少后端轴承124。因此，当心轴组件110安装在工具保持件190上时，至少后端轴承124可以设置在锥形腔体内，该腔体为工具保持件190的锥形插座192的内表面和前夹紧螺母130所限定的空间。

支撑结构116可以包括壳体117，该壳体具有多个通道（未显示），这些通道配置成允许高压冷却剂流体从工具保持件190流动以驱动涡轮机114。比如，壳体117可以在其外周界上具有纵向狭槽，所述纵向狭槽从壳体117最远的部分朝着壳体117最前面的部分延伸，其中，冷却剂流体可以朝着涡轮机114的叶片流动。比如，标准套爪可以用于壳体117。本发明的实施方式不限于特定的狭槽或隧道数量和配置。可以使用能够允许高压冷却剂以充分的压力和合适的角度到达涡轮机114，以便以足够的速度旋转涡轮机114的任何通道。比如，狭槽可以为竖直的，即，垂直的基座148，或者可以设置为与基座140形成一角度。驱动涡轮机之后，可以提供允许冷却剂排出的通道。比如，可以在前夹紧螺母130处提供开口132，以便允许冷却剂从心轴110流出。可替换地，可以提供喷嘴或喷洒器，以便朝着工具180的工作点185引导冷却剂，从而冷却工作点185并且从所述工作点移除碎屑。

轴112可以包括提供一通道的空心区段162，该通道配置成允许高压冷却剂流体从工具保持件190中流到中央通道（未显示），可以沿着工具180的中心设置所述中心通道。后组件140可以包括动态密封***142，所述动态密封***用于以较高的但并非最佳的效率来防止冷却剂流体通过空心部分162的渗漏。然而，动态密封***142可以允许冷却剂流体通过动态密封***142的渗漏。确实通过动态密封***142渗漏的冷却剂流体可以流至后端轴承124，并且通过隧道164到达前端轴承122，从而为后端轴承124和前端轴承122提供润滑和冷却。因此，冷却剂流体可以润滑后端轴承124和前端轴承122。

现在参看图1D，其描绘了心轴***100的限定在图1B的虚线框“b”内的底部部分的放大图。后组件140可以包括基座148。基座148可以相对于轴112为静态（即，不旋转），并且比如通过螺纹147固定到支撑结构116。附加地或替换地，可以通过任何其他合适的方法，比如，粘合、焊接等等，将基座148固定到支撑结构116。空心销143可以位于基座148的中心通道内并且通过任何合适的方法（比如，通过旋拧、粘合等等）固定到基座148。空心销143可以具有突出到轴112的空心区段162内的杆部144。空心销143可以由密封件145密封。未密封时，空心销143可以提供用于高压冷却剂从工具保持件190朝着工具180流动的通道。在图1D中由一系列箭头146显示了动态密封***142的一个示例性流动路线，所述动态密封***可以沿着静态空心销143（相对于支撑结构116）和旋转预加载螺钉149的界面来提供。静态空心销143可以涂覆特征在于静摩擦系数较低的材料，比如，特氟纶（Teflon）。动态密封***142可以对高压冷却剂的流动具有高的阻力，从而防止大部分高压冷却剂从空心区段162渗漏并且防止压力损失。动态密封***142对冷却剂流体流动的阻力可以设置成，允许通过动态密封***142的渗漏，该渗漏可能流动至后端轴承124并通过隧道164到达前端轴承122，渗漏的量为润滑和冷却轴承所需要的量。

现在参看图1C，心轴110可以包括工具夹紧***150。工具夹紧***150可以包括夹紧套爪151和工具夹紧螺母152。应注意的是，本发明的实施方式不限于特定的工具夹紧装置和方法，并且要注意的是，可以使用任何其他合适的工具夹紧装置和技术，比如，收缩、液压或形状记忆允许单元。

现在参看图2A和图2B，其描绘了根据本发明实施方式的具有标准套爪210的一个示例性心轴组件200的示意性截面图。图2B为心轴组件200的限定在虚线框A内的部分的放大图。心轴组件200可以与心轴组件110大体相似。心轴200的支撑结构可以实施为标准套爪210。套爪210的前端250可以机加工成使得将其内直径调节成容纳前端轴承230。

参看图2C，其描绘了根据本发明实施方式的示例性心轴组件200的三维图。套爪210可以具有从套爪的后端至少延伸到***隧道214的多个纵向底部狭槽212，以及至少从***隧道214延伸到套爪210的前端的多个纵向顶部狭槽216。当组装到工具保持件190（参见图1A-图1B）内时，底部狭槽212、***隧道214、以及顶部狭槽216可以与工具保持件190的锥形插座192的内表面和前夹紧螺母130（见图1B）的内表面（共同形成外部“包络”）一起，限定用于高压冷却剂流体的通道。在操作的过程中，工具保持件190所提供的高压冷却剂可以通过底部狭槽212流入***隧道214内并且流过顶部狭槽216，从而撞击冲力式涡轮机220的叶片222。根据需要，顶部狭槽216可以包括可以由垫圈（未显示）密封的孔218。密封某些孔，可以对流入相对于套爪210可旋转的涡轮机220内的冷却剂的压力进行一些控制，从而对涡轮机220的转速和力矩进行一些控制。

参看图3A和图3B，其分别描绘了根据本发明实施方式的一个示例性中间涡轮机心轴组件300的示意性截面图和示意性局部等轴截面图。径向冲力式涡轮机340可以位于轴320的中心部分处、位于前端轴承330和后端轴承332之间。径向涡轮机340的叶片342的长度相对于前端涡轮机114和220（分别参见图1C和图2A）增大。叶片342的长度增加可以增大叶片表面，相对于心轴组件110和200（其中涡轮机位于前端、位于前端轴承和夹紧***331之间），这可以提高径向涡轮机340和心轴组件300的效率。径向涡轮机340位于轴320的中心部分使得相对于前端涡轮机配置能够减小前端轴承330和工具的工作点之间的距离。这可以理想地减小前端轴承330上的反作用力矩。径向涡轮机340位于轴320的中心部分可能需要前端轴承330和后端轴承332的FTF配置。可以通过抵靠轴320的区域322按压的O型环334来实现预加载。涡轮机340可以为轴320的一体部件。

在壳体310的底部外表面处所见的狭槽354可以与工具保持件190（参见图1B）的锥形插座192的内表面一起限定用于高压冷却剂流体的通道。在操作的过程中，高压冷却剂可以从工具保持件190流动通过狭槽354而流入隧道356内，以从径向方向上撞击径向涡轮机340的叶片342。O型环358可以提供对于防止高压冷却剂从心轴组件300渗漏出、在壳体310和工具保持件190的锥形插座192的内表面之间渗漏所需要的密封。

在撞击径向涡轮机340的叶片342之后，冷却剂可以流过限定在壳体310内的隧道352，并且穿过喷嘴350从心轴组件300中流出。可以调节喷嘴350，以便控制冷却剂流动的角度，从而可以朝着组装在心轴组件300上的工具的工作点来引导冷却剂。

参看图4A，其描绘了根据本发明实施方式的一个示例性后部涡轮机心轴组件400的示意性截面图，并且参看图4B，其描述了该心轴组件的示意图。径向冲力式涡轮机440可以位于轴420的后部、位于基座448和后端轴承432之间。涡轮机440可以固定到轴420，比如，通过旋拧、粘合或旋拧和粘合这两者固定。

在壳体410的底部外表面处所见的狭槽454可以与工具保持件190（参见图1B）的锥形插座192的内表面一起限定用于高压冷却剂流体的通道。在操作的过程中，高压冷却剂可以从工具保持件190流动通过狭槽454，并流入隧道456内，以从径向方向上撞击径向涡轮机440的叶片（未显示）。在撞击径向涡轮机340的叶片之后，冷却剂可以流动至后端轴承432并且通过壳体410内限定的隧道460，并到达前端轴承430，从而为后端轴承432和前端轴承430提供润滑和冷却。可以通过壳体410内限定的并且在开口450处终止的隧道46来为冷却剂通风。

心轴组件400的前端轴承430可以大于心轴组件400的后端轴承432。相对于具有更小的前端轴承430的实施方式，增大前端轴承430的尺寸可以增大前端轴承430可以承受的负荷，因此，可以增大心轴组件400可以承受的总负荷。然而，由于预加载压力通常与轴承尺寸相关，所以设计预加载水平时，应加以注意。比如，每个轴承可以具有一定范围的允许的预加载水平，因此，可以选择落入后端轴承432和前端轴承430的允许的预加载水平内的预加载水平。后端轴承432和前端轴承430处于BTB配置中，并且使用抵着涡轮机440按压后端轴承432的O型环434来进行预加载。

心轴组件400可以包括动态密封***446，该动态密封***用于高效地防止冷却剂流体流过轴420的空心部分422的渗漏。确实通过动态密封***446渗漏的冷却剂流体可以流动至涡轮机440，但是可以不旋转涡轮机440。动态密封***446可以限定在静态空心销443的杆部444的外表面和旋转的涡轮机440的杆部441的内表面之间。

参看图5，其描绘了根据本发明实施方式的另一个示例性后部涡轮机心轴组件500的示意性截面图。心轴组件500与心轴组件400非常相似，仅仅后端轴承432和前端轴承430具有基本相同的尺寸。图5显示了有关隧道460和462的不同视图。

参看图6A和图6B，其分别描绘了根据本发明实施方式的具有后部反动式涡轮机640的一个示例性心轴组件600的示意性截面图以及示意性局部等轴截面图。从后侧向上显示图6B。反动式涡轮机640可以位于轴620的后部、后端轴承632的后面。涡轮机640可以固定至轴620，比如，通过旋拧、粘合或旋拧和粘合这两者。高压冷却剂可以直接从工具保持件190（图1中所示）流动到涡轮机640的叶片622上。反动式涡轮机640可以为螺旋桨式涡轮机，其特征在于，相对于冲力式涡轮机，具有高的力矩，但是速度较低。心轴组件600可以包括热收缩工具夹紧***650。更换工具时需要加热轴620的前部分。相对于套爪夹紧，热收缩工具夹紧***被认为较为精确。

在撞击反动式涡轮机640的叶片之后，冷却剂可以流过后端轴承632并且通过壳体610内限定的隧道642以及前端轴承630，从而为后端轴承632和前端轴承630提供润滑和冷却。可以通过壳体610内限定的开口662排出冷却剂。开口662可以相对于旋转轴线R以锐角倾斜，从而冷却剂可以在所采用的工作点的总体方向流动。

参看图7A，其描绘了根据本发明实施方式的具有后部反动式涡轮机740的一个示例性心轴组件700的纵向示意性截面图，参看图7B，其描绘了该心轴组件的示意性三维图，参看图7C，其描绘了该心轴组件的示意性局部截面图，并且参看图7D，其描绘了该心轴组件的横向截面图。图7D描绘了沿着图7A上显示的截面线V-V的心轴组件700的截面图。

心轴组件700可以包括反动式涡轮机740，其实现为包括中央隧道770和***隧道771的隧道***780。***隧道771可以设置为具有窄角（straitangle）或钝角α（alpha）。在操作的过程中，高压冷却剂可以从工具保持件190（图1A中所示）流过轴720的空心区段722，并且流至隧道***770，从而产生可以转动涡轮机740的推力。可以从横穿中心并且到达***隧道771的相反方向，将中央隧道770全程钻孔，并且可以由垫圈772密封该中央隧道。可替换地，中央隧道770可以从***钻孔直到中心内，且密封中央隧道770的位于周界和***隧道771之间的部分。比如，涡轮机740可以包括设置成彼此形成大约120度的角度的三对中央隧道770和***隧道771。

心轴组件700可以包括动态密封***746，所述动态密封***用于高效地防止冷却剂流体流过轴720的空心区段722的渗漏。确实通过动态密封***746渗漏的冷却剂流体可以流至后端轴承732、通道742以及前端轴承730。动态密封***746可以限定在静态空心基座743的杆部744的外表面和旋转轴720的内表面之间。可以通过开口762排出冷却剂。

后端轴承732和前端轴承730处于BTB配置中，并且可以使用抵着固定到轴720的螺母733按压后端轴承732的O型环734来进行预加载。可以通过套爪711和额外的支撑件710提供支撑结构。

参看图8A，其描绘了根据本发明实施方式的一个示例性无框心轴组件800的水平示意性截面图，参看图8B，其描绘了该心轴组件的示意性局部等轴截面图，并且参看图8C，其描绘了该心轴组件的示意图。径向冲力式涡轮机840可以位于轴820的中心部分处、位于前端轴承830和后端轴承832之间。径向冲力式涡轮机840可以为轴820的一体部分。因此，径向冲力式涡轮机840和轴820可以作为单一件提供。前端轴承830可以安装在前端支撑件882上，并且后端轴承832可以安装在后端支撑件884上。从操作的角度来看，工具保持件190可以用作保持后端支撑件884、轴820、以及前端支撑件882的壳体。前夹紧螺母880可以旋拧至工具保持件190，以便进一步将无框心轴组件800的部件保持在一起。

根据本发明的实施方式，至少后端轴承832可以设置在锥形腔体内，该腔体为工具保持件190的锥形插座192的内表面和前夹紧螺母880所限定的空间。

后端支撑件884的外周界处可以具有斜槽886。当组装到工具保持件190内时，斜槽886可以与工具保持件190的锥形插座192的内表面一起限定用于高压冷却剂流体的通道。在操作的过程中，高压冷却剂可以从工具保持件190中流动通过斜槽886，并流至冲力式涡轮机840的叶片822。斜槽886可以与冲力式涡轮机840的叶片822垂直，以便高压冷却剂流体可以以大约45度的角度撞击冲力式涡轮机840的叶片822，因此，提高涡轮机840和无框心轴组件800的效率。前端轴承830和后端轴承832可以处于FTF配置中，并且可以使用抵着轴820的区域836按压前端轴承830的弹簧（比如，波形弹簧834）进行预加载。

无框心轴组件800可以包括弹性变形工具夹紧***650。在轴820的制造阶段，在将轴820的圆形空心区段822钻孔时，轴820的前部分可以在比如两个点处由固位***夹紧。当夹紧放松时，空心区段822获得椭圆形截面。更换工具时需要通过固位***夹紧轴820的前部分并且***工具。当夹紧放松时，工具可以在位于椭圆体的短轴上的两个接触点处被保持。

参看图9A，其描绘了根据本发明实施方式的一个示例性的基于转子的心轴组件900的截面图。心轴组件900可以由轴920以外的标准的现成部件构成，比如：滚珠轴承、O型环、预加载螺母、ER套爪（作为心轴壳体）、工具保持件（也为心轴壳体的一部分）以及工具夹紧***（套爪和螺母）。反动式涡轮机940可以位于比如轴920的前端、前端轴承930和工具夹紧***950之间。反动式涡轮机940可以为轴920的一体部分。因此，反动式涡轮机940和轴920作为单个件提供。前端轴承930和后端轴承932可以以BTB配置彼此邻接地布置，并且可以使用定位预加载技术进行预加载。前端轴承930和后端轴承932可以在涡轮机940和螺母945之间保持在位。可以通过多个孔960实现用于转子定位的配制装置。

现在参看图9B，其描绘了根据本发明实施方式的一个示例性轴920的示意图。从后侧向上显示轴920。反动式涡轮机940嵌入轴920内。图9C描绘了根据本发明实施方式的第二示例性轴925的示意图。轴925与轴920相似，但除了为转子定位形成的配制装置以外，所述配制装置在本图中由六个平坦区域形成。

现在参看图9A-图9C，高压冷却剂流体可以从工具保持件190朝着涡轮机940流动，流过轴920或925的侧面上形成的隧道902。隧道902提供用于轴920或925与轴承930和932之间的高压冷却剂的通道。此外，高压冷却剂流体可以从工具保持件190朝着涡轮机940流动，并流过轴承930和932，前端轴承930的外部轨道可以提供密封，以便在高压冷却剂流体到达涡轮机940之前防止高压冷却剂流体从心轴组件900中漏出。

参看图9D，其描绘了根据本发明实施方式的示例性心轴***901的沿着1A上标记的截面I-I的示意性截面图。根据本发明的实施方式，心轴***901可以包括安装在工具保持件190上并且保持工具180的心轴组件900。心轴组件900可以包括套爪210。套爪210可以为标准的现成套爪。套爪210的外周界处可以具有纵向狭槽212。为了防止冷却剂飞溅到不希望的方向，可以密封套爪210。

根据本发明的实施方式，至少后端轴承932可以设置在锥形腔体内，该腔体为工具保持件190的锥形插座192的内表面和前夹紧螺母980所限定的空间。

参看图10，其描绘了根据本发明实施方式的一个示例性双轴承心轴组件1000的截面图。心轴组件1000的操作原理与心轴组件900的操作原理相似。心轴组件1000可以包括反动式涡轮机940，其与心轴组件900内使用的反动式涡轮机940相似。前端轴承1030和后端轴承1032可以各自包括一对相邻的轴承。每对相邻的轴承可以以BTB方式组装，同时前端轴承1030和后端轴承1032以FTF方式组装。外套筒1010可以为前端轴承1030和后端轴承1032提供支撑，以便防止在组装和拆卸工具时可能发生的破坏。可以通过抵着涡轮机940按压前端轴承1030和后端轴承1032的弹簧（比如，碟形弹簧）1034来实现恒压预加载。

参看图11，其描绘了根据本发明实施方式的另一个示例性双轴承心轴组件1100的截面图。心轴组件1100的操作原理与心轴组件900的操作原理相似。心轴组件1100可以包括反动式涡轮机940，其与心轴组件900内使用的反动式涡轮机940相似。前端轴承1130和后端轴承1132可以彼此相邻地定位，并且可以各自包括一对相邻的轴承。每对相邻的轴承可以以BTB方式组装，同时前端轴承1030和后端轴承1032可以以FTF方式组装。可以通过螺母1134和涡轮机940实现定位预加载。

尽管在本文中已经说明和描述本发明的某些特征，但对于本领域的技术人员而言，可以进行多种修改、替换、变更以及等同。因此，要理解的是，所附权利要求书旨在覆盖在本发明的真正精神内的所有这种修改和变更。

Claims (20)

1.一种心轴组件，配置成组装在工具保持件的内部锥形插座处，所述组件具有后端和前端，所述前端靠近所述组件的工具夹紧***，并且所述后端靠近所述组件的与所述工具夹紧***相对的一端，所述组件包括：

旋转轴，配置成在所述工具保持件内旋转；

轴承组件，包括前端轴承组件和后端轴承组件，所述轴承组件配置成在所述工具保持件内支撑所述旋转轴并且使得所述轴能够在所述工具保持件内高速旋转；

涡轮机，操作性地与所述旋转轴连接，所述涡轮机配置成旋转所述旋转轴；

多个通道，配置成允许高压冷却剂流体从所述工具保持件流动以驱动所述涡轮机，

其中，所述轴承组件的至少一个轴承设置在所述心轴组件的配置成位于由所述工具保持件的锥形插座和前夹紧螺母限定的空间内的一部分中。

2.根据权利要求1所述的心轴组件，包括用于机械地支撑所述心轴组件的部件的空心壳体。

3.根据权利要求2所述的心轴组件，其中，所述空心壳体包括套爪。

4.根据权利要求2所述的心轴组件，其中，所述通道至少部分地由所述壳体的外表面和所述工具保持件的锥形插座的内表面限定。

5.根据权利要求1所述的心轴组件，其中，所述多个通道进一步配置成允许所述冷却剂流体中至少一些流过所述轴承组件，以便冷却和润滑所述轴承。

6.根据权利要求1所述的心轴组件，其中，所述多个通道包括冷却剂排放装置。

7.根据权利要求6所述的心轴组件，其中，所述冷却剂排放装置允许所述冷却剂流体朝着安装在所述心轴组件上的工具的工作点流动，并且其中，所述冷却剂排放装置包括位于所述心轴组件的前端处的装置，该装置选自由以下装置构成的组：开口、喷嘴和喷洒器。

8.根据权利要求1所述的心轴组件，其中，所述多个通道包括穿过所述旋转轴的空心隧道，所述空心隧道配置成允许所述冷却剂中的一些朝着安装在所述心轴组件上的工具的中央钻孔以高压流动。

9.根据权利要求8所述的心轴组件，其中，所述心轴组件的后端包括用于基本上防止冷却剂流体流过所述旋转轴的空心隧道的渗漏的动态密封***。

10.根据权利要求9所述的心轴组件，其中，所述动态密封***允许冷却剂流体通过所述动态密封***的渗漏，并且其中，所述多个通道包括配置成允许渗漏的冷却剂流体流动至所述后端轴承组件和所述前端轴承组件的通道，以便为所述后端轴承组件和所述前端轴承组件提供润滑和冷却。

11.根据权利要求1所述的心轴组件，其中，所述前端轴承组件和所述后端轴承组件以选自由以下配置构成的组中的一个配置安装：背靠背安装、面对面安装和级联安装。

12.根据权利要求1所述的心轴组件，其中，每个轴承组件包括至少一个轴承。

13.根据权利要求1所述的心轴组件，其中，所述涡轮机位于选自由以下位置构成的组中的一个位置内：在所述后端轴承组件的后面、在所述后端轴承组件与所述前端轴承组件之间、以及在所述前端轴承组件的前面。

14.根据权利要求1所述的心轴组件，其中，所述轴承组件以由弹簧施加的预加载压力来预先加载。

15.根据权利要求14所述的心轴组件，其中，所述弹簧选自由以下项目构成的组：O型环、盘簧、碟形弹簧、波形弹簧、以及指形弹簧。

16.根据权利要求1所述的心轴组件，其中，所述前端轴承组件和所述后端轴承组件彼此相邻地定位，并且其中，预加载通过这个定位实现。

17.根据权利要求1所述的心轴组件，其中，所述涡轮机选自由以下项目构成的组：轴向冲力式涡轮机、径向冲力式涡轮机和反动式涡轮机。

18.根据权利要求1所述的心轴组件，其中，所述冷却剂为水和油的乳浊液。

19.根据权利要求1所述的心轴组件，包括工具夹紧***。

20.根据权利要求1所述的心轴组件，包括用于转子定位***的配制装置。

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