УЗЕЛ ШПИНДЕЛЯ СТАНКА Российский патент 2017 года по МПК B23B19/02 B23Q5/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области механической обработки. В частности, оно относится к шпиндельному узлу, предназначенному для его установки во внутреннее коническое отверстие инструментальной оправки, которая, в свою очередь, устанавливается в устройство для механической обработки.

Уровень техники

Шпиндели обеспечивают увеличение производительности и повышение общей эффективности устройств механической обработки, таких как токарные станки, фрезерные станки, сверлильные станки и т.д. Однако известные шпиндели могут быть очень сложными и зачастую состоящими из очень дорогостоящих компонентов, таких как современные подшипниковые узлы и двигатели. Поэтому шпиндели нередко являются очень дорогостоящими, что ограничивает их применение теми областями, где требуются большие объемы производства и высокая точность операций резания.

Альтернативным решением являются ускорители шпинделя (также называемые увеличителями скорости шпинделя или мультипликаторами шпинделя). Ускорители шпинделя могут монтироваться на устройство механической обработки и вращаться вместе с его основным шпинделем. В результате скорость вращения всего узла может быть равна алгебраической сумме скорости вращения ускорителей шпинделя и скорости вращения основного шпинделя устройства механической обработки.

Однако многие ускорители шпинделя требуют подведения к устройству механической обработки линий от внешнего источника питания, такого как пневматический, гидравлический или электрический источник питания. На старых и дешевых устройствах механической обработки возможность такого подведения обычно отсутствует. Поэтому использование большого количества ускорителей шпинделя на этих устройствах механической обработки невозможно. Это обстоятельство значительно уменьшает объем рынка для данного технического решения.

В то же время, многие устройства механической обработки, используемые в цехах всех размеров, включают системы для подачи охлаждающей текучей среды через основной шпиндель.

Раскрытие изобретения

Согласно настоящему изобретению, предлагается шпиндельный узел для установки во внутреннее коническое отверстие инструментальной оправки, имеющий задний конец и передний конец, причем передний конец находится вблизи системы для зажатия инструмента этого шпиндельного узла, а задний конец противоположен указанной системе для зажатия инструмента. Шпиндельный узел включает вращающийся вал для вращения внутри инструментальной оправки; подшипниковый узел, который включает переднеконцевой подшипниковый узел и заднеконцевой подшипниковый узел, и который сконфигурирован для радиальной и осевой поддержки вращающегося вала внутри инструментальной оправки и для обеспечения возможности высокоскоростного вращения этого вала внутри этой инструментальной оправки; турбину, функционально соединенную с вращающимся валом и сконфигурированную для вращения этого вращающегося вала; множество проходов для обеспечения возможности течения охлаждающей текучей среды высокого давления из инструментальной оправки для приведения турбины в движение. По меньшей мере один подшипник подшипникового узла расположен в той части шпиндельного узла, которая сконфигурирована для ее размещения в пространстве, заданном коническим отверстием инструментальной оправки и передней зажимной гайкой.

Кроме того, согласно изобретению, шпиндельный узел может включать полый корпус для механической поддержки компонентов шпиндельного узла.

Кроме того, согласно изобретению, полый корпус может включать цангу.

Кроме того, согласно изобретению, проходы могут быть, по меньшей мере частично, заданы наружной поверхностью корпуса и внутренней поверхностью конического отверстия инструментальной оправки.

Кроме того, согласно изобретению, множество проходов может быть сконфигурировано для обеспечения возможности течения по меньшей мере некоторого количества охлаждающей текучей среды через подшипниковый узел для охлаждения и смазывания подшипников.

Кроме того, согласно изобретению, множество проходов может включать выход для охлаждающей текучей среды.

Кроме того, согласно изобретению, выход для охлаждающей текучей среды может обеспечивать возможность течения охлаждающей текучей среды к рабочей зоне инструмента, установленного на шпиндельный узел.

Кроме того, согласно изобретению, выход для охлаждающей текучей среды может включать средства, расположенные на переднем конце шпиндельного узла и выбранные из группы, включающей следующее: отверстия, форсунки и распылители.

Кроме того, согласно изобретению, множество проходов может включать канал, проходящий через вращающийся вал и сконфигурированный для обеспечения возможности течения некоторого количества охлаждающей текучей среды - под высоким давлением и с малым расходом - к центральному отверстию инструмента, установленного на шпиндельный узел.

Кроме того, согласно изобретению, задний конец шпиндельного узла может включать динамическую уплотнительную систему, предназначенную для того, чтобы в значительной степени предотвращать утечку охлаждающей текучей среды, текущей через указанный канал вращающегося вала.

Кроме того, согласно изобретению, динамическая уплотнительная система может обеспечивать возможность утечки охлаждающей текучей среды через эту динамическую уплотнительную систему, а множество проходов может включать проходы, сконфигурированные для обеспечения возможности течения утекшей охлаждающей текучей среды к заднеконцевому подшипниковому узлу и переднеконцевому подшипниковому узлу, в результате чего обеспечиваются смазывание и охлаждение заднеконцевого подшипникового узла и переднеконцевого подшипникового узла.

Кроме того, согласно изобретению, переднеконцевой подшипниковый узел и заднеконцевой подшипниковый узел могут быть установлены в конфигурации, выбранной из группы, включающей следующее: задними сторонами друг к другу, передними сторонами друг к другу и с одинаковой направленностью.

Кроме того, согласно изобретению, каждый подшипниковый узел может включать по меньшей мере один подшипник.

Кроме того, согласно изобретению, турбина может быть расположена в месте, выбранном из группы, включающей следующее: позади заднеконцевого подшипникового узла, между заднеконцевым подшипниковым узлом и переднеконцевым подшипниковым узлом и впереди переднеконцевого подшипникового узла.

Кроме того, согласно изобретению, подшипниковый узел может быть предварительно нагружен давлением предварительного нагружения, которое приложено упругим элементом.

Кроме того, согласно изобретению, предварительное нагружение переднеконцевого подшипникового узла и заднеконцевого подшипникового узла может быть обеспечено их прижатием друг к другу.

Кроме того, согласно изобретению, турбина может быть выбрана из группы, включающей следующее: осевая активная турбина, радиальная активная турбина и радиальная реактивная турбина.

Кроме того, согласно изобретению, охлаждающая текучая среда может представлять собой эмульсию воды и масла.

Кроме того, согласно изобретению, шпиндельный узел может включать систему для зажатия инструмента.

Кроме того, согласно изобретению, шпиндельный узел может включать средства для удержания вращающейся части от вращения.

Кроме того, согласно изобретению, шпиндельный узел может включать систему измерения скорости вращения, такую как система измерения скорости вращения, включающая датчик Холла, для измерения скорости вращения вращающегося вала.

Краткое описание чертежей

Сущность и объем предлагаемого изобретения определены формулой изобретения, которая приведена в конце настоящего документа. Однако для лучшего уяснения конструкции и способа работы, задач, признаков и преимуществ изобретения необходимо изучить приведенное ниже его подробное описание 20 совместно с прилагаемыми чертежами, на которых

фигура 1A - изображение примера шпиндельной системы согласно настоящему изобретению,

фигура 1B - вид в продольном разрезе примера шпиндельной системы из фигуры 1A,

фигура 1C - увеличенный вид области «а» из фигуры 1B,

фигура 1D - увеличенный вид области «b» из фигуры 1B,

фигура 2A - вид в продольном разрезе примера шпиндельного узла, в состав которого входит стандартная цанга, согласно настоящему изобретению,

фигура 2B - увеличенный вид области «А» фигуры 2A,

фигура 2C - трехмерное изображение примера шпиндельного узла из фигуры 2A,

фигура 3A - вид в продольном разрезе примера шпиндельного узла с центральным расположением турбины согласно настоящему изобретению,

фигура 3B - трехмерное изображение с вырезом примера шпиндельного 35 узла из фигуры 3A,

фигура 4A - вид в продольном разрезе примера шпиндельного узла с задним расположением турбины согласно настоящему изобретению,

фигура 4B - трехмерное изображение примера шпиндельного узла из фигуры 4A,

фигура 5 - вид в продольном разрезе еще одного примера шпиндельного узла с задним расположением турбины согласно настоящему изобретению,

фигура 6A - вид в продольном разрезе примера шпиндельного узла с задним расположением турбины согласно настоящему изобретению,

фигура 6B - трехмерное изображение с вырезом примера шпиндельного узла из фигуры 6A,

фигура 7A - вид в продольном разрезе примера шпиндельного узла с передним расположением турбины согласно настоящему изобретению,

фигура 7B - трехмерное изображение примера шпиндельного узла из фигуры 7A,

фигура 7C - трехмерное изображение с вырезом примера шпиндельного узла из фигуры 7A,

фигура 7D - вид в поперечном разрезе примера шпиндельного узла из фигуры 7A,

фигура 8A - вид в продольном разрезе примера бескорпусного шпиндельного узла согласно настоящему изобретению,

фигура 8B - изображение с вырезом примера шпиндельного узла из фигуры 8A,

фигура 8C - трехмерное изображение с вырезом примера шпиндельного узла из фигуры 8A,

фигура 9A - вид в продольном разрезе примера вращающейся части шпиндельного узла согласно настоящему изобретению,

фигура 9B - трехмерное изображение примера вала вращающейся части шпиндельного узла из фигуры 9А,

фигура 9C - трехмерное изображение еще одного примера вала вращающейся части шпиндельного узла из фигуры 9A,

фигура 9D - вид в продольном разрезе шпиндельной системы, в состав которой входит вращающаяся часть шпиндельного узла из фигуры 9А,

фигура 10 - вид в продольном разрезе примера шпиндельного узла, содержащего два подшипниковых узла, каждый из которых содержит два подшипника, согласно настоящему изобретению,

фигура 11 - вид в продольном разрезе еще одного примера шпиндельного узла, содержащего два подшипниковых узла, каждый из которых содержит два подшипника, согласно настоящему изобретению.

Необходимо понимать, что для простоты и наглядности иллюстраций элементы на фигурах не обязательно изображены с соблюдением масштаба. Например, размеры некоторых элементов могут быть увеличены относительно других элементов для наглядности. Кроме того, когда это уместно, одна и та же позиция может использоваться на разных фигурах для обозначения соответствующих или аналогичных элементов.

Осуществление изобретения

В нижеследующем подробном описании изложено большое количество подробностей для обеспечения полного уяснения изобретения. Однако специалисты в данной области должны понимать, что настоящее изобретение может быть воплощено и без этих конкретных подробностей. В других случаях хорошо известные способы, процедуры и компоненты не описываются в подробностях, чтобы не усложнять раскрытие.

Хотя варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены в этом отношении, термин «множество», используемый в настоящем документе, может означать, например, «несколько» либо «два или больше». Термин «множество» может использоваться в описании для обозначения двух или более компонентов, устройств, элементов, узлов, параметров и т.п.

Согласно настоящему изобретению, предлагаемый шпиндельный узел может быть сконфигурирован для его установки во внутреннее коническое отверстие инструментальной оправки устройства механической обработки. Шпиндельный узел вдоль его длины может быть разделен на первую часть и вторую часть. Шпиндельный узел выполнен так, что, когда он установлен в инструментальную оправку, его первая часть расположена или размещена в пространстве, которое определено коническим отверстием инструментальной оправки и передней зажимной гайкой. Например, когда шпиндельный узел согласно настоящему изобретению установлен в инструментальную оправку, по меньшей мере половина его длины расположена или размещена в пространстве, которое определено коническим отверстием инструментальной оправки и передней зажимной гайкой. Согласно настоящему изобретению, первая часть шпиндельного узла включает по меньшей мере заднеконцевой подшипниковый узел этого шпиндельного узла.

В настоящем документе термин «основной шпиндель» относится к шпинделю, входящему в состав устройства механической обработки. Основными компонентами шпиндельного узла согласно изобретению являются опорная структура; вращающийся вал, сконфигурированный для вращения внутри инструментальной оправки вокруг оси R вращения; подшипниковый узел, сконфигурированный для радиальной и осевой поддержки вращающегося вала внутри инструментальной оправки и для обеспечения возможности высокоскоростного вращения этого вала; и турбина, функционально соединенная с вращающимся валом. Турбина сконфигурирована для вращения вращающегося вала при наличии потока текучей среды, такой как охлаждающая текучая среда высокого давления, подаваемой устройством механической обработки через инструментальную оправку. Шпиндельный узел может также содержать множество проходов, сконфигурированных для обеспечения возможности течения охлаждающей текучей среды высокого давления из инструментальной оправки через шпиндельный узел для приведения в движение турбины. По меньшей мере один подшипник, например, заднеконцевой подшипниковый узел, шпиндельного узла размещен или расположен в полости конической формы, представляющей собой пространство, определенное отверстием инструментальной оправки и передней зажимной гайкой. Отверстие инструментальной оправки является коническим.

Шпиндельные узлы согласно настоящему изобретению могут достигать скорости вращения, например, 40000 об/мин при крутящем моменте 0,2 Нм. Скорости вращения и крутящие моменты шпиндельных узлов согласно настоящему изобретению в разных вариантах осуществления могут отличаться от указанных величин в большую или меньшую сторону. Необходимо отметить, что при работе с использованием шпиндельного узла согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения основной шпиндель устройства механической обработки обычно не вращается. Это может устранить эффект совмещения погрешностей, т.е. сложение погрешностей инструментальной оправки и предлагаемого шпиндельного узла, и повысить общую точность обработки предлагаемым шпиндельным узлом. Изобретение, однако, не ограничено этим условием, и, соответственно, в некоторых вариантах осуществления основной шпиндель устройства механической обработки может вращаться вместе с предлагаемым шпиндельным узлом, в результате чего достигается высокая рабочая скорость вращения, которая представляет собой алгебраическую сумму скоростей вращения основного шпинделя и предлагаемого шпиндельного узла.

Ось R вращения представляет собой продольную ось, которая является центральной осью шпиндельного узла и инструментальной оправки. В настоящем документе для описания расположения элементов в предлагаемом шпиндельном узле указывается их положение вдоль оси R вращения относительно системы для зажатия инструмента. Термин «вперед», «передний» означают направление к системе для зажатия инструмента или могут означать область вблизи системы для зажатия инструмента. Соответственно, термины «назад», «задний» означают противоположное направление - к концу шпиндельного узла, наиболее удаленному от системы для зажатия инструмента, или могут означать область вблизи этого конца шпиндельного узла. Термин «впереди» означает расположение одного элемента, по сравнению с другим элементом, ближе к системе для зажатия инструмента вдоль оси R вращения, а термин «позади» означает расположение одного элемента, по сравнению с другим элементом, дальше от системы для зажатия инструмента вдоль оси R вращения.

Согласно настоящему изобретению, инструментальная оправка может представлять собой стандартную инструментальную оправку, такую как ВТ40 или HSK40, или другую подходящую инструментальную оправку. Задний конический конец инструментальной оправки может обеспечивать надежное закрепление в устройстве механической обработки (не показано), таком как токарный станок, фрезерный станок, сверлильный станок и т.д. Внутреннее коническое отверстие инструментальной оправки может соответствовать и удовлетворять любому известному стандарту, регламентирующему установку инструмента внутрь вращающейся инструментальной оправки. Например, внутреннее коническое отверстие инструментальной оправки может соответствовать цангам ER40, ER32, TG100. SC, R8, МТ2.

В настоящем документе термин «опорная структура» относится к элементам, используемым для обеспечения механической поддержки различных компонентов шпиндельного узла согласно настоящему изобретению. Опорная структура может включать подходящий или стандартный корпус, такой как цанга ER40-ER16. Альтернативно, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения внутреннее коническое отверстие инструментальной оправки может служить корпусом шпиндельного узла, в то время как опорная структура может включать элементы для удержания подшипников на месте.

Согласно настоящему изобретению, турбина шпиндельного узла функционально соединена с вращающимся валом. Турбина может быть установлена на вращающийся вал любым подходящим способом, например, посредством винтового соединения, приклеивания и т.д. Альтернативно, турбина и вал могут быть выполнены за одно целое. Турбина может представлять собой активную турбину, реактивную турбину или любое их сочетание. Турбина может быть расположена на переднем конце вала - между переднеконцевым подшипниковым узлом и системой для зажатия инструмента, в средней части вала -между переднеконцевым подшипниковым узлом и заднеконцевым подшипниковым узлом, и на заднем конце вала - позади заднеконцевого подшипникового узла.

Согласно настоящему изобретению, подшипниковый узел включает переднеконцевой подшипниковый узел и заднеконцевой подшипниковый узел. Каждый из переднеконцевого подшипникового узла и заднеконцевого подшипникового узла включает один или более подшипник. Подшипниковый узел может включать подшипники любого типа, которые несут как радиальные, так и осевые нагрузки. Класс точности подшипников в подшипниковом узле может варьироваться от класса низкой точности, такого как класс АВЕС 1 по шкале АВЕС или класс Р6 по стандарту ISO 492, до класса высокой точности, такого как АВЕС 9 по шкале АВЕС или Р2 по стандарту ISO 492. Например, подшипниковый узел может включать шариковый подшипник, такой как шариковый подшипник с глубоким желобом, радиально-упорный шариковый подшипник, шариковый подшипник с четырехточечным контактом шарика или разборный радиально-упорный однорядный шариковый подшипник. В зависимости от конкретных технических условий, могут использоваться подшипники с канавками под пружинное кольцо, подшипники с одним или двумя уплотнениями, с одной или двумя защитными шайбами или открытые подшипники. Переднеконцевой подшипниковый узел и заднеконцевой подшипниковый узел могут быть установлены задними сторонами друг к другу (врастяжку), передними сторонами друг к другу (враспор) или с одинаковой направленностью.

Предварительное нагружение подшипника может быть обеспечено подходящим способом предварительного нагружения. Предварительное нагружение предназначено для устранения зазоров как в осевом, так и в радиальном направлениях путем приложения нагрузки к кольцам подшипника для вдавливания тел качения в их дорожки качения. Например, переднеконцевой подшипник и заднеконцевой подшипник могут быть предварительно нагружены постоянным давлением. В частности, предварительное нагружение подшипника может быть обеспечено с помощью упругого элемента, который прикладывает достаточное (постоянное) давление к переднеконцевому подшипниковому узлу и заднеконцевому подшипниковому узлу, прижимая их к жесткому упорному элементу, такому как винт предварительного нагружения, гайка предварительного нагружения, турбина и т.д. Упругий элемент любого подходящего типа, например, кольцевые уплотнения, цилиндрические винтовые пружины, тарельчатые пружины, волнистые пружины и/или подпружиненные пальцы, может быть использован для предварительного нагружения переднеконцевого подшипникового узла и заднеконцевого подшипникового узла. В зависимости от ориентации переднеконцевого подшипникового узла и заднеконцевого подшипникового узла усилие предварительного нагружения может быть прикложено либо к внутренним, либо к наружным кольцам переднеконцевого подшипникового узла и заднеконцевого подшипникового узла. Альтернативно, может быть использовано предварительное нагружение прижатием друг к другу. Предварительное нагружение прижатием друг к другу может быть обеспечено прижатием друг к другу переднеконцевого подшипника и заднеконцевого подшипника с приложением осевой нагрузки.

Согласно настоящему изобретению, по меньшей мере некоторые из множества проходов, сконфигурированных для обеспечения возможности течения охлаждающей текучей среды высокого давления из инструментальной оправки для приведения в движение турбины, могут быть, по меньшей мере частично, определены наружной поверхностью опорной структуры и внутренней поверхностью конического отверстия инструментальной оправки. Дополнительно или альтернативно, могут иметься проходы внутри шпиндельного узла. Например, проходы внутри шпиндельного узла могут включать каналы, определенные опорной структурой; полость во вращающемся валу; проходы между шариками подшипников и т.д.

Согласно настоящему изобретению, вращающийся вал шпиндельного узла может включать проходящую вдоль него полость; эта полость служит проходом, сконфигурированным для обеспечения возможности течения (с высоким давлением, но малым расходом) охлаждающей текучей среды из инструментальной оправки к центральному проходу инструмента. Задний конец шпиндельного узла может включать динамическую уплотнительную систему, такую как лабиринтная система, предназначенную для предотвращения (обычно с высокой, но не абсолютной эффективностью) утечки охлаждающей текучей среды, текущей через полость вращающегося вала. Динамическая уплотнительная система может допускать утечку некоторого количества охлаждающей текучей среды. Могут иметься проходы для обеспечения возможности течения утекшей охлаждающей текучей среды к заднеконцевому подшипниковому узлу и переднеконцевому подшипниковому узлу, в результате чего обеспечивается смазывание и охлаждение заднеконцевого подшипникового узла и переднеконцевого подшипникового узла.

Охлаждающая текучая среда может представлять собой любую текучую среду, подаваемую устройством механической обработки, к которому присоединена инструментальная оправка. Обычно охлаждающая текучая среда представляет собой эмульсию из 95% воды и 5% масла. Давление, с которым устройство механической обработки подает охлаждающую текучую среду высокого давления, обычно составляет 8-20 бар и может достигать 90 бар.

Согласно настоящему изобретению, могут иметься проходы для обеспечения возможности выхода охлаждающей текучей среды после ее использования для приведения в движение турбины. Например, выход для охлаждающей текучей среды может включать отверстия, расположенные в переднем конце шпиндельного узла, которые позволяют охлаждающей текучей среде вытекать из шпиндельного узла. Эти отверстия могут позволять охлаждающей текучей среде течь к рабочей зоне инструмента, установленного в шпиндельный узел. Альтернативно, на переднем конце шпиндельного узла могут иметься форсунки или распылители для направления охлаждающей текучей среды, покидающей область турбины и/или подшипниковые узлы, к рабочей зоне инструмента, обеспечивая охлаждение рабочей зоны и удаление из нее отходов механической обработки. Выход может быть обеспечен каналами, проходящими под некоторым углом к оси R вращения шпиндельного узла и направленными на рабочую зону инструмента. Рабочая зона инструмента представляет собой точку или зону контакта инструмента с заготовкой.

Варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены конкретной системой для зажатия инструмента или конкретным инструментом. Любой подходящий инструмент, такой как фреза, шлифовальный круг, хон и т.д., может быть установлен на предлагаемые шпиндельные узлы. Могут быть использованы любая система для зажатия инструмента и любой подходящий способ зажатия инструмента, например, цанговый зажим, термоусадочный зажим, упруго деформирующийся зажим, гидравлический зажим или никель-титановый (нитиноловый) зажим (нитинол - сплав с эффектом запоминая формы) и т.д. Варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены каким-либо конкретным способом удержания вращающейся части от вращения, используемым для предотвращения вращения вала шпиндельного узла при установке и снятии инструмента. Например, шпиндельный узел может содержать такие средства для удержания вращающейся части от вращения, как две плоские области (подходящие для гаечного ключа), множество отверстий, шесть плоских областей, специальные пазы и т.д. В настоящем документе термин «вращающаяся часть» относится к вращающимся частям шпиндельного узла, таким как вращающийся вал и присоединенные к нему элементы.

Варианты осуществления настоящего изобретения могут включать средства для измерения скорости вращения вала. Может быть использован любой подходящий способ измерения скорости вращения. Например, на вращающийся вал может быть установлен магнит, и в этом случае для измерения скорости вращения может быть использована измерительная система, включающая датчик Холла.

Далее в качестве примеров будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения. Необходимо отметить, что настоящее изобретение не ограничено этими конкретными описанными вариантами его осуществления, и воплощение принципов, раскрываемых в настоящем документе, может быть разным, в зависимости от технических условий. Кроме того, некоторые из описываемых ниже примеров могут представлять лишь некоторые аспекты настоящего изобретения.

Рассмотрим фигуру 1A, показывающую пример шпиндельной системы 100 согласно настоящему изобретению. Согласно настоящему изобретению, шпиндельная система 100 включает шпиндельный узел 110, который установлен в инструментальную оправку 190 и удерживает инструмент 180. Инструмент 180 и вращающийся вал (не показан на фигуре 1А) шпиндельного узла 110 вращаются вокруг общей центральной оси, которая показана как ось R вращения.

Рассмотрим фигуры 1B и 1C, иллюстрирующие вид в продольном разрезе, плоскость I-I которого показана на фигуре 1A, шпиндельной системы 100 согласно настоящему изобретению. Фигура 1C - это увеличенный вид области «а» шпиндельной системы 100. Согласно настоящему изобретению, шпиндельный узел 110 включает, помимо прочего, вращающийся вал 112, турбину 114, подшипниковый узел 120, полую опорную структуру 116, переднюю зажимную гайку 130, задний узел 140 и систему 150 для зажатия инструмента.

Вращающийся вал 112 функционально соединен с турбиной 114 так, что вращение турбины 114 приводит во вращение вращающийся вал 112. Например, турбина 114 установлена на вращающийся вал 112, или, альтернативно, турбина 114 и вращающийся вал 112 выполнены за одно целое. Турбина 114 представляет собой активную турбину и расположена на переднем конце вращающегося вала 112 между переднеконцевым подшипником 122 и передней зажимной гайкой 130.

Подшипниковый узел 120 сконфигурирован для радиальной и осевой поддержки вращающегося вала 112 внутри опорной структуры 116 и инструментальной оправки 190 и для обеспечения возможности высокоскоростного вращения вращающегося вала 112 внутри опорной структуры 116 и инструментальной оправки 190. Подшипниковый узел 120 может включать по меньшей мере два подшипника. В изображенном варианте осуществления подшипниковый узел 120 включает переднеконцевой подшипник 122 и заднеконцевой подшипник 124. Хотя в варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фигурах 1A-1C, подшипниковый узел 120 включает радиально-упорные шариковые подшипники, варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены подшипниками этого типа. Переднеконцевой подшипник 122 и заднеконцевой подшипник 124 могут быть установлены задними сторонами друг к другу (врастяжку), как показано на фигуре 1C, или, альтернативно, либо передними сторонами друг к другу (враспор), либо с одинаковой направленностью, как известно в уровне техники. Способ установки переднеконцевого подшипника 122 и заднеконцевого подшипника 124 друг относительно друга выбирается с учетом конкретных технических условий.

Переднеконцевой подшипник 122 и заднеконцевой подшипник 124 предварительно нагружены давлением с использованием постоянного давления; например, кольцевое уплотнение 125 действует в качестве упругого элемента, а упорным элементом служит винт 149 предварительного нагружения прикладывает подходящее давление к переднеконцевому подшипнику 122 и заднеконцевому подшипнику 124. Упругие элементы других типов, такие как цилиндрические винтовые пружины, тарельчатые пружины, волнистые пружины и подпружиненные пальцы, могут быть использованы для предварительного нагружения переднеконцевого подшипника 122 и заднеконцевого подшипника 124.

Шпиндельный узел может быть разделен на первую часть 113, имеющую продольный размер L1, и вторую часть 111, имеющую продольный размер L2, а общая длина шпиндельного узла 110 составляет L. Шпиндельный узел 110 выполнен так, что, когда он установлен в инструментальную оправку 190, его первая часть 113 расположена или размещена в пространстве, определенном коническим отверстием 192 инструментальной оправки 190 и передней зажимной гайкой 130. Согласно настоящему изобретению, первая часть 113 шпиндельного узла 110 включает, по меньшей мере, заднеконцевой подшипник 124. Таким образом, когда подшипниковый узел 110 установлен в инструментальную оправку 190, по меньшей мере заднеконцевой подшипник 124 расположен в полости конической формы, представляющей собой пространство, определенное внутренней поверхностью конического отверстия 192 инструментальной оправки 190 и передней зажимной гайкой 130.

Опорная структура 116 находится внутри корпуса 117, имеющего множество проходов (не показаны), сконфигурированных для обеспечения возможности течения охлаждающей текучей среды высокого давления из инструментальной оправки 190 для приведения в движение турбины 114. Например, корпус 117 может на его наружной поверхности иметь продольные пазы, которые проходят от самой задней части корпуса 117 к самой передней части корпуса 117, и по которым охлаждающая текучая среда может течь к лопаткам турбины 114. Например, в качестве корпуса 117 может быть использована стандартная цанга. Варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены каким-либо конкретным количеством пазов или каналов и какой-либо конкретной их конфигурацией. Может быть использовано любое исполнение проходов, которое способно обеспечить выход охлаждающей текучей среды высокого давления на турбину 114 с достаточным давлением и под необходимым углом для вращения этой турбины 114 с достаточной скоростью. Например, пазы могут быть вертикальными, т.е. перпендикулярными основанию 148, или могут быть расположены под некоторым углом, отличным от прямого, к основанию 148. Имеются проходы, обеспечивающие возможность выхода охлаждающей текучей среды после того, как она привела турбину в движение. Например, в передней зажимной гайке 130 имеются отверстия 132 для обеспечения возможности вытекания охлаждающей текучей среды из шпиндельного узла 110. Альтернативно, могут иметься форсунки или распылители для направления охлаждающей текучей среды к рабочей зоне 185 инструмента 180 и тем самым охлаждения рабочей зоны 185 и удаления из нее отходов механической обработки.

Вращающийся вал 112 имеет полость 162, служащую проходом, сконфигурированным для обеспечения возможности для охлаждающей текучей среды высокого давления, текущей из инструментальной оправки 190, достигать центрального прохода (не показан), который расположен вдоль центральной оси инструмента 180. Задний узел 140 включает динамическую уплотнительную систему 142, предназначенную для предотвращения (с высокой, но не абсолютной эффективностью) утечки охлаждающей текучей среды, текущей через полость 162. Динамическая уплотнительная система 142 допускает утечку через нее некоторого количества охлаждающей текучей среды. Охлаждающая текучая среда, утекшая через динамическую уплотнительную систему 142, течет к заднеконцевому подшипнику 124 и через канал 164 - к переднеконцевому подшипнику 122, обеспечивая смазывание и охлаждение заднеконцевого подшипника 124 и переднеконцевого подшипника 122. Таким образом, охлаждающая текучая среда смазывает заднеконцевой подшипник 124 и переднеконцевой подшипник 122.

Рассмотрим фигуру 1D, показывающую увеличенный вид области «b» из фигуры 1B. Задний узел 140 включает основание 148. Основание 148 является статичным (т.е. не вращающимся) по отношению к вращающемуся валу 112 и прикреплено к опорной структуре 116 посредством резьбового соединения 147. Дополнительно или альтернативно, основание 148 может быть прикреплено к опорной структуре 116 любым другим подходящим способом, таким как приклеивание, приваривание и т.п. Трубка 143 расположена в центральном проходе основания 148 и прикреплена к основанию 148 любым подходящим способом, например, с помощью резьбового соединения, приклеивания и т.п. Трубка 143 имеет часть 144, проходящую внутрь полости 162 вращающегося вала 112. Трубка 143 закрыта пробкой 145. Когда трубка 143 не закрыта, она обеспечивает прохождение охлаждающей текучей среды высокого давления, текущей из инструментальной оправки 190, к инструменту 180. Динамическая уплотнительная система 142, один пример курса течения в которой показан на фигуре 1D последовательностью стрелок 146, обеспечена вдоль поверхности контакта между статичной (по отношению к опорной структуре 116) трубкой 143 и вращающимся (по отношению к опорной структуре 116) винтом 149 предварительного нагружения. Статичная трубка 143 может быть покрыта материалом, имеющим малый коэффициент трения покоя, таким как тефлон. Динамическая уплотнительная система 142 имеет большое сопротивление течению охлаждающей текучей среды высокого давления и тем самым предотвращает утечку большей части охлаждающей текучей среды из полости 162 и предотвращает потерю давления. Сопротивление динамической уплотнительной системы 142 течению охлаждающей текучей среды, однако, допускает утечку некоторого количества охлаждающей текучей среды; утекающая текучая среда течет к заднеконцевому подшипнику 124 и через канал 164 - к переднеконцевому подшипнику 122; количество этой утекающей охлаждающей текучей среды является таким, которое требуется для смазывания и охлаждения этих подшипников.

Вернемся к фигуре 1C. Шпиндельный узел 110 включает систему 150 для зажатия инструмента. Система 150 для зажатия инструмента включает цангу 151 и гайку 152 для зажатия инструмента. Необходимо отметить, что варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены конкретными системой и способом для зажатия инструмента, и могут быть использованы любые другие подходящие системы и способы для зажатия инструмента, такие как термоусадочный зажим, гидравлический зажим или зажим из сплава с эффектом запоминая формы.

Рассмотрим фигуры 2A и 2B. Фигура 2A показывает вид в продольном разрезе примера шпиндельного узла 200, в состав которого входит стандартная цанга 210, согласно настоящему изобретению. Фигура 2B - увеличенный вид области «A» фигуры 2A. Шпиндельный узел 200 в целом похож на шпиндельный узел 110. Опорная структура шпиндельного узла 200 представлена стандартной цангой 210. Цанга 210 механически обработана на ее переднем конце 250 так, что ее внутренний диаметр приспособлен для вмещения переднеконцевого подшипника 230.

Рассмотрим фигуру 2C, показывающую трехмерное изображение шпиндельного узла 200. Цанга 210 имеет множество продольных нижних пазов 212, проходящих от заднего конца цанги по меньшей мере до поперечного паза 214, и множество продольных верхних пазов 216, проходящих по меньшей мере от поперечного паза 214 до переднего конца цанги 210. Когда шпиндельный узел 200 установлен внутрь инструментальной оправки 190 (показанный на фигурах 1A-1B), продольные нижние пазы 212, поперечный паз 214 и продольные верхние пазы 216 определяют - вместе с внутренней поверхностью конического отверстия 192 инструментальной оправки 190 и внутренней поверхностью передней зажимной гайки 130 (показана на фигуре 1B), которые вместе образуют наружную «оболочку» - проходы для охлаждающей текучей среды высокого давления. Во время работы охлаждающая текучая среда высокого давления, поступающая из инструментальной оправки 190, течет через продольные нижние пазы 212 внутрь поперечного паза 214 и через продольные верхние пазы 216 и ударяется о лопатки 222 активной турбины 220. Продольные верхние пазы 216 включают отверстия 218, которые могут быть закрыты уплотнениями (не показаны), когда это необходимо. Закрытием некоторых отверстий 218 можно регулировать давление охлаждающей текучей среды, поступающей к турбине 220, которая может вращаться относительно цанги 210, и тем самым регулировать скорость вращения и крутящий момент турбины 220.

Рассмотрим фигуру 3A, показывающую вид в продольном разрезе, и фигуру 3B, показывающую трехмерное изображение с вырезом шпиндельного узла 300 с центральным расположением турбины согласно настоящему изобретению. Радиальная активная турбина 340 расположена в центральной части вращающегося вала 320 между переднеконцевым подшипником 330 и заднеконцевым подшипником 332. Лопатки 342 турбины 340 длиннее лопаток переднеконцевых турбин 114 и 220 (показанных на фигурах 1C и 2A, соответственно). Увеличение длины лопаток 342 увеличивает площадь этих лопаток, что повышает эффективность турбины 340 и шпиндельного узла 300 по сравнению со шпиндельными узлами 110 и 200, в которых турбина расположена на переднем конце между переднеконцевым подшипником и передней зажимной гайкой. Расположение турбины 340 в центральной части вращающегося вала 320 обеспечивает возможность уменьшения расстояния между переднеконцевым подшипником 330 и рабочей зоной инструмента по сравнению с конфигурацией, где турбина расположена на переднем конце вращающегося вала. Это уменьшает реактивные моменты, действующие на переднеконцевой подшипник 330. Расположение турбины 340 в центральной части вращающегося вала 320 требует расположения переднеконцевого подшипника 330 и заднеконцевого подшипника 332 передними сторонами друг к другу. Предварительное нагружение обеспечивается кольцевым уплотнением 334, которое служит упругим элементом, и областью 322 вращающегося вала 320, которая служит упорным элементом.

Пазы 354, расположенные на нижней наружной поверхности корпуса 310, определяют - вместе с внутренней поверхностью конического отверстия 192 инструментальной оправки 190 (которые показаны на фигуре 1B) - проходы для охлаждающей текучей среды высокого давления. Во время работы охлаждающая текучая среда высокого давления течет из инструментальной оправки 190 через пазы 354 внутрь каналов 356 и далее, перемещаясь в радиальном направлении, ударяется о лопатки 342 турбины 340. Кольцевое уплотнение 358 обеспечивает закрытие, необходимое для предотвращения утечки охлаждающей текучей среды высокого давления из шпиндельного узла 300 через зазоры между корпусом 310 и внутренней поверхностью конического отверстия 192 инструментальной оправки 190.

После ударения о лопатки 342 турбины 340 охлаждающая текучая среда течет через каналы 352, определенные в корпусе 310, и далее вытекает из шпиндельного узла 300 через форсунки 350. Форсунки 350 предназначены для регулировки направления течения охлаждающей текучей среды так, чтобы охлаждающая текучая среда могла быть направлена к рабочей зоне инструмента, установленного на шпиндельный узел 300.

Рассмотрим фигуру 4A, показывающую вид в продольном разрезе, и фигуру 4B, показывающую трехмерное изображение примера шпиндельного узла 400 с задним расположением турбины согласно настоящему изобретению. Радиальная активная турбина 440 расположена в задней части вращающегося вала 420 между основанием 448 и заднеконцевым подшипником 432. Турбина 440 прикреплена к вращающемуся валу 420, например, привинчиванием и/или приклеиванием.

Пазы 454 имеющиеся в нижней наружной поверхности корпуса 410, определяют - вместе с внутренней поверхностью конического отверстия 192 инструментальной оправки 190 (показаны на фигуре 1B) - проходы для охлаждающей текучей среды высокого давления. Во время работы охлаждающая текучая среда высокого давления течет из инструментальной оправки 190 через пазы 454 внутрь каналов 456 и далее, перемещаясь в радиальном направлении, ударяется о лопатки турбины 440. После ударения о лопатки турбины 440 охлаждающая текучая среда течет к заднеконцевому подшипнику 432 и далее через каналы 460, определенные в корпусе 410, к переднеконцевому подшипнику 430, тем самым обеспечивая смазывание и охлаждение заднеконцевого подшипника 432 и переднеконцевого подшипника 430. Охлаждающая текучая среда далее проходит через каналы 462, определенные в корпусе 410 и заканчивающиеся отверстиями 450.

Переднеконцевой подшипник 430 шпиндельного узла 400 крупнее заднеконцевого подшипника 432 шпиндельного узла 400. Увеличение размера переднеконцевого подшипника 430 увеличивает нагрузки, которые способен выдерживать этот переднеконцевой подшипник 430, благодаря чему общие нагрузки, которые способен выдерживать шпиндельный узел 400, увеличиваются по сравнению с вариантами осуществления, имеющими меньший переднеконцевой подшипник 430. При этом, поскольку давление предварительного нагружения обычно зависит от размера подшипника, необходимо тщательно подбирать уровень предварительного нагружения. В частности, каждый подшипник имеет некоторый диапазон допустимого предварительного нагружения; следовательно, необходимо выбирать такой уровень предварительного нагружения, который входит в диапазоны допустимого предварительного нагружения как заднеконцевого подшипника 432, так и переднеконцевого подшипника 430. Заднеконцевой подшипник 432 и переднеконцевой подшипник 430 установлены задними сторонами друг к другу, а предварительное нагружение обеспечено кольцевым уплотнением 434, которое давит на заднеконцевой подшипник 432 и служит упругим элементом, а упорным элементом служит турбина 440.

Шпиндельный узел 400 включает динамическую уплотнительную систему 446, предназначенную для предотвращения с высокой эффективностью утечки охлаждающей текучей среды, текущей через полость 422 во вращающемся валу 420. Охлаждающая текучая среда, которая утекает через динамическую уплотнительную систему 446, течет к турбине 440, но не вращает турбину 440. Динамическая уплотнительная система 446 определена между наружной поверхностью части 444 статической трубки 443 и внутренней поверхностью части 441 вращающейся турбины 440.

Рассмотрим фигуру 5, показывающую вид в продольном разрезе еще одного примера шпиндельного узла 500 с задним расположением турбины согласно настоящему изобретению. Шпиндельный узел 500 очень похож на шпиндельный узел 400 с тем лишь отличием, что заднеконцевой подшипник 532 и переднеконцевой подшипник 530 имеют по существу одинаковый размер. Фигура 5 показывает другой вид каналов 460 и 462.

Рассмотрим фигуру 6A, показывающую вид в продольном разрезе, и фигуру 6B, показывающую трехмерное изображение с вырезом примера шпиндельного узла 600 с задним расположением реактивной турбины 640 согласно настоящему изобретению. Фигура 6 В показывает шпиндельный узел перевернутым задней частью вверх. Турбина 640 расположена на задней части вращающегося вала 620 позади заднеконцевого подшипника 632. Турбина 640 прикреплена к вращающемуся валу 620, например, привинчиванием и/или приклеиванием. Охлаждающая текучая среда высокого давления течет непосредственно из инструментальной оправки 190 (показанного на фигуре 1) на лопатки 622 турбины 640. Турбина 640 представляет собой пропеллерную турбину, характеризующуюся относительно большими моментами, но малой скоростью по сравнению с активными турбинами. Шпиндельный узел 600 включает термоусадочную систему 650 для зажатия инструмента. Для замены инструмента необходимо нагреть переднюю часть вращающегося вала 620. Термоусадочные системы для зажатия инструмента считаются более точными по сравнению с цанговым зажимом.

После ударения о лопатки турбины 640 охлаждающая текучая среда течет через заднеконцевой подшипник 632, через каналы 642, определенные в корпусе 610, и через переднеконцевой подшипник 630, в результате чего обеспечиваются смазывание и охлаждение заднеконцевого подшипника 632 и переднеконцевого подщипника 630. Охлаждающая текучая среда выходит через отверстия 662, определенные в корпусе 610. Отверстия 662 наклонены под острым углом к оси R вращения, благодаря чему охлаждающая текучая среда течет в направлении предполагаемой рабочей зоны.

Рассмотрим фигуру 7A, показывающую вид в продольном разрезе, фигуру 7B, показывающую трехмерное изображение, фигуру 7C, показывающую трехмерное изображение с вырезом, и фигуру 7D, показывающую вид в поперечном разрезе, соответственно, примера шпиндельного узла 700 с передним расположением реактивной турбины 740 согласно настоящему изобретению. Фигура 7D показывает шпиндельный узел 700 в поперечном разрезе V-V, плоскость которого показана на фигуре 7A.

Шпиндельный узел 700 включает реактивную турбину 740, воплощенную в виде системы 780 каналов; система 780 каналов включает центральные каналы 770 и периферийные каналы 771. Периферийные каналы 771 расположены под прямым или тупым углом а к соответствующим центральным каналам 770. Во время работы охлаждающая текучая среда высокого давления течет из инструментальной оправки 190 (показана на фигуре 1A) через полость 722 во вращающемся валу 720 в центральные каналы 770 и далее в периферийные каналы 771, тем самым создавая реактивное усилие, которое вращает турбину 740. Центральный канал 770 в изображенном варианте осуществления просверлен от наружной поверхности, которая диаметрально противоположна соответствующему периферийному каналу 771, с прохождением сверла через центр, и открытый конец центрального канала закрыт уплотнением 772. Альтернативно, центральный канал 770 может быть просверлен к центру от наружной поверхности, ближайшей к соответствующему периферийному каналу 771, с закрытием той части центрального канала 770, которая находится между наружной поверхностью и периферийным каналом 771. В изображенном варианте осуществления турбина 740 включает три пары центральных каналов 770 и периферийных каналов 771, причем эти пары расположены под углом 120° друг к другу.

Шпиндельный узел 700 включает динамическую уплотнительную систему 746, предназначенную для предотвращения с высокой эффективностью утечки охлаждающей текучей среды, текущей через полость 722 вращающегося вала 720. Охлаждающая текучая среда, которая утекла через динамическую уплотнительную систему 746, течет к заднеконцевому подшипнику 732 и далее через проход 742 к переднеконцевому подшипнику 730. Динамическая уплотнительная система 746 определена между наружной поверхностью части 744 статического полого основания 743 и внутренней поверхностью вращающегося вала 720. Охлаждающая текучая среда выходит через отверстия 762.

Заднеконцевой подшипник 732 и переднеконцевой подшипник 730 расположены задними сторонами друг к другу, а предварительное нагружение обеспечено кольцевым уплотнением 734, которое давит на заднеконцевой подшипник 732 и служит упругим элементом, а упорным элементом служит гайка 733, которая навинчена на вращающийся вал 720. Опору обеспечивают цанга 711 и опорная структура 710.

Рассмотрим фигуру 8A, показывающую вид в продольном разрезе, фигуру 8B, показывающую трехмерное изображение с вырезом, и фигуру 8C, показывающую трехмерное изображение с вырезом примера бескорпусного шпиндельного узла 800 согласно настоящему изобретению. Радиальная активная турбина 840 расположена в центральной части вращающегося вала 820 между переднеконцевым подшипником 830 и заднеконцевым подшипником 832. Турбина 840 выполнена за одно целое с вращающимся валом 820. Иными словами, турбина 840 и вращающийся вал 820 представляют собой одно изделие. Переднеконцевой подшипник 830 установлен в переднеконцевую опору 882, а заднеконцевой подшипник 832 установлен в заднеконцевую опору 884. Во время работы инструментальная оправка 190 функционирует в качестве корпуса, удерживающего заднеконцевую опору 884, вращающийся вал 820 и переднеконцевую опору 882. Передняя зажимная гайка 880 навинчена на инструментальную оправку 190 для удержания частей бескорпусного шпиндельного узла 800 вместе.

Согласно настоящему изобретению, по меньшей мере заднеконцевой подшипник 832 расположен в полости конической формы, представляющей собой пространство, определенное внутренней поверхностью конического отверстия 192 инструментальной оправки 190 и передней зажимной гайкой 880.

Заднеконцевая опора 884 на ее наружной поверхности имеет наклонные пазы 886. Когда шпиндельный узел установлен внутрь инструментальной оправки 190, наклонные пазы 886 определяют - вместе с внутренней поверхностью конического отверстия 192 инструментальной оправки 190 - проходы для охлаждающей текучей среды высокого давления. Во время работы охлаждающая текучая среда высокого давления течет из инструментальной оправки 190 через наклонные пазы 886 к лопаткам 822 турбины 840. Наклонные пазы 886 перпендикулярны лопаткам 822 турбины 840, при этом охлаждающая текучая среда высокого давления ударяется о лопатки 822 турбины 840 под углом 45° к оси вращения R, в результате чего повышается эффективность турбины 840 и бескорпусного шпиндельного узла 800. Переднеконцевой подшипник 830 и заднеконцевой подшипник 832 расположены передними сторонами друг к другу, а предварительное нагружение обеспечено упругим элементом, таким как волнистая пружина 834, которая давит на переднеконцевой подшипник 830, при этом упорным элементом служит область 836 вращающегося вала 820.

Бескорпусный шпиндельный узел 800 включает упруго деформирующуюся систему 850 для зажатия инструмента. В процессе изготовления вращающегося вала 820 при изготовлении полости внутри него переднюю часть этого вращающегося вала сжимают, например, с двух сторон с помощью некоторой сжимающей системы. После изготовления полости и снятия сжимающей нагрузки поперечное сечение полости становится эллиптическим. Для установки инструмента необходимо сжать переднюю часть вращающегося вала 820 некоторой сжимающей системой и ввести инструмент. После снятия сжимающей нагрузки инструмент будет удерживаться двумя точками контакта, расположенными на короткой оси эллипса.

Рассмотрим фигуру 9A, показывающую вид в продольном разрезе вращающейся части шпиндельного узла 900 согласно настоящему изобретению. В состав шпиндельного узла 900 входят следующие стандартные доступные для приобретения компоненты: шариковые подшипники, кольцевые уплотнения, гайка предварительного нагружения, цанга по стандарту ER (служащая корпусом шпиндельного узла), инструментальная оправка (тоже являющаяся частью корпуса шпиндельного узла) и система для зажатия инструмента (цанга и гайка). Нестандартным компонентом является лишь вращающийся вал 920. Реактивная турбина 940 расположена на переднем конце вращающегося вала 920 между переднеконцевым подшипником 930 и системой 950 для зажатия инструмента. Турбина 940 выполнена за одно целое с вращающимся валом 920. Иными словами, турбина 940 и вращающийся вал 920 представляют собой одно изделие. Переднеконцевой подшипник 930 и заднеконцевой подшипник 932 расположены задними сторонами друг к другу, а их предварительное нагружение обеспечено их прижатием друг к другу. Переднеконцевой подшипник 930 и заднеконцевой подшипник 932 удерживаются на месте между турбиной 940 и гайкой 945. Средства для удержания вращающейся части от вращения представлены множеством отверстий 960.

Рассмотрим фигуру 9B, показывающую трехмерное изображение примера вращающегося вала 920 согласно настоящему изобретению. Вращающийся вал 920 показан перевернутым нижней стороной вверх. Турбина 940 представлена углублениями, вырезанными в радиально проходящей плоской части вращающегося вала 920. Фигура 9C показывает трехмерное изображение еще одного примера вращающегося вала 925 согласно настоящему изобретению. Вращающийся вал 925 подобен вращающемуся валу 920 за исключением того, что в нем средства для удержания вращающейся части от вращения представлены шестью плоскими поверхностями.

Рассмотрим фигуры 9A-C вместе. Охлаждающая текучая среда высокого давления течет из инструментальной оправки 190 к турбине 940 через каналы 902, сформированные в боковых поверхностях вращающегося вала 920 или 925. Каналы 902 определяют проход для охлаждающей текучей среды высокого давления между вращающимся валом 920 или 925 и подшипниками 930 и 932. Кроме того, охлаждающая среда высокого давления течет из инструментальной оправки 190 к турбине 940 через подшипники 930 и 932, при этом наружные кольца переднеконцевого подшипника 930 и заднеконцевого подшипника 932 обеспечивают уплотнение для предотвращения утечки охлаждающей текучей среды высокого давления из шпиндельного узла раньше достижения ею турбины 940.

Рассмотрим фигуру 9D, показывающую вид в продольном разрезе I-I, плоскость которого показана на фигуре 1А, примера шпиндельной системы 901 согласно настоящему изобретению. Согласно настоящему изобретению, шпиндельная система 901 включает шпиндельный узел 900, который установлен в инструментальную оправку 190 и удерживает инструмент 180. Шпиндельный узел 900 включает цангу 210. Цанга 210 представляет собой стандартную доступную для приобретения цангу. Цанга 210 в ее наружной поверхности имеет продольные пазы 212. Для предотвращения течения охлаждающей текучей среды в нежелательных направлениях продольные пазы 212 цанги 210 закрыты.

Согласно настоящему изобретению, по меньшей мере заднеконцевой подшипник 932 расположен в полости конической формы, представляющей собой пространство, определенное внутренней поверхностью конического отверстия 192 инструментальной оправки 190 и передней зажимной гайкой 980.

Рассмотрим фигуру 10, показывающую вид в продольном разрезе примера шпиндельного узла 1000, содержащего два подшипниковых узла, каждый из которых содержит два подшипника, согласно настоящему изобретению. Принципы работы шпиндельного узла 1000 подобны принципам работы шпиндельного узла 900. Шпиндельный узел 1000 включает реактивную турбину 940, подобную реактивной турбине 940, используемой в шпиндельном узле 900. Вместо переднеконцевого подшипника и заднеконцевого подшипника имеются переднеконцевой подшипниковый узел 1030, содержащий два подшипника, и заднеконцевой подшипниковый узел 1032, содержащий два подшипника. Внутри каждого подшипникового узла подшипники расположены задними сторонами друг к другу, в то время как задний подшипник переднеконцевого подшипникового узла 1030 и

передний подшипник заднеконцевого подшипникового узла 1032 расположены передними сторонами друг к другу. Трубка 1010 обеспечивает поддержку переднеконцевому подшипниковому узлу 1030 и заднеконцевому подшипниковому узлу 1032 для предотвращения возможного повреждения, которое может произойти при установке и снятии инструмента. Предварительное нагружение постоянным давлением обеспечено упругим элементом, таким как тарельчатая пружина 1034, давящим на переднеконцевой подшипниковый узел 1030 и заднеконцевой подшипниковый узел 1032, а упорным элементом служит турбина 940.

Рассмотрим фигуру 11, показывающую вид в продольном разрезе еще одного примера шпиндельного узла 1100, содержащего два подшипниковых узла, каждый из которых содержит два подшипника, согласно настоящему изобретению. Принципы работы шпиндельного узла 1100 подобны принципам работы шпиндельного узла 900. Шпиндельный узел 1100 включает реактивную турбину 940, подобную реактивной турбине 940, используемой в шпиндельном узле 900. Вместо переднеконцевого подшипника и заднеконцевого подшипника имеются переднеконцевой подшипниковый узел 1130 и заднеконцевой подшипниковый узел 1132, расположенные смежно. Внутри каждого подшипникового узла подшипники расположены задними сторонами друг к другу, в то время как задний подшипник переднеконцевого подшипникового узла 1130 и передний подшипник заднеконцевого подшипникового узла 1132 расположены передними сторонами друг к другу. Предварительное нагружение прижатием друг к другу обеспечено гайкой 1134, а упорным элементом служит турбина 940.

Выше были изображены и описаны конкретные признаки изобретения, однако специалисты, обладающие средним уровнем знаний в данной области, могут предложить большое количество модификаций, замен, изменений и эквивалентов. Поэтому необходимо понимать, что лишь прилагаемая формула изобретения полностью определяет сущность и объем настоящего изобретения, куда входят все указанные модификации и изменения.

Шпиндельный узел предназначен для установки во внутреннее коническое отверстие инструментальной оправки, включает вал, имеющий возможность вращения внутри инструментальной оправки, подшипниковый узел, содержащий подшипниковый узел переднего конца и подшипниковый узел заднего конца для радиальной и осевой поддержки вращающегося вала внутри инструментальной оправки и для обеспечения возможности высокоскоростного вращения этого вала, турбину, функционально соединенную с вращающимся валом для вращения этого вращающегося вала, множество проходов для обеспечения возможности течения охлаждающей текучей среды высокого давления из инструментальной оправки для приведения турбины в движение. При этом по меньшей мере один подшипник подшипникового узла расположен в той части шпиндельного узла, которая выполнена для ее размещения в пространстве, определенном коническим отверстием инструментальной оправки и передней зажимной гайкой. Достигается расширение технологических возможностей. 19 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Шпиндельный узел, выполненный с возможностью установки во внутреннее коническое отверстие инструментальной оправки, имеющий задний конец и передний конец, причем передний конец находится вблизи системы для зажатия инструмента шпиндельного узла, а задний конец противоположен системе для зажатия инструмента шпиндельного узла, содержащий вал, выполненный с возможностью вращения внутри инструментальной оправки, подшипниковый узел, который содержит подшипниковый узел переднего конца и подшипниковый узел заднего конца и выполнен с возможностью поддержки вращающегося вала внутри инструментальной оправки и обеспечения возможности высокоскоростного вращения этого вала внутри инструментальной оправки, турбину, функционально соединенную с вращающимся валом и выполненную с возможностью вращения этого вала, множество проходов для обеспечения возможности течения охлаждающей текучей среды высокого давления из инструментальной оправки для приведения турбины в движение, причем по меньшей мере один подшипник подшипникового узла расположен в той части шпиндельного узла, которая выполнена с возможностью размещения в пространстве, заданном коническим отверстием инструментальной оправки и передней зажимной гайкой.

2. Шпиндельный узел по п.1, отличающийся тем, что он содержит полый корпус для механической поддержки компонентов шпиндельного узла.

3. Шпиндельный узел по п.2, отличающийся тем, что полый корпус содержит цангу.

4. Шпиндельный узел по п.2, отличающийся тем, что проходы по меньшей мере частично заданы наружной поверхностью корпуса и внутренней поверхностью конического отверстия инструментальной оправки.

5. Шпиндельный узел по п.1, отличающийся тем, что множество проходов выполнено с возможностью течения, по меньшей мере, некоторого количества охлаждающей текучей среды через подшипниковый узел для охлаждения и смазывания подшипников.

6. Шпиндельный узел по п.1, отличающийся тем, что множество проходов содержит выход для охлаждающей текучей среды.

7. Шпиндельный узел по п.6, отличающийся тем, что выход для охлаждающей текучей среды предназначен для обеспечения возможности течения охлаждающей текучей среды к рабочей зоне инструмента, установленного на шпиндельном узле, и содержит средства, расположенные на переднем конце шпиндельного узла и выбранные из группы, включающей отверстия, форсунки и распылители.

8. Шпиндельный узел по п.1, отличающийся тем, что множество проходов содержит канал, проходящий через вращающийся вал и обеспечивающий возможность течения некоторого количества охлаждающей текучей среды под высоким давлением к центральному отверстию инструмента, установленного на шпиндельном узле.

9. Шпиндельный узел по п.8, отличающийся тем, что задний конец шпиндельного узла содержит динамическую уплотнительную систему, в значительной степени предотвращающую утечку охлаждающей текучей среды, проходящей через канал вращающегося вала.

10. Шпиндельный узел по п.9, отличающийся тем, что динамическая уплотнительная система обеспечивает возможность утечки через нее охлаждающей текучей среды, а множество проходов содержит проходы для обеспечения возможности течения утекшей охлаждающей текучей среды к подшипниковому узлу заднего конца и подшипниковому узлу переднего конца для смазывания и охлаждения подшипникового узла заднего конца и подшипникового узла переднего конца.

11. Шпиндельный узел по п.1, отличающийся тем, что подшипниковый узел переднего конца и подшипниковый узел заднего конца установлены по схеме, выбранной из группы, состоящей из следующего: задними сторонами друг к другу, передними сторонами друг к другу и с одинаковой направленностью.

12. Шпиндельный узел по п.1, отличающийся тем, что каждый подшипниковый узел содержит по меньшей мере один подшипник.

13. Шпиндельный узел по п.1, отличающийся тем, что турбина расположена в месте, выбранном из группы, состоящей из следующего: позади подшипникового узла заднего конца, между подшипниковым узлом заднего конца и подшипниковым узлом переднего конца и впереди подшипникового узла переднего конца.

14. Шпиндельный узел по п.1, отличающийся тем, что подшипниковый узел предварительно нагружен давлением предварительного нагружения, которое приложено упругим элементом.

15. Шпиндельный узел по п.14, отличающийся тем, что упругий элемент выбран из группы, включающей кольцевое уплотнение, цилиндрическую винтовую пружину, тарельчатую пружину, волнистую пружину и подпружиненный палец.

16. Шпиндельный узел по п.1, отличающийся тем, что подшипниковый узел переднего конца и подшипниковый узел заднего конца прижаты друг к другу для обеспечения предварительного нагружения.

17. Шпиндельный узел по п.1, отличающийся тем, что турбина выбрана из группы, включающей осевую активную турбину, радиальную активную турбину и радиальную реактивную турбину.

18. Шпиндельный узел по п.1, отличающийся тем, что охлаждающая текучая среда представляет собой эмульсию воды и масла.

19. Шпиндельный узел по п.1, отличающийся тем, что он содержит систему для зажатия инструмента.

20. Шпиндельный узел по п.1, отличающийся тем, что он содержит средства для удержания вращающейся части от вращения.