一种气密封的气幕产生单元和旋转轴气密封装置的制作方法

本发明涉及旋转机构与固定端盖的密封技术领域，更具体地说，涉及一种气密封的气幕产生单元和旋转轴气密封装置。

背景技术：

机床主轴通过轴承与机床主体相连，以便能够使主轴相对于壳体旋转。在采用机床对工件进行加工的过程中常常将工具或工件安装于主轴的顶端，开动电机通过主轴带动顶端的工具或工件高速旋转，从而进行切削、磨削、铣削等加工。在机加工的过程中为防止被加工工件与刀具之间咬死、提高加工表面精度，在工件加工的过程中往往将冷却液或切削液等喷射在工具、工件上。但是，由于主轴相对于壳体是处于相对旋转的运动状态，高速旋转的机床主轴与壳体端盖之间存在着间隙。因此，机加工过程中的冷却液、碎屑等易穿过壳体与主轴之间的空隙进入轴承中，致使轴承咬死，并引发一系列的生产事故。

为防止冷却液及碎屑进入，常用的密封方法有：迷宫密封、橡胶密封等。但是，现有的密封技术存在以下技术问题：1)切削过程中，由于冷却液喷射速度快、颗粒粒径小，迷宫式密封的效果较差，无法完全阻挡冷却液夹带微小切屑颗粒进入，造成主轴、轴承和其它零部件发生磨损。2)橡胶密封是接触密封，虽然密封效果较好，但是橡胶易与高速旋转的主轴发生摩擦，从而致使主轴温度过高而发生热变形，并导致主轴回转精度降低、寿命下降，进而影响机床的使用和加工性能，降低机床加工的可靠性。

经检索，已经有相关技术方案公开。如油脂磨用电主轴的气密封结构设计方法(专利号：ZL200810237316.7，公告日：2011.07.27)，水轮发电机外加动力的气密封装置(专利号：ZL201320463129.7，公告日：2013.12.25)，提出了气密封的方法，但该技术方案中的气密封效果较差，且气密封的空气需要充分干燥，不然易造成气体中的水分进入轴承和主轴中，从而影响轴承其使用寿命。

此外，发明创造的名称为：一种混合机主轴轴端密封装置(申请号：201210130775.1，公布日：2013.10.30)和机床主轴前端密封装置(专利号：ZL201420353044.8，公告日：2014.12.24)，采用多重密封保护，显著提高密封性能；但是其结构复杂，需要两个密封系统，使得密封成本较高。因此，亟需开发出适用于高速旋转主轴的密封装置，从而提高主轴的使用寿命和工件的加工精度。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中高速旋转主轴的密封效果较差，提供一种气密封的气幕产生单元和旋转轴气密封装置；

其中提供的一种气密封的气幕产生单元，通过导流面引导出气端气流朝向旋转轴的非密封端喷射，可以避免空气和颗粒物进入旋转轴中，进而可以提高气密封的效果；进一步地，结合进气端的截面积大于出气端的截面积，可以提高出气端出气强度和气密封效果；

其中提供的一种旋转轴气密封装置，轴向定位机构内设置有气幕产生单元和与之相连的供气单元，可以避免空气和颗粒物进入旋转轴中，进而可以提高气密封的效果；进一步地，结合环形供气通道的截面积大于气幕产生单元进气端的截面积，可以提高气密封的出气强度和气密封效果。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种气密封的气幕产生单元，包括导流面和限流面，所述的导流面和限流面构成四周封闭两端开口的气幕产生单元，其中两端为进气端和出气端，所述的导流面用于引导出气端气流朝向旋转轴的非密封端喷射，且气流喷射方向与转动轴心的夹角为锐角。

更进一步地，所述的导流面为斜面或者弧面，导流面上的点与非密封端端部的距离是关于a的增函数，其中a为导流面上的点与转动轴心的距离。

更进一步地，导流面经过出气端延伸至旋转轴的轴圆周面边缘。

更进一步地，当导流面为斜面时，导流面与转动轴心的夹角为α，α的范围为15-75°；或者当导流面为弧面时，位于出气端的导流面末端切线与转动轴心的夹角为α，α的范围为15-75°。

更进一步地，导流面与轴圆周面的最小距离L1小于限流面与轴圆周面的最小距离L2。

更进一步地，进气端的截面积大于出气端的截面积。

本发明的一种旋转轴气密封装置，包括轴向定位机构，该轴向定位机构是与旋转轴同轴的环形结构；所述轴向定位机构内设置有上述的气幕产生单元和与之相连的供气单元。

更进一步地，所述的供气单元包括：主供气通道，该主供气通道与轴向定位机构外部相连通，其用于为气密封的气流提供通道；环形供气通道，该环形供气通道用于将主供气通道的气流供给至气幕产生单元，且环形供气通道的截面积大于气幕产生单元进气端的截面积。

更进一步地，所述的轴向定位机构上开设有环形沟槽和径向沟槽，径向沟槽由环形沟槽延伸至定位机构内弧面，轴向定位机构的端面外侧安装有盖板，盖板内侧与环形沟槽构成环形供气通道，盖板内侧与径向沟槽构成气幕产生单元。

更进一步地，所述轴向定位机构上均匀的布置有8-16个气幕产生单元；所述的环形供气通道的进气口与主供气通道相连，环形供气通道的出气口与气幕产生单元的进气端相连，气幕产生单元与环形供气通道的出气口对应设置。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种气密封的气幕产生单元，其导流面和限流面构成四周封闭两端开口的气幕产生单元，导流面用于引导出气端气流朝向旋转轴的非密封端喷射，且气流喷射方向与转动轴心的夹角为锐角，提高了气幕产生单元的密封效果；

(2)本发明的一种气密封的气幕产生单元，盖板内侧面底部与导流面的垂直间距为0.5-1.0mm，保证了恰当的气体厚度，保证具有较好密封效果的同时，避免了气体流入被密封端，同时减小了气流的用量；

(3)本发明的一种气密封的气幕产生单元，进气端的截面积大于出气端的截面积，增大了进气端气体的喷射压力和喷射强度，进而提高了密封效果，且由进气端至出气端气幕产生单元的横截面面积连续的减函数，减小了气体在气幕产生单元中的动力损失，提高了密封效果；

(4)本发明的一种气密封的气幕产生单元，导流面与轴圆周面的最小距离L1小于限流面与轴圆周面的最小距离L2，即L1<L2，其中L1的范围为0.01-0.05mm，使得导流面的底部边缘位置与轴圆周面的间距小于限流面的底部边缘位置与轴圆周面的间距，即相比限流面的底部边缘位置，导流面的底部边缘更加的贴近轴圆周面，配合导流面经过出气端延伸至旋转轴的轴圆周面边缘，恰当的倾斜角度和导流面的底部边缘更贴近轴圆周面，减小了气流向被密封端流动的可能性，提高了密封效果；

(5)本发明的一种旋转轴气密封装置，轴向定位机构内设置有上述的气幕产生单元和与之相连的供气单元，供气单元为气幕产生单元提供密封气流，气流由进气端进入气幕产生单元，气流在导流面的引导作用下由进气端流动至出气端，并由出气端喷喷射处气流，气流朝向旋转轴的非密封端喷射，避免空气和颗粒物进入旋转轴中，进而可以提高气密封的效果；

(6)本发明的一种旋转轴气密封装置，环形沟槽的几何中心与旋转轴的轴心同轴，并形成闭合的环形沟槽，使得气体可以充满于环形沟槽中，并为径向沟槽提供气体，提供均匀的气密封的气体保护压力；

(7)本发明的一种旋转轴气密封装置，环形供气通道的截面积大于气幕产生单元进气端的截面积，使得环形供气通道能为气幕产生单元提供足够的气体，气流在由环形供气通道进入气幕产生单元的过程中，随着横截面积收缩气流喷射压力增大，提高了气密封装置的密封效果。

附图说明

图1为本发明的剖面结构示意图；

图2为本发明的立体结构示意图；

图3为本发明的侧面结构示意图；

图4为本发明的一种旋转轴气密封装置在轴端的装配示意图；

图5为本发明的导流面为弧面的结构示意图。

示意图中的标号说明：

110、气幕产生单元；111、进气端；112、出气端；113、导流面；114、限流面；120、供气单元；121、主供气通道；122、环形供气通道；

210、轴向定位机构；211、定位机构内弧面；220、盖板；221、盖板内弧面；

300、旋转轴；301、被密封端；302、非密封端；310、轴圆周面；320、转动轴心。

具体实施方式

下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。

实施例1

结合图1、2和3所示，本实施例的一种气密封的气幕产生单元，包括导流面113和限流面114，所述的导流面113和限流面114构成四周封闭两端开口的气幕产生单元110，其中两端为进气端111和出气端112，所述的导流面113用于引导出气端112气流朝向旋转轴300的非密封端302喷射，气流由进气端111流入气幕产生单元110，并在导流面113的引导下由出气端112流出(如图1所示)，值得说明的是，出气端112是由导流面113底端和限流面114底端共同构成，且出气端112的出气厚度为0.5-1mm(如图1所示)，本实施例优选0.8mm，所述的出气厚度即盖板220内侧面底部与导流面113的垂直间距为0.5-1.0mm，优选0.8mm。从而保证了恰当的气体厚度，避免密封气流过大而使过多的气体流被密封端301，也避免了气流厚度较小而使气体密封强度不够，减弱了密封效果，本实施例的出气厚度在保证具有较好密封效果的同时，避免了气体流入被密封端301，同时减小了气流的用量，具有突出的进步。

本实施例的导流面113为连续的斜面(如图1所示)，即导流面113不是阶梯面，且由进气端111至出气端112，导流面113上的点与转动轴心320的距离逐渐减小，导流面113由被密封端301向非密封端302倾斜。此处也可以如此描述：导流面113上的点与非密封端302端部的距离是关于a的增函数，其中a为导流面113上的点与转动轴心320的垂直距离，即由进气端111至出气端112，随着导流面113上的点与转动轴心320的距离逐渐减小，该点与非密封端302的距离也逐渐减小。

气流沿着导流面113朝向旋转轴300的非密封端302喷射，且气流喷射方向与转动轴心320的夹角为锐角；使得由出气端112喷射出的气流既不垂直于旋转轴300的轴圆周面310，也不平行于旋转轴300的轴圆周面310。如果气流的喷射方向垂直于轴圆周面310，则造成气流与轴圆周面310垂直撞击后，部分气流流动至被密封端301，使得用于密封的气流流动至气幕产生单元110的被密封端301，进而降低了密封效果；如果气流的喷射方向平行于轴圆周面310，则使得气流对轴圆周面310的表层冲击效果较差，造成对轴圆周面310的密封效果较差。

针对上述的技术问题，本领域的技术人员尚未有效地关注，而本专利的申请人通过长时间的探索，创造性的提出了气流沿着导流面113朝向旋转轴300的非密封端302喷射，且气流喷射方向与转动轴心320的夹角为锐角，导流面113为斜面时，导流面113与转动轴心320的夹角为α，α的范围为15-75°，本实施优选α＝30°(如图1所示)，进而提高了气幕产生单元110的密封效果。

实施例2

本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：所述的导流面113为弧面，且由进气端111至出气端112，导流面113上的点与转动轴心320的距离逐渐减小(如图5所示)，此处也可以如此描述：导流面113上的点与非密封端302端部的距离是关于a的增函数，其中a为导流面113上的点与转动轴心320的垂直距离(如图5所示)，即由进气端111至出气端112，随着导流面113上的点与转动轴心320的距离逐渐减小，该点与非密封端302的距离也逐渐减小。值得进一步说明的是，该弧面为朝向被密封端301凸起的弧面。导流面113为弧面时，位于出气端112的导流面113末端切线与转动轴心320的夹角为α，α的范围为15-75°，本实施优选α＝75°(如图5所示)。

实施例3

本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：导流面113经过出气端112延伸至旋转轴300的轴圆周面310边缘。导流面113与轴圆周面310的最小距离L1小于限流面114与轴圆周面310的最小距离L2，即L1<L2，其中L1的范围为0.01-0.05mm，本实施例优选0.02mm，L2的范围为0.50-1.00mm，本实施例优选0.60mm。从而使得导流面113的底部边缘位置与轴圆周面310的间距小于限流面114的底部边缘位置与轴圆周面310的间距，即相比限流面114的底部边缘位置，导流面113的底部边缘更加的贴近轴圆周面310。

该创造性的设计减小了密封气流向被密封端301流通通道，并配合导流面113经过出气端112延伸至旋转轴300的轴圆周面310边缘，导流面113为斜面时，导流面113与转动轴心320的夹角为α，α为45°-75°，本实施例优选α＝60°，恰当的倾斜角度和导流面113的底部边缘更贴近轴圆周面310的设计，减小了气流向被密封端301流动的可能性，从而提高了密封效果。

另一方面，出气端112高压气流与轴圆周面310碰撞，碰撞的过程中可能会形成气体旋流，导流面113的底部边缘更加的贴近轴圆周面310，避免气流在密封的过程中在出气端112出气位置可能的形成气体旋流，进而避免了密封气流流入被密封端301。

实施例4

本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：进气端111的截面积大于出气端112的截面积，从而增大了进气端111气体的喷射压力和喷射强度，进而提高了密封效果。且由进气端111至出气端112，气幕产生单元110的横截面面积连续的减函数，连续的减函数使得横截面的面积不会发生突变，从而减小了气体在气幕产生单元110中的动力损失，进而可以提高密封效果。导流面113为斜面时，导流面113与转动轴心320的夹角为α，α的范围为15-75°，本实施优选α＝15°

实施例5

结合图1、2、3和4所示，本发明的一种旋转轴气密封装置，包括轴向定位机构210，该轴向定位机构210是与旋转轴300同轴的环形结构，所述的轴向定位机构210可以为轴承的端盖或者密封固定座，端盖内侧可以设置有轴承(如图4所示)；所述轴向定位机构210内设置有上述的气幕产生单元110和与之相连的供气单元120，该供气单元120为气幕产生单元110提供密封气流，气流由进气端111进入气幕产生单元110，气流在导流面113的引导作用下由进气端111流动至出气端112，并由出气端112喷射处气流，气流朝向旋转轴300的非密封端302喷射。轴向定位机构210的圆周上均匀的布置有8-16个(如图3所示)，本实施例优选12个气幕产生单元110，气幕产生单元110可均匀的向轴心提供气体，实现气密封。

本实施例的供气单元120包括主供气通道121和环形供气通道122，其中主供气通道121与轴向定位机构210外部相连通，其用于为气密封的气流提供通道；环形供气通道122用于将主供气通道121的气流供给至气幕产生单元110，且环形供气通道122的截面积大于气幕产生单元110进气端111的截面积，进而使得环形供气通道122能为气幕产生单元110提供足够的气体，且气流在由环形供气通道122进入气幕产生单元110的过程中，随着横截面积收缩，气流喷射压力增大，从而提高了气密封装置的密封效果。

在气密封的过程中，若密封气流平行于轴圆周面310，则造成气流对轴圆周面310的密封压力不够，并使得冷却液或切削液或其他颗粒杂质沿着轴圆周面310进入被密封端301，进而影响其密封效果，所述的被密封端301是指旋转轴300安装于轴套或者保护盖的部分。若气流垂直于旋转轴300的轴圆周面310，则使得气流撞击到轴圆周面310的表面，进而使得部分气流进入被密封端301，但是由于用于密封的高压气体除湿不彻底，湿的高压空气会进入主轴后会在主轴内部产生液体，这些液体一旦进入主轴轴承，会导致主轴损坏，严重影响使用寿命。本实施例的气流喷射方向与转动轴心320的夹角为锐角，本实施例中该夹角为75°，使得由出气端112喷射出的气流既不垂直于旋转轴300的轴圆周面310，也不平行于旋转轴300的轴圆周面310。从而实现在保证密封效果的同时，使得密封气流也不进入旋转轴300的被密封端301。

与此同时，结合导流面113与轴圆周面310的最小距离L1小于限流面114与轴圆周面310的最小距离L2，即L1<L2(如图1所示)，其中L1的范围为0.01-0.05mm，本实施例优选0.05mm，L2的范围为0.50-1.00mm，本实施例优选0.80mm。从而使得导流面113的底部边缘位置与轴圆周面310的间距小于限流面114的底部边缘位置与轴圆周面310的间距，导流面113的底部边缘更加的贴近轴圆周面310。该创造性的设计减小了密封气流向被密封端301流通通道，并配合恰当的倾斜角度和导流面113的底部边缘更贴近轴圆周面310的设计，减小了气流向被密封端301流动的可能性，提高了密封效果。

实施例6

本实施例的基本内容同实施例5，不同之处在于：轴向定位机构210上开设有环形沟槽和径向沟槽，该环形沟槽的几何中心与旋转轴300的转动轴心320同轴(如图3所示)，当然所述的环形沟槽可以是圆环形的也可以多边形的，其主要目的形成闭合的环形沟槽，使得气体可以充满于环形沟槽中，并为径向沟槽提供气体，从而避免在环形沟槽的不同位置形成不同的供气压力，提供均匀的气密封的气体保护压力。该环形沟槽的横截面积大于径向沟槽靠近环形沟槽的横截面积，即环形沟槽的横截面积大于气幕产生单元110的进气端111的截面积，从而使得环形沟槽内能存储足够的气体，并提高气体密封的效果。

本实施例的径向沟槽由环形沟槽延伸至定位机构内弧面211，轴向定位机构210的端面外侧安装有盖板220，盖板220通过螺钉固定于轴向定位机构210上；盖板220内侧与环形沟槽构成环形供气通道122，盖板220内侧与径向沟槽构成气幕产生单元110，盖板220的内侧面即为限流面114，导流面113和限流面114构成四周封闭两端开口的气幕产生单元110。轴向定位机构210的圆周上均匀的布置有8-16个，本实施例优选16个气幕产生单元110，从而为气密封提供均匀的密封气流。

轴向定位机构210上开设的径向沟槽，径向沟槽的斜面为导流面113，径向沟槽的2个槽侧面为限流面114，与此同时的内侧面也为限流面114，3个限流面114与导流面113共同构成气幕产生单元110(如图2所示)，导流面113与轴圆周面310的最小距离L1小于限流面114与轴圆周面310的最小距离L2，即L1<L2，其中L1的范围为0.01-0.05mm，即径向沟槽的底部与轴圆周面310的距离为L1，本实施例优选0.01mm；L2的范围为0.50-1.00mm，即盖板220底部与轴圆周面310的距离为L2，本实施例优选0.50mm。此处，L1和L2也可以这样描述，即轴向定位机构210的定位机构内弧面211的弧面半径为R1，旋转轴300的半径为R0，则可以表示L1＝R1-R0；盖板220的盖板内弧面221的弧面半径为R2，则可以表示L2＝R2-R0。

本实施例减小了密封气流向被密封端301流通通道，并配合恰当的倾斜角度和导流面113的底部边缘更贴近轴圆周面310的设计，减小了气流向被密封端301流动的可能性，从而提高了气密封的密封效果。

实施例7

本实施例的基本内容同实施例5，不同之处在于：轴向定位机构210的圆周上均匀的布置有8-16个，本实施例优选8个气幕产生单元110；所述的环形供气通道122的进气口与主供气通道121相连，环形供气通道122的出气口与气幕产生单元110的进气端111相连，气幕产生单元110与环形供气通道122的出气口对应设置。

实施例8

本发明的一种旋转轴气密封装置的加工方法，具体步骤如下：

S1、将轴向定位机构210固定于车床上，并用车刀在轴向定位机构210上车削出环形沟槽，该环形沟槽的几何中心与旋转轴300的转动轴心320同轴；

S2、在轴向定位机构210上切出径向沟槽，该径向沟槽由环形沟槽内侧延伸至轴向定位机构210的定位机构内弧面211，且径向沟槽的深度由径向沟槽至定位机构内弧面211逐渐变浅，使得进气端111的截面积大于出气端112的截面积；

S3、在轴向定位机构210上环形沟槽的圆周外侧开设主供气通道121，该主供气通道121由轴向定位机构210外弧面延伸至环形沟槽，并与环形沟槽连通；

S4、通过固定螺钉将盖板220固定于轴向定位机构210上，盖板220内侧与环形沟槽构成环形供气通道122，盖板220内侧与径向沟槽构成气幕产生单元110；轴向定位机构210的定位机构内弧面211的弧面半径为R1，盖板220的盖板内弧面221的弧面半径为R2，则R2>R1；进而使得，导流面113与轴圆周面310的最小距离L1小于限流面114与轴圆周面310的最小距离L2；并加工得到上述实施例的旋转轴气密封装置。

轴向定位机构210内设置有上述的气幕产生单元110和与之相连的供气单元120，该供气单元120为气幕产生单元110提供密封气流，气流由进气端111进入气幕产生单元110，气流在导流面113的引导作用下由进气端111流动至出气端112，并由出气端112喷射处气流，气流朝向旋转轴300的非密封端302喷射；气幕产生单元110可均匀的向轴心提供气体，实现气密封。

在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。

更具体地，尽管在此已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、例如各个实施例之间的组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。例如，在本发明中，术语“优选地”不是排他性的，这里它的意思是“优选地，但是并不限于”。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。