УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСЕВОЙ ПОДАЧИ КРИОГЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ ЧЕРЕЗ ШПИНДЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК B23Q11/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Криогенная жидкость, используемая в ходе резки и сверления, подается к вращающемуся режущему инструменту, который установлен на стандартном держателе, приводимом во вращение шпинделем.

Уровень техники

Как известно, композиты с керамической матрицей и другие новые материалы с низкой теплопроводностью, используемые в авиации и космонавтике, трудно поддаются механической обработке, которая в итоге обходится дорого, поскольку такие материалы плохо рассеивают тепло с области контакта инструмента со стружкой. Чем эффективнее охлаждается область контакта инструмента со стружкой, тем выше скорость механической обработки и больше срок службы инструмента, а значит, ниже стоимость обработки и меньше время, идущее на изготовление продукции. В большинстве случаев в ходе механической обработки используются станки с устройствами автоматической смены инструмента, поэтому любая такая система охлаждения должна быть совместима с серийно выпускаемыми устройствами смены инструмента и держателями инструмента.

Цели изобретения

Цель настоящего изобретения - создание новой системы охлаждения вращающегося инструмента, который вставлен в стандартный держатель, установленный на шпинделе.

Другая цель - создание новой системы охлаждения вращающихся инструментов, которая совместима с серийно выпускаемыми системами автоматической смены инструмента и держателями инструмента.

Раскрытие изобретения

Описанная ниже система охлаждения имеет вращательное соединение с модифицированной системой инструмента, которая обеспечивает подачу криогенной жидкости, такой как жидкий азот (LN₂), к границе контакта инструмента со стружкой в ходе механической обработки. Это достигается за счет подачи криогенных жидкостей через продольный осевой канал, расположенный в шпинделе станка, к инструменту, который установлен на стандартном держателе. В результате чрезвычайно твердые материалы с низкой теплопроводностью, используемые в авиации и космонавтике, включая композиты с керамической и металлической матрицами, могут быть обработаны с большой скоростью. Вместе с тем обычные материалы могут быть обработаны без помощи охлаждающих жидкостей, что наносит меньше вреда окружающей среде.

Краткое описание чертежей

фиг.1 - система подачи криогенной жидкости к вращающемуся инструменту, соответствующая одному варианту осуществления настоящего изобретения.

фиг.2 - система подачи криогенной жидкости к вращающемуся инструменту, соответствующая другому варианту осуществления настоящего изобретения.

фиг.3 - опорная поверхность скольжения и привод для поднятия и опускания трубки подачи охлаждающей жидкости, входящие в состав системы подачи криогенной жидкости по фиг.2.

Фиг.4 - увеличенный вид подвижного корпуса, находящегося в нижней позиции.

Фиг.5 - увеличенный вид подвижного корпуса, находящегося в верхней позиции.

Фиг.6 - увеличенный вид держателя инструмента, при этом трубка подачи охлаждающей жидкости находится в нижней позиции.

Фиг.7 - направляющая качения, подвижный корпус и трубка подачи охлаждающей жидкости, находящиеся в верхней позиции.

Фиг.8 - увеличенный вид держателя инструмента, при этом трубка подачи охлаждающей жидкости находится в верхней позиции.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

На фиг.1 изображена система для резки с криогенным охлаждением, при этом вращающийся инструмент обозначен ссылочной позицией 10. Система содержит шпиндель 12, который приводится во вращение вокруг центральной оси 14 вращения стандартными средствами, такими как электродвигатель вращения (не показан). Шпиндель содержит на первом конце стандартный держатель 16 инструмента, зафиксированный на шпинделе цанговым зажимом 17, известным из уровня техники. Держатель 16 инструмента поддерживает сверлильный инструмент 18 (показана только его верхняя часть). Второй конец шпинделя 12 содержит продольный канал 19 с раструбом, в котором расположено байонетное не вращающееся устройство 21 подачи криогенной жидкости. Устройство 21 установлено в канале 19 по оси 14 вращения шпинделя на двух подшипниках 22. В нижней части продольного канала 19 расположена вставка 23 с раструбом, которая вращается вместе со шпинделем. Нижний конец вставки 23 содержит выпускной канал 24, коаксиальный шпинделю.

Байонетное устройство 21 подачи содержит подающую трубку 26 малого диаметра, изолированную вакуумированной полостью; данная трубка имеет верхнюю часть, которая окружена участком 27 большего диаметра, изолированным вакуумированной полостью.

Подающая трубка 26 содержит внутренний канал для криогенной жидкости, поступающей в отверстие первого конца 30 трубки от подходящего источника (не показан), который расположен за пределами шпинделя 12. Второй конец подающей трубки 26 содержит выход 28, продольная ось которого совпадает с осью 14 вращения шпинделя. Выход 28 расположен выше выпускного канала 24 вставки 23. В канале 19 расположен кольцевое уплотнение 29, который обеспечивает уплотнение между теплоизолированным участком большего диаметра и вращающимся шпинделем 12. Кольцевое уплотнение 29 является подпружиненным и может называться теплым уплотнением, поскольку оно защищено от воздействия температуры криогенной жидкости, текущей в байонетном устройстве 21 подачи, с помощью теплоизолированного участка 27 большего диаметра, наружная поверхность которого имеет температуру, отличную от температуры криогенной жидкости.

Выпускной канал 24 расположен на конце вставки 23 выше продольного канала 31, коаксиального держателю 16 инструмента. Осевой канал 31, расположенный в держателе, содержит выход 32, который центрирован относительно канала 33 для охлаждающей жидкости, выполненного в стержне инструмента 18. Канал 33 для охлаждающей жидкости оканчивается одним или несколькими выходами (не показаны), выполненными на поверхности инструмента 18, которые направляют охлаждающую жидкость к границе контакта инструмента со стружкой.

Физические и динамические характеристики шпинделя, используемого в системе для резки с криогенным охлаждением (фиг.1), соответствуют аналогичным характеристикам существующих шпинделей с ЧПУ, обеспечивая выполнение такой механической обработки, как сверление, зенкование и сложное фрезерование кромок при удлиненных стержнях инструмента. Форма и размеры держателя 16 инструмента соответствуют форме и размерам держателей, которые используются в серийно выпускаемых системах для зажимания инструмента, а значит, держатель 16 может быть использован с устройствами автоматической смены инструмента. Изолированная вакуумированной полостью подающая трубка 26 малого диаметра центрирована относительно оси 14 вращения шпинделя и имеет малую массу, что не препятствует вращению шпинделя с высокой скоростью. Прохождение охлаждающей жидкости вдоль оси 14 вращения шпинделя 12, держателя 16 инструмента и инструмента 18 допускает вращение шпинделя с высокой скоростью, при этом центробежные силы, возникающие при вращении шпинделя, не влияют на прохождение охлаждающей жидкости. Выпускной канал 24 вставки 23 коаксиален осевому каналу держателя 16 инструмента, поэтому соединение держателя с цветовым зажимом 17, расположенным в шпинделе 12, обеспечивает путь для прохождения охлаждающей жидкости от внутренней подающей трубки 26 к стержню 18 инструмента, который установлен на шпинделе, при этом изношенный инструмент может быть заменен на новый устройством автоматической смены инструмента.

Фиг.2-8 иллюстрируют другой пример осуществления системы сверления с криогенным охлаждением, в которой область взаимодействия не вращающегося источника криогенной жидкости с вращающимся шпинделем расположена на конце вращающейся трубки, которая отходит от верхней границы шпинделя. Кроме того, конструкция по фиг.2-8 совместима с системами автоматической смены инструмента и держателями инструмента, которые используются вместе с такими системами.

В соответствии с фиг.2 первый или нижний конец стандартного шпинделя 12, имеющего ось 14 вращения, содержит держатель 16 инструмента 18 и сам инструмент 18, который имеет внутренний канал 33 для охлаждающей жидкости. Продольный канал 41 содержит трубку 40 подачи охлаждающей жидкости, изолированную вакуумированной полостью, причем данная трубка продолжается от держателя 16 инструмента через шпиндель 12 и вдается в подвижный корпус 62.

С внешним источником криогенной жидкости (не показан) соединена стандартная линия 46 подачи криогенной жидкости, содержащая внутреннюю трубку 47 и внешнюю оболочку 48. Пространство между внутренней трубкой 47 и внешней оболочкой 48 линии подачи криогенной жидкости вакуумировано в целях термоизоляции. Внешняя оболочка 48 линии 46 оканчивается на уровне верхней части узлового корпуса 50, а внутренняя трубка 47 меньшего диаметра соединена с узлом 52, который расположен на уровне нижней части узлового корпуса, как нагляднее всего видно на фиг.3. Прохождение криогенной жидкости от линии 46 подачи криогенной жидкости к трубке 40 подачи охлаждающей жидкости управляется клапанным механизмом, который расположен на стыке верхнего корпуса 50 и нижнего корпуса 62 и подробно описан ниже. Верхний корпус 50 закреплен прихватами 53 на установочной плите 55, которая соединена с приводом 54 линейного перемещения. Привод 54 линейного перемещения содержит приводной механизм 56 и направляющую 57 качения, которая установлена на поверхности 58 скольжения. Приводной механизм 56 управляется соответствующим образом и может быть активирован для перемещения направляющей 57 качения от нижней части поверхности скольжения (фиг.2 и 3) к верхней части поверхности скольжения (фиг.7) и наоборот. По мере поднятия и опускания направляющей качения верхний корпус 50, нижний корпус 62 и трубки 46 и 40 подачи криогенной жидкости также поднимаются и опускаются.

На фиг.3 узел 52 расположен на уровне нижней части верхнего корпуса 50. Узел 52 вмещает конец внутренней трубки 47 малого диаметра, фиксируя данный конец в верхнем корпусе 50. Узел 52 обеспечивает свободное вытекание криогенной жидкости из конца трубки 47 малого диаметра в пространство 51, имеющееся под узлом 52, как показано на фиг.4 и 5. На фиг.3 показано также, что верхний участок трубки 40 подачи охлаждающей жидкости продолжается за пределами шпинделя 12, проходя через поршень 61 для смены инструмента. Поршень 61 для смены инструмента сообщает силу устройству для смены инструмента и не является частью настоящего изобретения. Верхний конец трубки 40 подачи охлаждающей жидкости проходит через нижний корпус 62, который закреплен на нижней части верхнего корпуса 50.

На фиг.4 изображен механизм для регулировки потока между внутренней трубкой 47 линии 46 подачи криогенной жидкости и трубкой 40 подачи охлаждающей жидкости. Трубка 40 подачи охлаждающей жидкости содержит внутреннюю трубку 42 малого диаметра, которая окружена внешней оболочкой 43. Вакуум в пространстве между трубкой 42 малого диаметра и внешней оболочкой 43 обеспечивает термоизоляцию для криогенной жидкости, которая находится в трубке 42 малого диаметра. Участок внутренней трубки 42 трубки 40 подачи охлаждающей жидкости, расположенный в нижнем корпусе 62, окружен сильфоном 64. Сильфон 64 может сжиматься, обеспечивая продольное сближение участков внешней оболочки 43 трубки 40 подачи охлаждающей жидкости, когда внутренняя трубка 42 малого диаметра имеет температуру криогенной жидкости, а внешняя оболочка 43 - температуру окружающей среды.

Нижний корпус 62 содержит клапанный механизм, который может пропускать или перекрывать поток криогенной жидкости, поступающей из линии 46 подачи криогенной жидкости, за счет опускания или подъема верхнего корпуса 50 приводом 54 линейного перемещения. Верхняя часть трубки 40 подачи охлаждающей жидкости снабжена насадкой 77, которая содержит отверстия 78, то есть поступление жидкости в трубку 40 с данного конца возможно только через отверстия 78. На верхнем конце нижнего корпуса 62 установлен подпружиненный полимерное уплотнение 63. Внешняя поверхность насадки 77 герметично прилегает к верхнему подпружиненному полимерному уплотнению 63. Комбинация насадки 77, снабженной отверстиями, и уплотнения 63 образует клапанный механизм. На трубке 40 подачи охлаждающей жидкости установлен упорный диск 79, который ограничивает перемещение указанной трубки при взаимодействии с границами перевернутой чаши 81 и примыкающего к ней нижнего торца 82 нижнего корпуса. Перевернутая чаша 81 содержит отверстие 83, через которое может свободно проходить трубка 40 подачи охлаждающей жидкости, но не может проходить упорный диск 79.

На фиг.4 изображен нижний корпус 62 в опущенной позиции, после того как верхний корпус 50 опущен приводом 54 линейного перемещения. При опускании верхнего корпуса 50 уплотнение 63 опускается относительно насадки 77, пока отверстия 78 насадки не окажутся выше уплотнения 63 и упорный диск 79 не упрется в верхнюю поверхность чаши 81. В результате криогенная жидкость может перетечь из пространства 51, которое имеется под узлом 52, во внутреннее пространство трубки 40 подачи охлаждающей жидкости - через отверстия 78.

На фиг.5 изображен нижний корпус 62 в поднятой позиции, после того как верхний корпус 50 поднят приводом 54 линейного перемещения. При поднятии верхнего корпуса 50 уплотнение 63 поднимается относительно насадки 77, пока отверстия 78 насадки не окажутся ниже уплотнения 63 и упорный диск не упрется в нижний торец 82 нижнего корпуса. Это приводит к перекрыванию потока криогенной жидкости, которая перетекала из пространства 51, имеющегося под узлом 52, во внутреннее пространство трубки 40 подачи охлаждающей жидкости - через отверстия 78.

На фиг.6 изображен нижний конец шпинделя 12 и верхний конец держателя 16 инструмента, когда трубка 40 подачи охлаждающей жидкости находится в нижней позиции. Стандартный цанговый зажим 17, который расположен в шпинделе, охватывает оправку 65 для автоматической смены держателя 16 с инструментом, расположенную на верхнем участке держателя и фиксирующую держатель на конце шпинделя 12. Термоизолированный патрубок 68 для охлаждающей жидкости установлен во внутреннем пространстве держателя 16 инструмента и содержит канал 69 для охлаждающей жидкости, расположенный на оси 14 вращения держателя, для подачи охлаждающей жидкости из конца трубки 40 подачи охлаждающей жидкости в осевой канал 33, который выполнен в инструменте 18, установленном на держателе. Над патрубком 68 для охлаждающей жидкости расположена коническая направляющая 75. Коническая направляющая 75 содержит набор пружинных плунжерных механизмов 66, которые могут контактировать с фиксаторами 67 (показан только один из них), выполненными вблизи конца трубки 40 подачи охлаждающей жидкости, когда данная трубка полностью вставлена в держатель 16 инструмента. Верхняя часть канала 69 для охлаждающей жидкости, расположенного в патрубке, может быть снабжена прокладкой 70, которая может охватывать конец трубки 40 подачи охлаждающей жидкости. Термоизолированный патрубок 68 может быть изготовлен из материала с низкой теплопроводностью, такого как политетрафторэтилен. Термоизолированный патрубок 68 поддерживает нижнее подпружиненное полимерное уплотнение 71, которое герметично прилегает к внешней поверхности трубки 40 подачи охлаждающей жидкости. Нижний конец термоизолированного патрубка 68 расположен выше верхней части инструмента 18, который вставлен в держатель 16. Канал 69 для охлаждающей жидкости, выполненный в термоизолированном патрубке 68, коаксиален осевому каналу 33 для охлаждающей жидкости, который выполнен в стержне инструмента 18.

Шпиндель 12 и трубка 40 подачи охлаждающей жидкости вращаются как одно целое, при этом верхнее подпружиненное полимерное уплотнение 63, расположенное в нижней части верхнего корпуса 50, обеспечивает уплотнение между вращающейся трубкой 40 и невращающейся конструкцией. Криогенная жидкость подается по неподвижной линии 46, изолированной вакуумированной полостью, в пространство 51, которое имеется под узлом 52 в верхнем корпусе 50. Пока отверстия 78 насадки 77, расположенной на конце трубки 40 подачи охлаждающей жидкости, находятся выше уплотнения 63, как показано на фиг.4, криогенная жидкость поступает из внутреннего пространства верхнего блока 50 в трубку подачи охлаждающей жидкости. Из трубки 40 подачи охлаждающей жидкости данная жидкость поступает в термоизолированный патрубок 68. Нижнее подпружиненное полимерное уплотнение 71 охватывает конец трубки 40 подачи охлаждающей жидкости, предотвращая утечку жидкости при ее поступлении в осевой канал 69, расположенный в термоизолированном патрубке 68. Из осевого канала 69 охлаждающая жидкость поступает в осевой канал 33, расположенный в инструменте 18, а оттуда - к режущей кромке инструмента.

Когда инструмент 18 и его держатель 16 установлены на шпинделе 12, трубка 40 подачи охлаждающей жидкости расположена в держателе инструмента, как показано на фиг.6. Перед заменой инструмента приводной механизм 56 поднимает верхний корпус 50, как показано на фиг.7. Это перекрывает поток криогенной жидкости, поступающей из верхнего корпуса в трубку 40 подачи охлаждающей жидкости, при этом трубка 40 подачи охлаждающей жидкости выдвигается из держателя 16 инструмента, так что конец трубки 40 оказывается расположенным выше оправки 65, как показано на фиг.8. Трубка 40 подачи охлаждающей жидкости удерживается в поднятой или выдвинутой позиции, пока в шпиндель не будет вставлен другой держатель 16 инструмента и инструмент, а цанговый зажим 17 не обхватит оправку 65 держателя инструмента. Как только держатель 16 инструмента зафиксирован на конце шпинделя 12, приводной механизм 56 опускает верхний корпус 50. Трубка 40 подачи охлаждающей жидкости проходит через осевое отверстие 74 оправки 65 держателя инструмента и направляется конической направляющей 75 к прокладке 70, расположенной в верхней части канала 69 для охлаждающей жидкости, который является частью термоизолированного патрубка 68. В результате уплотнение 63, охватывающее насадку 77, опускается в позицию по фиг.4, что возобновляет перетекание криогенной жидкости из пространства 51, имеющегося под узлом 52, в трубку 40 подачи охлаждающей жидкости - через отверстия 78.

Специалистам в данной области техники будет очевидно существование различных возможных вариаций и модификаций вышеописанного изобретения, которые входят в его объем, определенный прилагаемой формулой.

Группа изобретений относится к вращающемуся режущему инструменту, в частности охлаждению сверлильного инструмента криогенной жидкостью, подаваемой через продольный осевой канал, расположенный в шпинделе станка. Криогенная жидкость подается от внешнего источника по термоизолированной линии к связующему корпусу, в котором жидкость перетекает в изолированную вакуумированной полостью трубку подачи охлаждающей жидкости, размещенную на оси вращения шпинделя. Трубка подачи охлаждающей жидкости соединена с патрубком для охлаждающей жидкости, который расположен в стандартном держателе инструмента, расположенном на конце шпинделя. Патрубок для охлаждающей жидкости подает ее к инструменту, который установлен на держателе инструмента. Перед операцией смены инструмента трубка подачи охлаждающей жидкости поднимается, отсоединяясь от патрубка для охлаждающей жидкости, в результате чего подача криогенной жидкости в подающую трубку прекращается. Изобретения обеспечивают совместимость со стандартными держателями. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для осевой подачи криогенной жидкости через шпиндель станка к инструменту, установленному в держателе, закрепленном в шпинделе, содержащее термоизолированную трубку для криогенной жидкости, поступающей в нее от источника, расположенного за пределами шпинделя, продольный канал с раструбом, расположенный на оси вращения шпинделя и содержащий термоизолированную трубку, причем указанный канал расположен на конце шпинделя, противолежащем держателю инструмент, и осевой канал, выполненный в держателе инструмента, для прохода криогенной жидкости, поступающей из термоизолированной трубки.

2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что оно содержит вставку с раструбом, которая установлена в продольном канале с раструбом и окружает термоизолированную трубку, и выпускной канал, который выполнен на конце вставки с раструбом и коаксиален концу термоизолированной трубки и осевому каналу, расположенному в держателе инструмента, при этом криогенная жидкость перемещается по траектории, коаксиальной шпинделю, поступает из термоизолированной трубки в выпускной канал вставки, а затем - в осевой канал держателя инструмента.

3. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что оно содержит по меньшей мере, один подшипник, который расположен в продольном канале с раструбом и удерживает термоизолированную трубку на оси вращения шпинделя.

4. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что оно содержит
уплотнение, расположенное в продольном канале с раструбом между указанным каналом и термоизолированным участком трубки, причем указанное уплотнение не контактирует с участком трубки, имеющим криогенные температуры.

5. Устройство для осевой подачи криогенной жидкости через шпиндель станка к инструменту, установленному в держателе, закрепленном в шпинделе, содержащее линию подачи криогенной жидкости от внешнего источника, трубку подачи охлаждающей жидкости, в которую криогенная жидкость поступает от линии подачи криогенной жидкости, осевой канал, который расположен в шпинделе и содержит линию подачи криогенной жидкости, и клапанный механизм для управления перетеканием криогенной жидкости между линией подачи криогенной жидкости и трубкой подачи охлаждающей жидкости, причем поток криогенной жидкости может быть перекрыт для отсоединения съемного держателя инструмента от шпинделя.

6. Устройство по п.5, характеризующееся тем, что оно содержит первый корпус, который окружает конец линии подачи криогенной жидкости и имеет пространство, расположенное выше клапанного механизма, для содержания криогенной жидкости, которая поступает от линии подачи криогенной жидкости, и привод, который соединен с первым корпусом и выполнен с возможностью поднимать и опускать указанный корпус для управления клапанным механизмом и перетеканием криогенной жидкости из линии подачи криогенной жидкости в трубку подачи охлаждающей жидкости.

7. Устройство по п.6, характеризующееся тем, что оно содержит осевой канал, который выполнен в держателе инструмента и может вмещать конец трубки для подачи охлаждающей жидкости, причем при поднятии корпуса, окружающего конец линии подачи криогенной жидкости, конец трубки подачи охлаждающей жидкости выдвигается из осевого канала, расположенного в держателе инструмента.

8. Устройство по п.7, характеризующееся тем, что оно содержит патрубок для охлаждающей жидкости, который установлен на держателе инструмента и может вмещать конец трубки подачи охлаждающей жидкости, и осевой канал, который расположен в патрубке так, что охлаждающая жидкость поступает из трубки подачи охлаждающей жидкости в указанный канал, а затем подается к инструменту, который установлен на держателе.

9. Устройство по п.8, характеризующееся тем, что оно содержит по меньшей мере, один пружинный плунжер, установленный в патрубке, и фиксатор, выполненный на конце трубки подачи охлаждающей жидкости, при этом пружинный плунжер контактирует с фиксатором, когда трубка подачи охлаждающей жидкости полностью вставлена в патрубок.

10. Устройство по п.8, характеризующееся тем, что патрубок содержит материал с низкой теплопроводностью.

11. Устройство по п.10, характеризующееся тем, что материал, выдерживающий криогенные температуры, является политетрафторэтиленом.

12. Устройство по п.6, характеризующееся тем, что оно содержит насадку, которая расположена на конце трубки подачи охлаждающей жидкости и содержит отверстия для прохождения криогенной жидкости во внутреннее пространство трубки подачи охлаждающей жидкости, и уплотнение, контактирующее с наружной поверхностью насадки, при этом при изменении позиции уплотнения на насадке можно регулировать поступление жидкости через отверстия во внутреннее пространство трубки подачи охлаждающей жидкости.

13. Устройство по п.12, характеризующееся тем, что оно содержит второй корпус, который соединен с торцом первого корпуса и вмещает конец трубки подачи охлаждающей жидкости, при этом привод может поднимать и опускать первый и второй корпуса для регулировки позиции уплотнения на насадке трубки подачи охлаждающей жидкости и тем самым регулировки перетекания криогенной жидкости из линии подачи криогенной жидкости в трубку подачи охлаждающей жидкости.

14. Устройство по п.8, характеризующееся тем, что оно содержит уплотнение, которое установлено в патрубке для охлаждающей жидкости и окружает участок осевого канала, проходящего через патрубок, при этом уплотнение охватывает конец трубки подачи охлаждающей жидкости, когда данная трубка полностью вставлена в держатель инструмента, во избежание утечки жидкости из конца трубки, когда она полностью вставлена в патрубок для охлаждающей жидкости.

15. Устройство по п.7, характеризующееся тем, что оно содержит коническую направляющую, которая установлена на верхней поверхности патрубка для охлаждающей жидкости и центрирует конец трубки подачи охлаждающей жидкости по мере опускания трубки в указанный патрубок.