CN100548569C - 用于加工设备的线性致动的低温流体连接 - Google Patents

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Abstract

一种自动的线性致动的连接和输送系统，以便将低温流体冷却剂输送至安装在加工设备上的工具，该加工设备例如为多工序自动数字控制机床、冲压机、热喷涂系统、焊接系统、激光切割装置等。该系统包括线性致动的低温流体插座/柱塞连接装置(20)，其带有热收缩差别受控的密封机构(22、24)，以及提供了将该连接装置安装在自动加工设备上并且将连接装置(20)的操作集成到由遥控控制盘(70)控制的加工周期中的过程。

Description

用于加工设备的线性致动的低温流体连接
背景技术
本发明涉及机床冷却和用于向刀具和加工设备的操作提供冷却剂的系统，尤其涉及将低温流体的供应连接到低温冷却装置上或从低温冷却装置断开低温流体的供应的连接的系统和方法，该低温冷却装置安装在例如转刀架的设备部件上。
在本文中使用的术语“加工设备”包括但不限于：机床-带有垂直或水平的转刀架板的垂直或水平的转刀架式车床，带有自动工具转换系统的垂直和水平的铣床，及其变型；单轮或多轮的磨床，单轴或多轴的钻床，以及相似的垂直多工序自动数字控制机床；以及其它带有自动转换工具的冲压机、热喷涂系统、焊接系统、激光切割、焊接、和表面处理系统等。
由环境压力、产量压力、成本减少的压力推动，制造业继续寻找改进的工具冷却方法和系统。在最近十年的研究和开发工作表明，如果惰性的加压低温流体作为冷却剂在这种冷却剂的输送系统和流体流动管路连接系统与现有的机床和保持工具的相关移动部件完全地集成在一起的情况下将获得特定的优点。因此，在制造业中存在着对这种连接系统的需要。
常规的冷却剂连接系统已经使用了多年，并且其中具有各种类型的低温连接器或接头。然而，还没有一种用于现代加工设备特别是用于由计算机数控装置(CNC)控制的设备的完全功能化的低温流体冷却剂连接系统。
用于安装在转刀架式车床上的冷却剂输送系统的示例在美国专利6179692(Hara)、5265505(Frechette)、5862833(Perez)中进行了描述。然而，在这些专利中，常规的冷却剂传送方式是引导经过转刀架板和转刀架滑架的，并且密封可断开连接的输送的方式在低温流体冷却剂的情况下是不可接受的，其原因为：(1)转刀架板是热收缩的，因此影响所制造部件的尺寸精确度，(2)转刀架和支承设备部件在操作中可能结霜，这导致腐蚀，(3)连接可能泄漏或卡住，这导致系统损坏或故障，以及(4)按照特定加工操作所分配的时间的观点来看，将通道从周围温度(例如室温)冷却到低温流体的温度所需的时间段是较长的且不可接受。
不同类型的快速拆卸的低温接头的示例在WO 9708486(Jepp)和美国专利6145322(Odashima)、和5762381(Vogel)中进行了描述。然而，如以下的描述，这些低温接头使用在机床应用场合中时在技术和经济两方面中出现了明显的问题、困难、和缺点。
如Jepp专利中所披露的，由于连接时间不可接受得长以及空间和成本的限制以及所需的自动致动器的复杂性，因此同轴和真空隔离的连接管的结构和使用螺旋运动密封该管的方法排除了该系统用于机床的应用。
Odashima专利所披露的结构通过两个彼此相对的止回阀和彼此抵靠挤压这些部件而形成的联接通道的开口从而使得在连接脱开的状态中的管路自动堵塞。端面密封组件和止回阀需要施加特定轴向力以便使得联接接合。这种结构包括多个由低温流体润湿的复杂的容易磨损(或消耗)的部件，并且按照分配给加工操作的时间的角度来看，整个表面面积和这些部件的重量使得从室温冷却到低温流体的温度所需的时间不可接受的长。实际上，这种类型的联接不能用于机床所需的致动连接。
Vogel专利所披露的结构不能用于这种自动连接，这是因为其密封作用需要(1)管路的两端的轴向密封；和(2)径向快速的连接夹紧，这需要致动装置比简单的线性致动器更加复杂和昂贵，该线性致动器在机床的改装系统中是合理的。
所希望的是，提供一种将低温流体的供应连接到低温冷却装置上或从该低温冷却装置上断开低温流体的供应的连接的装置和方法，该低温冷却装置安装在一可移动的设备部件(例如转刀架)上并且与该低温流体的供应间隔开，该装置和方法克服了现有技术涉及的困难和缺点，以便实现更好的且更有利的效果。
发明内容
本发明的申请人提供了一种将低温流体的供应连接到低温冷却装置上或从该低温冷却装置上断开低温流体的供应的连接的装置和方法，该低温冷却装置安装在一部件上并且与该低温流体的供应间隔开。本发明的另一方面提供了一种包括至少一个这种装置的设备。
该装置的第一实施例包括柱塞、插座、和致动装置。柱塞至少由具有第一热膨胀系数的第一材料的一部分制成。该柱塞具有：与低温流体的供应流体连通的入口、与该入口流体连通的出口、和外周。插座至少由具有第二热膨胀系数的第二材料的一部分制成。该插座具有：与该低温冷却装置流体连通的第一端口、和与该第一端口流体连通的第二端口，并且该第二端口具有适于接收该柱塞外周的内周。该外周和该内周在几何形状上大致相似。致动装置用于将该柱塞的该出口插入该插座的该第二端口中或将该出口从该第二端口中抽出，其中第一热膨胀系数和第二热膨胀系数之间的差别增强该柱塞的该外周与该第二端口的该内周之间的密封。
该装置的第一实施例具有多个变型。在一种变型中，在该密封成为流体密封之前，该低温流体的流动的前导部分从该插座中排出到周围大气环境中。在另一变型中，当该低温流体的流动流经该出口时进一步增强该密封。
在该装置的第一实施例的另一变型中，第一热膨胀系数小于第二热膨胀系数。在另一变型中，该第一材料是金属。在再一变型中，该第二材料是聚合物。
该装置的第一实施例还具有多个变型。在一变型中，该致动装置使得该柱塞朝向该插座移动。在另一变型中，该致动装置使得该插座朝向该柱塞移动。在再一变型中，该致动装置至少部分地由该低温流体的一部分来激励。
在该装置的第一实施例的另一变型中，该部件是可移动的。在另一变型中，该可移动的部件是设备部件。在该变型的另一变型中，该可移动的的设备部件是转刀架。
在该装置的第一实施例的另一变型中，该致动装置是自动的并且适于自动地将柱塞的出口插入到插座的第二端口中或将该出口从该第二端口中抽出。在该变型的另一变型中，该致动装置是由计算机数控装置来操作的。
该装置的另一实施例涉及将低温流体的供应连接到低温冷却装置上，该低温冷却装置安装在一可移动的设备部件上并且与该低温流体的供应间隔开。该实施例包括柱塞、插座、和致动装置。柱塞至少由具有第一热膨胀系数的金属的一部分制成，该柱塞具有：与低温流体的供应流体连通的入口、与该入口流体连通的出口、和外周。插座至少由具有第二热膨胀系数的聚合物的一部分制成，该插座具有：与该低温冷却装置流体连通的第一端口、和与该第一端口流体连通的第二端口，并且该第二端口具有适于接收该柱塞外周的内周。该外周和该内周在几何形状上大致相似。致动装置用于将该柱塞的该出口插入该插座的该第二端口中，其中第一热膨胀系数和第二热膨胀系数之间的差别增强该柱塞的该外周与该第二端口的该内周之间的密封，并且在该密封成为流体密封之前，来自该柱塞的该低温流体的流动的前导部分从该插座中排出到周围大气环境中。
本发明的另一方面涉及一种包括至少一个如该装置的任一实施例所述的装置或该装置的这些实施例的任一变型所述的装置的设备。
本发明的方法的第一实施例涉及一种将低温流体的供应连接到低温冷却装置上的方法，该低温冷却装置安装在一部件上并且与该低温流体的供应间隔开，该方法包括以下步骤。第一步骤是提供至少由具有第一热膨胀系数的第一材料的一部分制成的柱塞，该柱塞具有：与低温流体的供应流体连通的入口、与该入口流体连通的出口、和外周。第二步骤是提供至少由具有第二热膨胀系数的第二材料的一部分制成的插座，该插座具有：与该低温冷却装置流体连通的第一端口、和与该第一端口流体连通的第二端口，并且该第二端口具有适于接收该柱塞外周的内周，该外周和该内周在几何形状上大致相似。第三步骤是提供用于将该柱塞的该出口插入该插座的该第二端口中的致动装置，其中第一热膨胀系数和第二热膨胀系数之间的差别增强该柱塞的该外周与该第二端口的该内周之间的密封。第四步骤是激励该致动装置，由此将该柱塞的该出口插入该插座的该第二端口中。
该方法的第二实施例与第一实施例相似，但其包括额外的步骤，即，使该低温流体的流动流入该入口并流经该柱塞的出口，由此进一步增强该密封。
该方法的第三实施例与第一实施例相似，但其包括额外的步骤，即，在该密封成为流体密封之前，使得该低温流体的一部分从该插座中排出到周围大气环境中。
本发明的方法的另一实施例涉及一种将低温流体的供应连接到低温冷却装置上的方法，该低温冷却装置安装在一可移动的设备部件上并且与该低温流体的供应间隔开，该方法包括以下步骤。第一步骤是提供至少由具有第一热膨胀系数的金属的一部分制成的柱塞，该柱塞具有：与低温流体的供应流体连通的入口、与该入口流体连通的出口、和外周。第二步骤是提供至少由具有第二热膨胀系数的聚合物的一部分制成的插座，该插座具有：与该低温冷却装置流体连通的第一端口、和与该第一端口流体连通的第二端口，并且该第二端口具有适于接收该柱塞外周的内周，该外周和该内周在几何形状上大致相似。第三步骤是提供用于将该柱塞的该出口插入该插座的该第二端口中的致动装置，其中第一热膨胀系数和第二热膨胀系数之间的差别增强该柱塞的该外周与该第二端口的该内周之间的密封。第四步骤是激励该致动装置，由此将该柱塞的该出口插入该插座的该第二端口中，其中在该密封成为流体密封之前，使得来自该柱塞的该低温流体的流动的前导部分从该插座中排出到周围大气环境中。第五步骤是使该低温流体的流动流入该入口并流经该柱塞的出口，由此进一步增强该密封。
附图说明
以下参照附图来详细描述本发明，在附图中：
图1是本发明的实施例的示意图；
图1A是本发明的另一实施例的示意图；
图2是本发明的另一实施例的示意图；
图3是本发明的另一实施例的示意图；
图4是本发明的另一实施例的示意图；
图5是本发明的另一实施例的示意图；
图6是本发明的另一实施例的示意图；
图7是本发明的另一实施例的示意图；
图8所描绘的线示出了304不锈钢柱塞的外径与聚合物插座-密封件的内径从室温降低到液氮温度的相对收缩差；
图9示出了安装在水平的转刀架式车床上的本发明的实施例的示意图，该车床具有电气激励的致动器；
图9A示出了安装在水平的转刀架式车床上的本发明的实施例的示意图，该车床具有低温流体激励的致动器；
图10A和10B示意地示出了LACC系统20的“后柱塞”结构，该LACC系统安装在带有垂直转刀架板的斜床式车床上；
图11A和11B示出了安装在带有垂直转刀架板的斜床式车床上的LACC系统的后柱塞结构；
图12A和12B示出了安装在带有垂直转刀架板的斜床式车床上的LACC系统的径向柱塞结构；
图13A和13B示出了安装在带有垂直转刀架板的斜床式车床上的LACC系统的前柱塞结构；和
图14是安装在具有插座/柱塞联接的铣床上的本发明的实施例是示意图，该插座/柱塞联接在旋转的环连接中安装在自动改变铣刀的铣床中。
具体实施方式
本发明涉及具有使用低温流体的特殊密封机构的线性致动的插座/柱塞连接装置，并且包括用于在加工设备上安装这种类型的连接装置的系统。本发明还涉及用于将供应的低温流体连接到低温冷却装置上以便提供安装在从事例如切割工料的加工操作的转向和转位设备上的工具的有效冷却。除了纯的低温流体之外，本发明可使用包括冷冻剂混合物的冷却剂和其它流体(例如油等)。
图1-7示出了本发明的各种实施例。以下将描述这些实施例中的每一实施例。
图1示出了线性致动的插座/柱塞连接装置20的基本部件-具有特定外径(OD)的金属柱塞22、具有特定内径(ID)的聚合物插座24、和线性致动器26。该插座(使用螺纹连接或其它连接装置)安装在转刀架板28或其它保持(未示出的)工具的可转位的设备部件上，并且安装在(未示出的)滑架上。或者，插座可安装在(未示出的)工具适配器或(未示出的)工具保持器上，该适配器或保持器安装在转刀架板上。该致动器由螺栓30或其它紧固件安装在转刀架滑架上。连接到该致动器上的柱塞通过致动器朝向插座移动，并且插入到插座中。金属的T形连接装置32将柱塞连接到入口管32上，该入口管将低温流体从(未示出的)输送源传送到柱塞。柔性入口管可以是金属的(例如波纹或波纹管)，或者由碳氟聚合物(例如聚四氟乙烯及其衍生物)制成。该低温流体借助于柱塞/插座连接装置从入口管34流到刚性的金属出口管。该出口管将低温流体传送到(未示出的)喷射喷嘴或其它装置，以便冷却刀具或其它(未示出的)工具。当低温流体流向柱塞/插座连接装置并且流经柱塞/插座连接装置时，在柱塞的外周与插座的内周之间形成密封。以下将参照图8来描述该密封形成的方式。图1所示的可选的弹簧38(压缩和/或膨胀弹簧)可用于帮助线性致动器使得柱塞与插座脱开连接。
图1A所示的实施例与图1所示的实施例相似，但是其包括通过螺纹连接或其它连接装置连接到柱塞22上的隔热的适配器板40。该适配器板优选为由聚合物材料制成(例如从www.mcmaster.com获得的G10Garolite环氧复合物)，该适配器板连接由面对的金属板42和螺栓44连接到致动器26上。该适配器板的目的在于防止致动器冷却。在本实施例中使用的这种类型的致动器不能在低温下工作。
在图2所示的实施例中，线性致动器26将聚合物插座24移动到金属的柱塞22。金属柱塞通过由聚合物制成的安装管46连接到转刀架板28(或其它可转位的设备部件)上。在该实施例中使用的这种类型的致动器对冷却不敏感，或者需要低温流体流动以便操作。
图3所示的实施例与图2所示的实施例相似，除了入口管34连接到插座24上之外。尽管在图2中低温流体流经致动器26的杆的中心，但是在图3中该低温流体流经从致动器26的杆直接延伸的T形连接装置32。
图4所示的实施例与图1所示的实施例相似，但是图4的实施例包括一些附加的部件。聚合物的保持板56通过使用低温环氧材料或(未示出的)小组的螺钉从而装接到插座24上。插座具有中空的径向密封件48，其具有特定的内径并且由聚四氟乙烯或其复合物或衍生物制成。可更换的径向密封件48嵌入插座中。设置有可选的内弹簧50以便OD和ID加载。
图5所示的实施例是图4所示的实施例的变型。该实施例(图5)具有埋头插座24和旁通通过转刀架板38的径向出口管36。金属的安装螺栓52用于将插座安装到转刀架板上。
图6是图4所示的实施例的变型。该实施例(图6)具有反向定向的柱塞22，该柱塞(是固定的并且)安装在转刀架板28上，并且插座-密封件(轴向移动地)安装在致动器26的杆上。该实施例(图6)包括单件式的插座24，以便保持密封件和填料环54，其中内径(I D)足够的大以便绝不与柱塞的外径和其它部分过盈配合，以便使得低温流体和中空径向密封件48的内容积直接连通。
图7所示的实施例是图4所示的实施例的另一变型。该实施例(图7)具有安装在金属插座24内侧上的中空的聚合物径向密封件48。保持板56也是金属的。
图1-7所示的实施例包含在表1给出的结构的其它实施例中，表1基于以下的设计规则。
表1柱塞/插座密封件结构(40)示例
Figure C0282594100131
Figure C0282594100141
以下是应用的设计规则：
-柱塞由金属或类似金属的材料制成，优选的是300系列或400系列不锈钢，但是也可使用复合材料。
-插座或插座-密封件由聚合物制成，优选的是特氟纶(Teflon)复合材料或超高分子重量的聚乙烯
-柱塞和插座-密封件应当精确地安装在同一轴线上
-柱塞或插座-密封件可安装在轴向横动的致动器轴上
-柱塞和插座-密封件可安装在沿致动器轴线静止的设备部件上
-低温流体出口可定位在柱塞/插座轴线上或使用T形出口以便垂直于该轴线
-低温流体出口可定位在柱塞/插座轴线上或使用径向出口以便垂直于该轴线
-如果在柱塞的外径上使用中空的径向插座-密封件，则其中空侧开口与低温流体流动方向相对，以便利用低温流体的压力以增大密封力
-如果在柱塞的外径上使用中空的径向插座-密封件，则其中空侧开口与例如卷圈弹簧的金属弹簧一起径向膨胀，以便在插座-密封件外径上提高密封效果
对于特定安装情况，线性致动的低温流体连接装置(LACC)的结构的选择由加工设备的特定特征和在制造整个连接系统时可用的材料和部件(例如致动器)来确定。优选的结构材料是：300系列的不锈钢用于柱塞；特氟纶衍生物、Vespel、超高分子重量的聚乙烯、或相似的聚合物用于插座和/或中空的插座-密封件；以及环氧复合材料例如Garolite G10用于安装和隔热部件。以下的表2列出了这些材料在一个大气压下从室温(293K)骤冷到液氮沸点温度(80K)的热收缩数值。
表2浸在液氮中骤冷的结构材料的热收缩(从293K到80K)
  材料   注解   热收缩的百分比(％)
  304不锈钢   沿卷绕方向测量   0.285
  440不锈钢   沿卷绕方向测量   0.190
  Teflon聚四氟乙烯等级(普通级)   各向异性等级   1.75
  使用玻璃颗粒强化的Teflon   McMaster-Carr供应商/分销商   1.42
  Teflon-碳复合材料   McMaster-Carr供应商/分销商，特性随碳含量而改变   1.10
  Vespel  SP3   McMaster-Carr供应商/分销商   0.73
  Garolite；玻璃纤维环氧复合材料G10   McMaster-Carr供应商/分销商：平行于纤维垂直于纤维 0.210.64
材料之间的收缩差别表明，联接单独的LACC(线性致动的低温流体连接)部件的常规的基于室温的方法将导致卡住，或在另一方面中导致加压的低温流体冷却剂在操作中的泄漏。对于该问题的解决方案在图8中示出并且在以下描述。
初始的室温时的插座和柱塞的直径以这样的方式来选择，即，在将这两个部件冷却到低温流体温度之后，柱塞的外径(OD)与插座/插座-密封件的内径(ID)之间的加工余量为零或只是稍微为负(即“过盈配合”)。这使得在两个部件之间形成足够紧密的径向配合，这是无泄漏的操作所需的。这还意味着初始的室温加工余量是正的(即“滑动配合”)，即在插座/插座-密封件和柱塞之间具有泄漏间隙。因此，当联接LACC时，并且当低温流体流动在其远端源开始时，低温流体的初始部分可能经插座和柱塞之间的间隙泄漏，并且仅在短时间之后(例如几秒)当这两个部件变冷时，形成不漏的密封。
该自调节的动态密封效果乍看起来对于低温流体是浪费的，但是这种效果实际上是非常想要获得的，这是因为其提供了进入管路和LACC的低温流体的初始暖部分的短暂排气。在冷却上游管路过程中被加热的低温流体的暖部分在LACC中往往堵住整个流动，并且可能堵住针对加工工具的下游管路、通道、和排出喷嘴，由此导致不可接受的长的启动时间。因此，低温流体的暖部分的短暂排气在冷却过程中加速了整个系统的启动(即加速了向工具输送冷的低温流体)，并且在给定的加工周期的限制范围内实现了有效的快速的工具冷却操作。LACC的这种特征是与直觉效果相反的。
图8中的所描绘的线示出了在感兴趣的直径范围内作为这两个部件的初始直径的函数的插座/柱塞盖间隙的负尺寸。因此，如果插座和柱塞的相应直径在室温时均等于0.25英寸，则在冷却到液氮温度之后插座的直径将比柱塞直径小0.0030英寸，不然的话在联接位置中金属柱塞不允许软的聚合物插座-密封件收缩这么多。在这两个部件之间所获得的径向力使得柱塞从插座中退出需要不必要的大轴向力，即以便当不再需要时断开连接。如果插座的初始室温直径比柱塞的初始直径大0.0030英寸，则联接将大量的泄漏直到这两个部件完全地被冷却。因此，对于直径为0.25英寸的柱塞而言在该示例中插座-密封件的最佳初始直径应从范围0.251-0.252英寸中选择。对于不同初始直径的柱塞，应使用相同的方法以便选择插座-密封件直径的最佳范围。另外，使用室温的过大尺寸的插座-密封件联接的另一重要优点在于-在联接步骤中特别是在这两个部件不对准的情况下显著地减少这两个部件的磨损和断裂发生。
因为柱塞的外径小于插座的内径，所以本发明使得对准问题的出现最小化，这增大了柱塞适当地没有任何问题地插入到插座中的可能性。
以下的表3列出了可与本发明的插座/柱塞连接一起使用的单动式和双动式的线性致动器。
表3小尺寸的线性致动器促动柱塞或插座-密封件的类型，示例
Figure C0282594100171
本领域的普通技术人员可理解，用于本发明的致动装置可由转刀架板或滑架提供，其本身也被致动。在这种情况下，不需要独立的致动器。
在一个实施例中，单动式单元被激励时将推动插座和/或柱塞以便彼此抵靠以形成联接。压缩和/或膨胀弹簧安装在该单动式单元上以便当一旦激励脉冲去除时克服联接动作使得插座和柱塞脱开连接。这防止该单元在激励脉冲出错的情况下不经意地损坏。这种类型的单动式致动器可由安装在加工设备上的不同的能量源来激励。相反的是，双动式致动器或其它类型的单动式致动器必须使用同一能量源-电气、气动、或加工设备，以便防止任何的不经意的能量故障避免该设备的部件的转位运动。或者，需要额外的安全互锁，这使得系统的安装复杂化。
以下的表4给出了对于在低温流体内压力和感兴趣的柱塞直径范围内保持密封联接所需的轴向力(in lbs-力)。
表4保持密封联接所需的轴向力(压缩力)(in lbs-力)
Figure C0282594100181
选择用于连接的致动器机构必须至少在激励状态中施加相同的轴向力，以便防止脱开连接。在带弹簧的单动式致动器中，压缩和/或膨胀弹簧的轴向力加上低温流体压力的轴向力，这意味着致动器的力必须相应地更高。具有特征力的弹簧应选择成在低温温度下克服径向插座/柱塞连接处的摩擦，这取决于插座相对于柱塞的初始直径以及制成插座和柱塞的聚合物材料的类型。在优选实施例中，如此地选择负的联接间隙或过盈配合以及插座或插座-密封件材料，以及在脱开连接布置中产生的摩擦力小于轴向压力两倍。因此，弹簧和致动器两者选择成施加大于压力100-200％的力。
图9-14示出了安装在并连接到加工设备、车床、铣床、和此类其它设备上的LACC系统的主要结构。
图9示出了安装在水平的转刀架式车床60上的LACC系统20，通过使用电激励的致动器26该车床用于加工工件62。图9所示的重载车床使用了带有LACC单元的转位式水平转刀架板28，该LACC单元如图1所示地安装在转刀架之下的滑架上。多个工具66(即带有镶入式截坯刀的工具保持器或适配器)安装在水平转刀架板上。用于冷却工具的低温流体从低温流体出口管路的一端通过喷射或喷射喷嘴来输送。低温流体通过柔性的低温流体输送管路68输送到转刀架-保持滑架。(例如本发明的插座/柱塞组件的)插座/柱塞组件用于将低温流体输送管路连接到低温流体出口管路和脱离该连接。如图1所示的实施例，插座24安装在转刀架板28上，并且低温流体经由T形连接装置32输送到柱塞22。低温流体输送系统和插座/柱塞组件由CNC(计算机数控)控制盘70来控制，该控制盘包括监控器72和带开关的键盘74。从CNC监控器到低温流体开/关电磁阀78的管路76控制从输送管路经T形连接装置到柱塞的低温流体流动。在该实施例中，致动器26位于安装在转刀架滑架上的致动器壳体中。从CNC控制盘70到转刀架转位机构的另一管路80提供了激励该机构和致动器的电信号，其用于在转位过程中使得柱塞退回。可选的是，低温流体流动可借助电磁阀来关断。
再参照图9，许多聚合物插座安装在转刀架板28上以便作为转位操作，并且工具66安装在转刀架板上并需要低温流体冷却。在LACC单元中使用的单动式电磁线圈致动器26由与滑架相同的电脉冲来激励，并且该致动器包括使得转刀架依据计算机程序或从CNC控制盘70的命令而转位。当滑架机构接收转位信号时，致动器的被激励的线圈使得柱塞退回。当滑架和转位动作停止时，此刻去激励的致动器的弹簧38将柱塞推回到插座24中，以便重新建立连接。该致动选择也是安全的，因为转位运动和致动运动由同一动力源和控制盘来执行-所以如果电路电力故障时没有导致柱塞损坏的风险。
具有多个流动控制替代形式以用于低温流体在连接/脱开连接过程中的流动。图9所示的系统提供两种选择。开/关电磁阀78可以由控制盘70确定为对于加工过程的整个序列“常开”的，与转位步骤和联接/脱开联接操作无关。在脱开联接的过程中低温流体的浪费量比较小，这是因为其平均时间长度通常仅为一或两秒。或者，激励致动器26的来自控制盘的转位信号可同时关断该电磁阀，这可通过使用简单的电磁开关切断来自控制盘的初始电流来实现。
图9A示出了LACC系统20的另一操作模式和替代的流动控制选择，其中流体动力致动器26由流向转刀架板28和工具66的低温流体来激励。来自低温流体管路68的旁通支路82通向活塞式的致动器，其连续地泄出少部分的流体。当转位信号从CNC控制盘70发送到滑架和电磁阀78，该电磁阀切断低温流体流动，由此使得在致动活塞中的压力下降并且实现所需的脱开联接。在这种情况下，致动器的弹簧38抵靠致动活塞作功，以便LACC系统在低温流体输送系统故障的情况下不会不经意的损坏。
图10-13示出了LACC系统的“后柱塞”、“径向柱塞”和“前柱塞”结构，该LACC系统安装在带有垂直转刀架板定位的CNC车床上。尽管在这些图中的每一图中仅示出了一个插座/柱塞连接装置，但是安装的该连接装置的实际数量等于需要低温流体冷却的工具(以及相应的工具止挡或工具位置)的数量。
图10A和10B示意地示出了LACC系统20的“后柱塞”结构，该LACC系统安装在带有垂直转刀架板28’的斜床式车床84上。图10B示出了具有垂直转刀架板的斜床式车床的壳体。在该壳体中工作区域86包含带有卡盘88的主轴，该卡盘保持圆形的工件62’。圆形的转刀架板28’安装在转刀架滑架90上，并且隔热的低温流体入口管路68通过(未示出的)隔热间隔件安装在滑架上。入口管路连接到线性致动器26上。如图10A所示，其示出了(左侧)侧视图，工具保持器92通过适配器安装在转刀架板上。低温流体经由低温流体出口管路94传送到工具保持器上，该低温流体出口管路通过(未示出的)隔热间隔件安装在转刀架板上。从入口管路到出口管路的连接由本发明的插座/柱塞连接装置借助隔热的低温流体通道96经转刀架板中的通路或借助工具适配器的刀柄来提供。
图11A和11B示出了图10A和10B所示的LACC系统20的变型。在图11A和11B中，低温流体通道96’围绕转刀架板28’的外周设定路线，如正视图(图11A)和侧视图(图11B)所示。
图12A和12B示出了安装在带有垂直转刀架板28’的斜床式车床84上的LACC系统20的径向柱塞结构。这是低温流体出口管路94在转刀架板的表面上设定路径的示例。优选的是，隔热的低温流体出口管路在转刀架板的表面上在外侧设定路径，或者经过在转刀架板内的现有通道在内部设定路径。图12B是“径向柱塞”结构的正视图，而图12A示出了该结构的(左侧)侧视图。
图13A和13B示出了安装在带有垂直转刀架板28’的斜床式车床84上的LACC系统20的“前柱塞”结构。这是低温流体管路在前适配器板96转刀架板的表面上设定路径的示例。优选的是，隔热的低温流体出口管路在转刀架板的表面上在外侧设定路径，或者经过在转刀架板内的现有通道在内部设定路径。图12B是“径向柱塞”结构的正视图，而图12A示出了该结构的(左侧)侧视图。
图14示出了LACC系统20用于在垂直铣床100上自动转换铣刀的另一应用。这是插座-柱塞联接以旋转环联接的方式安装在自动转换铣刀装置中。该铣床包括垂直的框架102和位于工作台106上的主轴箱104。该设备的其它部件包括：可选的套管轴108；适配器-保持器110；旋转接头112，其包括静止环和旋转封壳；带有低温流体入口的静止环114；带有“贯通冷却剂”通道的铣刀116；以及安装在铣刀上的镶入式截坯刀118。保持臂120固定到主轴箱上(或固定到套管轴或滑动件上，这取决于铣床的特定结构)。低温流体经过保持臂的中心从入口管路68传送到隔热的低温流体通道122，并且经过线性致动器26传送到本发明的插座-柱塞连接装置。当工具转换机构接收来自(图14未示出的)CNC控制盘70的信号时，安装致动器的保持臂向后拉插座并且使得向铣刀提供低温流体的适配器环的脱开联接。
在以上描述和说明的所有实施例中，LACC设计概念使其可以减小与低温流体接触的连接部件的内部表面面积和连接的总体的热质量。设计概念还有助于在低温-冷却连接件和支承该连接件的加工机器部件之间使用隔热件。这解决了施加对于安装在转位和横向运动加工部件上的工具有效地输送低温流体冷却剂的四个问题：(1)减小了从流动信号到冷却所需工具的喷嘴处的实际流动的时间间隔，(2)在实现稳定和完全可预测的冷却效果的低温流体操作期间减小低温流体输送中的加热和损失，而没有意料之外的压力和流速脉冲，这些情况对于与较热、体积大和隔热不良的流动部件接触的液体和/或液体-气体低温蒸气来说是典型的，(3)支承机器部件保持在室温下(环境温度)，不收缩，并保持所需尺寸稳定性，以及(4)由于柱塞插入之后只在聚合物冷却时形成在金属柱塞上的紧密连接，减小了聚合密封表面的磨损。
由于其部件的热机械性能，LACC适用于低温环境，并可以将真正低温和压缩冷却剂流从远处固定源输送到安装在横向运动和转位机械部件。LAC C部件的典型操作温度从大约-197℃到大约-150℃，而典型的操作压力从大约50psig到大约250psig。或低或高的温度(例如-10℃)以及或低或高的压力(例如2500psig)都在本发明的范围内，只要最大操作温度小于开始操作的室温并且最大压力小于操作温度下插座聚合物的屈服强度即可。
本发明包括基于热收缩的径向密封机构，其使得低温流体的初始的暖部分排出，并且使得联接结构的磨损最小化。这种结构构思的其它优点包括较快的流动启动时间，连接的热质量最小化，这导致稳定的且可预测的冷却剂性能，紧凑的尺寸以减小低温流体的传送损失，并且有助于与支承设备部件的热隔离，对于在设备部件中消除不希望的尺寸和消除不合格的工件而言这是必需的。
LACC系统的完全改装的整装式紧凑结构使得可使用低温流体冷却剂的一部分，以便激励该致动器，该致动器使得整个控制系统显著简化。
尽管在以上的详细描述中参照优选实施例描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应当理解，本发明不限于所示的实施例，并且在不脱离由后附的权利要求限定的本发明的范围内的情况下，可进行许多附加和变型。因此，本发明仅由后附的权利要求及其等效形式来限定。

Claims (20)

1.一种将低温流体的供应连接到低温冷却装置上或从该低温冷却装置上断开低温流体的供应的连接的装置，该低温冷却装置安装在一部件上并且与该低温流体的供应间隔开，该装置包括：
至少由具有第一热膨胀系数的第一材料的一部分制成的柱塞，该柱塞具有：与低温流体的供应流体连通的入口、与该入口流体连通的出口、和外周；
至少由具有第二热膨胀系数的第二材料的一部分制成的插座，该插座具有：与该低温冷却装置流体连通的第一端口、和与该第一端口流体连通的第二端口，并且该第二端口具有适于接收该柱塞外周的内周，该外周和该内周在几何形状上大致相似；以及
用于将该柱塞的该出口插入该插座的该第二端口中或将该出口从该第二端口中抽出的致动装置，其中第一热膨胀系数和第二热膨胀系数之间的差别增强该柱塞的该外周与该第二端口的该内周之间的密封。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，当该低温流体的流动流经该出口时进一步增强该密封。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该第一材料是金属。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该第二材料是聚合物。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一热膨胀系数小于第二热膨胀系数。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该致动装置使得该柱塞朝向该插座移动。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该致动装置使得该插座朝向该柱塞移动。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该部件是可移动的。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，该可移动的部件是设备部件。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，该可移动的的设备部件是转刀架。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该致动装置是自动的并且适于自动地将柱塞的出口插入到插座的第二端口中或将该出口从该第二端口中抽出。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，该致动装置是由计算机数控装置来操作的。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该致动装置至少部分地由该低温流体的一部分来激励。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在该密封成为流体密封之前，该低温流体的流动的前导部分从该插座中排出到周围大气环境中。
15.一种将低温流体的供应连接到低温冷却装置上的装置，该低温冷却装置安装在一可移动的设备部件上并且与该低温流体的供应间隔开，该装置包括：
至少由具有第一热膨胀系数的金属的一部分制成的柱塞，该柱塞具有：与低温流体的供应流体连通的入口、与该入口流体连通的出口、和外周；
至少由具有第二热膨胀系数的聚合物的一部分制成的插座，该插座具有：与该低温冷却装置流体连通的第一端口、和与该第一端口流体连通的第二端口，并且该第二端口具有适于接收该柱塞外周的内周，该外周和该内周在几何形状上大致相似；以及
用于将该柱塞的该出口插入该插座的该第二端口中的致动装置，其中第一热膨胀系数和第二热膨胀系数之间的差别增强该柱塞的该外周与该第二端口的该内周之间的密封，并且在该密封成为流体密封之前，来自该柱塞的该低温流体的流动的前导部分从该插座中排出到周围大气环境中。
16.一种包括至少一个如权利要求1所述的装置的设备。
17.一种将低温流体的供应连接到低温冷却装置上的方法，该低温冷却装置安装在一部件上并且与该低温流体的供应间隔开，该方法包括以下步骤：
提供至少由具有第一热膨胀系数的第一材料的一部分制成的柱塞，该柱塞具有：与低温流体的供应流体连通的入口、与该入口流体连通的出口、和外周；
提供至少由具有第二热膨胀系数的第二材料的一部分制成的插座，该插座具有：与该低温冷却装置流体连通的第一端口、和与该第一端口流体连通的第二端口，并且该第二端口具有适于接收该柱塞外周的内周，该外周和该内周在几何形状上大致相似；以及
提供用于将该柱塞的该出口插入该插座的该第二端口中的致动装置，其中第一热膨胀系数和第二热膨胀系数之间的差别增强该柱塞的该外周与该第二端口的该内周之间的密封；以及
激励该致动装置，由此将该柱塞的该出口插入该插座的该第二端口中。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，其还包括以下步骤，使该低温流体的流动流入该入口并流经该柱塞的出口，由此进一步增强该密封。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，其还包括以下步骤，在该密封成为流体密封之前，使得该低温流体的一部分从该插座中排出到周围大气环境中。
20.一种将低温流体的供应连接到低温冷却装置上的方法，该低温冷却装置安装在一可移动的设备部件上并且与该低温流体的供应间隔开，该方法包括以下步骤：
提供至少由具有第一热膨胀系数的金属的一部分制成的柱塞，该柱塞具有：与低温流体的供应流体连通的入口、与该入口流体连通的出口、和外周；
提供至少由具有第二热膨胀系数的聚合物的一部分制成的插座，该插座具有：与该低温冷却装置流体连通的第一端口、和与该第一端口流体连通的第二端口，并且该第二端口具有适于接收该柱塞外周的内周，该外周和该内周在几何形状上大致相似；
提供用于将该柱塞的该出口插入该插座的该第二端口中的致动装置，其中第一热膨胀系数和第二热膨胀系数之间的差别增强该柱塞的该外周与该第二端口的该内周之间的密封；
激励该致动装置，由此将该柱塞的该出口插入该插座的该第二端口中，其中在该密封成为流体密封之前，使得来自该柱塞的该低温流体的流动的前导部分从该插座中排出到周围大气环境中；以及
使该低温流体的流动流入该入口并流经该柱塞的出口，由此进一步增强该密封。
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