CN102427912B - 用于通过机床主轴轴向输送低温流体的装置 - Google Patents

Abstract

低温流体通过机床主轴沿着轴向路径输送到安装在标准刀夹上的切削刀具。冷冻剂外部源通过隔热管输送到连接块壳体，其中，冷冻剂流入安装在主轴旋转轴线上的真空隔热冷却剂输送管。冷却剂输送管与位于主轴端部内的标准刀夹内的低温歧管联接。低温歧管将冷冻剂连接到安装在刀夹内的刀具上。在换刀操作前，冷却剂输送管升高，使其与低温歧管分离，且关闭到输送管的冷冻剂流动。

Description

用于通过机床主轴轴向输送低温流体的装置

这项发明是根据由海军部和空军部给予的合同No.N68335-08-C-0263和No.FA8650-07-C-531在政府支持下作出的。政府对本发明享有一些权利。

技术领域

低温切削流体输送到旋转切削刀具，该旋转切削刀具安装在标准刀夹上并且由主轴驱动。

背景技术

具有低热传导性的陶瓷基复合材料和其它先进的航空材料是出了名的贵且难以加工，因为这些材料不容易从刀-屑界面散热。通过更有效的冷却刀-屑界面，可以增加加工速度和刀具寿命，从而降低加工成本和缩短生产时间。因为大多数的生产加工由使用自动换刀装置的机床完成，任何此类冷却系统必须和市售的换刀装置和刀夹系统相兼容。

发明内容

本装置的一个目的是提供一种用于旋转切削刀具的新型冷却系统，该旋转切削刀具安装在主轴上的标准刀夹中。

另一个目的是提供一种用于旋转切削刀具的新型冷却系统，该旋转切削刀具与市售的换刀和刀夹系统相兼容。

此处所述的冷却系统将旋转连接器与改进的商业刀具系统相结合，该改进的商业刀具系统允许冷冻剂如液氮(LN₂)在加工过程中输送到刀-屑界面。这是由通过机床主轴沿着轴向路径轴向传送低温流体到安装在标准刀夹上的切削刀具来实现的。结果是，极硬，低热传导性的航空材料包括陶瓷基复合材料，金属基复合材料，和其它材料能够被高速加工。此外，常规材料加工可以不使用切削流体，因此加工过程更环保。

附图说明

图1示出了用于旋转刀具的冷冻剂输送系统的一个实施例；

图2示出了用于旋转刀具的冷冻剂输送系统的一替换实施例；

图3示出了图2的冷冻剂输送系统中的滑动轴承和用于升高和降低冷却剂输送管的致动器；

图4是在降低位置的驱动壳体的详细视图；

图5是在升高位置的驱动壳体的详细视图。

图6是在降低位置的带有冷却剂输送管的刀夹的详细视图；

图7示出了在升高位置的直线轴承、驱动壳体和冷却剂输送管；

图8是在升高位置的带有冷却剂输送管的刀夹的详细视图。

具体实施方式

图1示出了用于旋转切削刀具的低温冷却切削系统，该旋转切削刀具通常用附图标记10指示。该系统包括主轴12，主轴12通过常规方式例如主轴马达(未示出)驱动绕旋转中心轴线14旋转。该主轴在第一端接收标准刀夹16，该标准刀夹通过夹头机构17锁紧到主轴上，该夹头机构在本邻域是熟知技术。刀夹16支撑切削刀具18(仅示出顶部)。主轴12在第二端具有轴向插孔19，其接收非旋转的卡口式冷冻剂输送装置21。卡口式输送装置21通过一对轴承22接收在轴向插孔19中，轴承22使输送装置21处于主轴的旋转轴线14上。随主轴旋转的插口衬套23设置在轴向插孔19的下部。插口衬套23的下端具有轴向对齐的排放端口24。

卡口式输送装置21包括小直径真空隔热输送管26，其上部被更大直径真空隔热段27包围。输送管26具有内部通道，该通道在第一端30处从位于主轴12外面的合适源(未示出)接收冷冻剂。输送管26的第二端具有出口28，该出口与主轴的旋转轴线14对齐。出口28位于插口衬套23的排放端口24上方。环形密封件29设置在插孔19内，且在大直径隔热段27和旋转主轴体12之间提供密封。环形密封件29是弹簧致动的，且能够称之为暖密封，因为大直径隔热段27将其与卡口输送装置21内的冷冻剂的温度屏蔽开，隔热段27的外部不是冷冻温度。

在插口衬套23一端上的排放端口24位于沿刀夹16的轴线形成的轴向通道31的上方，刀夹内的轴向通道31具有出口32，该出口与形成在切削刀具18的轴内的冷却剂通道33对齐。冷却剂通道33通向一个或多个形成在切削刀具18上的冷却剂出口(未示出)，其将冷却剂引导至刀-屑界面。

用在图1中所示的低温冷却切削系统中的主轴的物理和动态特征与现有的CNC主轴一样，允许加工操作例如钻孔，锪孔，和易于完成的具有长距离的复杂铣边。刀夹16与那些市售的刀夹系统的形状和大小一样，因此，可以使用自动换刀装置。因为小直径真空隔热输送管26与主轴的旋转轴线14对齐，并且具有小质量，其不会对高速主轴的性能产生不利影响。沿着主轴12的旋转轴线14、刀夹16和刀具18的冷却剂路径，允许高速主轴旋转，而不会有主轴旋转产生的离心力影响冷却剂流动。因为插口衬套23的排放端口24直接轴向对齐刀夹16内的轴向通道，每当新刀具通过自动换刀装置安装在主轴内，刀夹连接到主轴12内的夹头机构17上建立了从内部输送管26到切削刀具的轴18的冷却剂输送路径。

图2-8示出了低温冷却切削系统的一替换实施例，其中，非旋转的冷冻剂源和旋转主轴之间的接口位于从主轴顶部延伸的旋转管的上端，或者位于延伸进入刀夹顶部的非旋转管的下端。此外，图2-8的实施例明显适合与自动换刀系统以及使用此类系统的刀夹相兼容。

如图2所示，具有旋转轴线14的标准主轴12接收带刀具18的刀夹16，该刀具18在主轴第一或底端部中具有内部冷却剂通道33。真空隔热冷却剂输送管40安装在主轴12内的轴向通道41内，并且从刀夹16延伸通过主轴进入驱动壳体62。

标准的冷冻剂供应管46联接到冷冻剂外部源(未示出)，且包括内管47和外套48。冷冻剂供应管的内管47和外套48之间的空间可包含用于隔热目的的真空。冷冻剂供应管46的外套48在第一或连接块壳体50的顶部处终止，且小直径内管47的下端部与连接块52联接，连接块52位于连接块壳体的下部，图3看得最清楚。从冷冻剂供应管46到冷却剂输送管40的上端的冷冻剂流通由阀机构控制，该阀机构位于连接块壳体50和第二或驱动壳体62的连接点处，并且在下面有更详细的描述。第一或连接块壳体50通过夹紧臂53紧固到安装板55上，安装板连接到旋转致动器54。旋转致动器54包括驱动致动器56和线性轴承57，该线性轴承安装在滑动面58上。驱动致动器56在适当的控制下，能够致动以将线性轴承57从如图2和3所示的滑动面58底部升高到如图7所示的滑动面的顶部，反之亦然。当线性轴承57升高和降低时，第一或连接块壳体50，第二或驱动壳体62，以及冷冻剂输送管46和40也升高和降低。

图3示出了连接块壳体50的下端部中的连接块52。该连接块52接收小直径内管47的下端部，且将其可靠的保持在连接块壳体50中。如图4和5所示，连接块52允许冷冻剂自由流出小直径管47的端部进入到连接块52的下面的空间51中。图3也示出了冷却剂输送管40的上部延伸到主轴12的外部且经过换刀活塞61。该换刀活塞61把力传递到换刀机构，且不形成本发明的一部分。冷却剂输送管40的上端经过第二或驱动壳体62，该驱动壳体附着到第一或连接块壳体50的底部。

图4示出了用于在冷冻剂供应管46的内管47和冷却剂输送管40之间建立流动的机构。冷却剂输送管40包括被外套43包围的内部小直径管42。在小直径管42和外套43之间的空间中的真空为包含在小直径管42中的冷冻剂提供隔热。在驱动壳体62内的冷却剂输送管40的内管42的一部分被波纹管64包围。当小直径内管42处于冷冻温度以及外套43处于环境温度时，波纹管64顺应并允许冷却剂输送管40的外套43的长度收缩。

驱动壳体62包括阀装置，该阀装置打开或关闭从冷冻剂供应管46的冷冻剂流动，这是通过线性致动器54降低或升高连接块壳体50的结果。冷却剂输送管40的上端装有设置有端口78的端盖77，使得仅通过冷却剂输送管40的上端的流动通过端口78。上部弹簧加强聚合物密封件63安装在驱动壳体62的上端。端盖77的外表面抵靠着上部弹簧加强聚合物密封件63密封。设有端口的端盖77和密封件63的组合形成阀装置。推盘79安装在冷却剂输送管40上，处于通过倒扣盖81被限制在驱动壳体62的下部的位置，倒扣盖81附着到驱动壳体的下端82。倒扣盖81具有孔83，该孔83让冷却剂输送管40自由通过其中，但是其太小而不允许推盘79通过其中。

图4示出了驱动壳体62在降低位置，之前连接块壳体组件50已由线性致动器54降低。降低连接块壳体组件50来降低端盖77上的密封件63的位置直到端盖上的端口78在密封件63的上方，且推盘79抵靠盖81的顶部。这允许冷冻剂从连接块52下面的空间51通过端口78流到冷却剂输送管40的内部。

图5示出了驱动壳体62在升高位置，之前连接块壳体组件50已被线性致动器54升高。升高连接块壳体组件50来升高端盖77上的密封件63的位置直到端盖上的端口78在密封件63的下面，且推盘79抵靠驱动壳体的下端82。这阻止冷冻剂从连接块52下面的空间51通过端口78流到冷却剂输送管40的内部。图6示出了主轴12的下端和刀夹16的上端，冷却剂输送管40在降低位置中。主轴中的标准夹头机构17夹持刀夹16顶部上的刀夹拉钉65，以固定刀夹在主轴12的端部中。隔热低温歧管68安装在刀夹16的内部，且具有冷却剂通道69，该冷却剂通道69位于刀夹的旋转轴线14上，用于将冷冻剂从冷却剂输送管40的端部输送到安装于刀夹中的刀具18内的轴向通道33。锥形引导件75位于低温歧管68上方。该锥形引导件75具有弹簧柱塞机构66阵列，当冷却剂输送管的下端完全插入刀夹16时，这些弹簧柱塞机构66接合相配的棘爪67(仅示出一个)，这些棘爪67形成在靠近冷却剂输送管40的端部处。低温歧管内的冷却剂通道69的顶部可安装衬套70，该衬套70接收冷却剂输送管40的下端。隔热低温歧管68可由低热传导性材料制造，如聚四氟乙烯。隔热低温歧管68带有下弹簧加强聚合物密封件71，其提供抵靠着冷却剂输送管40的外表面的密封件。隔热低温歧管68的下端位于刀具18的顶部上方，该刀具18安装在刀夹16内。在隔热低温歧管68内的冷却剂通道69轴向对齐形成在刀具18的轴内的轴向冷却剂通道33。

在一个实施例中，主轴12和冷却剂输送管40作为一个单元旋转，且在旋转输送管40和冷冻剂供给的非旋转结构之间的密封出现在位于连接块壳体50的底部处的上部弹簧加强聚合物密封件63处。在一替换实施例中，冷却剂输送管40不和主轴12一起旋转，且在旋转主轴12和非旋转输送管40之间的密封出现在位于刀夹16的上部中的低温歧管68内的下弹簧加强聚合物密封件71处。为了保持冷却剂输送管40静止，推盘79可非旋转地附着到冷却剂输送管40，且可制造的足够大，使得盘79的力对抗倒扣盖81的非旋转表面，如图4所示，阻止推盘79的旋转，并且由此阻止输送管40旋转。可用其它的结构来保持冷却剂输送管40静止。在各实施例中，冷冻剂通过静止真空隔热供应管46供应到连接块壳体50内的连接块52的下面的空间51中。只要冷却剂输送管40上端上的端盖77中的端口78在密封件63上方，如图4所示，那么冷冻剂从连接块壳体50的内部流到冷却剂输送管中。冷却剂输送管40将冷冻剂输送到隔热低温歧管68。下弹簧加强聚合物密封件71接合冷却剂输送管40的端部，且防止冷冻剂的泄漏，因为其被输送到隔热低温歧管68内的轴向通道69。在轴向通道69内的冷却剂通过刀具18内的轴向通道33输送到刀具的切削刃。

当刀具18和相关刀夹16安装在主轴12中时，冷却剂输送管40的下端位于刀夹内，如图6所示。在换刀操作之前，驱动致动器56升高连接块壳体50，如图7所示。这关闭了冷冻剂从连接块壳体到冷却剂输送管40的流动，如图5所示，且从刀夹16中退回冷却剂输送管40的下端，使得冷却剂输送管40的该端部位于刀夹拉钉65的上方，如图8所示。冷却剂输送管40保持在升高或退回位置，直到下个刀夹16和刀具已经插入主轴和夹头17中接合刀夹拉钉65。一旦刀夹16固定在主轴12的端部，那么驱动致动器56降低连接块组件50。冷却剂输送管40的下端经过刀夹拉钉65内的轴向孔74，且通过锥形引导件75导入位于隔热低温歧管68内的冷却剂通道69顶部的衬套70。这将使包围端盖77的密封件63降低到如图4所示的位置，且使冷冻剂恢复从连接块52下面的空间51经过端口78流入冷却剂输送管40的上端。

虽然本发明做如此的描述，但是本领域技术人员可作各种替换和修改，这些替换和修改都将在本发明所附权利要求所限定的发明的范围内。

Claims (16)

1.一种用于通过机床主轴向安装在刀夹内的刀具轴向输送低温冷却剂的装置，该刀夹安装在主轴内，该装置包括：

隔热管，用于从主轴外部的源接收低温冷却剂，所述隔热管的上部是大直径隔热段；

轴向插孔，其在主轴的旋转轴线上用于接收所述隔热管，所述轴向插孔位于所述主轴的与所述刀夹相对的端部处；

插口衬套，其安装在所述轴向插孔中包围所述隔热管；

密封件，其位于所述轴向插孔内用于在所述轴向插孔和所述隔热管的所述大直径隔热段之间密封，由此所述隔热管的所述大直径隔热段将所述密封件与所述低温冷却剂的低温温度屏蔽开；以及

轴向通道，其在所述刀夹内用于从所述隔热管接收冷冻剂。

2.如权利要求1所述的装置，进一步包括：

排放端口，其形成在所述插口衬套的端部中，所述排放端口与所述隔热管的端部以及所述刀夹内的轴向通道轴向对齐，由此，来自所述隔热管的冷冻剂从所述隔热管沿着轴向路径输送到所述插口衬套内的所述排放端口，并且从所述插口衬套内的所述排放端口输送到所述刀夹内的轴向通道。

3.如权利要求2所述的装置，进一步包括：

至少一个轴承，其位于所述轴向插孔内，所述轴承将所述隔热管设置在主轴的旋转轴线上。

4.一种用于通过机床主轴向安装在可拆卸刀夹内的刀具轴向输送低温冷却剂的装置，该刀夹安装在主轴端部，该装置包括：

冷冻剂供应管，用于从外部源输送低温冷却剂；

冷却剂输送管，用于从冷冻剂供应管接收低温冷却剂； 

在所述主轴内的轴向通道，用于接收冷却剂输送管；

阀装置，用于控制在所述冷冻剂供应管和所述冷却剂输送管之间的冷冻剂的流动，由此当所述可拆卸刀夹从所述主轴拆下时，冷冻剂的流动可被终止，

第一壳体，其包围所述冷冻剂供应管的下端，且在所述阀装置的上方形成从所述冷冻剂供应管接收冷冻剂的空间；致动器，该致动器联接到所述第一壳体，由此所述致动器升高和降低所述第一壳体以控制所述阀装置和控制从所述冷冻剂供应管到所述冷却剂输送管的冷冻剂的流动；以及

在所述刀夹内的轴向通道，用于接收所述冷却剂输送管的下端，由此升高包围所述冷冻剂供应管的下端的所述第一壳体，从所述刀夹内的所述轴向通道退回所述冷却剂输送管的下端。

5.如权利要求4所述的装置，进一步包括：

低温歧管，其安装在所述刀夹内用于接收所述冷却剂输送管的端部；和

在所述低温歧管内的轴向通道，由此所述低温歧管内的轴向通道从所述冷却剂输送管接收冷冻剂，并且输送冷冻剂到安装在所述刀夹内的刀具。

6.如权利要求5所述的装置，进一步包括：

至少一个弹簧柱塞，其安装在所述低温歧管内；和

棘爪，其形成在所述冷却剂输送管的下端中，由此当所述冷却剂输送管完全插入所述低温歧管内时，所述弹簧柱塞接合所述棘爪。

7.如权利要求5所述的装置，其中，所述低温歧管包括低热传导性材料。

8.如权利要求7所述的装置，其中，包括所述低温歧管的所述材料是聚四氟乙烯。

9.如权利要求4所述的装置，进一步包括：

端盖，其在所述冷却剂输送管的上端上，所述端盖具有用于建立到所述冷却剂输送管内部的冷冻剂流动的端口；和

密封件，其接合所述端盖的外表面，由此通过控制所述端盖上所述密封件的位置来控制通过所述端口到所述冷却剂输送管内部的流动。

10.如权利要求9所述的装置，进一步包括：

第二壳体，其联接到所述第一壳体的端部，所述第二壳体包含所述冷却剂输送管的端部，由此所述致动器升高和降低第一壳体和第二壳体以控制所述冷却剂输送管的所述端盖上的所述密封件的位置，从而控制从所述冷冻剂供应管到所述冷却剂输送管的冷冻剂流动。

11.如权利要求5所述的装置，进一步包括：

密封件，其安装在所述低温歧管内且包围所述低温歧管内的轴向通道的一部分，当所述冷却剂输送管的下端完全插入所述刀夹时，当其完全插入所述低温歧管时，所述密封件接合所述冷却剂输送管的下端用于防止从所述冷却剂输送管的下端的泄漏。

12.如权利要求5所述的装置，进一步包括：

锥形引导件，其安装在所述低温歧管顶部，当冷却剂输送管的端部降低进入所述低温歧管时，所述锥形引导件与所述冷却剂输送管的端部对齐。

13.如权利要求1所述的装置，其中， 用于从外部源接收所述低温冷却剂的所述隔热管包括小直径真空隔热管。

14.如权利要求1所述的装置，其中，所述隔热管的所述大直径隔热段是真空隔热的。

15.如权利要求4所述的装置，其中，所述冷冻剂供应管是真空隔热管。

16.如权利要求4所述的装置，其中，所述冷却剂输送管包括小直径真空隔热管。