DE10220526A1

DE10220526A1 - Cooling process for rotating chipping tool involves using liquefied industrial gases as coolant and evaporating them as they come out of tool coolant channel

Info

Publication number: DE10220526A1
Application number: DE10220526A
Authority: DE
Inventors: Joerg-Michael Nussbaum; Gerald Stengele
Original assignee: Hueller Hille GmbH
Current assignee: Cross Hueller 71636 Ludwigsburg De GmbH
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2003-11-20

Abstract

The cooling process cools a rotating chipping tool (2) and/or the workpiece in the machining zone. The coolant is supplied through a coolant channel in the tool. The coolant used consists of liquefied industrial gases. As the gases come out of the tool coolant channel, they are evaporated. Liquid carbon dioxide may be used as the coolant.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kühlung eines spanend arbeitenden, rotierenden Werkzeuges und/oder des Werkstückes im Bearbeitungsbereich, wobei das Kühlmedium durch einen Kühlmittelkanal im Werkzeug zugeführt wird. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf einen Werkzeugmaschine zur Durchführung des Verfahren gemäß Oberbegriff der Ansprüche 5 und 9. The invention relates to a method for cooling a cutting working, rotating tool and / or the workpiece in the Machining area, the cooling medium through a coolant channel in the Tool is fed. The invention also relates to a Machine tool for performing the method according to the preamble of Claims 5 and 9.

Aus der DE 195 38 762 C1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Kühlung eines Werkzeuges und eine Werkzeugmaschine bekannt, wobei als Kühlmedium ein Kühlschmiermittel-Trägergas-Gemisch in einem Speicherraum innerhalb der Spindel hergestellt und das Gemisch durch werkzeugintegrierte Zuführungskanäle dem Bearbeitungsbereich zugeführt wird. Auch wenn man bei dieser sog. Trockenschmierung oder auch bei der Minimalmengenschmierung immer bemüht ist, die Menge des Kühl-Schmiermittels möglichst gering zu halten, ist die Abführung und Entsorgung der flüssigen Medien aus dem Bearbeitungsraum aufwendig. DE 195 38 762 C1 describes a generic method for cooling a Tool and a machine tool are known, being a cooling medium Cooling lubricant-carrier gas mixture in a storage space within the Spindle manufactured and the mixture through tool-integrated feed channels is fed to the processing area. Even if you use this Dry lubrication or also with the minimum quantity lubrication always tried is to keep the amount of coolant lubricant as low as possible Removal and disposal of the liquid media from the processing room consuming.

In der EP 1 086 782 A1 ist eine sog. Kaltluftkühlung an einer Werkzeugmaschine beschrieben, wobei für eine Schleifeinrichtung das gekühlte Kühlgas über separate, nicht im Werkzeug befindliche Düsen von außen einerseits auf das Werkzeug und andererseits auf das Werkstück geblasen wird. Wegen der geringen Wärmekapazität der Luft müssen hierbei erhebliche Mengen von Luft auf größere zu kühlende Flächen aufgebracht werden, um eine ausreichende Kühlung zu erreichen. EP 1 086 782 A1 describes so-called cold air cooling on a machine tool described, the cooled cooling gas for a grinding device separate, not in the tool nozzles from the outside on the one hand on the Tool and on the other hand is blown onto the workpiece. Because of the low The heat capacity of the air must be substantial amounts of air to larger Surfaces to be cooled are applied to ensure adequate cooling to reach.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Werkzeugmaschine vorzuschlagen, bei der auf einfache Weise eine Kühlung im Bearbeitungsbereich erreicht wird und die aufwendige Entfernung und Entsorgung des Kühl- Schmiermittels entfällt. The object of the invention is a method and a machine tool to propose cooling in the machining area in a simple manner is achieved and the elaborate removal and disposal of the cooling There is no lubricant.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche 2 bis 4 enthalten sinnvolle ergänzende Vorschläge dazu. Eine Werkzeugmaschine zur Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen 5 und 6 definiert, wobei die Ansprüche 7 bis 11 sinnvolle Ausführungsformen dieser Werkzeugmaschine enthalten. The solution to this problem is specified in claim 1. The subclaims 2 to 4 contain useful additional suggestions. A machine tool to solve this problem is defined in claims 5 and 6, wherein the Claims 7 to 11 useful embodiments of this machine tool contain.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, als Kühlmedium verflüssigte technische Gase, vorzugsweise flüssiges CO₂ zu verwenden, das aus einem Druckspeicher über zentrale Führungskanäle in der Spindel und den Werkzeughalter dem Kühlmittelkanal im Werkzeug zugeführt wird. Das Kühlmedium wird also unter entsprechend hohem Druck, der für das flüssige CO₂ bei ca. 60 bar liegt, bis zum Bearbeitungsbereich, vorzugsweise bis zu den Schneiden des Werkzeuges transportiert. Dort entzieht das flüssige CO₂ bei der Expansion und Umwandlung in den gasförmigen Zustand seiner Umgebung die dazu nötige Wärme und kühlt damit den Bearbeitungsbereich. Es hat sich gezeigt, daß bereits geringe Massenströme an flüssigem CO₂ ausreichen, um für die notwendige Kühlung zu sorgen. Wenn man z. B. davon ausgeht, daß bei zwei typischen Bearbeitungsformen, z. B. Schlichtfräsen und Bohren für den Werkstoff Aluminium, die Spindelleistung vollständig als Kühlleistung abgeführt werden muß, so reichen bei einer üblichen Spindelleistung zwischen 6 und 15 kW Volumenströme an flüssigem CO₂von etwa 0,6 bis 1,6 Liter pro Minute aus. Diese Volumenströme sind im Vergleich zu den sonstigen Fluidströmen an Kühl- Schmiermittel in Werkzeugmaschinen recht klein und damit mit relativ kleinbauenden Ventilen zu realisieren. According to the invention, it is provided to use liquefied technical gases, preferably liquid CO ₂ , as cooling medium, which is fed from a pressure accumulator via central guide channels in the spindle and the tool holder to the coolant channel in the tool. The cooling medium is thus transported to the processing area, preferably up to the cutting edges of the tool, under a correspondingly high pressure, which is approximately 60 bar for the liquid CO ₂ . There, the liquid CO ₂ extracts the necessary heat during expansion and conversion into the gaseous state of its surroundings and thus cools the processing area. It has been shown that even low mass flows of liquid CO _{2 are} sufficient to provide the necessary cooling. If you z. B. assumes that in two typical processing forms, for. B. finishing milling and drilling for the material aluminum, the spindle power must be dissipated completely as cooling power, so with a usual spindle power between 6 and 15 kW volume flows of liquid CO ₂ of about 0.6 to 1.6 liters per minute are sufficient. These volume flows are quite small in comparison to the other fluid flows of coolant-lubricant in machine tools and can therefore be realized with relatively small valves.

Um bei Bearbeitungspausen, insbesondere während des Werkzeugwechsels eine weitere unerwünscht hohe Abkühlung im Zuführungs- und Bearbeitungsbereich zu vermeiden, wird erfindungsgemäß weiterhin vorgeschlagen, insbesondere während des Werkzeugwechsels die Zufuhr des Kühlmediums zum Werkzeug durch in der Spindelnase, in oder kurz vor dem Werkzeughalter und/oder im Bereich der Drehdurchführung angeordnete Ventile zu unterbrechen. Diese Absperrung verringert nicht nur den Verbrauch an flüssigem CO₂, sie verhindert auch eine Unterkühlung und Vereisung von Spindelnase, Spannzange und Werkzeuggreifer des Werkzeugwechslers. In order to avoid a further undesirably high cooling in the feed and processing area during machining breaks, in particular during the tool change, the invention further proposes, in particular during the tool change, the supply of the cooling medium to the tool by in the spindle nose, in or shortly before the tool holder and / or Interrupt valves located in the area of the rotary union. This shutdown not only reduces the consumption of liquid CO ₂ , it also prevents hypothermia and icing of the spindle nose, collet and tool gripper of the tool changer.

Zur Durchführung des vorgenannten Verfahren ist eine Werkzeugmaschine mit vorzugsweise automatisch auswechselbarem Werkzeug vorgesehen, bei der vorzugsweise sowohl im Bereich der Drehdurchführung als auch im Bereich des Werkzeughalters, d. h. möglichst nahe vor dem Eintritt in den Kühlmittelkanal des Werkzeuges, Ventile zur Unterbrechung der Zufuhr des Kühlmediums angeordnet sind. Hierzu kann insbesondere im Zuführungskanal des Werkzeughalters oder im sog. Kühlmittelröhrchen des Werkzeughalters ein Rückschlagventil angeordnet sein, wobei der Öffnungsdruck möglichst klein sein sollte, z. B. höchstens 1 bar. Das in die Spindelnase eingebaute Ventil kann als leckagefreies Sitzventil ausgeführt sein und eine automatische Betätigung durch das Kühlmittelröhrchen des Werkzeughalters besitzen. Das Ventil ist dabei zweckmäßig als kombiniertes Sitz- und Schieberventil ausgeführt, das, so lange noch kein Werkzeug sich in der Spindel befindet, durch den Innendruck des Kühlmediums in der Spindel und eine zusätzliche Feder geschlossen gehalten wird. A machine tool is used to carry out the aforementioned method preferably automatically provided interchangeable tool in the preferably both in the area of the rotating union and in the area of the Tool holder, d. H. as close as possible before entering the coolant channel of the Tool, valves arranged to interrupt the supply of the cooling medium are. For this purpose, in particular in the feed channel of the tool holder or in So-called coolant tube of the tool holder a check valve is arranged be, the opening pressure should be as small as possible, e.g. B. at most 1 bar. The valve built into the spindle nose can be used as a leak-free seat valve be carried out and an automatic actuation by the coolant tube of the tool holder. The valve is useful as a combined Seat and slide valve executed, as long as there is no tool in the Is located by the internal pressure of the cooling medium in the spindle and a additional spring is kept closed.

Alternativ oder ergänzend zur Verwendung von Absperrventilen, insbesondere im Bereich des Werkzeughalters können erfindungsgemäß auch die Querschnitte der Zuführungskanäle auf ein Minimum reduziert werden. Es hat sich z. B. ein Durchmesser für die Zuführungskanäle von weniger als ¹/₁₀₀ der Länge der Spindel als zweckmäßig erwiesen. Darüber hinaus kann man auch den Zuführungskanal, insbesondere in der Spindelzugstange mit einem wärmeisolierenden Rohr versehen, wobei das Rohr mit einem Isolierstoff ummantelt werden kann oder als Doppelwandrohr ausgebildet sein kann. Ein derartiges wärmeisolierendes Rohr kann auch in den Kühlmittelkanal des Werkzeuges eingebracht werden, um bei Arbeitsunterbrechnungen die Bildung von Eisansatz an der Werkzeugoberfläche durch verdampfendes CO₂ zu verhindern. Das wärmeisolierende Rohr verhindert diesen Effekt und verlagert die Abkühlzone an die Werkzeugschneide. As an alternative or in addition to the use of shut-off valves, in particular in the area of the tool holder, the cross sections of the feed channels can also be reduced to a minimum according to the invention. It has z. For example, a diameter of the supply channels of less than ¹ / _100th of the length of the spindle proved expedient. In addition, it is also possible to provide the feed channel, in particular in the spindle pull rod, with a heat-insulating tube, the tube being able to be sheathed with an insulating material or being designed as a double-wall tube. Such a heat-insulating tube can also be introduced into the coolant channel of the tool in order to prevent ice build-up on the tool surface due to evaporating CO ₂ in the event of work interruptions. The heat-insulating tube prevents this effect and shifts the cooling zone to the tool cutting edge.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Fig. 1 bis 9 beispielsweise näher erläutert. Es zeigen The invention is explained in more detail, for example, with the aid of the attached FIGS. 1 to 9. Show it

Fig. 1 eine Ansicht der Spindel Fig. 1 is a view of the spindle

Fig. 2 die schematische Anordnung für die innere Zufuhr von flüssigem CO₂ in das Werkzeug durch die Spindel 1 Fig. 2 is a schematic arrangement for the internal supply of liquid CO ₂ into the tool through the spindle 1

Fig. 3 einen an sich bekannten HSK-Werkzeughalter für den Einbau eines Rückschlagventiles 13 Fig. 3 a known HSK-tool holder for the installation of a non-return valve 13

Fig. 4 das Sperrventil 14 in geöffnetem Zustand Fig. 4, the check valve 14 in the open state

Fig. 5 die Spindelnase ohne Werkzeug bei geschlossenem Ventil 14 Fig. 5, the spindle nose without tools with the valve closed 14

Fig. 6 die Spindelnase bei eingesetztem Werkzeug, wobei nur das Kühlmittelröhrchen 11 des Werkzeughalters dargestellt ist und das Ventil 14 geöffnet ist Fig. 6, the spindle nose with an inserted tool, whereby only the coolant tubes 11 of the tool holder is shown and the valve 14 is opened

Fig. 7 die Spindelnase bei Werkzeugwechsel, wobei die Zugstange 18 in der Stellung "offen" ist und das Ventil 14 durch den Ventilschieber 16 geschlossen ist Fig. 7 shows the spindle nose when changing tools, the pull rod 18 is in the "open" position and the valve 14 is closed by the valve slide 16

Fig. 8 eine im Vergleich zu Fig. 5 andere Ausführungsform des Sperrventils 14 und Fig. 8 in comparison with Fig 5, another embodiment of the blocking valve 14, and

Fig. 9 das Sperrventil nach Fig. 8 in seiner Lage in der Spindelnase. Fig. 9, the check valve of FIG. 8 in its position in the spindle nose.

Fig. 1 zeigt eine übliche Werkzeugspindel 1 mit einem Werkzeug 2, dem aus einem CO₂-Druckspeicher 3 über Ventile 4, die Drehdurchführung 5, den zentralen Zuführungskanal 6 unter einem Druck von ca. 60 bar das flüssige CO₂ zugeführt wird. Die schematische Darstellung nach Fig. 2 zeigt zusätzlich noch zwei Rückschlagventile 7 und 8 zur Unterbrechung der Zuführung des flüssigen CO₂ in das Werkzeug 2. Fig. 1 shows a typical tool spindle 1 with a die 2, the bar, the liquid CO ₂ is supplied from a CO ₂ -Druckspeicher 3 via valves 4, the rotary lead-through 5, the central feed channel 6 under a pressure of about 60. The schematic illustration of FIG. 2 also shows two non-return valves 7 and 8 to the interruption of the supply of the liquid CO ₂ in the tool 2.

Bei Verwendung eines handelsüblichen genormten HSK-Werkzeughalters 9 kann wie aus Fig. 3 ersichtlich ein Rückschlagventil 13 in das Kühlmittelröhrchen 11 eingebaut werden, das wiederum in dem Zuführungskanal 12 des Werkzeughalters 9 angeordnet ist. When using a commercially available HSK tool holder 9 , as can be seen in FIG. 3, a check valve 13 can be installed in the coolant tube 11 , which in turn is arranged in the feed channel 12 of the tool holder 9 .

In Fig. 4 ist das Sperrventil 14 als Einzelheit vergrößert im geöffneten Zustand dargestellt, wobei der Ventilschieber 16 von dem nicht dargestellten Kühlmittelröhrchen mittels des Mitnehmers 27 gegen die Feder 15 nach rechts gedrückt ist, so daß der Dichtkegel 21 im Abstand zur Dichtfläche 22 angeordnet ist und damit das Ventil 14 geöffnet ist. In Fig. 4, the check valve 14 is shown enlarged as a detail in the open state, the valve slide 16 is pressed from the coolant tube, not shown, by means of the driver 27 against the spring 15 to the right so that the sealing cone 21 is arranged at a distance from the sealing surface 22 and so that the valve 14 is open.

Wenn sich, wie in Fig. 5 dargestellt noch kein Werkzeug in der Werkzeugaufnahme in der Spindelnase 10 befindet, wird das Ventil 14 durch den Innendruck des CO₂ im Zuführungskanal 6 und zusätzlich durch die Feder 15 geschlossen gehalten und der Dichtkegel 21 dichtet auf der Dichtfläche 22 ab. If, as shown in FIG. 5, there is still no tool in the tool holder in the spindle nose 10 , the valve 14 is kept closed by the internal pressure of the CO ₂ in the feed channel 6 and additionally by the spring 15 and the sealing cone 21 seals on the sealing surface 22 from.

Befindet sich ein Werkzeug in der Werkzeugaufnahme der Spindel 1, wird nach Fig. 6 das Ventil 14 über das Kühlmittelröhrchen 11 des nicht dargestellten Werkzeughalters 9 nach rechts gedrückt und geöffnet, wobei der Ventilschieber 16 so verschoben wird, daß er sich in der Mittelstellung befindet. If there is a tool in the tool holder of the spindle 1 , the valve 14 is pressed to the right and opened according to FIG. 6 via the coolant tube 11 of the tool holder 9 ( not shown ) , the valve slide 16 being displaced so that it is in the central position.

Die Öffnungsbewegung der Zugstange 18 beim Werkzeugwechsel nach Fig. 7 ist durch die besondere Konstruktion des Ventils 14 (Kombination aus Sitz- und Schieberventil) berücksichtigt. Wie in Fig. 4 und Fig. 7 dargestellt taucht der zylindrische Ansatz 17 des Ventilschiebers 16 in das Ventilgehäuse 24 ein und verschließt dadurch den Kühlmittelkanal der Spindel. Durch eine geeignete Passung zwischen Ventilschieber 16 und Ventilgehäuse 24 kann von einer vernachläßigbar kleinen Leckage ausgegangen werden. Zudem besteht diese Konstellation nur während eines kurzen Zeitraumes zur Entnahme des Werkzeuges aus dem Spindelschaft durch den Werkzeugwechsler. Nach Entnahme des Werkzeuges ist wieder der Dichtkegel 21 entsprechend Fig. 5 durch Anlage an der Dichtfläche 22 aktiv. In den Umschaltphasen kommt es lediglich kurzzeitig zum Austritt von CO₂. The opening movement of the pull rod 18 when changing the tool according to FIG. 7 is taken into account by the special construction of the valve 14 (combination of seat and slide valve). As shown in Fig. 4 and Fig. 7 of the cylindrical extension emerges 17 of the valve spool 16 in the valve housing 24 and thus closes the coolant passage of the spindle. With a suitable fit between valve slide 16 and valve housing 24 , a negligible leak can be assumed. In addition, this constellation only exists for a short period of time for the tool changer to remove the tool from the spindle shaft. After removal of the tool, the sealing cone 21 is active again according to FIG. 5 by abutment on the sealing surface 22 . In the switchover phases, CO ₂ only escapes briefly.

In den Fig. 8 und 9 ist als Alternative zur Ausführung nach Fig. 4 ein Ventil 25 dargestellt, daß eine separat aktivierbare Betätigungsstange 23 besitzt, die elektromagnetisch, pneumatisch oder hydraulisch, auch ohne Zwischenschaltung einer Feder, unabhängig vom Werkzeugwechsel betätigt werden kann. In FIGS. 8 and 9 is shown as an alternative to the embodiment according to FIG. 4, a valve 25, that a separately activatable actuating rod has 23 which may be electromagnetically, pneumatically or hydraulically, with or without the interposition of a spring actuated independently from the tool change.

Üblicherweise wird diese Betätigungsstange 23 von einer Einrichtung 26 außerhalb der Spindel 1 aktiviert. Die Übertragung der Betätigungsbewegung erfolgt über die Betätigungsstange 23, die im Zuführungskanal 6 der Spindel 1, also innerhalb der Zugstange 18 zur Betätigung des Werkzeug-Spann-Systems, verläuft. Das Ventil 25 wird mit Hilfe der Betätigungsstange 23 geöffnet und geschlossen, wobei das Schließen durch den Innendruck des CO₂ im Zuführungskanal 6 unterstützt wird. Bezugszeichenliste 1 Spindel
2 Werkzeug
3 CO₂-Druckspeicher
4 Ventil
5 Drehdurchführung
6 Zentraler Zuführungskanal in 1
7, 8 Ventile
9 Werkzeughalter (Schnittstelle zwischen 1 und 2)
10 Spindelnase
11 Kühlmittelröhrchen in 9
12 Zuführungskanal in 9
13 Rückschlagventil in 9
14 Sperrventil
15 Feder für 14
16 Ventilschieber
17 Zylindrischer Ansatz
18 Spindelzugstange
19 Spannzange
20 Spannbolzen
21 Dichtkegel
22 Dichtfläche
23 Betätigungsstange
24 Ventilgehäuse von 14
25 Ventil
26 Betätigungseinrichtung
27 Mitnehmer
This actuating rod 23 is usually activated by a device 26 outside the spindle 1 . The actuating movement is transmitted via the actuating rod 23 , which runs in the feed channel 6 of the spindle 1 , that is to say within the pull rod 18 for actuating the tool clamping system. The valve 25 is opened and closed with the aid of the actuating rod 23 , the closing being supported by the internal pressure of the CO ₂ in the supply channel 6 . Reference Signs List 1 spindle
2 tools
3 CO ₂ pressure accumulators
4 valve
5 rotating union
6 Central feed channel in 1
7 , 8 valves
9 tool holder (interface between 1 and 2 )
10 spindle nose
11 coolant tubes in 9
12 feed channel in 9
13 check valve in 9
14 shut-off valve
15 spring for 14
16 valve spool
17 Cylindrical approach
18 spindle pull rod
19 collet
20 clamping bolts
21 sealing cone
22 sealing surface
23 operating rod
24 valve body from 14
25 valve
26 actuating device
27 carriers

Claims

1. A method for cooling a cutting, rotating tool ( 2 ) and / or the workpiece in the machining area, the cooling medium being supplied through a coolant channel in the tool ( 2 ), characterized in that liquefied technical gases are used as the cooling medium, which are used in Evaporate the outlet from the coolant duct of the tool ( 2 ).

2. The method according to claim 1, characterized in that the cooling medium is liquid CO ₂ .

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the cooling medium from a pressure accumulator ( 3 ) via supply channels ( 6 , 12 ) in the spindle ( 1 ) and the tool holder ( 9 ) is fed to the coolant channel in the tool ( 2 ).

4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that during the tool change the supply of the cooling medium to the tool ( 2 ) through valves ( 7 , 8 ) in the spindle nose ( 10 ), in or shortly before the tool holder ( 9 ) and / or is interrupted in the area of the rotating union ( 5 ).

5. Machine tool for machining to carry out the method according to at least one of the preceding claims with, preferably automatically, interchangeable tools containing coolant channels ( 2 ) and feed channels ( 6 , 12 ) in the spindle ( 1 ) and the tool holder ( 9 ), thereby characterized in that there is at least one valve ( 7 , 8 ) for interrupting the supply of the cooling medium to the tool ( 2 ) in the spindle nose ( 10 ), in or shortly before the tool holder ( 9 ) and / or in the region of the rotary leadthrough ( 5 ) is.

6. Machine tool according to claim 5, characterized in that a check valve ( 13 ) is arranged in the feed channel of the tool holder ( 9 ) or a coolant tube ( 11 ) arranged therein.

7. Machine tool according to claim 5, characterized in that in the spindle nose ( 10 ) a valve ( 8 ) is arranged that when changing the tool by the axial movement of the tool holder ( 9 ) and / or the coolant tube arranged therein ( 11 ) can be actuated.

8. Machine tool according to claim 7, characterized in that the valve ( 8 ) is designed as a combined seat and slide valve which, when the tool ( 2 ) is removed, by the internal pressure of the cooling medium in the spindle ( 1 ) and by a spring ( 15 ) is kept closed.

9. Machine tool for machining to carry out the method according to at least one of claims 1 to 4 with, preferably automatically, interchangeable tools containing coolant channels and supply channels ( 6 , 12 ) in the spindle ( 1 ) and the tool holder ( 9 ), characterized that the feed channels ( 6 , 12 ) have a diameter d <= 0.01 of the length of the spindle ( 1 ).

10. Machine tool according to claim 5 or 9, characterized in that the feed channels ( 6 , 12 ) for the cooling medium consist of insulating material.

11. Machine tool according to claim 9 or 10, characterized in that plastic inserts can be inserted into the feed channels ( 6 , 12 ) to reduce the passage cross-section, which at least partially line the feed channels in the longitudinal direction.