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Verwandte Anmeldungen
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Diese
internationale Anmeldung bezieht sich auf die vorhergehende provisorische
US-Patentanmeldung Nr. 60/892.502, eingereicht am 1. März 2007,
und die vorgehende reguläre US-Patentanmeldung Nr. 12/040,602,
eingereicht am 29. Februar 2008. Der gesamte Inhalt dieser vorgehenden
Patentanmeldungen wird hierdurch durch Bezugnahme eingeschlossen.
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Technisches Erfindungsgebiet
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Diese
Erfindung betrifft das Gebiet der numerisch computergesteuerten
Maschine. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung
betreffen das Gebiet der Kühlmittelzuführung innerhalb
einer numerisch computergesteuerten Maschine.
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Hintergrund
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In
numerisch computergesteuerten Maschinen wird Kühlmittel
für verschiedene Zwecke zugeführt. Typischerweise
wird das Kühlmittel, welches ein Öl, eine wässrige
Emulsion oder eine andere Flüssigkeit ist, unter Druck
durch eine Düse zugeführt. Schleifvorgänge
erfordern im allgemeinen eine angemessene Kühlmittelzuführung
am Berührungspunkt zwischen Werkstück und Schleifrad.
Bei solchen Bearbeitungsvorgängen wird Kühlmittel
typischerweise unter Druck auf das Schleifrad oder das Werkstück
gerichtet, oder an den Berührungspunkt zwischen Werkstück
und Rad. Das Werkstück selbst kann ein Schneidwerkzeug
sein, das in dem Schleifvorgang neu geschliffen wird, oder ein Funktionsteil. In
anderen Bearbeitungsvorgängen, wie etwa Fräsen,
wird Kühlmittel in gleicher Weise an das Werkzeug oder
das Werkstück appliziert, oder an die Werkzeug-Werkstück-Berührungsfläche
(Berührungspunkt) angebracht. Ferner kann das Kühlfluid während
oder nach einem Bearbeitungsvorgang als Reinigungssprühnebel
aufgebracht werden, um Späne abzuwaschen.
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Nach
dem Stand der Technik sind Maschinen bekannt, die Kühlmitteldüsen
umfassen, welche in vielen Fällen in der Nähe
des Spannfutters des Bearbeitungswerkzeugs angeordnet sind. Bei
eine typischen Kühlmitteldüsen-Anordnung kann
es schwierig sein, das Kühlmittel zu steuern und in geeigneter Weise
auszurichten. Dies kann zu Schwierigkeiten führen. Beispielsweise
wird in einem Schleifvorgang das Kühlmittel typischerweise
auf das Schleifrad appliziert, welches sich dreht und dazu neigt,
das Kühlmittel durch die Zentrifugalkräfte abzuschleudern.
Es ist gelegentlich erwünscht, eine konstante Zeit bis
zur Anwendung zu erreichen, oder eine Zeit zwischen dem Anfangskontakt
des Kühlmittels mit dem Schleifrad und dem Zeitpunkt, an
welchem das Kühlmittel auf dem Rad die Kontaktfläche
zwischen dem Rad und dem Werkstück erreicht. Das Schleifrad
erodiert häufig während eines Schleifvorgangs,
und der Schleifabrieb des Werkstücks kann abnehmen, was eine
Neueinstellung der Kühlmitteldüse erfordert, wenn
eine konstante Zeit bis zur Anwendung erwünscht ist. Unter
anderen Umständen kann es erwünscht sein, einen
konstanten Berührungswinkel aufrechtzuerhalten, oder einen
Rotationswinkel zwischen dem Berührungspunkt des Kühlmittels
mit dem Werkstück oder Werkzeug und dem Berührungspunkt
an der Werkstück-Berührungsfläche. Es kann
wiederum schwierig sein, einen konstanten Berührungswinkel
aufrechtzuerhalten, insbesondere wenn die Größe
des Werkzeugs oder des Werkstücks sich ändert,
oder wenn die Position des Werkstücks verändert
wird.
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Die
US-Patente 6,772,042 B1 (von
Dimensional Control, Inc.) und
6,666,748 B2 (von Makino Milling Mashines
Co., Ltd.) schlagen vor, servogesteuerte programmierbare Kühlmitteldüsen
dazu zu verwenden, das Kühlmittel auf das Schleifrad zu
richten. Die hierin beschriebenen servogesteuerten Kühlmitteldüsen
und die programmierbare Kühlmitteldüse nach dem
Stand der Technik erfordern spezielle Veränderungen der
Maschine. Es ist im allgemeinen erwünscht, in einigen Ausführungsformen
eine Kühlmitteldüsen-Anordnung sowie in einigen
Ausführungsformen ein Verfahren zu schaffen, das von dem vorstehend
beschriebenen abweicht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung schafft gemäß einer Ausführungsform
eine Maschine mit einem Revolverkopf und einer Kühlmitteldüse,
die auf dem Revolverkopf drehbar an einer Position des Revolverkopfs
montiert ist, allgemein unter Steuerung durch ein Rechnersteuersystem.
Der Revolverkopf kann typischerweise gedreht werden, um verschiedene
Positionen zu zeigen, und die Kühlmitteldüse kann
an einer der Positionen installiert sein und aus einer Arbeitsposition
herausgedreht werden, wenn sie nicht verwendet wird. Die Kühlmitteldüse
kann eine Düse und eine Einrichtung zum Drehen der Düse
umfassen. Der Revolverkopf ist typischerweise in X- und Z-Richtungen
linear bewegbar und möglicherweise in einer Y-Richtung, so
daß die Kühlmitteldüse in verschiedene
Positionen verschoben und gedreht werden kann. Die Kühlmitteldüse
ist mit einer Quelle für Kühlfluid strömungsgekoppelt,
durch welche ein Kühlmittel unter Druck der Düse
zugeführt werden kann.
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Die
Kühlmitteldüse kann relativ zum Werkstück
oder Werkzeug bewegt werden, während sich das Werkstück
und das Werkzeug in bezug zueinander bewegen können. In
einigen Ausführungsformen kann ein konstanter Kühlmittel-Berührungswinkel
bezüglich des Rads und des Werkstücks aufrechterhalten
werden. In anderen Ausführungsformen kann eine konstante
Zeit bis zur Anwendung des Kühlmittels aufrechterhalten
werden. Die Ausführungsformen mit einer konstanten Zeit
bis zur Anwendung sind besonders (jedoch nicht ausschließlich)
geeignet für sogenannte ”Viper”(very
impressive performance extreme removal, d. h. Hochleistungs-)Schleifanwendungen.
Wie im Detail im
US-Patent 6,123,606 beschrieben
wird, wird das Viper-Schleifen gekennzeichnet durch Verwendung eines
Schleifrads, typischerweise eines porösen Schleifrads,
das zur Anlage an einem Werkstück gebracht wird, um Werkstückmaterial
mit hoher Rate abzutragen. Kühlmittel wird auf das Schleifrad
aufgesprüht, typischerweise mit hohen Drücken
(herkömmlich 1000 psi) verglichen mit Kühlmitteldrücken,
die bei anderen maschinellen Bearbeitungen verwendet werden. Kühlmittel
wird typischerweise von dem porösen Schleifrad absorbiert,
so daß eine Kühlung des Rads und des Werkstücks
ermöglicht wird, und das Kühlmittel trägt
im allgemeinen dazu bei, das Rad zu säubern. Viper-Schleifen
wird als nützlich für Materialien betrachtet,
die schwierig zu bearbeiten sind, wie etwa viele Titan- oder Nickel-basierte
Materialien. Das
US-Patent 6,123,606 wird
hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit für die Offenbarung
eines Schleifvorgangs eingeschlossen.
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In
alternativen Ausführungsformen ist das Schleifrad auf einer
Revolverkopfspindel der Maschine montiert, wobei eine Kühlmitteldüse
auf einer Schleif radführung montiert ist. Die Spindel kann
entlang einer Achse verschoben und gedreht werden, welche senkrecht
zur Rotationsachse der Spindel und des Schleifrads steht. Die Erfindung
schafft ferner ein Verfahren, in welchem die Kühlmitteldüse
relativ zum Werkstück oder Werkzeug bewegt werden kann,
während das Werkstück und das Werkzeug sich in
bezug aufeinander bewegen. In einigen Ausführungsformen
bewegt sich die Düse bezüglich der Rotationsachse
des Schleifrads. In anderen Ausführungsformen ist die Düse
stationär bezüglich der Rotationsachse des Schleifrads.
Beispielsweise kann die Düse an einer Führung
des Schleifrads montiert sein.
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In
verschiedenen Ausführungsformen umfaßt die Erfindung
gleicher Weise eine Vorrichtung, die einen der zuvor beschriebenen
Aufbauten umfaßt, sowie ein Rechnersteuersystem mit einem
computerlesbaren Medium, auf welchem ein computerlesbarer Programmcode
gespeichert ist, der bei Ausführung eine Bewegung der Düse
verursacht.
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Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Vorderansicht einer numerisch computergesteuerten Maschine
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, die mit geschlossenen Sicherheitstüren dargestellt
ist;
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2 ist
eine Vorderansicht der numerisch computergesteuerten Maschine aus 1,
dargestellt mit offenen Sicherheitstüren;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht bestimmter Innenraumkomponenten der
numerisch computergesteuerten Maschine aus 1 und 2,
welche eine Bearbeitungsspindel, ein erstes Spannfutter, ein zweites
Spannfutter und einen Revolverkopf zeigt;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht, die gegenüber 3 vergrößert
ist und die Bearbeitungsspindel und die horizontal und vertikal
angeordneten Schienen zeigt, entlang welcher die Spindel verschoben
werden kann;
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5 ist
eine Seitenansicht des ersten Spannfutters, der Bearbeitungsspindel
und des Revolverkopfs des Bearbeitungszentrums, das im 1 dargestellt
ist.;
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6 ist
eine Ansicht ähnlich zu 5, in welcher
die Bearbeitungsspindel jedoch entlang der Y-Achse verschoben ist;
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7 ist
eine Vorderansicht der Spindel, des Spannfutters und des zweiten
Spannfutters der numerisch computergesteuerten Maschine, die in 1 dargestellt
ist, einschließlich einer Linie, die den erlaubten Weg
einer Rotationsbewegung dieser Spindel darstellt;
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8 ist
eine perspektivische Ansicht des zweiten Spannfutters aus 3,
welches gegenüber 3 vergrößert
ist;
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9 ist
eine perspektivische Ansicht des ersten Spannfutters und des Revolverkopfs
aus 2, unter Darstellung einer Bewegung des Revolverkopfs
und des Revolverkopfhalters entlang der Z-Achse relativ zu der Position
des Revolverkopfs in 2;
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10 ist
eine Vorderansicht einer numerisch computergesteuerten Maschine,
die eine auf dem Revolverkopf montierte Kühlmitteldüse
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
zeigt;
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11 ist
eine Seitenansicht der numerisch computergesteuerten Maschine aus 10;
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12 ist
eine Seitenansicht einer numerisch computergesteuerten Maschine,
die eine alternative Ausführungsform einer Kühlmitteldüse
zeigt;
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13 ist
eine Vorderansicht einer numerisch computergesteuerten Maschine
mit einer weiteren Kühlmitteldüse;
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14 ist
eine Seitenansicht der Maschine aus 13;
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15 ist
eine Darstellung einer Seitenansicht einer Maschine, die eine Bewegung
des Schleifrads und des Kühlmitteldüsen-Werkzeugs
zeigt, bei der der Durchmesser des Rads während des Schleifvorgangs
abnimmt, so daß eine konstante Zeit bis zur Anwendung eingehalten
wird;
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16 zeigt
eine gekrümmte Kühlmitteldüse ohne einen
Rotationswerkzeughalter, die auf dem Revolverkopf zum Schleifen
montiert ist;
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17 ist
eine Vorderansicht; und 18 eine
Seitenansicht einer Kühlmitteldüse ohne einen Rotationswerkzeughalter,
die auf dem Revolverkopf zum Schleifen montiert ist, wobei die Rotationsachse senkrecht
zur Steuerachse des Werkstücks steht;
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19 ist
eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer
Kühlmitteldüse, die eine Kühlmitteldüse
in einem Rotationswerkzeughalter zeigt, welche Düse um
eine A-Achse drehbar ist;
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20 ist
eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer
Kühlmitteldüse, die eine Kühlmitteldüse
in einem Rotationswerkzeughalter zeigt, welche Düse um
eine C-Achse drehbar ist;
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21 ist
eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer
Kühlmitteldüse, die die Kühlmitteldüse
in einem Rotationswerkzeughalter zeigt, welche Düse um
eine B-Achse drehbar ist;
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22 ist
eine perspektivische Ansicht einer numerisch computergesteuerten
Maschine, welche die in 19 dargestellte
Kühlmitteldüse in einem Nut-Schleifvorgang zeigt:
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23 ist
eine perspektivische Ansicht einer numerisch computergesteuerten
Maschine, welche die Kühlmitteldüse aus 20 in
einem Grobschleifvorgang eines Außendurchmessers zeigt;
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24 ist
eine perspektivische Ansicht des Endes einer Düse gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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25 ist
eine Darstellung eines Bearbeitungsvorgangs, in welchem die Düse
auf einer Führung des Schleifrads montiert ist und welche
stationär bezüglich der Rotationsachse des Schleifrads
angeordnet ist, bei welcher jedoch eine konstante Zeit bis zur Anwendung
erreicht wird, indem die Düse und das Werkstück
relativ zueinander bewegt werden.
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Detaillierte Beschreibung
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In
Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann jede geeignete Vorrichtung verwendet werden. In einigen Ausführungsformen
werden die Verfahren unter Verwendung einer numerisch computergesteuerten
Maschine durchgeführt, die allgemein in den 1 bis 9 dargestellt
ist. Eine numerisch computergesteuerte Maschine ist selbst in weiteren
Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen. Die Maschine 100 in
den 1 bis 9 ist eine Maschine der NT-Serie,
von welcher Versionen von Mori Seiki USA, Inc. erhältlich
sind, welche die Anmelderin der vorliegenden Erfindung ist. Andere geeignete
numerisch computergesteuerte Maschinen schließen die Maschinen
der NL-Serie mit Revolverkopf (nicht dargestellt) ein, welche ebenfalls
von Mori Seiki USA, Inc. erhältlich sind. Andere Maschinen
können in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet
werden, einschließlich der NZ-, NH-, NV- und NNV-Maschinen,
die ebenfalls von Mori Seiki USA, Inc. erhältlich sind.
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Mit
Bezug auf die in den 1 bis 3 dargestellte
Maschine der NT-Serie umfaßt eine geeignete numerisch computergesteuerte
Maschine im allgemeinen zumindest einen ersten Halter und einen zweiten
Halter, von denen jeder ein Spindelhalter sein kann, der mit einer
Spindel 144 verbunden ist, ein Revolverkopfhalter, der
einem Revolverkopf 108 zugeordnet ist, oder ein Spannfutter 110, 112.
In der Ausführungsform, die in den Figuren dargestellt
ist, ist die numerisch computergesteuerte Maschine 100 mit
einer Spindel 144, einem Revolverkopf 108, einem
ersten Spannfutter 110 und einem zweiten Spannfutter 112 versehen.
Die numerisch computergesteuerte Maschine 100 umfaßt
ferner ein Rechnersteuersystem, das operativ mit dem ersten Halter
und dem zweiten Halter zur Steuerung der Halter gekoppelt ist, wie
weiter unten noch genauer beschrieben wird. Es versteht sich, daß in
einigen Ausführungsformen die numerisch computergesteuerte
Maschine 100 nicht alle der o. g. Komponenten umfassen
muß, und in weiteren Ausführungsformen kann die
numerisch computergesteuerte Maschine 100 zusätzliche Komponenten
umfassen, die über die hier beschriebenen hinausgehen.
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Wie
in den 1 und 2 dargestellt ist, umfasst die
numerisch computergesteuerte Maschine 100 eine Bearbeitungskammer 116,
in welcher verschiedene Operationen am Werkstück (nicht
dargestellt) durchgeführt werden können. Jedes
Element aus der Gruppe der Spindel 144, des Revolverkopfes 108, des
ersten Spannfutters 110 und des zweiten Spannfutters 112 kann
vollständig oder teilweise innerhalb der Bearbeitungskammer 116 angeordnet
sein. In der gezeigten Ausführungsform trennen zwei bewegliche
Sicherheitstüren 118 den Benutzer von der Kammer 116,
um Verletzungen des Benutzers oder eine Störung des Betriebs
der numerisch computergesteuerten Maschine 100 zu verhindern.
Die Sicherheitstüren 118 können geöffnet
sein, um einen Zugang zu der Kammer 116 zu ermöglichen,
wie in 2 dargestellt ist. Die numerisch computergesteuerte
Maschine 100 wird im folgenden mit Bezug auf drei zueinander
senkrecht ausgerichtete lineare Achsen (X, Y und Z) beschrieben,
die in 4 dargestellt und weiter unten noch genauer beschrieben
sind. Rotationsachsen um die X-, Y- und Z-Achsen sind mit ”A”, ”B” und ”C” als
entsprechende Rotationsachsen bezeichnet.
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Die
numerisch computergesteuerte Maschine 100 ist mit einem
Rechnersteuersystem zur Steuerung der verschiedenen Instrumente
innerhalb der numerisch computergesteuerten Maschine ausgestattet.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Maschine mit
zwei miteinander verbundenen Rechnersystemen ausgestattet, nämlich
einem ersten Rechnersystem, das ein Benutzerschnittstellensystem
umfasst (im allgemeinen in 1 mit 114 bezeichnet),
und einem zweiten Rechnersystem (nicht dargestellt), das operativ
mit dem ersten Rechnersystem verbunden ist. Das zweite Rechnersystem steuert
unmittelbar den Betrieb der Spindel, des Revolverkopfs und der anderen
Instrumente der Maschine, während das Benutzerschnittstellensystem 114 einem
Operator ermöglicht, das zweite Computersystem zu steuern.
Insgesamt können das Maschinensteuersystem und das Benutzerschnittstellensystem
zusammen mit den verschiedenen Mechanismen zur Steuerung des Betriebs
der Maschine als ein einziges Rechnersteuersystem betrachtet werden.
In einigen Ausführungsformen betreibt der Benutzer das
Benutzerschnittstellensystem zur Programmierung der Maschine. In
anderen Ausführungsformen können Programme in
die Maschine aus externen Quellen geladen oder in die Maschine übertragen
werden. Es wird beispielsweise angenommen, daß Programme über
eine PCMCIA-Schnittstelle, eine RS-232-Schnittstelle, über eine ”universal
serial bus”-Schnittstelle (USB), oder über eine
Netzwerkschnittstelle geladen werden können, insbesondere über
eine TCP/IP-Netzwerk-Schnittstelle. Gemäß weiteren
Ausführungsformen kann eine Maschine durch herkömmliche PLC-Mechanismen
(programmable logic controller) gesteuert werden (nicht dargestellt).
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Wie
ferner in den 1 und 2 dargestellt
ist, kann die numerisch computergesteuerte Maschine 100 ein
Werkzeugmagazin 142 und eine Werkzeugwechseleinrichtung 143 umfassen.
Diese wirken mit der Spindel 144 zusammen, so daß die Spindel
mit verschiedenen Schneidwerkzeugen arbeiten kann (gezeigt in 1 als
Werkzeuge 102). Im allgemeinen kann eine große
Vielfalt von Schneidwerkzeugen vorgesehen sein; in einigen Ausführungsformen
können mehrere Werkzeuge des gleichen Typs vorgesehen sein.
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Die
Spindel 144 ist auf einer Wagenanordnung 120 montiert,
die eine Translationsbewegung entlang der X- und Z-Achsen zuläßt,
und auf einem Bock 132, der es ermöglicht, die
Spindel 144 entlang der Y-Achse zu bewegen. Der Bock 132 ist
mit einem Motor für eine Rotation der Spindel um die B-Achse ausgestattet,
die im folgenden näher beschrieben wird. Wie dargestellt,
umfaßt die Wagenanordnung einen ersten Wagen 124,
der auf zwei vertikalen Gewindeschienen reitet (eine Schiene mit 126 bezeichnet),
so daß der erste Wagen 124 um die Spindel 144 sich
entlang der X-Achse bewegt. Die Wagenanordnung umfasst ferner einen
zweiten Wagen 128, der auf zwei horizontal angeordneten
Gewindeschienen reitet (eine in 3 mit 130 bezeichnet),
um eine Bewegung des zweiten Wagens 128 und der Spindel 144 entlang
der Z-Achse zu ermöglichen. Jeder Wagen 124, 128 greift
an den Schienen über verschiedene Kugelspindeleinrichtungen
ein, wodurch eine Rotation der Schienen 126, 130 eine
Translation des Wagens jeweils in der X- oder Z-Richtung verursacht. Die
Schienen sind mit Motoren 170 und 172 für
die jeweils horizontal und vertikal angeordneten Schienen ausgestattet.
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Die
Spindel 144 hält das Schneidwerkzeug 102 mittels
einer Spindelverbindung und eines Werkzeughalters 106.
Die Spindelverbindung 145 (in 2 dargestellt)
ist mit der Spindel 144 verbunden und innerhalb der Spindel 144 enthalten.
Der Werkzeughalter 106 ist mit der Spindelverbindung 145 verbunden
und hält das Schneidwerkzeug 102.
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Verschiedene
Arten von Spindelverbindungen sind nach dem Stand der Technik bekannt
und können zusammen mit der numerisch computergesteuerten
Maschine 100 verwendet werden. Typischerweise ist die Spindelverbindung 145 innerhalb der
Spindel 144 für die gesamte Lebensdauer der Spindel
enthalten. Eine Zugangsplatte 122 für die Spindel 144 ist
in den 5 und 6 dargestellt.
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Das
erste Spannfutter 110 ist mit Klauen 136 versehen
und in einem Lager 150 angeordnet, das bezüglich
der Basis 111 der numerisch computergesteuerten Maschine 100 stationär
ist. Das zweite Spannfutter 112 ist ebenfalls mit Klauen 137 versehen,
doch das zweite Spannfutter 112 ist bezüglich der
Basis 111 der numerisch computergesteuerten Maschine 100 beweglich.
Genauer gesagt, die Maschine 100 ist mit Gewindeschienen 138 versehen, sowie
mit Motoren 139 zur Translation in der Z-Richtung des zweiten
Lagers 152 über einen Kugelspindelmechanismus,
wie zuvor beschrieben. Um die Spanentfernung zu unterstützen,
ist das Lager 152 mit einer geneigten Endfläche 174 und
einem Seitenrahmen 176 mit Z-geneigten Oberflächen 177, 178 versehen.
Es können hydraulische Steuerungen und entsprechende Anzeigen
für die Spannfutter 110, 112 vorgesehen
sein, wie etwa Druckventile 182 und Steuerknöpfe 184,
wie in den 1 und 2 gezeigt.
Jedes Lager ist mit einem Motor (jeweils 161, 162)
versehen, um eine Rotation des Spannfutters zu bewirken.
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Der
Revolverkopf 108, der am besten in den 5, 6 und 9 dargestellt
ist, ist in einem Revolverkopflager 146 (5)
montiert, das ebenfalls in Schienen (138) eingreift und
in einer Z-Richtung verschoben werden kann, wiederum mittels Kugelspindeleinrichtungen.
Der Revolverkopf 108 ist mit verschiedenen Revolverkopfverbindern
oder Positionen 134 ausgestattet, wie in 9 dargestellt
ist. Jeder Revolverkopfverbinder 134 kann mit einem Werkzeughalter 135 oder
einer anderen Verbindung zum Anschluß eines Schneidwerkzeugs
verbunden werden. Da der Revolverkopf 108 eine Vielzahl
von Revolverkopfverbindern 134 und Werkzeughaltern 135 aufweisen
kann, kann eine Vielzahl unterschiedlicher Schneidwerkzeuge in dem
Revolverkopf 108 gehalten und damit betrieben werden. Der
Revolverkopf 108 kann um eine C-Achse gedreht werden, um unterschiedliche
Werkzeughalter einem Werkstück zuzuwenden (und somit in
vielen Ausführungsformen verschiedene Werkzeuge).
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Es
ist somit ersichtlich, daß eine große Vielzahl
unterschiedlicher Operationen vorgenommen werden kann. Mit Bezug
auf das Werkzeug 102, das in dem Werkzeughalter 106 gehalten
wird, kann ein solches Werkzeug 102 in Anlage an ein Werkstück (nicht
dargestellt) gebracht werden, das durch eines oder beide Spannfutter 110, 112 gehalten
wird. Wenn es notwendig oder erwünscht ist, das Werkzeug 102 zu
wechseln, kann ein Ersatzwerkzeug 102 aus dem Werkzeugmagazin 142 durch
die Werkzeugwechseleinrichtung 143 geholt wer den. Gemäß 4 und 5 kann
die Spindel 144 in der X- und Z-Richtung (in 4 dargestellt)
und in der Y-Richtung (in den 5 und 6 dargestellt)
verschoben werden. Eine Rotation um die B-Achse ist in 7 dargestellt, wobei
die dargestellte Ausführungsform eine Rotation innerhalb
eines Bereichs von 120° zu jeder Seite der Vertikalen zuläßt.
Eine Bewegung in der Y-Richtung und eine Rotation um die B-Achse
werden durch Motoren (nicht dargestellt) angetrieben, welche hinter
dem Wagen 124 angeordnet sind. Wie in den 2 und 7 zu
sehen ist, ist die Maschine im allgemeinen mit einer Vielzahl vertikal
angeordneter Abdeckungen 180 und horizontal angeordneter
Abdeckungen 181 versehen, welche eine Wand der Kammer 116 begrenzen
und verhindern, daß Späne aus dieser Kammer austreten.
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Die
Komponenten der Maschine 100 sind nicht auf diejenigen
beschränkt, die zuvor beschrieben wurden. Beispielsweise
kann in einigen Fällen ein zusätzlicher Revolverkopf
vorgesehen sein. In anderen Fällen können zusätzliche
Spannfutter und/oder Spindeln vorgesehen sein. Im allgemeinen ist
die Maschine mit einem oder mehreren Mechanismen zur Einführung
eines Kühlfluids in die Kammer 116 versehen.
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In
der dargestellten Ausführungsform ist die numerisch computergesteuerte
Maschine 100 mit unterschiedlichen Haltern ausgestattet.
Das Spannfutter 110 in Kombination mit Klauen 136 bildet
einen Halter, wie auch das Spannfutter 112 in Kombination mit
den Klauen 137. In vielen Fälle werden diese Halter
auch dazu verwendet, ein Werkstück zu halten. Beispielsweise
lassen sich die Spannfutter und die dazu gehörigen Lager
nach Art einer Drehbank als Spindelkopf und optionaler Reitstock
zum Drehen eines Werkstücks verwenden. Die Spindel 144 und
der Spindelverbinder 145 bilden einen weiteren Halter.
In ähnlicher Weise schafft der Revolverkopf 108,
wenn er mit verschiedenen Revolverkopfverbindern 134 versehen
ist, eine Vielzahl von Haltern (in 9 dargestellt).
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Die
numerisch computergesteuerte Maschine 100 kann jedes aus
einer Anzahl verschiedener Arten von Schneidwerkzeugen verwenden,
die nach dem Stand der Technik bekannt sind oder als geeignet erachtet
werden. Beispielsweise kann das Schneidwerkzeug 102 ein
Fräswerkzeug, ein Bohrwerkzeug, ein Schleifwerkzeug, ein
Klingenwerkzeug, ein Hobelwerkzeug, ein Drehwerkzeug oder eine beliebige
andere Art von Schneidwerkzeug sein, das in Verbindung mit einer
numerisch computergesteuerten Maschine 100 als geeignet
betrachtet wird. Wie zuvor erörtert, kann die numerisch
computergesteuerte Maschine 100 mit mehr als einer Art
von Schneidwerkzeug ausgestattet sein, und durch die Mechanismen
der Werkzeugwechseleinrichtung 143 und des Magazins 142 kann
an der Spindel 144 ein Werkzeug gegen ein anderes ausgetauscht
werden. In gleicher Weise kann der Revolverkopf 108 mit
einem oder mehreren Schneidwerkzeugen 102 ausgestattet
sein, und der Operator kann zwischen den Schneidwerkzeugen 102 umschalten,
indem eine Rotation des Revolverkopfs 108 verursacht wird,
damit ein neuer Revolverkopfverbinder 134 in die geeignete
Position gebracht wird.
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Weitere
Merkmale einer numerisch computergesteuerten Maschine können
beispielsweise ein Luftgebläse zum Reinigen und Entfernen
von Spänen sein, verschiedene Kameras, Werkzeugkalibriereinrichtungen,
Sonden, Sondenaufnehmer und Beleuchtungseinrichtungen. Die numerisch
computergesteuerte Maschine, die in den 1 bis 9 dargestellt
ist, ist nicht die einzige erfindungsgemäße Maschine,
sondern vielmehr werden auch andere Ausführungsformen in
Betracht gezogen.
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Gemäß 10 umfaßt
der Revolverkopf 108 eine programmierbare Kühlmitteldüse 200,
die deutlicher in 11 sichtbar ist. Eine Spindel 144 umfaßt ein
Werkzeug, wie etwa ein Schleifrad 202, das in der dargestellten
Ausführungsform einen Schleifvorgang an einem Werkstück 204 ausführt,
das in einem seitlichen Spannfutter 110 gehalten wird.
Die Spindel 144 kann um eine Achse R1 gedreht werden, die senkrecht
zur Rotationsachse R2 des Rads 202 steht, wenn der Revolverkopf 108 sich
in einer festen Position relativ zu einer Basis der Maschine befindet. Die
Kühlmitteldüse 200 ist in der dargestellten
Ausführungsform in einem Rotationshalter 206 montiert, der
operativ an einen Motor gekoppelt ist und den Werkzeughaltern 135 ähnelt.
Der Rotationshalter 206 ist dazu in der Lage, die Düse 200 um
eine Rotationsachse R4 zu drehen, die in der Ausführungsform
der 10 und 11 senkrecht
zu den Rotationsachsen R1, R2, R3 der Spindel 144, des
Rads 202 und des Werkstücks 204 steht.
Der Motor ist mit dem Rechnersteuersystem der Maschine gekoppelt.
Der Motor kann innerhalb des Revolverkopfs 108 oder außerhalb
des Revolverkopfs 108 angeordnet sein. Die Düse 200 ist
mit einer Quelle 208 für Kühlfluid strömungsgekoppelt,
wodurch unter Steuerung durch das Rechnersteuersystem ein Fluid
selektiv unter Druck der Düse 200 zugeführt
werden kann. Die Quelle 208 kann eine Pump- und Filterausrüstung
umfassen, sowie andere bekannte Komponenten. Der Rotationshalter 206 kann
ein herkömmlicher zur Rotation angetriebener Halter sein,
der eine gekeilte Welle umfaßt, die in eine entsprechende
Struktur (nicht dargestellt) innerhalb des Revolverkopfs 108 eingreift.
In einigen Ausführungsformen kann eine Düse auf
einem herkömmlichen nicht drehbaren Halter angeordnet sein.
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Wie
in den 12 bis 14 dargestellt
ist, kann die Kühlmitteldüse unterschiedliche
Formen haben. Wie beispielsweise in 12 gezeigt
ist, kann das Kühlmitteldüsen-Werkzeug ein gewinkeltes
Düsenwerkzeug 200A sein. In dieser Ausführungsform ist
die Düse 200A in einem schrägen Winkel
relativ zur Rotationsachse R3 des Revolverkopfs 108 angeordnet.
Wie in den 13 und 14 dargestellt
ist, kann das Werkzeug alternativ ein rechtwinkliges Düsenwerkzeug 200B sein
und an der Seite des Revolverkopfs 108 montiert sein. In
jeder dieser Ausführungsformen ist die Düse an
einem Rotationswerkzeughalter 206 montiert und hierdurch
unabhängig von der Rotation des Revolverkopfs 108 drehbar.
In der Ausführungsform der 13 und 14 sind
die Rotationshalter 206 dazu angeordnet, die Düsen 200B, 200C um
eine Rotationsachse R4 zu drehen, die parallel zu den jeweiligen
Rotationsachsen R2, R3 des Rads 202 und des Werkstücks 204 steht.
In einer weiteren Ausführungsform, die in 16 dargestellt
ist, kann die Düse 200E gekrümmt sein.
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Das
Bearbeitungswerkzeug 100 ist vorzugsweise ein numerisch
gesteuertes Bearbeitungswerkzeug 100, in welchem der Revolverkopf 108 in
der X- und Z-Richtung verschoben werden kann, wie in herkömmlichen
Programmiertechniken. Vorzugsweise kann das Spannfutter 110 in
gleicher Weise entlang Achsen verschoben werden, die senkrecht zu
der Rotationsachse R4 des Werkstücks 204 steht.
Es ist somit ersichtlich, daß ein großes Ausmaß an
Flexibilität bei der Positionierung der Düse 200 relativ
zu dem Schleifrad 202 und dem Werkstück 204 erreicht werden
kann. In einigen Ausführungsformen kann der Revolverkopf 108 ebenfalls
in der Y-Richtung bewegbar sein.
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Wie
in 15 zu sehen ist, wird während des Schleifvorgangs
das Schleifrad 202 typischerweise in seinem Durchmesser
reduziert, bis auf einen reduzierten Durchmesser (das Rad 202' zeigt
das Rad 202 nach der Reduktion des Durchmessers). Die Umdrehungsgeschwindigkeit
des Schleifrads 202 wurde um 100% gesteigert, um die Oberflächengeschwindigkeit
des Rades beizube halten. Durch Bewegen des Schleifrads 202 relativ
zum Werkstück entlang des gezeigten Pfads P und durch Bewegen der
Kühlmitteldüse 200D von Position P1 in
Position P2 (dargestellt durch 200D') kann eine konstante
Zeit bis zur Anwendung des Kühlmittels bezüglich
des Schleifrads 202 beibehalten werden. Die konstante Zeit
bis zur Anwendung kann innerhalb der Grenzen der Maschine aufrechterhalten
werden. Der Kühlmittel-Winkel ändert sich von
90° (gezeigt mit der Düse in Position P1) bis
180° (in Position P2), doch der Durchmesser des Rades wurde
im 50% reduziert, und somit bleibt die Zeit bis zur Anwendung die
gleiche.
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Hierin
können verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden. Beispielsweise
sind das Rad 202 und das Werkstück 204 so
dargestellt, daß sie die Form gerader Zylinder haben, doch
es sind auch andere Formen möglich.
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Die
Position der Kühlmitteldüse wird durch die Bewegung
des Revolverkopfs 108 in der X- und Z-Richtung gesteuert,
und dann ist die Düse drehbar, um die Rotationsposition
der Düse zu steuern. Die Düse kann in einem herkömmlichen
Werkzeughalter montiert sein, der eine 360°-Drehung ermöglicht,
wie die Werkzeughalter 135 des Revolverkopfs 108,
der in 9 dargestellt ist. Die Kühlmitteldüse
kann das Kühlmittel entweder an einem Kontaktpunkt zwischen
dem Werkstück 204 und dem Schleifwerkzeug 202 richten,
oder unmittelbar auf das Schleifrad 202 für kontinuierliches
Viper-Schleifen.
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17 und 18 zeigen
weitere mögliche Orientierungen, in welchen die Kühlmitteldüsen 200F, 200G an
dem Revolverkopf 108 montiert sein können, damit
sie das Kühlmittel für das kontinuierliche Viper-Schleifen
ausrichten.
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Die
Kühlmitteldüse kann um jede geeignete Achse drehbar
sein, wie etwa die A-, B- und C-Achsen, die in 4 dargestellt
sind. Wie beispielsweise jeweils in den 19 bis 21 dargestellt
ist, kann die Kühlmitteldüse 200H, 200I, 200J um
die A-, C- oder B-Achsen drehbar sein. Die Rotation wird ermöglicht,
wenn die Kühlmitteldüse 200H, 200I, 200J in
der Betriebsposition des Revolverkopfs 108 angeordnet ist,
die sich bei der dargestellten Ausführungsform ”oben” am
Revolverkopf 108 befindet. Im allgemeinen ist diese Betriebsposition
die einzige Position, in welcher Kühlmittel durch einen
Werkzeughalter 206 auf den Revolverkopf 108 strömt
und in welcher der Revolverkopfmotor so positioniert ist, daß die Kühlmitteldüse
gedreht wird. Es wird jedoch angenommen, daß weitere Betriebspositionen
auf dem Revolverkopf möglich sind und daß weitere
Rotationsachsen der Kühlmitteldüse vorgesehen
sein können. Beispielsweise ist die Kühlmitteldüse
so dargestellt, daß sie sich in einem 90° Winkel
relativ zu den jeweiligen Rotationsachsen R1, R2 und R3 der Spindel 144,
des Schleifrads 202 und des Revolverkopfs 108 erstreckt,
doch in anderen Ausführungsformen kann sich die Kühlmitteldüse
in einem schrägen Winkel bezüglich der Rotationsachsen
erstrecken.
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Es
ist somit ersichtlich, daß verschiedene Anordnungen möglich
sind. Beispielsweise kann gemäß 22 ein
Nut-Schleifvorgang durchgeführt werden, bei welcher die
Kühlmitteldüse 200H aus 19 Kühlfluid
zuführt, das auf das dargestellte Schleifrad 202 trifft.
Alternativ kann bei dem Außendurchmesser-Rohschleifvorgang,
der in 23 dargestellt ist, die Kühlmitteldüse 200I aus 20 verwendet
werden. Allgemein sind andere Anordnungen der Kühlmitteldüse
relativ zum Schleifrad 202 und zum Werkstück 204 möglich.
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Die
Düse kann um eine Rotationsachse R4 drehbar sein, die in
Abhängigkeit von der Anordnung des Rotationshalters 206 variieren
kann. In den Ausführungsformen, die in den 10 bis 12 dargestellt
sind, haben beispielsweise die Düsen 200, 200A eine
Rotationsachse R4, welche der A-Achse der Maschine entspricht. In
der Ausführungsform, die in den 13 und 14 dargestellt
ist, haben die Düsen 200B, 2000 jeweils
eine Rotationsachse, die der C-Achse der Maschine entspricht. In
anderen Ausführungsformen kann die Düse um die
B-Achse der Maschine drehbar sein, wie etwa die Düse 200J, die
in 21 dargestellt ist, oder um eine Achse schräg
zu den A-, B- und C-Achsen.
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Das
Kühlmittel wird unter Druck der Düse zugeführt,
und in Verbindung mit dem Viper-Schleifen wird das Kühlmittel
typischerweise unter einem Druck von 500–1.500 psi zugeführt.
Wie in 24 gezeigt ist kann die Spitze 210 der
Düse 200K die Form eines schmalen Schlitzes aufweisen.
Es wird angenommen, daß in einigen Ausführungsformen
die Schlitzform einen laminaren Kühlmittelstrom ermöglicht,
was in einigen Fällen erwünscht ist. Eine solche laminare
Strömung kann ein Aufsprühen von Kühlmittel
aus einem größeren Abstand ermöglichen,
so daß vermieden werden kann, die Düse in unmittelbarer
Nähe des Schleifrads 202 und/oder des Werkstücks 204 anzuordnen.
Andere Düsenausbildungen sind möglich. Beispielsweise
kann die Spitze die Form einer Oberfläche mit vielen kleinen
Löchern aufweisen (nicht darge stellt). Eine laminare Strömung
kann auch bei anderen Ausführungen der Düse ermöglicht
sein.
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Wie
in 25 dargestellt ist, kann die Düse 200L auf
einem Schutz 212 des Schleifrads 202 montiert
sein. Bei dieser Ausführungsform kann das Schleifrad 202 auf
der Spindel 144 der Maschine angeordnet sein. Der Schutz 212 und
somit die Düse 211 sind stationär bzgl.
der Rotationsachse der Düse, d. h., die Düse,
der Schutz und das Rad bewegen sich gemeinsam in der Maschine (obwohl
das Rad rotiert und somit bezüglich der Düse und
des Schutzes sich bewegt). Um einen konstanten Kühlmittelkontaktwinkel
zu erhalten, werden das Werkstück 204 und das
Schleifrad 202 relativ zueinander bewegt, während
der Schutz 212 und die Düse 200L stationär
bezüglich der Rotationsachse R2 des Schleifrads 202 bleiben.
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Die
Maschine kann (und wird üblicherweise) weitere Düsen
zum Aufbringen von Kühlmittel aufweisen. Einige Düsen
können unter niedrigerem Druck (um 100 psi) arbeiten als
die Drücke, die zum Viperschleifen erwünscht sind.
In diesen Fällen kann die Maschine mit mehreren Pumpen
ausgestattet sein, eine für Betrieb unter niedrigerem Druck
und mit einer für Betrieb unter höherem Druck.
Eine geeignete Hochdruckpumpe mit hohem Volumen wird unter der Marke
CHIPBLASTER von Chipblaster aus Meadville, PA angeboten. In einigen
Fällen sind mehrere Düsen vorgesehen, eine zum
Aufsprühen von Kühlmittel auf das Schleifrad (oder
Werkstück) vor dem Kontaktpunkt und eine zum Aufsprühen
von Kühlmittel für eine Reinigungsfunktion nach
dem Kontaktpunkt. Zum Viperschleifen kann eine zweite Reinigungs-Kühlmitteldüse
verwendet werden, typischerweise ist dies jedoch nicht erforderlich.
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Die
Erfindung wurde vorstehend mit Bezug auf ein Schleifrad erläutert,
doch es können auch wahlweise andere Werkzeuge verwendet
werden. Andere Schleifräder als scheibenförmige
Räder sind in Betracht zu ziehen. In gleicher Weise wurde
die Erfindung in bezug auf die in den Figuren dargestellte Maschine
erläutert, doch es sind andere Maschinenanordnungen möglich.
In einigen Ausführungsformen kann eine Maschine mit mehreren
Revolverköpfen ausgestattet sein, und in einigen Ausführungsformen weisen
einer oder mehrere Revolverköpfe eine Y-Achsen-Bewegungskomponente
auf.
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Die
Aufrechterhaltung eines konstanten Kühlmittel-Kontaktwinkels
oder einer Zeit bis zur Anwendung wird innerhalb der Grenzen der
Leistungsfähigkeit der Maschine konstant bleiben. In einigen Ausführungsformen
wird die Aufrechterhaltung einer konstanten Zeit bis zur Anwendung
erreicht durch Aufrechterhaltung einer konstanten Zeit innerhalb
eines vorbestimmten Toleranzbereichs, so daß die Düse
relativ zu dem Rad oder zum Werkstück in Zwischenschritten
bewegt wird. In ähnlicher Weise wird die Aufrechterhaltung
eines konstanten Kühlmittel-Kontaktwinkels erreicht durch
Aufrechterhaltung eines konstanten Winkels innerhalb eines vorbestimmten
Toleranzbereichs, so daß wiederum die Düse relativ
zu dem Rad oder Werkstück in intermittierenden Schritten
bewegt wird.
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Alle
hierin vorgenommen Bezüge, einschließlich Veröffentlichungen,
Patentanmeldungen und Patenten, die hierin zitiert sind, werden
hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen. Jede Beschreibung bestimmter
Ausführungsformen als ”bevorzugte” Ausführungsformen
oder jede andere Beschreibung von Ausführungsformen, Merkmalen
oder bevorzugten Werdebereichen wird als nicht beschränkend
betrachtet, und die Erfindung soll alle Ausführungsformen
einschließen, die momentan als weniger bevorzugt erachtet
werden. Alle hierin beschriebenen Verfahren können in jeder
geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, falls nicht
anders dargestellt oder falls dies nicht im klaren Widerspruch zum Zusammenhang
steht. Die Verwendung aller Beispiele oder von Formulierungen bezüglich
beispielhafter Darstellungen (z. B. ”wie etwa”),
wie hierin vorgenommen, dienen lediglich der Erläuterung
der Erfindung und stellen keine Beschränkung des Umfangs
der Erfindung dar. Jede hier vorgenommene Feststellung bezüglich
der Art und der Vorteile der Erfindung oder der bevorzugten Ausführungsformen sind
als nicht beschränkend zu betrachten. Diese Erfindung umfaßt
alle Abwandlungen und Äquivalente ihres Gegenstands, wie
hierin beschrieben, soweit durch anwendbares Recht abgedeckt. Darüber
hinaus werden alle Kombinationen beschriebener Elemente in allen
denkbaren Abwandlungen von der Erfindung umfaßt, falls
nicht anders dargestellt oder falls nicht im Widerspruch zum Zusammenhang.
Die hierin vorgenommene Beschreibung jedes Bezugs oder Patents,
selbst wenn als ”vorhergehend” identifiziert,
soll nicht zugestehen, daß diese Bezugnahme oder dieses
Patent als Stand der Technik der vorliegenden Erfindung entgegensteht.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Offenbart
wird eine Ausführungsform einer numerisch computergesteuerten
Maschine mit einer Kühlmitteldüse, welche auf
einem Revolverkopf der Maschine montiert ist und welche relativ
zum Revolverkopf durch Steuerung eines rechnergesteuerten Systems
drehbar ist. Die Düse ist mit einer Quelle eines Kühlmittels
strömungsverbunden. Die Maschine umfaßt ein Rechnersteuersystem,
welches operativ mit verschiedenen Komponenten der Maschine gekoppelt
ist, einschließlich der Düse. In einigen Ausführungsformen
kann die Düse bewegt werden, um einen konstanten Kontaktwinkel
bezüglich des Werkzeugs oder des Werkstücks zu
erhalten. In anderen Ausführungsformen kann die Düse
bewegt werden, um eine konstante Zeit bis zur Anwendung des Kühlmittels
zu erreichen. Entsprechende Verfahren sind ebenfalls offenbart.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6772042
B1 [0005]
- - US 6666748 B2 [0005]
- - US 6123606 [0007, 0007]