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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Kühlen von Bearbeitungswerkzeugen
und auf Systeme zur Kühlmittelversorgung
von Werkzeugen zum Schneiden und für andere Maschinenarbeiten, insbesondere
auf Verteiler von kryogenen Fluiden zum Kühlen von Werkzeugen, die auf
einer drehbaren Revolverkopfplatte befestigt sind.
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Beispiele
von Vorrichtungen gemäß dem Stand
der Technik und Verfahren für
das kryogene Kühlen
von Werkzeugen beim Maschinenbetrieb werden in der U.S.Pat.Nos.
5,761,974 (Wang, et al.) und 5,901,623 (Hong) offenbart. Diese Patente
würdigen,
dass kryogenes Kühlen
von Werkzeugen für die
Formgebung von Teilen durch Abtragen von Material vorteilhaft für deren
Sauberkeit, die Abwesenheit von Umwelteinflüssen, welche die üblichen Schneidfluide
kennzeichnen, und für
verbesserte Werkzeuglebensdauer wegen reduzierten Werkzeugverschleißraten ist.
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Die
Einbindung von kryogenem Kühlen
ist jedoch für
Werkzeuge, die auf Drehtakt-Revolverkopfplatten montiert sind, die üblicherweise
bei Maschinen wie Drehmaschinen oder Bearbeitungszentren benutzt
werden, die einen rechnergestützten
numerischen Steuerer (CNC) besitzen, schwierig. Von einer äußeren Druckquelle
fließend
muss das Kryogen einen Revolverkopf, der einen Maschinenschlitten
hält, eintreten,
der sich typischerweise in zwei Vorschubrichtungen (X-Z) bewegt
und dann zum spezifischen Werkzeug gelangt, welches sich zu einem
vorgegebenen Moment in einem Schneidbetrieb befindet und welches
zusammen mit anderen Werkzeugen auf einer Vielfachwerkzeug-Drehtaktrevolverkopf-platte montiert
wurde.
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Ein
Revolverkopfkühlsystem
für eine
Drehbank, das in der U.S. Pat.Nr. 5,265,505 (Frechette) offenbart
ist, ist mit der charakteristischen Drehteilung von Werkzeugen relativ
einfach zu synchronisieren und kann bei der Mehrzahl der modernen CNC-Maschinen nachgerüstet werden,
weil die Verteilventile und Rohre auf der Oberseite oder der Vorderseite
des Revolverkopfs angefügt
werden. Leider würden
das Verteilventil, die Dichtung und die Befestigungsmechanismen
wie auch die Rohre, die in der beschriebenen Vorrichtung verwendet
werden, natürlich
lecken und eventuell bei einer unter Druck stehenden Beaufschlagung
mit kryogenem Fluid ausfallen, wobei die Revolverkopfplatte eine
thermische Schrumpfung erleiden würde, die die maßliche Genauigkeit
der bearbeiteten Teile beeinflusst. Gleiche Anmerkungen gelten für die U.S.Pat.Nr.
5,862,833 (Perez), welche einen etwas verbesserten Dichtungsmechanismus
offenbart, jedoch wegen eines weitreichenden, leitenden Kontakts
des Verteilers mit der Revolverkopfplatte eine kompliziertere Nachrüstprozedur
erfordert, was zu merklichen maßlichen
Ungenauigkeiten während
der Bearbeitung mit einem kryogenen Fluid führen würde.
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Die
U.S.Pat.Nr. 4,164,879 (Martin) offenbart ein Kühlsystem für ein Bearbeitungswerkzeug
mit einem drehbaren Revolverkopf. Das System umfasst einen Verteiler,
der auf dem Revolverkopf (koaxial mit der Drehachse des Revolverkopfs)
zur Leitung von Kühlflüssigkeit
zu einem Werkzeug montiert ist, welches taktweise in die Arbeitsposition
gefahren wurde. Der Verteiler umfasst ein drehbares Teil (welches sich
mit dem Revolverkopf dreht), in dem ein nicht drehbares Teil angeordnet
ist. Das drehbare Teil hat eine Vielzahl von radial verteilten Kanälen, welche Kühlmittel
vom nicht drehbaren Teil zu werkzeugaufnehmenden Futtern auf dem
Revolverkopf leiten. Eine Absperrventil-Anordnung in jedem Futter
und Betätigungsteile
auf ausgewählten
Werkzeugen regulieren wahlweise den Fluss des Kühlmit tels zu den Werkzeugen
in der Arbeitsposition. Dieses Kühlsystem
hätte eine
Vielzahl von Problemen, wenn es mit kryogenen Fluiden betrieben
werden würde,
umfassend Feuchtigkeitskondensation und Einfrieren von bewegten
Teilen, Undichtigkeit für
niederviskose kryogene Fluide wegen inkompatibler Dichtungskomponenten,
in denen sich jedes Material thermisch in einem anderen Grad zusammenzieht,
wobei alle elastomeren Komponenten spröde werden, und maßliche Ungenauigkeit
einer unvorteilhaft gekühlten
Revolverkopf-Platte etc.
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Probleme
mit maßlicher
Genauigkeit und der Leitungseffizienz, die die Ventile charkaterisieren,
die kryogene Fluide zu Schneidwerkzeugen in Maschinenapplikationen
verteilen, wurden in U.S.Pat.Nr. 5,509,335 (Emerson) abgehandelt.
Das Revolverkopfplattenverteilersystem, welches in diesem Patent gelehrt
wird, besitzt ein betätigtes
Kolbenventil, welches Leitungen, die mit spezifischen Werkzeugen kommunizieren, über einen
Kolbensitz gemäß der Drehtaktprozedur,
welche durch ein Maschinen-CNC-Programm aufgerufen wurde, trennt
oder verbindet. Zur Minimierung von thermischen Schrumpfungsproblemen
benötigt
dieses System eine komplette Überarbeitung
des Revolverkopfes, was eine sehr unpraktische Maßnahme in
einer Produktionsumgebung darstellt, und was schnelle Nachrüstung unmöglich macht.
Darüber
hinaus ist die Synchronisation des Kolbenventils mit der Taktung des
Revolverkopfes nicht einfach und die Funktionssicherheit oder die
Lebensdauer des Kolbensitzes ist begrenzt.
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Es
ist wünschenswert,
einen Verteiler zur Lieferung einer Flüssigkeit oder eines Zwei-Phasen-Stromes
eines kryogenen Fluides (z.B. flüssiger Stickstoff)
hin zu einem spezifischen Werkzeug, welches auf einem Mehrwerkzeug-Revolverkopf
montiert ist und sich in einer Fertigungsoperation, wie z.B. Schneiden
befindet, zu haben.
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Weiterhin
ist es gewünscht,
einen Verteiler für
ein kryogenes Fluid zu haben, der leicht auf bestehenden Maschinen
schnell und einfach angebaut werden kann.
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Weiterhin
ist es wünschenswert,
einen Verteiler für
kryogenes Fluid zur Kühlung
eines Maschinenwerkzeuges zu haben, der nicht die Möglichkeit von
Maschinenoperationen mit konventionellen Schneidflüssigkeiten
ausschließt
und nicht die Möglichkeit
des gleichzeitigen Gebrauchs eines konventionellen Flüssigkeitssystems
und eines kryogenen Werkzeugkühlsystems
verhindert.
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Weiterhin
ist es wünschenswert,
einen Verteiler für
kryogenes Fluid zum Kühlen
eines Maschinenwerkzeugs zu haben, welcher in den Bearbeitungswerken
(Betrieben mit geringer Marge) erschwinglich ist.
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Weiterhin
ist es wünschenswert,
einen Verteiler zum Liefern eines kryogenen Fluides zu haben, der
die Möglichkeit
des Kühlens
der werkzeughaltenden Revolverkopfplatte verhindert, um thermisch
induzierte maßliche
Ungenauigkeiten in den hergestellten Teilen zu verhindern und welcher
in einer leckfreien Art und Weise mit einem flüssigen Kryogen arbeitet.
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Weiterhin
ist es wünschenswert,
einen Verteiler zur Lieferung eines kryogenen Fluides zu haben,
welcher den Nutzen von thermischen Isoliermaterialien und -komponenten
maximiert und welcher durch ein Minimum thermischer Masse gekennzeichnet
ist, welche schnell abgekühlt
werden kann, so dass nur eine vernachlässigbare, vorübergehende Dampfdrosselung
während
warmen Anlaufvorgängen
des kryogenen Flusses auftritt, was möglicherweise im Fall von signifikant
unterbrochenen Bearbeitungsoperationen notwendig wird.
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Weiterhin
ist es wünschenswert
einen Verteiler zur Lieferung von kryogenen Fluid zu haben, der zuverlässig im
Betrieb ist, keine schnell verschleißende Teile besitzt, eine einfache
Synchronisation mit der Drehtaktung der Revolverkopfplatte bietet
und niemals ausfällt
oder sich in einer Art frisst, welche Bearbeitungswerkzeuge, Komponenten
oder bearbeitete Teile zerstört.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Verteiler für kryogenes Fluid zum Kühlen von
wenigstens einem Bearbeitungswerkzeug, welches auf einer drehbaren
Revolverkopfplatte montiert ist. Der kryogene Verteiler kann bei
konventionellen Bearbeitungswerkzeugen derart nachgerüstet werden,
dass der Verteiler nicht die Möglichkeit
der Bearbeitungsoperationen mit konventionellen Schneidflüssigkeiten nimmt.
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Einen
erste Ausführungsform
der Erfindung umfasst einen polymeren Rotor, einen metallischen Stator
und eine Selbstdichtungseinrichtung. Der polymere Rotor hat einen
ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und eine Kavität innerhalb
des Rotors. Der metallische Stator hat ein erstes Ende, ein zweites
Ende, einen erste Längsachse
und einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Ein wesentlicher
Abschnitt des Stators ist in der Kavität innerhalb des Rotors angeordnet,
wobei wenigstens eine Kupplungsstelle zwischen dem Stator und dem Rotor
gebildet wird. In Bezug auf die Selbstdichtungseinrichtung ergibt
ein Unterschied zwischen dem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und
dem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten wenigstens eine
Dichtung an der wenigstens einen Kupplungsstelle zwischen dem Stator
und dem Rotor, sofern das kryogene Fluid durch wenigstens einen
Teil des Sta tors fließt.
In Abwandlung der ersten Ausführungsform
kann der Rotor innerhalb einer Dampfglocke angeordnet sein, so dass
ein Ringkanal zwischen der Dampfglocke und dem Rotor ausgebildet
ist.
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Verschiedene
kryogene Fluide können
mit dem Verteiler verwendet werden. Beispielsweise kann das kryogene
Fluid aus der Gruppe bestehend aus kryogenem Stickstoff, kryogenem
Argon, kryogenem Kohlendioxid, kryogenem Helium und jeder Kombination
oder Mischung hieraus mit einer Temperatur von –80°C oder weniger ausgewählt werden. Der
Fluss des kryogenen Fluides zum Verteiler kann durch eine Flusssteuerungseinrichtung,
wie z.B. eine Flusssteuerungsbox reguliert werden.
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In
einem bevorzugten ersten Ausführungsbeispiel
umfasst der Verteiler auch eine erste metallische Schrumpfungsausgleichsplatte
und eine zweite metallische Schrumpfungsausgleichsplatte. Die erste metallische
Schrumpfungsausgleichsplatte hat eine Achse, die parallel ist zur
ersten Längsachse
und ist auf dem Stator benachbart zum zweiten Ende des Stators innerhalb
der Kavität
montiert. Die zweite metallische Schrumpfungsausgleichsplatte ist
auf dem Stator parallel zum und oberhalb der ersten metallischen
Schrumpfungsausgleichsplatte innerhalb der Kavität montiert. Der Verteiler umfasst
ebenso eine erste Kupplungseinrichtung mit niedriger Reibung zwischen
dem Stator und der ersten metallischen Schrumpfungsausgleichsplatte
und eine zweite Kupplungseinrichtung mit niedriger Reibung zwischen
dem Stator und der zweiten metallischen Schrumpfungsausgleichsplatte.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst der Verteiler auch ein Säulenrohr
und einen Verbindungsarm. Das Säulenrohr
ist mit einem Revolverkopfschlitten verbunden. Der Verbindungsarm
hat ein erstes Ende, welches mit dem Stator verbunden ist, und ein
zweites Ende, welches z.B. mit dem Säulenrohr verbunden ist. In
einer Abwandlung dieser Ausführungsform
ist die Länge
des Verbindungsarmes justierbar.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Maschine, welche
wenigstens ein Bearbeitungswerkzeug und einen Verteiler für ein kryogenes
Fluid zur Kühlung
des wenigstens einen Bearbeitungswerkzeugs gemäß der ersten Ausführungsform,
die oben beschrieben wurde, besitzt.
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In
einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst der Verteiler eine Leitung, einen
polymeren Rotor, einen metallischen Stator und erste und zweite
metallische Schrumpfungsausgleichsplatten. Die Leitung hat ein erstes Ende
und ein zweites Ende, wobei das erste Ende mit einer Versorgung
des kryogenen Fluids kommuniziert. Der polymere Rotor hat ein erstes
Ende, ein zweites Ende, eine äußere Wandung
zwischen dem ersten und dem zweiten Ende, eine innere Wandung zwischen
dem ersten und dem zweiten Ende und eine erste Längsachse. Die äußere Wandung
ist im Wesentlichen symmetrisch um die erste Längsachse und die innere Wandung
ist im Wesentlichen symmetrisch um die erste Längsachse und formt eine im Wesentlichen
symmetrische Kavität
innerhalb des Rotors zwischen der inneren Wandung und der ersten
Längsachse.
Der Rotor ist drehbar um die erste Längsachse und hat wenigstens
einen radialen Kanal benachbart zum zweiten Ende des Rotors zwischen
der inneren und äußeren Wandung
des Rotors. Jeder radiale Kanal ist im Wesentlichen gleich beabstandet
zu einem radialen Nachbarkanal, im Wesentlichen gleich beabstandet
vom zweiten Ende des Rotors und hat einen Einlass, einen Auslass
und eine andere Längsachse,
die winklig beabstandet von der ersten Längsachse angeordnet ist. Ein
wesentlicher Abschnitt des metallischen Stators ist in der Kavität innerhalb
des Rotors angeordnet. Der Stator hat ein erstes Ende oberhalb des
ersten Endes des Rotors und ein zweites Ende oberhalb des zweiten
Endes des Rotors. Der Stator hat einen ersten Kanal koaxial mit
der ersten Längsachse
und einen zweiten Kanal, die eine zweite Längsachse besitzt, welche winklig
beabstandet von der ersten Längsachse
angeordnet ist. Jeder der Kanäle
hat einen Einlass und einen Auslass. Der Einlass des ersten Kanals
kommuniziert mit dem zweiten Ende der Leitung; der Auslass des ersten
Kanals kommuniziert mit dem Einlass des zweiten Kanals; und der
Auslass des zweiten Kanals ist derart anpassbar, dass er mit dem
Einlass des wenigstens einen Radialkanals kommunizieren kann. Die
erste metallische Schrumpfungsausgleichsplatte, welche eine Achse parallel
zur ersten Längsachse
besitzt, ist auf dem Stator benachbart zum zweiten Ende des Stators
innerhalb der Kavität
befestigt. Die zweite metallische Schrumpfungsausgleichsplatte ist
auf dem Stator parallel zu und oberhalb der ersten Schrumpfungsausgleichsplatte
innerhalb der Kavität
montiert. In einer Abwandlung dieser Ausführungsform ist die andere Längsachse
eines jeden radialen Kanals im Wesentlichen senkrecht zur ersten
Längsachse
und die zweite Längsachse
des Stators ist im Wesentlichen senkrecht zur ersten Längsachse.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Verteiler auch eine erste Kupplungseinrichtung mit niedriger
Reibung zwischen dem Stator und der ersten metallischen Schrumpfungsausgleichsplatte
und eine zweite Kupplungseinrichtung mit niedriger Reibung zwischen
dem Stator und der zweiten metallischen Schrumpfungsausgleichsplatte.
Der Verteiler umfasst auch einzelne Rohre, die mit jedem der einzelnen
Radialkanäle
kommunizieren und sich von diesen wegerstrecken. Das zweite Ende
des Rotors ist ebenfalls mit der Revolverkopfplatte verbunden. Vorzugsweise
ist das zweite Ende des Stators beabstandet von der Revolverkopfplatte
angeordnet.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen
beispielhaft beschrieben werden, wobei:
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1 ein
schematisches Diagramm einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung in Verbindung mit einem Horizontalbearbeitungscenter (Drehbank)
ist, welches einen rechnergestützten
numerischen Steuerer (CNC) nutzt;
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2 eine
Teil-Schnittansicht ist, die den Verteiler und verbundene Komponenten
für eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 eine
Draufsicht einer Verbindungsstange ist, welche eine Vorrichtung
zur Verbindung derselben mit einem Säulenrohr und mit einer Statorkomponente
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 eine
perspektivische Ansicht ist, die eine Ausführungsform eines zusammengebauten Verteilers
gemäß der vorliegenden
Erfindung vor dem Montieren des Verteilers auf einer Takt-Revolverkopfplatte
und einem X-Y Revolverkopf-Verfahrschlitten zeigt.
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5 eine
schematische Schnittansicht des Stators und des Rotors des Verteilers
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, welche die Dichtungskräfte innerhalb des kryogenen
Kühlmittelverteilers
zeigt und
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6 eine
schematische, Teil-Schnittansicht ist, die eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit einer Dampf enthaltenden Glocke zur
Schnellbeaufschlagung mit Dampf beim warmen Anlauf zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Verteiler für kryogenes Fluid für Revolverkopfwerkzeugmaschinen
(z. B. Drehbänke),
welcher einen Strom von kryogenem Fluid von einer externen, druckbeaufschlagten
Kryogenquelle zu einer Arbeitsposition eines Bearbeitungswerkzeuges
leitet, um Überhitzung
des Werkzeugs zu verhindern. Konstruiert für leichtes Nachrüsten und
Synchronisieren mit Mehrfachwerkzeugrevolverkopfmaschinen erlaubt
der Verteiler für eine
Bearbeitungsmöglichkeit
mit zwei Fluiden, das Kombinieren von kryogenem Fluid und einem
konventionellen Schneidfluid (welches über ein konventionelles Kühlsystem,
dass in einer vorgegebenen Werkzeugmaschine eingebaut ist, fließt). Hergestellt aus
geringer thermischer Masse, isolierendem Polymer und metallischen
Teilen nutzt der Verteiler die unterschiedlichen thermischen Schrumpfungskoeffizienten
der Teile, um kryogene dichtende Verbindungen auszubilden, was ein
unerwünschtes
Kühlen
der Revolverkopfplatte verhindert und einen schnellen Kryogenflussstart
sicherstellt.
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1 zeigt
ein Verteilersystem 10 für kryogenes Kühlmittel,
welches auf einer Werkzeugmaschine 21 (z. B. einer Drehbank)
zur Bearbeitung eines Werkstücks 29,
welches durch ein Futter 33 gehalten ist, installiert ist.
Der Fluss des Kühlmittels
(z. B. LN2) über
eine Kryogenversorgungsleitung 60 zum System wird über eine
Flusssteuerungsbox 34, die an einer Anlagenwandung 31 oder
einem anderen stationären
Objekt montiert ist, reguliert. Die Ausführungsform, die in 1 gezeigt
ist, nutzt einen rechnergestützten
numerischen Steuerer (CNC) (nicht gezeigt). Die Bedienschalttafel 23,
welche Teil des Schaltpultes 35 für die CNC ist, ist mit der
Flusssteuerungs box verbunden. Die Flusssteuerungsbox kann von der
Art sein, die in der US 2002/0056278 A1 von Zbigniew Zurecki et
al. übertragen
auf Air Products and Chemicals, Inc., offenbart ist.
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2 zeigt
einen Verteiler 20, der auf die Revolverkopfoberfläche einer
Taktrevolverkopfplatte 22 (gezeigt in 1 aber
nicht gezeigt in 2) zu montieren ist.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 2 umfasst
das Verteilersystem 10 einen Verteiler 20, welcher
auf die Oberseite der Revolverkopfplatte 22 in seiner axialen
Position geschraubt wurde, ein Säulenrohr 24,
welches auf einer Seite des Revolverkopfschlittens 26 befestigt
ist, eine Verbindungsstange 28 (oder Gegendrehmomentstütze) welche
an einem Ende mit einem Stator 30 verbunden ist und am
gegenüberliegenden
Ende mit dem Säulenrohr
verankert ist und die flexible Kryogenversorgungsleitung 32,
die Kryogen von einem Kryogen-Druckkessel (nicht gezeigt) oder einer
anderen Quelle über
die Kryogenversorgungsleitung 60 und eine Flusssteuerungsbox 34 zum
Verteiler leitet. Kryogen vom Verteiler wird auf das Werkzeug 40 durch
eine Aktivdüse 27 gesprüht.
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3 zeigt
einen Weg zur Verbindung der Verbindungstange 28 mit dem
Stator 30 und dem Säulenrohr 24.
Wie gezeigt, benutzt die Verbindung mit dem Stator eine Schlüssellochkupplung
und einen Montagebolzen 39. Fachleute werden erkennen, dass
die Drehmomentkupplung auch über
andere Maßnahmen
erreicht werden kann. Die Anbindung zu dem Säulenrohr kann ein gabelförmiges Ende
der Verbindungsstange, wie in 3, gezeigt
nutzen.
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Wie
in 4 und 4a gezeigt, gibt es viele Kanäle 36 im
Rotor 44 des Verteilers 20. Jeder Kanal hat ein
Rohr 38, welches sich vom Kanal weg erstreckt, um Kryogen
zu einem individuel len Werkzeug zu leiten. Diese Zusammenstellung
erlaubt die Lieferung von kryogenem Fluid zu jedem Werkzeug 40 in
der Arbeitsposition (1), sogar wenn die Revolverkopfplatte 22 auf
der die Werkzeuge montiert sind, in den X- und Y-Richtungen verschoben wird (wie durch
die Pfeile 25 in 1 angedeutet),
während
die Revolverkopfplatte Werkzeuge von einer Arbeitsposition zu einer
anderen drehend takten kann, was charakteristisch ist für den Betrieb
eines modernen Bearbeitungszentrums, welches eine rechnergestützten numerischen
Steuerer (CNC) nutzt.
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Das
Verteilersystem 10 kann mit irgendeinem kryogenen Fluid,
welche bei Raumbedingungen inert sind, arbeiten, umfassend, aber
nicht begrenzt auf kryogenen Stickstoff, kryogenes Argon, kryogenes
Kohlendioxid oder kryogenes Helium, welches unter gesättigten
Bedingungen, im Zwei-Phasen-Zustand (siedend) und in unterkühltem Zustand
und innerhalb einem Bereich von Drücken von ungefähr 0,34
bis 17,24 bar (5 – 250
psig) geliefert wird.
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Obwohl
derzeit nur flüssiger
Stickstoff (LN2 oder LIN) als ökonomisches,
kostensparendes Werkzeugkühlmedium
in typischen Bearbeitungszentren mit niedriger Marge verwendet werden
kann, wird jedoch LN2 in der folgenden Beschreibung der vorliegenden
Erfindung verwendet.
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Der
Verteiler 20 umfasst einen metallischen Stator 30 (oder
Kolben) mit einem radialen Loch 42 in einer festgelegten
Winkelposition, umgeben von einem Polymeren Rotor 44 mit
einer Anzahl gleichverteilter Radialkanäle 36 die mit der
Anzahl der Werkzeugpositionen auf der Revolverkopfplatte 22 korrespondieren.
Typische Revolverkopfplatten haben 10 oder 12 Werkzeugpositionen
und typische Rotoren haben 10 oder 12 symmetrische Radialkanäle 36,
die in einem Abstand von 30 oder 36 Grad voneinander angeordnet
sind.
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Die
bevorzugten Werkstoffe sind rostfreie Stähle der 300er-Serie für den Stator 30 und
ein Teflon®-Kohlenstoff-Verbundmaterial (mit
5 bis 35 vol.-% Kohlenstoff oder Graphit) für den Rotor 44. (Teflon® ist
eine registrierte Marke von E.I. DuPont de Nemours Company (DuPont)).
Hergestellt aus der gleichen Legierung wie der Stator sind zwei
metallische Schrumpfungsausgleichsplatten (46, 47),
wobei eine oben und die andere unten bezüglich des pilzförmigen Stators
im Bereich mit großem
Durchmesser angeordnet sind. Die Durchmesser dieser runden Platten
sind dieselben oder geringfügig
kleiner wie die Durchmesser der breiten Abschnitte des Stators und die
Platten sind kinematisch vom Stator getrennt, unter Verwendung einer
Kupplung mit niedriger Reibung, z. B. dünne metallische oder nicht
metallische Dichtungseinsätze
wie beispielsweise eine Kohlenstoff- oder Messing-Folie (48, 49).
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Unter
Bezugnahme auf 2 ist eine polymere Füllplatte 50 (ein
Isolator) direkt unter der fußseitigen
metallischen Schrumpfungsausgleichsplatte 47 angeordnet
und schließt
die Fußöffnung des
polymeren Rotors 44, die zur Oberfläche der Revolverkopfplatte 22 gerichtet
ist. Die Füllplatte
verhindert Konvektions- und/oder Strahlungskühlung der Revolverkopfplatte
durch den kryogenen Fluss durch den Stator 30. Zur Vereinfachung
des Montierens des Verteilers 20 auf Revolverkopfplatten
ist eine Montageplatte 52 aus rostfreiem Stahl vorgesehen.
Die Montageplatte hat radial verteilte Löcher 54 zur Befestigung
auf der Revolverkopfplatte von der Bodenseite her und einen Satz
von langen Bolzen 56 aus rostfreiem Stahl zur Befestigung
des Rotorkörpers auf
der Oberseite. Die Montageplatte bleibt während der Bedienung auf Raumtemperatur,
da sie thermisch vom kryogen kalten Stator isoliert ist. Hindurchragend
durch die Seitenwandung des Rotors sind Montagebolzen mit federbelasteten
Komponenten 58 (z. B. Sprengringe und Muttern) befestigt,
welche eine konstante Belastungskraft unabhängig von der Temperatur liefern.
Ohne diese Federlast würde der
Rotor während
der LN2-Fluss-Phase locker werden, da der polymere Rotor stärker als
die metallischen Bolzen schrumpfen würden.
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Das
verlängerte
Einlassende des Stators 30 ist kinematisch mit einer Gegendrehmomentverbindungsstange 28,
die ihre Winkelposition nicht ändern kann,
weil sie an dem Säulenrohr 24 verankert
ist, verbunden. Deswegen, verbleibt der Stator in der selben Winkelposition,
gehalten durch die Gegendrehmomentverbindungsstange, auch wenn der
Rotor 44 und die Rohre 38, die sich von den Kanälen 36 zu den
individuellen Werkzeugen erstrecken, zusammen mit der Revolverkopfplatte 22 rotieren.
Zur einfachen Nachrüstung
von Werkzeugmaschinen mit Revolverkopfplatten verschiedener Durchmesser kann
das Ende der Verbindungsstange benachbart zum Säulenrohr wie eine Gabel geformt
sein, wie in 3 gezeigt. Die 4 und 4a zeigen
zwei verschiedene Konfigurationen der Verteiler-Stange-Säulenrohranordnung zur Montage
auf einer Revolverkopfplatte. Die in der Länge justierbare Verbindungsstange 28,
die in 4a gezeigt ist, sorgt für eine Flexibilität des Gebrauchs
des Verteilers bei Maschinen unterschiedlicher Größe.
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Eine
Vorbedingung für
einen geeigneten Betrieb ist ein Ausrichten des Radiallochs 42 im
Stator 30 mit dem Kanal 36 des Rohrs 38,
welches zum Werkzeug in Arbeitsposition führt. Dies wird durch ein Lösen der
Verbindung zwischen der Verbindungsstange 28 und dem Stator 30 bewerkstelligt,
wobei die beiden Löcher
ausgerichtet werden und die Verbindung wiederum angezogen wird.
Der Winkelfehler bei der ersten Ausrichtung kann eine Drosselung
des kryogenen Flusses durch die Stator-Rotor-Verbindung und eine Dampfsperre in stromabwärtigen Rohren,
we gen eines entspannenden Siedens des Kryogens bewirken, was kontraproduktiv
wäre.
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Das
System wird hochgefahren durch Öffnen der
Kryogenversorgungsleitung 16 und durch das Erlauben eines
Kryogenstroms über
die flexible Versorgungsleitung 32 zum Eingangsrohr 45 in
das Säulenrohr 24 und
anschließend über die
Verbindungsrohre 37 zum Stator 30. In der bevorzugten
Ausführungsform
sind sowohl die Einlassrohre als auch die Verbindungsrohre aus Teflon® ausgebildet,
wie auch das Füllrohr 41 in
dem Säulenrohr.
Sofern alle Komponenten während
des Starts auf Raumtemperatur waren, ist das, was zuerst vom Verteiler 20 und
den Rohren herauskommt ein Kaltdampf der erzeugt wurde, weil die
Komponenten auf die Temperatur des Kryogens abkühlen. Sekunden später verändert sich der
Strom in einen Zwei-Phasen-Fluss, anschließend in einen Flüssigkeitsstrom.
Das Polymer des Rotors 44 wird kalt und vollständig zusammengezogen
auf den Umfang des metallischen Stators, wodurch eine kryogene Dichtung
zwischen der Kavität 42 des
Stators 30 und den Vielfachwerkzeugkanälen 36 im Rotor 44 bewerkstelligt
wird.
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Da
der Unterschied in dem Zusammenziehen zwischen Teflon®-Bestandteilen und
Teilen aus rostfreiem Stahl, gekühlt
durch LN2 etwa 1,5 %, erreichen kann, würde die Kontraktion den Stator 30 innerhalb
des Rotors 44 klemmen lassen, wodurch jede Relativdrehung
ausgeschlossen würde,
sofern nicht die zwei metallischen Schrumpfungsausgleichsplatten 46, 47 eingesetzt
sind, welche diese Erscheinung verhindern. Es war überraschend,
zu entdecken, dass während
Leistungstests mit LN2 es diese Platten waren, die sich innerhalb
des Rotors verklemmt haben und somit dem Stator, der zwischen den
Platten angeordnet war (in axialer Richtung) es ermöglichten,
innerhalb der Rotorkavität leicht
zu rotieren, sobald die Reibung zwischen den Platten und dem Stator
durch Zugabe von Gleitdichtmitteln oder Festschmierfolien (48, 49)
gesenkt wurde. Obwohl die Verteilung von momentanen thermischen
und Dichtungsspannungen nicht vollkommen bekannt ist, scheint es
unter Berücksichtigung
von mehrfachen Kryogenstarts und -stopps, die bei einem typischen
Maschinenservice notwendig werden, dass die axiale Kraft (Fa) und
die radiale Kraft (Fr), die durch den kryogenisch kalten Rotor erzeugt
werden, wie in 5 gezeigt, für die notwendige umfängliche
Dichtung und die axiale Ausrichtung des Verteilers sorgen. In Tests
mit einem Prototypen, bei dem kryogene Verteiler die Schrumpfungsausgleichsplatten
und/oder die Gleittrennungen zwischen den Platten und dem Fuß mit großem Durchmesser
des Stators nicht hatten, war die Vorrichtung ständig verklemmt oder begann
zu lecken und fiel nach nur wenigen Wochen des Betriebs aus.
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Die
folgenden Schritte bei einer typischen Maschinen- und Verteilerbedienung
schließen
Plattenrotationen zur Taktung neuer Werkzeuge in die Arbeitsposition
ein: Da der Revolverkopf von einer Position zu einer anderen rotiert,
sieht das Statorloch nur eine Sperrwand des Rotorkörpers und
der Kryogenfluss ist gestoppt. Sobald der Revolverkopf auf eine
neue Position getaktet ist, was üblicherweise
ein oder zwei Sekunden benötigt,
wird der Kryogenfluss über
einen neuen Kanal im Rotor wiederhergestellt. Da der Verteiler während solch
einem Taktungsschritt kryogenisch kalt bleibt, ist der Fluss zu
einem neuen Werkzeug innerhalb einer Sekunde wiederhergestellt im
Gegensatz zu vielen Sekunden, die in dem Fall des ersten warmen
Hochlaufens nötig
sind.
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Es
ist übliche
Praxis bei der Maschinenbedienung, dass nur wenige Werkzeugpositionen
auf einer Revolverkopfplatte bestückt sind. In solch einem Fall
können
die nichtgenutzten Werkzeugkanäle im
Rotor einfach mit einer metallischen Stange oder einen Bolzen besteckt
werden, um irgendwelche Maschinenablage rungen daran zu hindern,
mit der Rotor-Stator-Kupplung in Kontakt zu gelangen. Die kryogene
schrumpfungsfeste Dichtung zwischen diesen Steckern und dem polymeren
Rotor wurde als ausreichend zur Verhinderung von Leckage entdeckt,
sogar wenn ein besteckter Kanal in einer Arbeitsposition unter vollen
Kryogenversorgungsdruck gebracht wird. Einer dieser ungenutzten
Kanäle
kann auch als eine beschleunigte Druckausgleichsvorrichtung verwendet
werden, besonders geeignet während
warmer Starts mit starkem Sieden von kryogenen Strömen, die
einen großen
Anteil von Dampf enthalten.
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6 zeigt
diese Modifikation unter Einbeziehung einer lose befestigten Dampfglocke 62,
die den Rotor 44 umgibt und den anfänglichen Dampfstrom von den
nicht benutzten Kanälen 36 um
den Verteiler 22 leitet. Wenn ein Kryogen mit hohem Dampfanteil
zunächst
dem Verteiler aufgegeben wird, wird der Revolverkopf zu einer Position
mit dem offenen Kanal gedreht, der kalte Dampf fließt durch die
Dampfglocke, beschleunigt das Abkühlen des Rotors und des Stators 30 und
entweicht dann durch die obere Öffnung
in die Arbeitsumgebung der Maschine. Ein paar Sekunden später kann
die Revolverkopfplatte 22 in ihre notwendige Bearbeitungswerkzeugposition
zurückgedreht
werden, um den Herstellzyklus mit einem voll ausgebildeten kryogenen Kühlmittelfluss
zu beginnen. Die Dampfglockenoption stellt einen schnellen Systemstart
sicher, auch wenn die Qualität
des gelieferten Kryogens zur Maschine gering ist.
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Beispiele
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Zwei
konventionelle CNC-Drehbänke
wurden mit dem kryogenen Verteilersystem nachgerüstet, um die Verwendung von
flüssigem
Stickstoffkühlmittel
in ausgewählten
Hochgeschwindigkeits- und/oder
rauen Schrupp-Drehbetriebsarten, die eine große Menge Wärme an Schneidwerkzeugen entstehen
lassen, die aus ½" Kar bideinsätzen gebildet
sind, die auf größeren Werkzeughalter
angeordnet waren, welche auf Revolverkopfplatten montiert waren,
zu ermöglichen.
Die Erste, eine 20 HP-Drehmaschine war mit einer runden Revolverkopfplatte
für 12 Werkzeuge
mit einem Durchmesser von 14" ausgerüstet; die Zweite, eine 40-HP-Drehbank benutzte
eine winklig geformte Revolverkopfplatte mit einem Hauptdurchmesser
von 20" und
zehn Werkzeugpositionen, die befüllt
werden können.
Beide Drehbänke wurden
mit einem Flüssigkeitskühlsystem
mit einer Standardemulsion ausgerüstet, welche das Schneidfluid
von der Rückseite
des Revolverkopfes über
einen Kolben durch Kanäle,
die in die Revolverkopfplatte gebohrt sind und individuelle Werkzeughalter leitet.
Weiterhin existierten kleine runde Stahldeckel mit einem Durchmesser
von 3" und 8", welche in der Achse
beider Revolverkopfplatten, die den Revolverkopflagerungsmechanismus
von der Vorderseite her bedeckten, befestigt waren. Da die verfügbaren LN2-Quellen
und Beschickungsleitungen eine Lieferung eines nicht siedenden Kryogens
sicherstellten, wurde entschieden, eine Art von Verteiler, wie er
in 4 gezeigt ist, zu installieren, im Gegensatz zu seiner
dampfumhüllten
Modifikation, die in 6 gezeigt ist. Das Folgende
waren die Schritte zur Verteilerinstallation und zu dessen Hochfahren
in beiden Fällen.
-
Zu
erst wurden die Vorderseitendeckel abgenommen und durch Durchgangsplatten
aus rostfreien Stahl in geeigneter Größe, die detailliert in 2 dargestellt
sind, ersetzt. Als nächstes
wurden vormontierte Verteiler auf die Durchgangsplatten montiert.
Die erste Drehbank benutzte den Rotor mit 12 radialen Kanälen und
die zweite Drehbank benutzte den Rotor mit 10 radialen Kanälen. Es
wurden Löcher in
das Stahlblech, welches die Revolverschlitten bedeckte, gebohrt
und die Säulenrohre
wurden hierin befestigt. Eine LN2-Transferrohrleitung mit einem Durchmesser
von ¼" wurde mit den Statoren
und Säulenrohren
verbunden, wobei eine flexible LN2-Lieferrohrleitung von der Oberseite
des Revolverschlittens, wie in 1 gezeigt,
eingeführt
wurde. Die Statorlöcher
wurden mit den Kanälen,
die zu den Werkzeugen in Arbeitsposition führen, ausgerichtet und die
Verbindungsstange (Drehmomentabstützungsstange) wurden mit den
Statoren und den Säulenrohren
verbunden.
-
Entsprechend
des CNC-Maschinenprogramms wurden die Drehbänke mit zwei Schruppwerkzeugen
mit der LN2-Kühlung
und zwei anderen Werkzeugen (zum Bohren) mit der konventionellen Emulsionskühlung betrieben.
Hierzu wurden zwei geeignete Rotorkanäle mit den LN2-gekühlten Werkzeugen
mittels 1/8" Rohrleitungen
aus rostfreiem Stahl verbunden und die anderen Kanäle wurden
gesteckt. Beim ersten Warmstart benötigte die Verteilerabkühlung ungefähr 15 Sekunden,
wobei bei diesem Punkt ein LN2-Strom
guter Qualität
auf das ausgewählte
Schruppwerkzeug in der Arbeitsposition in einer stabilen, nicht
pulsierenden Art und Weise gesprüht
wurde. Dieses Werkzeug wurde mit der LN2-Kühlung
für die
nächsten
12 Minuten betrieben, nach denen der Revolver zur nächsten LN2-Werkzeugposition
getaktet wurde, welches sofort den Schneidbetrieb für weitere
10 Minuten ohne Unterbrechung wieder aufnahm. Danach wurden die
Bohrwerkzeuge in die Arbeitsposition getaktet und während des
Bohrens wurde das konventionelle Kühlmittel benutzt. Es gab keinen
Reif oder andere Anzeichen für
eine Abkühlung
der Revolverkopfplatte während
des gesamten CNC-Zyklusses und die einzigen Teile der Vorrichtung
mit Reif waren unisolierte Rohrleitungen, die LN2 zu und vom Verteiler
brachten, niemals jedoch in Kontakt mit dem Revolverkopf selbst.
-
Bei
jedem analysierten Fall bedurfte die Vorbereitung und Insolierung
des Verteilersystems auf der Drehbank weniger als zwei Stunden und
sogar mit der ausgewählten
Betriebsmethode mittels zweier Flüssigkeiten ermöglichten
die beiden LN2- gekühlten Werkzeuge
eine ca. 60%-ige Steigerung der Produktivität gegenüber dem Bearbeitungszyklus normaler
Teile.
-
Die
Hauptunterschiedsmerkmale der vorliegenden Erfindung sind:
- 1. das kryogene Verteilsystem kann leicht und schnell
auf existierende Revolverkopfdrehbänke, die in der Lage sind,
trocken zu arbeiten oder mit einem konventionellen Schneidflüssigkeitssystem ausgestattet
sind, nachgerüstet
werden. In letztem Fall liefert die vorliegende Erfindung eine Zweiflüssigkeits-Möglichkeit,
was bedeutet, dass das Fluid, welches für eine bestimmte Maschinenbedienung
verwendet wird, ein kryogenes Fluid sein kann, ein konventionelles
Schneidfluid oder beides zur gleichen Zeit, sofern ein verbessertes Werkzeugkühlen zusammen
mit einer Schmierung gewünscht
wird. Diese Kombination beider Fluide verbessert die Maschineneffektivität wesentlich,
war jedoch technisch mit Ausrüstungen und
Verfahren gemäß dem Stand
der Technik nicht realisierbar. Da das Nachrüsten von Drehbänken nur
das Anschrauben des kryogenen Verteilers auf die Zentrumsfläche der
Revolverkopfplatte (unter Verwendung von bereits existierenden Schrauben)
und das Anbolzen des Säulenrohres
auf den Revolverkopfschlitten, der die X-Y-Verschiebebewegungen
ausführt,
benötigt, ist
die Installation des Systems wesentlich einfacher und kostengünstiger
als in dem Fall des Standes der Technik. Auch die Gegendrehmomentverbindungsstange,
die die Winkelposition des Stators im Verhältnis zum Säulenrohr und dem Schlitten
fixiert, kann nunmehr wesentlich einfacher ausgebildet sein entweder
als eine Mehrstangenverbindung oder ein betätigter Kolben, was eine separate
Synchronisierung mit der Revolverkopftaktung erfordert, was beides
im Stand der Technik vorgeschlagen wurde.
- 2. Der Verteiler benutzt ein einzigartiges kryogenes Dichtsystem
basierend auf dem Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der Werkstoffe unter Vermeidung von Drehklemmen, unter Zuhilfenahme
von zwei metallischen Schrumpfungsausgleichsplatten. Diese einfache Gestaltungslösung vermindert
die Herstellungskosten drastisch und verbessert die Zuverlässigkeit
und die Lebensdauer des kryogenen Flüssigkeitsverteilers, was in
Tests hinsichtlich der unerwarteten Effektivität herausgefunden wurde.
- 3. Da der Verteilerkörper
aus einem thermisch isolierenden Material (TeflonR-Verbundmaterial)
hergestellt ist und kein direkter leitender Kontakt zwischen dem
kryogenen, kalten Metallstator und der metallischen Revolverkopfplatte
besteht, wird das unerwünschte
Kühlen
des Revolverkopfes durch das Kryogen verhindert und die maßlichen
Toleranzen während
des Arbeitens beibehalten.
- 4. Wegen des größeren thermischen
Zusammenziehens des TeflonR-Verbundrotors
können
Metallleitungen, die Kryogen von dem Rotor zu einzelnen Werkzeugen,
die auf dem Revolverkopf montiert sind, leiten, verbunden werden,
wobei ein einfaches Schrumpfbefestigungsprinzip verwendet wird,
was das Neuanordnen von Werkzeugen und dem System schnell und einfach
gestaltet. Es besteht kein Bedarf für kompliziertere Rotor-Leitungs-Verbindungen.
- 5. Beim Betrachten des Verteilersystems von der Seite des Arbeitsbereiches
der Maschine, welcher möglicherweise
mit scharfen und schnell fliegenden Spänen erfüllt ist, sind alle Kryogenkanäle vollständig geschützt und
hartverrohrt, da der einzige flexible Abschnitt der notwendigen
Versorgungsrohrleitungen sich stromaufwärts vom Schlitten erstreckt.
Dies erlaubt die Verwendung von harten, spanresistenten Rohren und
verhindert das Verstopfen der kryogenen Kanäle und Verbinder mit Ablagerungen
und Feinstoffen, welche sonst zu einem schnellen Systemausfall führen können.
- 6. Der Verteiler und das Bedienverfahren erlaubt eine schnelle
Lieferung von unterkühltem
genauso wie ein gesättigtes
und siedendes Kryogen zu einem gewünschten Werkzeug, sogar wenn
der Fluss bei Raumtemperatur ("warmer
Anlauf") startet.
Dies wird durch das Entlüften
des Dampfes während
der ersten 1 bis 3 Sekunden des Flusses durch einen Reservekanal
im Rotor bewerkstelligt, was entweder durch das Einfügen einer
weiteren CNC-Programmcode-Zeile
in eine Maschinensequenz oder manuell durch Takten einer Revolverkopfplatte
auf einen Reservekanal und anschließendes Zurückkehren zu der Position bewerkstelligt
wird, welche durch das Arbeitswerkzeug besetzt ist. Der Anfangsdampf,
der während dieses
Anlaufes entlüftet
wird, wird in der Dampf enthaltenden Glocke verwendet, wo er die
Masse des Rotors abkühlt
und hierdurch das Abkühlen des
Systems und das Erreichen des Punktes thermischer Stabilität beschleunigt.
Kein Verteiler gemäß dem Stand
der Technik bietet eine solche Möglichkeit
zum schnellen Abkühlen
und schnellen Beginn des Kryogenflusses.
-
Obwohl
die Erfindung hierin unter Bezugnahme auf bestimmte spezifische
Ausführungsformen gezeigt
und beschrieben wird, ist die vorliegende Erfindung dennoch nicht
als auf die gezeigten Ausführungsformen
limitiert anzusehen. Im Gegensatz dazu können verschiedene Modifikationen
in den Details innerhalb des Rahmens und des Bereichs der Äquivalente
der Ansprüche
erstellt werden.