DE69213132T2

DE69213132T2 - Hochdruckanlage für Werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE69213132T2
Application number: DE69213132T
Authority: DE
Inventors: James William Mcconkey
Original assignee: DELTA INTELLECTUAL PROPERTIES
Current assignee: DELTA INTELLECTUAL PROPERTIES
Priority date: 1991-07-25
Filing date: 1992-07-09
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2012-07-10
Also published as: ES2093786T3; ATE141847T1; EP0524747B1; CA2073134A1; DE69213132D1; MX9204346A; US5494134A; US5297657A; EP0524747A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem und insbesondere auf ein in einer Anwendung, in der ein hoher Kühlmitteldruck und eine hohe Abgabegeschwindigkeit erwünscht ist, eingesetztes Kühlsystem. Eine solche Anwendung liegt bei Werkzeugmaschinen vor, wo eine Schneidflüssigkeit zur Kühlung und Schmierung des Werkzeugs und des Werkstückes sowie zum Wegwaschen von Schneidspänen vorgesehen ist.
Typische Werkzeugmaschinen-Kühlanlagen erzeugen einen auf 103 bis 206 kpa (15 bis 30 psi) geschätzten Kühlmitteldruck am Pumpenauslaß, der zur Werkzeugausrüstung und zum Werkstück durch Auslässe mit verhältnismäßig großem Durchmesser, der von sechs bis zu 25 mm und möglicherweise mehr reichen kann, zugeführt wird. Die Anzahl der verwendeten Kühlmittelleitungen schwankt in Abhängigkeit von der Anzahl und der Art und Weise der Bearbeitungsvorgänge. Bei typischen Kühlanlagen trifft das Kühlmittel auf die Werkzeugausrüstung und das Werkstück zur Flutung des Werkstücks mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit und bei niedrigem Druck auf. Während einiger Bearbeitungsvorgänge, wie z. B. Bohren bzw. Aufbohren, ist der Zugriff auf den Schneideort äußerst eingeschränkt. Bei Kühlmittelzufuhr der flutenden Art erreicht ein Kühlmittel geringer Geschwindigkeit und niedrigen Drucks unter Umständen nicht die Schneidfläche. Infolgedessen wird das Schneiden typischerweise trocken oder mit unzureichender Kühlung und Schmierung durchgeführt. Dies erzeugt hohe Schneidetemperaturen und Abnützung, was zu einer kurzen Lebensdauer des Werkzeugs führt und somit häufige Auswechslung der Werkzeugausrüstung und daraus sich ergebende Maschinenausfallzeiten erfordert. Ferner ist der Flutkühlmittelfluß unter Umständen nicht ausreichend, um die Metallspäne am Ort des Schneidens zu beseitigen. Die Späne beeinträchtigen unter Umständen den Schneidvorgang und führen somit zu einer Oberflächenbeschaffenheit von geringerer Qualität als erwünscht.
In dem Bemühen, die Kühlmittelzuführung bei bestimmten Werkzeugen, z. B. Bohrern, zu verbessern, wurden Werkzeuge mit einem Kühlmittelkanal entwickelt, der zur Zuführung von Kühlmittel an die Schneidfläche durch das Werkzeug selbst führt. Dies erhöht jedoch die Kosten des Werkzeugs und der Maschine beträchtlich. Ferner wird aufgrund der eingesetzten, verhältnismäßig niedrigen Flüssigkeitsdruckwerte häufig unzureichender Druck zur Beseitigung der Späne aus dem Kühlmittelkanal vorgesehen, so daß der Kühlmittelfluß blockiert wird.
Es ist bekannt, daß eine hohe Temperatur und mangelnde Schmierung die vorrangigen Ursachen für Werkzeugabnützung sind. Wenn Kühlung und Schmierung verbessert werden können, wird die Lebensdauer von Werkzeugen verlängert, was die Herstellungskosten senkt. Die Kosten werden durch einen geringeren Bedarf an Werkzeugen, die für die Herstellung einer bestimmten Menge an Teilen erforderlich sind, durch geringere Machinenausfallzeiten für den Austausch von Werkzeugen und durch geringere für den Austausch der Werkzeuge erforderliche Bedienungszeit gesenkt.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Kühlanlage einer Werkzeugmaschine zur Senkung von Werkzeug- und Werkstücktemperaturen und zur Verbesserung der Schmierung zu verbessern.
In US-A-2 653 517, auf der der Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1 beruht, wird ein System für die Anwendung von Schneideflüssigkeiten zur Schmierung und Kühlung an einer Werkzeugmaschinen-Schneidekante offenbart, wobei das System folgendes umfaßt: einen Behälter zur Sammlung einer während des Materialbeseitigungsarbeitsgangs zur Kühlung und Schmierung eines Werkstückes und eines Werkzeugs verwendeten Kühlflüssigkeit; eine Verdrängerpumpe, die einen Flüssigkeitseinlaß und einen Flüssigkeitsauslaß aufweist; eine Einlaßleitung, wobei deren erstes Ende mit dem Pumpeneinlaß verbunden ist und ein zweites Ende zu dem Behälter reicht, und eine Auslaßleitung, wobei ein erstes Ende mit dem Pumpenauslaß verbunden ist und ein zweites Ende in mindestens einer Sprühdüse mündet und die Pumpendurchflußleistung und die Anzahl und Größe der Öffnung der mindestens einen Sprühdüse zu einem Flüssigkeitsdruck in der Auslaßleitung von 200 bis 600 psi (1380 bis 4140 kpa) und einer Strahlgröße von nicht mehr als 0,508 mm (0,02 Zoll) führt. Demgemäß werden in dem in US-A-2 653 517 offenbarten System im Vergleich zu früheren Flutsystemen kleine Schneidflüssigkeitsstrahle bei hohem Druck verwendet, die bei hoher Geschwindigkeit auf den Schneidkontaktpunkt zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück gerichtet werden.
Die vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe eine Pumpleistung von 13,2 bis 151 Liter pro Minute (3,5 bis 40 US Gallonen pro Minute), wobei die Öffnungsgröße 1,1 mm (0,042 Zoll) oder mehr, jedoch weniger als 2,54 mm (0,1 Zoll) beträgt, ein Sperrventil an dem zweiten Ende der Einlaßleitung zur Begrenzung des Flusses des Kühlmittels durch die Einlaßleitung, so daß dieses in Richtung auf die Pumpe fließt, und ein durch Druck ausgelöstes Sperrventil in der Auslaßleitung zur Absperrung des Flusses des Kühlmittels durch die Auslaßleitung unterhalb eines vorbestiminten Mindestdrucks aufweist.
Ein Merkmal des erfindungsgemäßen Systems ist die Verwendung kleiner Kühlmittelsprühströme aus Sprühdüsen und die Lenkung der Sprühströme genau auf die Schneidstelle statt der Flutung des Werkstücks und des Werkzeugs mit Kühlmittel.
Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Systems ist die Bereitstellung eines Kühlmittelflusses bei hohem Druck und hoher Geschwindigkeit, um das Kühlmittel zum Erreichen der Schneidstellung zu zwingen, um Kühlung und Schmierung zu verbessern.
Das erfindungsgemäße Kühlsystem dient dem Einsatz an einer einen Materialbeseitungsarbeitsgang durchführenden Maschine und umfaßt einen Behälter zur Sammlung einer während des Materialbeseitigungsarbeitsgangs zur Kühlung und Schmierung eines Werkstücks und eines Schneidwerkzeugs verwendeten Kühlflüssigkeit. Das Kühlsystem umfaßt eine Verdrängerpumpe, die einen Einlaß und einen Auslaß, eine Verbindungsleitung zwischen dem Einlaß und dem Kühlmittelbehälter zur Ermöglichung von Kühlmittelzufuhr durch den Einlaß zur Pumpe, eine Kühlmittelabflußleitung von dem Pumpenauslaß zum Werkstück und Schneidwerkzeug und mindestens eine Sprühdüse an dem hinteren Ende der Auslaßleitung neben dem Werkstück und dem Schneidwerkzeug, die verglichen mit der Ausflußleitung direkt stromaufwärts der Düse eine verringerte Öffnung besitzt, aufweist, wodurch die durchschnittliche Geschwindigkeit des Kühlmittelstrahls durch die Düse verglichen mit der durchschnittlichen Geschwindigkeit des Kühlmittelflusses direkt stromaufwärts der Düse in der Auslaßleitung erhöht wird.
Durch die Bereitstellung erhöhten Drucks und erhöhter Geschwindigkeit zum Kühlmittelfluß wird das Kühlmittel an Stellen gedrückt, die bei Niedrigdruckflutkühlsystemen nicht erreicht werden. Dies bietet zahlreiche Vorteile, wie z.B. verbesserte Beseitigung der Schneidespäne von dem Schneidort, die Temperatur des Werkstückes und der Werkzeugausrüstung wird gesenkt und die Abnützung der Werkzeugausrüstung wird verringert. Diese Vorteile können sich auf vielfältige Weise offenbaren, wie z. B: Wegfall der Erfordernis beschichteter Werkzeugausrüstung bei vielen Anwendungen; Wegfall von Kühlmittelpassagen, die durch das Werkzeug führen; längere Lebensdauer des Werkzeugs vor dem Schleifen zum Zweck des Schärfens und geringerer Materialabtrag während des Schleifens, wenn erforderlich; verringerte Maschinenzykluszeit aufgrund schnellerer Bearbeitung; verringerte Anzahl an Werkzeugen aus der jeweiligen Werkzeugausrüstung; kürzere Bedienzeit pro Maschine, was die Bedienung mehrerer Maschinen durch eine Person ermöglicht, und verbesserte Oberflächenqualität, was den Schleitbedarf verringert. Die aus einer verbesserten Kühlung abgeleiteten Vorteile können in Abhängigkeit davon, welche Faktoren zu maximieren sind, auf vielfältige Weise angewendet werden.
Das erfindungsgemäße Kühlsystem verbessert auch den Kühlmittelfilteraufbau. Ein Nachteil vieler der derzeit eingesetzten Kühlsysteme ist der zur Beseitigung von Spänen aus dem Kühlmittel verwendete Filter. Die Filter sind häufig dauerhaft in dem Kühlmittelbehälter eingebaut, was es erforderlich macht, daß das Bedienungspersonal zur Beseitigung angesammelter Späne aus dem Filter in den Behälter greifen muß. Übermäßiger Hautkontakt mit dem Kühlmittel kann bei vielen Maschinenbedienern Dermatitis verursachen. Da das Kühlmittel häufig heiß ist, kann es ferner zu Verbrennungen führen. Wenn eine sorgfältige Reinigung des Filters erforderlich ist, muß das Bedienungspersonal den Filter aus dem Kühlmittelbehälter herausnehmen, was eine Maschinenausfallzeit von fünf bis zu dreißig Minuten notwendig macht.
Demgemäß besteht eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Kühlsystem mit einem Filter vorzusehen, das den Kontakt des Bedienungspersonals mit dem Kühlmittel zum Zweck der Filterreinigung minimiert und die zur Filterreinigung erforderliche Maschinenausfallzeit verringert.
Der Vorteil einer Minimierung des Kontaktes des Bedienungspersonals mit dem Kühlmittel bedeutet sicherere Umweltbedingungen für das Bedienungspersonal. Durch die Verringerung der Maschinenausfallzeit zum Reinigen des Filters kann die Produktivität erhöht werden.
Das erfindungsgemäße Kühlsystem erfüllt diese Aufgaben durch den Einsatz einer Verdrängerpumpe zusammen mit Düsen mit kleinen Öffnungen am Kühlmittelaustritt. Dies ermöglicht einen Kühlmittelaustritt bei hoher Geschwindigkeit und die Schaffung eines hohen Pumpauslaßdrucks bei gleichzeitiger Beibehaltung einer großen Kühlmittelflußleistung.
Der Kühlmittelfilter auf der Einlaßseite der Pumpe ist durch einen biegsamen Schlauch befestigt, der ein einfaches Herausnehmen des Filters aus dem Kühlmittelbehälter zum Zweck der Reinigung ermöglicht, wodurch es nicht mehr notwendig ist, daß das Bedienungspersonal in den Kühlmittelbehälter greift. Weiterhin ist der Filter mit dem Einlaßschlauch durch eine Schnellverbindungs-/trennungsmuffe verbunden. Durch Bereitstellung von zwei Filtern pro Maschine kann das Bedienungspersonal schnell einen verschmutzten Filter herausnehmen und einen sauberen Filter einbauen und somit die Maschine in kürzester Zeit wieder in Betrieb nehmen. Nach dem Filterwechsel wird der verschmutzte Filter gesäubert, während die Maschine in Betrieb ist, und ist einsatzbereit, wenn die nächste Filterreinigung erforderlich wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden offenbar, wenn die folgende nicht beschränkende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden.
Fig. 1 ist eine seitliche Ansicht einer mit dem erfindungsgemäßen Hochdruckkühlsystem ausgerüsteten Werkzeugmaschine;
Fig. 2 ist eine Querschnittansicht des Filters und der zum Filterwechsel verwendeten Schnellverbindungs-/trennungsmuffe;
Fig. 3 und 4 sind vergrößerte Darstellungen der Rohrverteilerblöcke des vorliegenden Systems;
Fig. 5 ist eine vergrößerte Seitenansicht, die eine Sprühdüse in Verbindung mit einem Bohrer und einem Werkstück zeigt und
Fig. 6 ist eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Hochdruckkühlsystems.
Das erfindungsgemäße Hochdruckkühlsystem ist im allgemeinen mit 10 in Fig. 1 bezeichnet und wird auf einer Werkzeugmaschine 102 eingebaut gezeigt. Die Werkzeugmaschine 102 ist im allgemeinen in der Form einer Mehrspindelschraubmaschine, die nur beispielsweise dargestellt wird. Es wird darauf hingewiesen, daß das Kühlsystem 10 an jeder Werkzeugmaschine, bei der ein Materialabtrag durchgeführt wird, installiert werden kann. Das Kühlsystem 10 wird zur Bereitstellung eines Kühlmittelflusses, entweder auf Wasser- oder Ölbasis, an den Ort des Schneidvorgangs zur Schmierung und Kühlung des Werkstücks und des Werkzeugs verwendet. Nach dem Einsatz läuft das Kühlmittel in einen Behälter 12 im Unterteil der Maschine ab, von wo es durch das System 10 zur erneuten Verwendung abgezogen wird. Der Behälter 12 wird nur für Veranschaulichungszwecke vor der Maschine 102 dargestellt.
Das Kühlsystem 10, das auch in Fig. 6 schematisch gezeigt wird, umfaßt eine zum Pumpen des Kühlmittels aus dem Behälter 12 an den Schneidort verwendete Pumpe 14. Die Pumpe 14 wird durch den elektrischen Motor 38 betrieben. Der Pumpeneinlaß 16 steht durch einen Einlaßschlauch 18 in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelbehälter. Ein Filter 20 ist mit dem Ende des Schlauchs 18 verbunden und in das Kühlmittel 22 in dem Behälter eingetaucht. Während des Betriebs der Maschine sammeln sich zahlreiche Metallspäne in dem Kühlmittel, was die Verwendung des Filters erfordert, um ein Rückpumpen der Metallspäne zu verhindern. Die angesammelten Metallspäne werden regelmäßig aus dem Behälter 12 entfernt.
Aus dem Pumpenauslaß 24 wird das Kühlmittel durch einen Auslaßschlauch 26 zu einem Verteilerrohr 28 geleitet. Die Einlaß- und Auslaßschläuche 18, 26 können mit Ausnahme der unteren Anmerkung entweder biegsam oder unbiegsam sein. Aus dem Verteilerrohr 28 wird das Kühlmittel durch eine Vielzahl von Sprührohren 30 oder durch einen Nebenschlauch 32 zu einem Nebenverteilerrohr 34 geleitet. Aus dem Nebenverteilerrohr 34 fließt das Kühlmittel durch zusätzliche Sprührohre 30. Die Verwendung eines Nebenverteilerrohrs ist optional und hängt von der Anwendung, der Anzahl und dem Lageort der Sprühdüsen ab. Pumpen unterschiedlicher Größe können mit Motoren unterschiedlicher Größe verwendet werden, um Kühlmittelflußleistungen von 13,2 bis 151 Liter pro Minute (lpm) (3,5 bis 40 US Gallonen pro Minute) zu erzeugen. Das Ende jedes Sprührohrs 30 ist mit einer Düse 36 ausgerüstet. Verschiedene Düsen mit Auslaßöffnungen, die größenmäßig von 1,1 mm (0,042 Zoll) bis zu 2,54 mm (0,100 Zoll) reichen, können verwendet werden. Das Kühlmittel wird durch die Düsen 36 auf das Werkstück und das Werkzeug zum Zeitpunkt des Schneidens gesprüht, um sowohl Späne wegzuspülen als auch das Werkstück und das Werkzeug zu kühlen. Verschiedene Düsen können mit verschiedenen Sprühwinkeln von 0º bis 40º eingesetzt werden. Der Sprühwinkel wird durch den vorgenommenen Schnitt bestimmt, um ein vollständiges Erfassen der gesamten Schneidefläche sicherzustellen.
Die kleine Größe der Kühlmittelsprühströme erlaubt ein präzises Fördern des Kühlmittels an den Ort, an dem eine Kühlung benötigt wird, d.h. an dem durch Schneiden Wärme verursacht wird. Dies steht im Gegensatz zum Flutkühlen, wo ein großer Teil des Kühlmittels den Ort der Wärmeentwicklung nie erreicht.
Das System 10 enthält zwei Sperrventile, um ein Auslaufen des Kühlmittels aus dem System nach Abstellen des Systems zu verhindern. Das Einlaßsperrventil 40 ist an dem Filterende des Einlaßschlauches 18 angebracht und verhindert ein Rücklaufen des Kühlmittels aus dem Einlaßschlauch in den Behälter 12, wenn die Pumpe abgestellt ist. Das Sperrventil 40 wird durch das Saugen der Pumpe 14 zum Öffnen des Sperrventils überwunden, so daß Kühlmittel in die Pumpe abgezogen werden kann.
Das Auslaßsperrventil 42 ist ein durch Druck ausgelöstes Ventil und ist an dem Verteilerrohrende des Auslaßschlauches 26 angebracht, um bei Abstellen des Systems ein Auslaufen des Kühlmittels aus dem Auslaßschlauch 26 durch das Verteilerrohr und die Sprührohre 30 zu verhindern. Das Ventil 42 wird nur geöffnet, wenn der Pumpenauslaßdruck einen Mindestwert erreicht, während das Einlaßventil 40 nur geöffnet wird, wenn der Pumpensaugdruck einen Mindestwert erreicht.
Durch die Beibehaltung von Kühlmittel in den Einlaß- und Austrittschläuchen 18, 26 setzt bei erneutem Anlassen der Pumpe fast sofort der Kühlmittelstrahl ein. Es gibt keine für das Abziehen von Kühlmittel aus dem Behälter durch die Pumpe und zum Pumpen zu den Düsen erforderliche Verzögerung, bevor der Kühlmittelstrahl einsetzt. Ferner verringert das Vorhandensein von Kühlmittel in dem Einlaßschlauch die Schlagwirkung der ersten Ansaugung auf den Einlaßschlauch und den Filter, wenn die Pumpe eingeschaltet wird. Der Einlaßschlauch 18 ist verstärkt, z.B. mit einem Stahlgürtel oder einer innenliegenden Drahtspirale, um ein Zusammenfallen aufgrund der Pumpansaugung zu verhindern.
Ein mit der Einlaßleitung 18 verbundenes Vakuummeßgerät 44 ermöglicht es dem Bedienungspersonal der Maschine, das von der Pumpe erzeugte Vakuum zu überwachen. Gleichermaßen ermöglicht ein mit dem Auslaßschlauch 26 verbundener Druckmesser 46 dem Bedienungspersonal der Maschine, den von der Pumpe erzeugten Kühlmitteldruck zu überwachen.
Ein Überdruckventil 48 ist mit dem Auslaßschlauch 26 verbunden, um Druck abzulassen, falls der Kühlmitteldruck in dem Auslaßschlauch 26 einen vorbestimmten sicheren Bedienungswert überschreitet. Die Leitung 49 befördert das Kühlmittel von dem Überdruckventil zu dem Behälter 12 zurück. Der Systemdruck kann aus mehreren Gründen die normale Werte überschreiten, wobei der Hauptgrund eine verstopfte Sprühdüse ist.
Verschiedene Pumpen wurden in der Entwicklung des Kühlsystem ausprobiert, einschließlich Zahnradpumpen und Zentrifugalpumpen. Die Pumpe 14 ist eine Verdrängerpumpe, die eine verhältnismäßig gleichbleibende Ausgangsflußleistung bei einer vorgegeben Pumpgeschwindigkeit über einen breiten Bereich an Pumpauslaßdruckwerten erzeugt. Die einzige bis heute gefundene Pumpe mit einer zufriedenstellenden Leistung ist eine Innenzahnradpumpe, wie z. B. eine Gerotor- Pumpe von Double A Products Co, Troy, Michigan. (Gerotor ist ein eingetragenes Warenzeichen der Double A Products Co.). Nur die Innenzahnradpumpe konnte die gewünschte Flußleistung und die gewünschten Druckwerte beibehalten. Ein Vorteil der Innenzahnradpumpen gegenüber anderen Verdrängerpumpen ist deren Toleranz gegenüber Verunreinigungen im Kühlmittel. Während Filtern noch wichtig ist, ist es nicht so ausschlaggebend wie bei anderen Verdrängerpumpen. Pumpen verschiedener Größen können mit Motoren verschiedener Größen zur Erzeugung von Kühlmittelflußleistung von 13,2 bis 151 lpm (3,5 bis 40 gpm) verwendet werden. Vorzugsweise wird die verwendete Flußleistung gegenüber der Flußleistung mit der derzeit verwendeten Flutkühlmittelförderung erhöht. Bei der höheren Flußleistung wäre, sollte der Filter teilweise verstopft sein, immer noch ausreichend Fluß zur Gewährleistung ausreichender Kühlung gegeben. Die benötigte Flußleistung schwankt ferner von einer Anwendung zur nächsten, wobei etwas Entwicklung zur Bestimmung der optimalen Flußleistung notwendig ist.
Bei einer vorgegebenen Pumpe und einem vorgegebenen Motor kann der entwickelte Druck durch Änderung der Größe der Düsenöffnungen und der Anahl der Öffnungen gesteuert werden. Falls gewünscht kann der Druck durch einen regulierbaren Druckregler gesteuert werden.
Abhängig von der Größe der Pumpe und des Motors kann der Druck von 2.070 bis 13.800 kpa (300 bis 2.000 psi) reichen. Der tatsächlich benötigte Druck schwankt von einem Maschinenbetrieb zum nächsten. Unter Umständen ist für jede Anwendung eine gewisse Entwicklung erforderlich, damit ein optimaler Druck erreicht wird. Die korrekte Spanbeseitigung ist ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung des richtigen Drucks. Es sollte genügend Druck zur Entfernung der Späne vorhanden sein, jedoch nicht soviel Druck, daß ein Herausfließen der Späne aus einem Bohrloch, etc. verhindert wird. Andere Faktoren sind u.a. die Tiefe des zu bohrenden Teils, die abzutragende Materialmenge und die Art des bearbeiteten Materials.
Die Erfindung ist nicht auf eine Innenzahnradpumpe beschränkt, andere zur Erzeugung des gewünschten Drucks und der gewünschten Flußleistung geeignete Pumpen können ebenso verwendet werden. Die Innenzahnradpumpe kann eine ausreichende Einlaßsaugwirkung entwickeln, so daß falls gewünscht die Pumpe wie in Fig. 1 dargestellt mehrere Fuß oberhalb des Kühlmittelbehälters aufgestellt werden kann.
Die Düsen 36 an dem Ende der Sprühschläuche 30 bieten aufgrund einer kleinen Auslaßöffnungsgröße, 1,1 - 2,54 mm (0,042 - 0,100 Zoll), eine verhältnismäßig kleine Querschnittsfläche für den Kühlmittelfluß im Vergleich zu den beim Kühlmittelfluten verwendeten Auslässen mit einem Durchmesser von 6,35 - 25,4 mm (0,25 - 1,0 Zoll). Daher muß die Geschwindigkeit des Kühlmittelflusses durch die Öffnungen signifikant erhöht werden, um die vorgegebene Flußleistung beizubehalten. Die Öffnung mit verringertem Durchmesser erhöht den Druck der statischen Flüssigkeit in dem Auslaßschlauch 26 und erhöht den dynamischen Druck des aus den Düsen 36 ausgestoßenen Sprühstrahls. Die kleine Größe des Sprühstroms, seine erhöhte Geschwindigkeit und sein erhöhter Druck ermöglichen es dem Bedienungspersonal, den Kühlmittelstrahl besser und genauer an den Schneidort zu lenken. Dies verbessert die Schmierung und Kühlung des Werkstücks und die Beseitigung der Metallspäne.
Entwicklungstests haben gezeigt, daß die beste Pumpleistung erreicht wird, wenn der Pumpeneinlaßdurchmesser mindestens etwa 1,5 mal so groß ist wie das Maß des Pumpenauslaßdurchmessers. Wenn die verwendete Pumpe einen kleineres Verhältnis zwischen Einlaß- und Auslaßdurchmesser aufweist, kann ein Anschlußstück in dem Pumpenauslaß zur Verringerung des Auslasses auf die erforderliche Größe eingebaut werden.
Bei vielen Bearbeitungsarten, wie z. B. Bohren, ist es sehr schwierig, das Kühlmittel auf die Spitze des Schneidwerkzeugs, wo das Schneiden von Metall stattfindet, zu richten. Daher wird unter Umständen in vielen Fällen das Schneiden tatsächlich auf trockenem Metall ohne Kühlmittel vorgenommen werden. Dies verursacht extrem hohe Werkstück- und Werkzeugtemperaturen. Dies erhöht die Abnützung des Werkzeugs und macht somit ein Nachschleifen zum Schärfen des Werkzeugs sowie häufigen Werkzeugaustausch notwendig. Der bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem bereitgestellte Hochdruckstrahl erlaubt es, das Kühlmittel in die Bohrung bzw. in das herauszuarbeitende Loch zu richten, um die Schneidfläche zu schmieren und sowohl das Werkstück wie auch das Werkzeug zu kühlen.
Fig. 5 zeigt ein Sprührohr und eine Sprühdüse im Zusammenhäng mit einem Bohrvorgang am Werkstück 72. Das Sprührohr 30 ist so angeordnet, daß der Sprühstrahl 74 auf die Nuten des Bohrers 76 gerichtet ist. Die Größe des Sprühstrahls erlaubt, daß der größte Teil, wenn nicht gar das gesamte Kühlmittel in das zu bohrende Loch gerichtet wird, wo es die Spitze des Bohrers erreichen und seine Kühl- und Schmierfunktion an der Schneidstelle erfüllen kann.
Die Vorteile einer verbesserten Kühlung können sich auf vielfältige Weise offenbaren. Die Werkzeuglebensdauer kann signifikant verlängert werden, die Schneidgeschwindigkeit kann erhöht, die Anzahl der verwendeten Schneidwerkzeuge kann verringert, die Oberflächenqualität kann verbessert und die Maschinenausfallzeit verkürzt werden.
Bei der kleinen Öffnung in den Auslaßdüsen 26 ist es notwendig, daß sichergestellt ist, daß keine Metallspäne, die eine Düsenöffnung blockieren können, durch das System gespült werden. Der Filter 20 ist so konzipiert, daß er Partikel größer als 149 mµ ausfiltert. Kleinere Partikel können leicht durch einen Düsenöffnung von 0,5 mm (0,020 Zoll) gespült werden und stellen keine Gefahr für die Innenzahnradpumpe dar. Falls erforderlich kann ein zum Filtern von Partikeln bis hinunter zu einer Größe von 75 mµ geeigneter Filter verwendet werden. Die verbesserte Filterung führt im Vergleich zu den derzeitigen Systemen aufgrund des Fehlens großer Partikel in dem Kühlmittelfluß auch zu einer besseren Schmierung.
Filter 20 wird in Fig. 2 ausführlicher dargestellt. Filter 20 umfaßt ein perforiertes Außengehäuse 50, das darin ein zylindrisches Filterelement 52 enthält. Der Kühlmittelfluß in den Filter wird durch Pfeil 51 dargestellt. Das Filterelement 52 ist von metallischer Struktur, wobei die Schicht 54 zur Verstärkung des Elements aufgeschweißt ist. Zusätzlich sind ringförmige Verstärkungsbänder 56 im Inneren des Filterelements zur Verstärkung des Filterelements vorgesehen, um ein Zusammenfallen des Filters aufgrund der Pumpsaugwirkung zu verhindern.
In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Filterauslaß 56 mit einem Adapter 58 zur Reduzierung des Filterauslaßdurchmessers auf den des verwendeten Einlaßschlauchs ausgestattet. Der Filter 20 ist mittels einer Schnellverbindungs- /trennungsmuffenanordnung 60, wie z. B. eine Kamlok-Muffe der Fa. Dover Corporation in Cincinnati, Ohio, mit dem Einlaßschlauch verbunden. (Kamlok ist ein eingetragenes Warenzeichen der Dover Corporation). Die Muffe 60 umfaßt ein an dem Adapter 58 befestigtes Muffenelement 62 und ein mit dem Einlaßschlauch 18 verbundenes Muffenelement 64.
Die Schnellverbindungs-/trennungsmuffenanordnung 60 wird verwendet, um ein schnelles Herausnehmen eines verstopften oder verschmutzten Filters 20 aus dem Einlaßschlauch und ein Einsetzen eines sauberen Filters dort zu ermöglichen, wodurch die Maschine verhältnismäßig schnell wieder in Betrieb genommen werden kann. Nach dem Herausnehmen eines verschmutzten Filters 20 wird der Filter gereinigt und für den nächsten Filterwechsel bereitgestellt. Dadurch wird die für eine Reinigung eines verstopften Filters erforderliche Maschinenausfallzeit signifikant von bis zu fünf auf weniger als einer Minute verringert. Die Notwendigkeit einer Filterreinigung wird durch ein von der Pumpe bewirktes verstärktes Ansaugen angezeigt.
Wie in Fig. 1 dargestellt, verläuft der Einlaßschlauch 18 von der Oberseite des Behälters 12 nach oben. Der Filter 20 ist natürlich in das Kühlmittel 22 eingetaucht. Der Schlauch 18 oder zumindest ein Endteil des Schlauches ist biegsam, so daß das Bedienungspersonal den Filter 20 bequem aus dem Behälter 12 zur Durchführung eines Filterwechsels heben kann. Dies macht es unnötig, daß das Bedienungspersonal der Maschine in den Behälter greifen muß, und reduziert somit den Hautkontakt des Bedienungspersonals mit dem Kühlmittel. Das Einlaßsperrventil 40 dient auch dem Zweck, ein Ablaufen des Kühlmittels aus dem Schlauch 18 während eines Filterwechsels zu verhindern.
Das Sperrventil 40 in dem Einlaßschlauch 18 weist ein aus Gewichtsgründen aus Kunststoff hergestelltes Schließelement auf. Dieses verringert die von der Pumpe zum Öffnen des Sperrventils erforderliche Ansaugung. Falls gewünscht, kann ein Metallsperrventilelement verwendet werden. Das Auslaßsperrventil 42 ist aus Metall konstruiert, um einem durch den Hochdruckflüssigkeitsfluß durch das Sperrventil erzeugten Verschleiß einen besseren Widerstand zu bieten.
Der Motor 38 ist vorzugsweise direkt mit der Pumpe 14 verbunden, um einen Riemenantrieb und die anschließend erforderliche Wartung unnötig zu machen.
Die Sprührohre 30 sind 9,5 mm (3/8 Zoll) groß im Gegensatz zu den typischerweise mit Kühlsystem des Stands der Technik verwendeten Leitungen mit einem Durchmesser von 12,7 bis 25,4 mm (1/2 bis 1 Zoll). Die Sprührohre sind aus Kupfer oder Edelstahl. Die Düsen 36 sind aus Messing oder Edelstahl. Sowohl für die Rohre wie auch für die Düsen wird Edelstahl bei den Anwendungen mit höheren Druckwerten, wo Kupfer und Messung verschleißanfällig sind, verwendet. Die Sprühdüsen werden mit einem Außengewinde ausgebildet, so daß die Düsen an den Sprührohren durch eine Klemmfassung 31 befestigt werden können. Wenn jedoch der Raum beschränkt und ein nahes Positionieren der Düse erforderlich ist, erlaubt ein Innengewinde an der Düse ein direktes Einschrauben an dem Ende des Sprührohrs 30, nachdem ein Außengewinde in das Rohr geschnitten wurde. Dies erlaubt ohne die Verwendung einer Klemmfassung ein festes Anbringen der Düsen an dem Sprührohr und eine nähere Anbringung an der Schneidstelle.
Die Nutzen und Vorteile des erfindungsgemäßen Kühlsystems werden anhand der nachfolgenden Beispielen ersichtlich.

BEISPIEL I

Eine zur Bearbeitung eines Zahnradkörpers verwendete Mehrspindelschraubmaschine wurde nachträglich mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem ausgerüstet. Vor der Nachrüstung wurden die folgenden Werkzeuge verwendet: vier Bohrer für die Innendurchmesser; zwei Räumbohrer zur Erzeugung der Nachbearbeitungsanforderung des Innendurchmessers und vier querverschiebbare Formwerkzeuge zur Formung der Außenseite. Kühlmittel wurde bei einer geschätzten Flußleistung von 114 Litern pro Minute (30 US Gallonen pro Minute) zugeführt und mit einem auf 207 kpa (30 psi) geschätzten Pumpenauslaßdruck angewendet. Die Zykluszeit betrug 22 Sekunden.
Das an der Maschine installierte Kühlsystem 10 verwendete eine von einem Motor mit 5,6 kw (7,5 PS) bei 1.800 U/min. betriebene Gerotor-Pumpe der Fa. Double A der Größe 0-30. Ein Einlaßschlauch mit 38,1 mm (1,5 Zoll) Durchmesser wurde zusammen mit einem Auslaßschlauch mit 25,4 mm (1 Zoll) Durchmesser verwendet. Sieben Sprühdüsen mit Öffnungsgrößen von 1,1 bis 2,4 mm (0,042 bis 0,093 Zoll) wurden verwendet. Die Pumpe wurde auf der Maschine etwa 2 Meter (6,5 Fuß) über dem Stand des Kühlmittels im Behälter angebracht. Die Ansaugung auf der Einlaßseite betrug 343 mm (13,5 Zoll) Hg, während der Druck auf der Auslaßseite 2.900 kpa (420 psi) betrug. Das System entwickelte eine Kühlmittelflußleistung von etwa 151 Liter pro Minute (40 gpm).
Die Zykluszeit wurde von 22 Sekunden auf 13,5 Sekunden gesenkt. Eine Maschine konnte 2.100 Teile pro Arbeitsschicht herstellen, während vor dem Wechsel des Kühlsystems nur 1.400 Teile pro Arbeitsschicht mit zwei Maschinen hergestellt werden konnten. Die Werkzeuglebensdauer wurde von etwa 8 Stunden auf mehr als 26 Stunden verlängert. Die Mikroqualität wurde ebenfalls verbessert. Ein Räumbohrer, ein Bohrer und ein querverschiebbares Formwerkzeug wurden weggenommen, wodurch die Anzahl der Werkzeuge von zehn auf sieben verringert wurde. Der Energieverbrauch wurde um 40% gesenkt. Die dramatische Produktionssteigerung ist auf die verkürzte Zykluszeit und die reduzierte Maschinenausfallzeit für das Schärfen von Werkzeug, die Filterreinigung und die manuelle Entnahme von Spänen vom Werkstück zurückzuführen.

BEISPIEL II

Bei einer anderen mit dem gleichen Kühlsystem wie in Beispiel I beschrieben ausgerüsteten Mehrspindelschraubmaschine wurden die folgenden Verbesserungen festgestellt. Die Zykluszeit wurde von 42 Sekunden auf 22 Sekunden gesenkt. Die Bohrerlebensdauer verlängerte sich von 4 Stunden auf 100 Stunden, bevor Schleifen erforderlich wurde, und der Materialabtrag während des Schleifens wurde reduziert.

BEISPIEL III

Das gleiche Kühlsystem aus den Beispielen I und II wurde auf einer anderen Mehrspindelschraubmaschine installiert. Ziel war, die Produktionsgeschwindigkeit zu maximieren, was die Zykluszeit von 43,5 Sekunden auf 27,0 Sekunden senkt. Der Energieverbrauch wurde aufgrund einer verringerten Last des Maschinenmotors dank verbesserter Schmierung um 15 Prozent gesenkt.
Aus den obigen Beispielen ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Kühlsystem signifikante Kosteneinsparungen und eine Produktionssteigerung in der Werkzeugmaschinenindustrie bietet. Dies wird durch Lenken des Kühlmittels auf den Punkt der Wärmeentwicklung mittels eines Hochdruckstrahls und mit Sprühdüsen kleinen Durchmessers verwirklicht. In Folge wird ein größerer Teil des Kühlmittels zur Wärmesenkung und zur Schmierung verwendet, wodurch ein Wärmeaufbau verringert wird. Das Kühlsystem dieser Erfindung kann nachträglich in bestehende Maschinen eingebaut werden oder es kann in Originalausrüstung integriert werden. Während als Hauptanwendung des Kühlsystems die Metallbearbeitungsindustrie gedacht ist, kann das Kühlsystem in jeder Anwendung eingesetzt werden, wo Material geschnitten oder abgetragen wird.

Claims

1. Kühlsystem (10) für eine Maschine (102), die einen Materialbeseitigungsarbeitsgang durchführt, wobei die Maschine einen Behälter (12) zur Sammlung einer zur Kühlung und Schmierung eines Werkstückes und eines Schneidwerkzeugs verwendeten Kühlflüssigkeit (22) während des Materialbeseitigungsarbeitsgangs aufweist, und das Kühlsystem folgendes umfaßt:

- eine Verdrängerpumpe (14), die einen Flüssigkeitseinlaß (16) und einen Flüssigkeitsauslaß (24) aufweist;

- eine Einlaßleitung (18), wobei deren erstes Ende mit dem Pumpeneinlaß (16) verbunden ist und ein zweites Ende zu dem Behälter (12) reicht und

- eine Auslaßleitung (26,28,30,32,34), wobei ein erstes Ende mit dem Pumpenauslaß (24) verbunden ist und ein zweites Ende in mindestens einer Sprühdüse (36) mündet, die eine Öffnungsgröße von weniger als 2,54 mm (0,1 Zoll) aufweist, und die Pumpendurchflußleistung und die Anzahl und Öffnungsgröße der mindestens einen Sprühdüse (36) zu einem Flüssigkeitsdruck in der Auslaßleitung (26,28,30,32,34) von 2.070 bis 13.800 kpa (300 bis 2.000 psi) führt

dadurch gekennzeichnet, daß:

- die Pumpe (14) mit einer Pumpleistung von 13,2 bis 151 Liter pro Minute (3,5 bis 40 US-Gallonen pro Minute) arbeitet,

- die Öffnungsgröße 1,1 mm (0,042 Zoll) oder mehr beträgt;

- ein Sperrventil (40) an dem zweiten Ende der Einlaßleitung (18) zur Begrenzung des Flusses des Kühlmittels (22) durch die Einlaßleitung (18), so daß dieses in Richtung auf die Pumpe (14) fließt, vorgesehen ist.

- ein durch Druck ausgelöstes Sperrventil (42) in der Auslaßleitung (26,28,30,32,34) zur Absperrung des Flusses des Kühlmittels (22) durch die Auslaßleitung (26,28,30,32,34) unterhalb eines vorbestimmten Mindestdrucks vorgesehen ist.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßsperrventilmittel (40) ein Schließelement aus einem Kunststoffmaterial umfaßt.

3. Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß es ferner einen Filter (20) umfaßt, der in dem Behälter (12) angebracht ist und mit dem zweiten Ende der Einlaßleitung (18) verbunden ist, um von dem Behälter (12) in die Einlaßleitung (18) fließendes Kühlmittel zu filtern.

4. Kühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (20) zur wesentlichen Beseitigung aller Partikel mit einer Größe von mehr als 149 nµ aus der Kühlflüssigkeit (22) dient.

5. Kühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (20) zur wesentlichen Beseitigung aller Partikel mit einer Größe von mehr als 75 nµ aus der Kühlflüssigkeit (22) dient.

6. Kühlsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner ein Schnellverbindungs-/trennungsmittel (60) zur Verbindung des Filters (20) mit der Einlaßleitung (10) ohne Einsatz von Werkzeug umfaßt.

7. Kühlsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Einlaßleitung (18) an dem zweiten Ende der Einlaßleitung (18) biegsam ist, so daß das zweite Ende der Einlaßleitung und der Filter (20) aus dem Behälter (12) zum Wechsel des Filters (20) herausgenommen werden können.

8. Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängerpumpe (14) eine Innengetriebepumpe ist.

9. Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßleitung (18) einen Durchmesser von mindestens 1,5 mal dem Durchmesser der Auslaßleitung (26) aufweist.

10. Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner umfaßt:

ein Sicherheitsüberdruckventil (48) in Verbindung mit der Auslaßleitung (26,28,30,32,34), das zum Öffnen und Ablassen von Druck in der Auslaßleitung (26,28,30,32,34) in dem Fall, daß der Kühlmitteldruck in der Auslaßleitung (26,28,30,32,34) einen vorbestimmten sicheren Wert überschreitet, bedient werden kann, und

ein Rücklaufmittel (49), das eine Verbindung zwischen dem Überdruckventil (48) und dem Behälter (12) zum Zweck des Rücklaufs von Kühlmittel (22) in den Behälter (12) aus dem Überdruckventil (48) vorsieht, wenn das Überdruckventil (48) offen ist.

11. Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner ein Mittel zur verstellbaren Steuerung des Kühlmitteldrucks in der Auslaßleitung umfaßt.