ES2330490A1 - Sistema de extraccion de virutas y/o polvo para un cabezal de una fresadora provisto de amarra automatico. - Google Patents
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Abstract
Sistema de extracción de virutas y/o polvo para un cabezal de una fresadora provisto de amarre automático, que dispone el husillo giratorio (1) del cabezal con un tirante central hueco (5'') sobredimensionado, acoplándose en un extremo el portaherramientas (2) con un cono de amarre automático (3'') modificado, mientras que en el otro extremo se establece acoplamiento con una manguera de aspiración estática, por medio de una junta rotativa seca (8), permitiendo extraer por el interior el polvo y/o virutas residuales del mecanizado, con un funcionamiento a altas velocidades.
Description
Sistema de extracción de virutas y/o polvo para
un cabezal de una fresadora provisto de amarre automático.
La presente invención está relacionada con el
mecanizado, mediante máquina-herramienta, de
materiales que en su mecanizado generan polvo o virutas de poco
peso, fáciles de aspirar, como ocurre con los composites,
materiales cerámicos, grafitos, etc.; proponiendo concretamente un
sistema para la extracción por aspiración de las virutas y/o del
polvo generados en el mecanizado de ese tipo de materiales, con
unas características que resultan realmente ventajosas.
En el sector aeronáutico va progresando día a
día el empleo de materiales tales como los composites ó los
cerámicos, los cuales también se van empleando cada vez más en
otros campos, como es el del automóvil. Estos materiales, al igual
que algunos plásticos, las maderas, los DM, el grafito, etc.,
generan en su mecanizado gran cantidad de polvo que es muy nocivo
para la salud de los operarios y negativo para las propias
instalaciones, por lo que es conveniente su eliminación en el mismo
punto de origen.
En las soluciones hasta ahora conocidas para la
eliminación de esos restos de polvo o virutas, se recurre a
sistemas de aspiración, los cuales generalmente son externos
respecto del cabezal de la máquina-herramienta que
lleva a cabo el mecanizado.
Se conoce también el empleo de herramientas
"huecas", para trabajos de fresado y de taladrado, es decir
que la propia herramienta tiene un conducto interno por el que se
puede realizar la aspiración, lo cual permite aplicar la aspiración
justo en el punto de trabajo de la herramienta; lo que es positivo
para mejorar las condiciones de la aspiración, pero tiene la
problemática de la conducción de los materiales aspirados desde el
punto de aspiración hasta su posterior destino, ya que al girar la
herramienta durante el mecanizado es complicado aplicar sobre ella
un conducto de aspiración que no debe girar, requiriendo del
concurso de sistemas de junta rotativa, solución esta que presenta
una compleja realización para altas velocidades.
Además, por problemas de falta de espacio dentro
del cabezal, se suele recurrir a instalar los conductos de
aspiración por el exterior del cabezal, con los problemas que ello
entraña de ocupación de espacio, incidencia negativa para el diseño
exterior del cabezal, etc.
De acuerdo con todo ello, la solución idónea
pasa por la utilización de una herramienta hueca que permita hacer
coincidir el punto de trabajo con el de aspiración, y un sistema de
aspiración comunicado a dicha herramienta que vaya incorporado
dentro del cabezal de fresado en una disposición coaxial respecto
del eje de giro de la herramienta, formando una parte integrada en
el propio cabezal.
En el caso concreto del cabezal de una
fresadora, cuando dicho cabezal presenta una transmisión externa o
es del tipo multi-husillo o con amarre manual, se
podría tener una suficiente libertad de medidas como para disponer
el conducto de aspiración por el interior del cabezal, pero en
cambio en los cabezales con electro-husillo
(electrospindle) y con sistemas de amarre automático, no se cuenta
con el suficiente grado de libertad de medidas como para disponer
un conducto de aspiración interior y coaxial.
En los cabezales de máquinas fresadoras con
sistema de amarre automático se conoce ya la realización del
tirante central del electro-husillo según una
concepción hueca para hacer pasar por su interior un producto
lubrificante de la herramienta, como taladrina, ó una mezcla de
aire y aceite, ó solo de aire, pero siempre para aportar algo que
lubrifique y nunca para extraer un producto seco, como el polvo o
virutas que se producen durante el mecanizado.
Una de las causas de ello es que en todos los
diseños de cabezales hasta ahora conocidos, con sistema de amarre
automático y que tienen un tirante central hueco para la
lubrificación, el diámetro del conducto axial hueco del tirante no
supera los 5 milímetros, medida ésta que es suficiente para el paso
del lubricante, pero que es insuficiente para el paso de los
restos del mecanizado, para los cuales se requiere un conducto de
diámetro no inferior a 10 milímetros. En los cabezales
convencionales dicho conducto de lubricación queda además limitado
a la medida indicada porque la falta de espacio impide una
sobre-dimensión del tirante y no se ha llegado a
alcanzar un diseño que con las medidas constructivas se pueda
determinar un conducto de diámetro mayor sin debilitar, más allá de
lo deseado, la resistencia del tirante y su fijación al sistema de
amarre de la herramienta.
Por otro lado, para poder mecanizar los
mencionados composites, materiales cerámicos, grafito, plásticos,
etc., se requiere que la herramienta trabaje a alta velocidad,
siendo en muchos casos conveniente alcanzar velocidades por encima
de las 15000 revoluciones por minuto (r.p.m.) y alcanzar el rango
de las 20000 r.p.m., velocidad ésta que incluso sería conveniente
superar para el propio proceso de mecanizado. Por ejemplo los
materiales cerámicos requieren velocidades por encima de las 13.500
r.p.m; los CMC por encima de las 14.000 r.p.m; los plásticos, el
grafito, los FRP, los DM y las maderas por encima de las 15.000
r.p.m y el magnesio, el poliestireno y las resinas por encima de
las 20.000 r.p.m, debiendo ser "muy por encima" para estos dos
últimos materiales.
Pues bien, hasta la fecha no se conoce ningún
sistema de junta rotativa que pueda trabajar en seco a dichas
velocidades. Los sistemas de junta rotativa tradicionales no
funcionan por encima de las 15000 r.p.m., por lo cual no se conocía
hasta la fecha un sistema de junta rotativa que, cuando se trabaja
a altas velocidades, permita conectar en un cabezal de mecanizado
el extremo del tirante central hueco y giratorio, opuesto a la
herramienta, con un correspondiente tramo de conducto de aspiración
que tenga que estar fijo sin girar.
Por la Patente alemana DE 195 12 401 se conoce
un cabezal de una fresadora diseñado específicamente para el
mecanizado de modelos en plástico y en madera. En esta Patente se
describe la utilización de una herramienta hueca, por dentro de la
cual penetra un tubo central de plástico que permite la aspiración
por su interior del polvo y de los residuos del mecanizado. Entre
dicho tubo central de plástico, que no gira, y la herramienta y
partes giratorias de la máquina, se disponen unos rodamientos de
deslizamiento que son, al igual que el tubo, de plástico. Con esta
realización no se puede trabajar a velocidades por encima de las
15000 r.p.m. e incluso al acercarse a esta velocidad surgen
problemas de calentamiento en los rodamientos, obligando a
soluciones de ventilación forzada y a colocar dispositivos de
seguridad que desconexionan el motor de accionamiento de la
herramienta. Además esta solución no permite diseñar un cabezal
de
la suficiente robustez, para poder mecanizar otros materiales más duros, como son los composites, los cerámicos, etc.
la suficiente robustez, para poder mecanizar otros materiales más duros, como son los composites, los cerámicos, etc.
En la publicación técnica alemana "Die
Gielerei und ihre Helfer" (El taller de fundición y sus
ayudantes) 1989/90, páginas B6 a B8, se describe un dispositivo de
fresado para mecanizar espuma dura, según el cual, el tirante
central hueco que soporta a la fresa permite la aspiración del
polvo y de las virutas por su interior. Este tirante central hueco
atraviesa el motor de accionamiento de la fresa y desemboca,
girando libremente, por fuera del motor, en donde se conecta a un
tubo flexible de aspiración. De nuevo en este caso surge el
problema en la conexión entre el tirante central y el tubo
flexible; de manera que las juntas rotatorias ó rodamientos
dispuestos entre ambos no permiten superar las 15000 r.p.m.
Las Patentes US 2 643 641 y US 3 057 417,
describen un cabezal para el taladrado de piedras que presenta un
conducto central por el que se aspira el polvo y los residuos del
taladrado, pero este cabezal no tiene la problemática de las
reducidas dimensiones de los cabezales de máquinas fresadoras con
sistema de amarre automático, ni tampoco trabaja a las alta
velocidades de éstos.
Por otro lado, al sistema de amarre de la
herramienta, denominado pinza de amarre, se le exige precisión en
cuanto al centraje, fortaleza en la fuerza del amarre e
irreversibilidad, es decir que la herramienta no se desprenda
aunque falle la alimentación eléctrica y/o hidráulica,
necesitándose para el mecanizado de los materiales anteriormente
indicados unos sistemas de amarre que tengan dichas características
y además que permitan trabajar a altas velocidades, por encima de
las 15000 r.p.m.
De los sistemas de amarre más convencionales,
que son los HSK y los ISO, estos últimos no son idóneos para altas
velocidades, ya que si bien en los HSK la fuerza centrífuga tiende
a aumentar la fortaleza del amarre, en los ISO es precisamente a la
inversa.
De acuerdo con la invención se propone un
cabezal de fresadora provisto de un sistema de amarre rápido de la
herramienta, del tipo de los cabezales con electro- husillo,
incorporando por dentro del husillo, y más concretamente a través
de su tirante central hueco, una aspiración de las virutas de poco
peso y/o el polvo que se generan durante el mecanizado, accediendo
estos residuos al conducto axial del tirante central hueco a
través de una herramienta hueca.
Un objetivo de la invención y parte esencial de
la misma, es conseguir que un cabezal de fresadora que vaya
provisto de un sistema de amarre rápido, tal como una pinza de
amarre tipo HSK, en el que la herramienta trabaja a alta velocidad
(por encima de las 15000 r.p.m.), incorpore un sistema de junta
rotativa seca entre el tirante central giratorio y un conducto fijo
acoplado al extremo del tirante opuesto al de la herramienta, de
manera que el sistema de junta rotativa seca permita el giro a alta
velocidad del tirante central hueco respecto de dicho conducto fijo
de aspiración.
También es un objetivo de la invención que el
sistema de junta rotativa seca, capaz de trabajar a alta velocidad,
incorpore unos medios que mejoren la depresión en el conducto axial
del tirante central hueco y que, además, tales medios dificulten el
acceso de polvo, a través del propio sistema de junta rotativa,
desde la parte externa del tirante hacia su parte interna.
Para lograr todo ello, en primer lugar se ha
modificado el acoplamiento entre el tirante central hueco y la
pinza de amarre, para conseguir que, sin debilitar dicho
acoplamiento, ni al propio tirante central, el diámetro del
conducto interior de este último supere los 5 milímetros
tradicionales y alcance una medida de 10 ó más milímetros.
Por otro lado, en lugar de una junta rotatoria
tradicional, para la unión entre el extremo superior 1 del tirante
hueco central y el conducto fijo de aspiración se ha diseñado un
sistema de junta rotatoria seca basado en el principio de que entre
las paredes del tirante central y las de dicho conducto exista un
ajuste suficiente como para garantizar la aspiración, pero que no
haya un contacto físico; de manera que al no existir contacto físico
el tirante puede girar a alta velocidad (por encima de las 15000
r.p.m), respecto del conducto que permanece estático, sin que se
produzca desgaste en dichos elementos.
Además, se ha previsto que en la zona de la
junta rotativa seca vaya incorporada una alimentación de un flujo
de aire a presión, que mejora la depresión dentro del tirante y por
consiguiente la aspiración de polvo, permitiendo a la vez
garantizar la limpieza de la junta, con lo que se evita el depósito
de suciedad en esa zona, mediante un efecto de
auto-limpieza. En este sentido se ha previsto que
la parte del extremo superior del tirante central hueco, que guarda
relación con el correspondiente extremo del conducto de aspiración
fijo, determine, respecto de este último, un recorrido laberíntico
que, manteniendo uniforme la dimensión del diámetro del conducto
del tirante central y la del conducto fijo, dificulta la entrada de
elementos extraños y de suciedad a esa zona.
Con esta realización preconizada se consigue por
lo tanto un cabezal de fresado con amarre automático y alta
velocidad, por encima de las 15000 r.p.m., idóneo para el
mecanizado de materiales ligeros, como las aleaciones de aluminio,
magnesio y MMC (composites de matriz metálica), que en el
mecanizado producen virutas de poco peso, hasta todo aquel material
que en su mecanizado genera polvo y viruta, como los composites de
matriz polimérica (FRP-"Fiber Reinforced Plastics"), plásticos
en general, poliestirenos ó materiales para modelos y composites de
matriz cerámica (CMC "Ceramic Matriz Composites"), cerámicas,
grafito, madera, DM, etc., de manera que dicho cabezal presenta una
aspiración de virutas y/o polvo seco, por el interior de la
herramienta y del tirante central hueco del husillo, e incorpora un
sistema de junta rotativa seca, capaz de permitir el acoplamiento
del extremo superior del tirante central hueco que gira a alta
velocidad, a un conducto fijo de aspiración que no gira.
El mencionado conducto de aspiración puede así
llevar él mismo a las virutas y/o el polvo succionados, hasta el
correspondiente depósito de recogida, y ser fácilmente acoplado a
los medios de conducción hasta el mencionado depósito, pudiendo
montarse dicho conducto por el interior del cabezal y de la
fresadora, en una disposición totalmente integrada y oculta,
incluso hasta en el caso de cabezales en ángulo.
La figura 1 muestra una vista en sección
longitudinal de un cabezal de mecanizado con amarre automático
convencional.
La figura 2 muestra una vista en sección
longitudinal del cabezal con amarre automático de la figura
anterior modificado según el sistema de la invención.
La figura 3 muestra una vista en sección
longitudinal de otro cabezal de mecanizado con amarre automático
convencional.
La figura 4 muestra una vista en sección
longitudinal del cabezal con amarre automático de la figura
anterior modificado según el sistema de la invención.
La figura 5 es un detalle ampliado del extremo V
que corresponde a la junta rotativa seca en las figuras 2 y 4.
La figura 6 muestra un ejemplo de aplicación del
sistema preconizado en una fresadora para madera.
La figura 7 es un ejemplo de aplicación del
sistema preconizado en una fresadora de mecanizado de piezas
metálicas.
El objeto de la invención se refiere a un
sistema para la extracción del polvo y/o virutas a través de un
cabezal de mecanizado de alta velocidad con amarre automático, tal
como un cabezal de fresadora, con una realización que permite
aspirar los residuos del mecanizado por un conducto interior a
través de una herramienta hueca y del tirante central giratorio del
cabezal.
Este tipo de cabezales consta de un conjunto que
comprende un husillo giratorio (1), al que se acopla en un extremo
un portaherramientas (2) con cono de amarre (3) y unas mordazas de
amarre (4), extendiéndose axialmente un tirante hueco (5) para el
paso de lubricantes, mientras que en el extremo posterior se
incorpora una junta rotativa (6), tal como se observa en las
figuras 1 y 3.
En esta aplicación los conos portaherramientas
(3) más utilizados son los de tipo HSK, con los cuales el sistema
de amarre se realiza mediante unas garras o mordazas (4) que se
ajustan dentro de un hueco (3.1) tallado dentro del cono (3) que
tiene forma de copa, de manera que a medida que aumenta la
velocidad de giro, la fuerza centrifuga expande contra el cuerpo
del husillo (1) a las mordazas (4) que sujetan el cono (3),
dotando al sistema de amarre de una mayor sujeción y permitiendo
unas condiciones de mecanizado más agresivas. Por otro lado, en la
unión del cono (3) y el husillo (1), existe un doble contacto entre
las superficies correspondientes, permitiendo una mayor
repetitividad de la colocación del cono (3).
Este tipo de conos (3) tiene sin embargo una
gran sensibilidad a la presencia de partículas, como viruta ó
polvo, que pueden impedir el correcto asiento, si no se han
limpiado correctamente las superficies de contacto, en la operación
de cambio de herramienta.
El sistema de extracción de virutas preconizado
favorece que no se queden virutas y/o polvo en las paredes de
contacto del acoplamiento del cono (3), merced a una aspiración que
se realiza por el interior del propio cabezal. Para ello se
determinan unas modificaciones en el propio cono (3) de amarre,
permitiendo un tirante central hueco (5') de mayor diámetro, según
muestran las figuras 2 y 4.
Para ello el tirante central hueco (5') se
alarga y en su nueva realización el cono de amarre (3') se acorta,
sin realizar ninguna modificación en las mordazas de amarre (4),
con lo cual se puede aumentar el diámetro del tirante (5')
permitiendo el paso de virutas y/o polvo por su interior.
Por otro lado, en la parte posterior del tirante
hueco (5') se acopla una manguera fija (7) de absorción, de manera
que mientras el tirante hueco (5') realiza en el funcionamiento un
movimiento giratorio, la manguera de absorción (7) debe permanecer
fija, por lo cual se debe modificar la junta rotativa tradicional
(6) de este tipo de cabezales.
En este sentido, según el detalle de la figura
5, se dispone una junta rotativa seca (8), con la se permite que
el tirante central hueco (5') realice su movimiento giratorio
mientras que la manguera (7) permanezca estática.
Dicha junta rotativa seca (8) determina un
alojamiento (8.1), en donde se inserta la parte posterior del
tirante central hueco (5') sin establecer contacto con las paredes
de dicho alojamiento (8.1), mientras que en el extremo posterior de
dicha junta (8) se conecta la manguera de absorción (7), de modo
que el acoplamiento entre dicha manguera de absorción (7) y el
tirante central hueco (5') se establece sin contacto entre ellos,
con lo que se obtiene un acoplamiento que permite el giro del
tirante (5') respecto de la manguera de absorción (7) que permanece
estática.
Por otro lado, en la junta rotativa seca (8) se
halla prevista una entrada lateral (8.2), por la cual es
susceptible inyectar aire a presión para limpiar la zona (8.1) de
posibles impurezas, determinando además en dicha zona (8.1) una
depresión que garantiza el correcto acoplamiento del tirante hueco
(5') sobre la junta (8) y por lo tanto respecto de la manguera de
absorción (7).
El sistema preconizado puede por lo tanto ser
implementado en cualquier tipo de husillo giratorio (1) de un
cabezal de mecanizado, pudiendo aplicarse, por ejemplo, en una
fresadora para madera (9) como representa la figura 6.
Dicha fresadora de madera (9) dispone de un
electro-husillo (1') con un tirante central hueco
(5') sobredimensionado, en el que se acopla una herramienta de
mecanizado (10) hueca, de modo que durante el mecanizado de la
pieza de trabajo (11) la viruta generada es absorbida a través del
electro-husillo (1') por el interior del tirante
central hueco (5'), gracias a la absorción que realiza una bomba de
aspiración (12) a través de un tubo de aspiración (7).
La realización es semejante en una fresadora
(11) para piezas de metal, como la representada en la figura 7,
que incluye igualmente un electro-husillo (1') con
un tirante central hueco (5') sobredimensionado, en el extremo del
cual se acopla la herramienta de mecanizado (10) que también es
hueca.
Claims (5)
1. Sistema de extracción de virutas y/o polvo
para un cabezal de una fresadora provisto de amarre automático, del
tipo que realiza la aspiración a través del tirante central hueco
del husillo giratorio del cabezal, caracterizado porque en
el husillo giratorio (1) se incluye un tirante central hueco (5')
sobredimensionado, acoplándose en un extremo un portaherramientas
(2) con un cono de amarre automático (3') modificado, mientras que
en el otro extremo se establece acoplamiento con una manguera
flexible de aspiración (7) estática, por medio de una junta
rotativa seca (8), permitiendo el funcionamiento a velocidades
elevadas de mecanizado y la extracción del polvo y/o virutas
residuales por el interior del tirante central hueco (5').
2. Sistema de extracción de virutas y/o polvo
para un cabezal de una fresadora provisto de amarre automático, de
acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque
la junta rotativa seca (8) determina un alojamiento (8.1), en el
cual encaja el extremo del tirante central hueco giratorio (5') sin
contacto del mismo con la pared de dicho alojamiento (8.1),
determinando un acoplamiento giratorio entre ellos.
3. Sistema de extracción de virutas y/o polvo
para un cabezal de una fresadora provisto de amarre automático, de
acuerdo con las reivindicaciones primera y segunda,
caracterizado porque la manguera flexible de aspiración (7)
estática se acopla en la parte posterior de la junta rotativa seca
(8), estableciéndose por medio de dicha junta rotativa seca (8) una
unión sin contacto entre el tirante central hueco (5') y la
mencionada manguera de aspiración (7), con libertad de gira entre
ellos.
4. Sistema de extracción de virutas y/o polvo
para un cabezal de una fresadora provisto de amarre automático, de
acuerdo con las reivindicaciones primera a tercera,
caracterizado porque la junta rotativa seca (8) dispone de
una entrada lateral (8.2), a través de la cual se inyecta aire a
presión para limpiar y presurizar el alojamiento (8.1) en el que
encaja el extremo del tirante central hueco giratorio (5').
5. Sistema de extracción de virutas y/o polvo
para un cabezal de una fresadora provisto de amarre automático, de
acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque
la sobredimensión del tirante central hueco (5') se determina por
el alargamiento del mismo y el acortamiento del cono de amarre
(3'), estableciendo un acoplamiento que permite aumentar el
diámetro del tirante central hueco (5') para el paso de los restos
del mecanizado por el interior del mismo.
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