ES2338267T3 - Sistema de extraccion de virutas y/o polvo para un cabezal de una fresadora provisto de cambio automatico de herramienta. - Google Patents
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Abstract
Sistema de extracción de virutas y/o polvo para un cabezal de una fresadora provisto de cambio automático de herramienta, que comprende un husillo giratorio (1) con un tirante central hueco (5'') a través del cual se absorven las virutas y/o polvo generadas durante el mecanizado, en donde el tirante central hueco (5'') tiene un diámetro suficientemente importante para permitir el paso, al interior de éste de las mencionadas virutas, estando ensamblado a una extremidad del tirante central hueco (5''), con un cono de amarre automático (3''), un portaherramientas (2), caracterizado en que en la otra extremidad del tirante central hueco (5'') está acoplado un conducto de aspiración (7) estático, por medio de una junta rotativa seca (8) que determina un alojamiento (8.1) en el que se inserta la mencionada otra extremidad del tirante central hueco rotativo (5'') sin contacto de aquel con la pared del mencionado alojamiento (8.1), con el fin de obtener un acoplamiento rotativo entre ellos, lo que permite el funcionamiento a velocidades elevadas de mecanizado y la extracción de virutas y/o polvo por el interior del tirante central hueco (5'').
Description
Sistema de extracción de virutas y/o polvo para
un cabezal de una fresadora provisto de cambio automático de
herramienta.
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 seria 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.
En la publicación técnica alemana "Die
Gießerei 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. 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.
Se conocen otros dispositivos de mecanizados
equipados de un sistema de aspiración de polvo y de los deshechos de
mecanizado divulgados en las patentes/solicitudes de patente
publicadas JP 2002-166320 A que muestran un cabezal
de fresadora según el preámbulo de la reivindicación 1 y EP 1738866
A1.
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 centrifuga tiende a
aumentar la fortaleza del amarre, en los ISO es precisamente a la
inversa.
La invención tiene por objeto un cabezal de
fresadora según la reivindicación 1.
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 electrohusillo,
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 hacía 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 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.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante se dirige únicamente a ayudar al lector y no forma parte
del documento de patente europea. Incluso si se ha procurado el
mayor cuidado en su concepción, no se pueden excluir errores u
omisiones y el OEB declina toda responsabilidad a este respecto.
- \bullet DE 19512401 (0011)
- \bullet JP 2002166320 A (0015)
- \bullet US 2643641 A (0014)
- \bullet EP 1738866 Al (0015)
\bullet US 3057417 A (0014).
Claims (6)
1. Sistema de extracción de virutas y/o polvo
para un cabezal de una fresadora provisto de cambio automático de
herramienta, que comprende un husillo giratorio (1) con un tirante
central hueco (5') a través del cual se absorven las virutas y/o
polvo generadas durante el mecanizado, en donde el tirante central
hueco (5') tiene un diámetro suficientemente importante para
permitir el paso, al interior de éste de las mencionadas virutas,
estando ensamblado a una extremidad del tirante central hueco (5'),
con un cono de amarre automático (3'), un portaherramientas (2),
caracterizado en que en la otra extremidad del tirante
central hueco (5') está acoplado un conducto de aspiración (7)
estático, por medio de una junta rotativa seca (8) que determina un
alojamiento (8.1) en el que se inserta la mencionada otra extremidad
del tirante central hueco rotativo (5') sin contacto de aquel con la
pared del mencionado alojamiento (8.1), con el fin de obtener un
acoplamiento rotativo entre ellos, lo que permite el funcionamiento
a velocidades elevadas de mecanizado y la extracción de virutas y/o
polvo 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 cambio automático de
herramienta, según la reivindicación 1, en el que el conducto de
aspiración (7) estático está ensamblado a la parte posterior de la
junta rotativa seca (8), estando establecida una conexión sin
contacto entre el tirante central hueco (5') y el mencionado
conducto de aspiración (7), con libertad de rotación entre
ellos.
3. Sistema de extracción de virutas y/o polvo
para un cabezal de una fresadora provisto de cambio automático de
herramienta, según la reivindicación 1 o 2, en el que la junta
rotativa seca (8) dispone de una entrada lateral (8.2) a través la
cual se inyecta aire a baja presión para limpiar y presurizar el
alojamiento (8.1) en el que está encajada la extremidad del tirante
central hueco rotativo (5').
4. Sistema de extracción de virutas y/o polvo
para un cabezal de una fresadora provisto de cambio automático de
herramienta, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en
el que el diámetro del tirante central hueco (5') es superior o
igual a 10 mm.
5. Sistema de extracción de virutas y/o polvo
para un cabezal de una fresadora provisto de cambio automático de
herramienta, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en
el que el mencionado conducto de aspiración (7) es una manguera
flexible.
6. Sistema de extracción de virutas y/o polvo
para un cabezal de una fresadora provisto de cambio automático de
herramienta, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en
el que el tirante central hueco (5') es capaz de girar a una
velocidad superior de 15.000 r.p.m.
Applications Claiming Priority (2)
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