JP2012524670A5 - マシンスピンドルを通じた極低温流体の軸方向の供給用デバイス - Google Patents
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Description
極低温切削流体が標準ツールホルダーに取り付けられると共にスピンドルによって駆動される回転切削ツールに供給される。
本明細書中に記載された冷却システムは、回転カップリングを、液体窒素(LN2)などの寒剤が加工動作中にツールチップインターフェースに供給されるのを許容する変更された商業用ツールシステムと組み合わせる。これは、加工ツールスピンドルを通じて標準ツールホルダーに取り付けられた切削ツールまで軸方向の通路に沿った極低温流体の軸方向の供給によって達成される。その結果、セラミックマトリックス複合材料、金属マトリックス複合材料、及び他の材料を含む、非常に硬くて、低熱伝導率の航空宇宙材料を高速で加工することができる。さらに、従来の材料は、切削流体を使用せずに加工されることができ、その結果、より環境に優しい加工プロセスを生じる。
図1は、符号10によって概ね示された回転切削ツールのための極低温冷却切削システムを示す。システムは、中央回転軸線14を中心に回転するためにスピンドルモータ(図示せず)などの従来の手段によって駆動されるスピンドル12を備える。スピンドルは、当該分野で周知のようにコレット機構17によってスピンドルに固定された第1端部の標準的なツールホルダー16を収容する。ツールホルダー16は、切削ツール18(その上部分だけが示される)を支持する。スピンドル12は、非回転バヨネット型寒剤供給デバイス21を収容する第2端部の軸方向ソケット開口19を有する。非回転バヨネット型寒剤供給デバイス21は、スピンドルの回転軸線上に供給デバイス21を配置する一対のベアリング22によって軸方向ソケット開口19に収容される。スピンドルと共に回転するソケットライナー23は、軸方向ソケット開口19の低部分に配置される。ソケットライナー23の低端部は、軸方向に整合された排出ポート24を有する。
バヨネット型寒剤供給デバイス21は、大きい直径の真空断熱区分27によって囲まれている上部分を有する小さい直径の真空断熱された供給チューブ26を備える。供給チューブ26は、スピンドル12の外側に配置された適当な供給源(図示せず)から第1端部において寒剤を収容する内部通路を有する。供給チューブ26の第2端部は、スピンドルの回転軸線14と整合されたアウトレット28を有する。アウトレット28は、ソケットライナー23の排出ポート24上に配置される。環状シール29がソケット19に配置され、大きな直径の断熱区分27と回転スピンドル本体12との間にシールを提供する。環状シール29は、作動スプリングであり、断熱区分27の外面が極低温でない大きな直径の断熱区分27によって、バヨネット型寒剤供給デバイス21の寒剤の温度から保護されているため温かいシールと呼ばれる。
図1に示された極低温冷却切削システムに使用されるスピンドルの物理的及び動的な特性は、既存のCNCスピンドルと同じであり、掘削、皿とり加工、長いリーチを有する複雑なエッジミリングなどの機械加工動作を許容し、容易に実行される。ツールホルダー16は、商業的に入手可能なツールホルダーシステムに使用されるのと同じ形状及び大きさであり、結果として自動ツールチェンジャーで使用されることができる。小さい直径の真空断熱供給チューブ26は、スピンドルの回転軸線14と整合され、小さい量を有し、高速スピンドルの性能に悪影響しない。スピンドル12の回転軸線14に沿ったクーラント通路、ツールホルダー16及びツール18は、クーラントの流れに影響するスピンドルの回転によって生じた遠心力なしで高速スピンドル回転を可能にする。ソケットライナー23の排出ポート24はツールホルダー16の軸方向通路と直接的に軸方向整合するため、ツールホルダーのスピンドル12のコレット機構17への結合は、新しいツールが自動ツール交換機構によってスピンドルに取り付けられるときはいつでも内部供給チューブ26から切削ツールのシャフト18までのクーラント供給通路を確立する。
図2乃至図8は、非回転寒剤源と回転スピンドルとの間のインターフェースが、スピンドルの上部から延びる回転チューブの上端又はツールホルダーの上部の中に延びる非回転チューブの下端のどちらかに配置される極低温冷却切削システムの別の実施形態を示す。付加的に、図2乃至図8の実施形態は、特に、自動ツール交換システム及びそのようなシステムに使用されるツールホルダーとの互換性を有するように適合される。
標準寒剤供給ライン46は、寒剤の外部供給源(図示せず)に連結され、内部チューブ47及び外側シース48を備える。寒剤供給ラインの内部チューブ47と外側シース48との間の空間は、断熱のための真空を含む。寒剤供給ライン46の外側シース48は、第1又は接合ブロックハウジング50の上部で終端し、小さい直径の内部チューブ47の下端は、図3に最もよく示された接合ブロックハウジングの下部分に配置された接合ブロック52に接合される。寒剤供給ライン46からクーラント供給チューブ40の上端までの寒剤の連通は、以下に詳細に述べるように、接合ブロックハウジン50の接合部に配置されたバルブ機構及び第2又は駆動ハウジング62によって制御される。第1又は接合ブロックハウジング50は、クランプアーム53によって回転アクチュエーター54に連結される取り付けプレート55に取り付けられる。回転アクチュエーターは、駆動アクチュエーター56及び摺動面58に取り付けられたライナーベアリング57を備える。駆動アクチュエーター56は、適当な制御下にあり、ライナーベアリング57を図2及び図3に示された摺動面58の低部から図7に示された摺動面の上部まで上昇させると共に、その逆に図7に示された摺動面の上部から図2及び図3に示された摺動面58の低部まで下降させるために作動されることができる。ライナーベアリング57は、昇降すると、第1又は接合ブロックハウジング50、第2又は駆動ハウジング62及び寒剤供給チューブ46及び40もまた昇降する。
図4は、寒剤供給ライン46の内部チューブ47とクーラント供給チューブ40との間に流れを確立するための機構を示す。クーラント供給チューブ40は、外側シース43によって囲まれた小さい直径の内部チューブ42を備える。小さい直径のチューブ42と外側シース43との間の空間の真空は、小さい直径のチューブ42に包含された寒剤のための断熱を提供する。駆動ハウジング62内のクーラント供給チューブ40の内部チューブ42の一部分は、ベローズ64によって囲まれる。ベローズ64は、順応し、小さい直径の内部チューブ42が極低温で外側シース43が周囲温度であるときにクーラント供給チューブ40の外側シース43の長さの収縮を許容する。
図6は、クーラント供給チューブ40が下降位置にある状態の、スピンドル12の下端部及びツールホルダー16の上端部を示す。スピンドルの標準コレット機構17は、ツールホルダー16の上部のツールホルダー引っ張りスタッド65を把持し、ホルダーをスピンドル12の端部に固定する。断熱極低温マニホールド68は、ツールホルダー16の内部に取り付けられ、クーラント供給チューブ40の端部からツールホルダーに取り付けられるツール18の軸方向通路33まで寒剤を供給するためにツールホルダーの回転軸線14上に配置されたクーラント通路69を有する。コーン形状ガイド75が極低温マニホールド68上に配置される。コーン形状ガイド75は、クーラント供給チューブの下端部がツールホルダー16の中に完全に挿入されるときにクーラント供給チューブ40の端部近傍に形成された対応デテント67(一方だけが示される)と係合するアレイ状のスプリングプランジャー機構66を有する。極低温マニホールドのクーラント通路69の上部は、クーラント供給チューブ40の下端部を収容するブッシュ70と適合される。極低温マニホールド68は、ポリテトラフルオロエチレンなどの低熱伝導率の材料から製造されることができる。極低温マニホールド68は、クーラント供給チューブ40の外面に対してシールを提供する下スプリング強化ポリマーシール71を有する。断熱極低温マニホールド68の下端部は、ホルダー16に取り付けられたツール18の上部上に配置される。断熱極低温マニホールド68のクーラント通路69は、ツール18のシャフトに形成された軸方向のクーラント通路33と軸方向整合する。
一実施形態では、スピンドル12及びクーラント供給チューブ40はユニットとして回転し、クーラント供給チューブ40と寒剤供給の非回転構造との間のシールは、上スプリング強化ポリマーシール63で及び接合ブロックハウジング50の底部で生じる。代替的な実施形態では、クーラント供給チューブ40はスピンドル12と回転せず、回転するスピンドル12と非回転供給チューブ40との間のシールは、ツールホルダー16の上部分の極低温マニホールド68の下端部の下スプリング強化ポリマーシール71で生じる。クーラント供給チューブ40を固定維持するために、スラストディスク79は、クーラント供給チューブ40に非回転的に取り付けられ、図4に示されたように反転カップ81の非回転面に対するディスク79の力がスラストディスク79従って供給チューブ40の回転を防止するのに十分に大きくされる。他の構成が、クーラント供給チューブ40を固定維持するために使用されることができる。いずれの実施形態では、寒剤は、固定された真空断熱供給ライン46を介して接合ブロックハウジング50の接合ブロック52の下にある空間51に供給される。クーラント供給チューブ40の上端部のエンドキャップ77のポート78が図4に示されたようにシール63上にある限り、寒剤は、接合ブロックハウジング50の内部からクーラント供給チューブの中に流れる。クーラント供給チューブ40は、寒剤を断熱低温マニホールド68まで供給する。下スプリング強化ポリマーシール71は、クーラント供給チューブ40の端部と係合し、断熱極低温マニホールド68の軸方向通路69に移動される際の寒剤の漏れを防止する。軸方向通路69のクーラントは、ツール18の軸方向の通路33を通じてツールの切削縁部まで運ばれる。
ツール18及び関連のツールホルダー16がスピンドル12に取り付けられると、クーラント供給チューブ40の下端部は、図6に示されるようにツールホルダーに配置される。ツール交換動作の前に、駆動アクチュエーター56は、図7に示されるように接合ブロックハウジング50を上昇する。これは、図5に示されるように、接合ブロックハウジングからクーラント供給チューブ40までの寒剤の流れを止め、ツールホルダー16からクーラント供給チューブ40の下端部を引っ込め、クーラント供給チューブ40の端部は図8に示されるようにツールホルダー引っ張りスタッド65上に配置される。クーラント供給チューブ40は、次のツールホルダー16及びツールがスピンドルの中に挿入され、コレット17がツールホルダー引っ張りスタッド65と係合するまで上昇された又は引っ込められた位置にある。ひとたびツールホルダー16がスピンドル12の端部に固定されると、駆動アクチュエーター56は、接合ブロックアッセンブリ50を下げる。クーラント供給チューブ40の下端部は、ツールホルダー引っ張りスタッド65の軸方向の開口74を通過し、コーン形状ガイド75によって断熱極低温マニホールド68のクーラント通路69の上部に配置されたブッシュ70の中に案内される。これは、図4に示された位置までエンドキャップ77の周りにあるシール63を下げ、接合ブロック52の下にある空間51からポート78を通りクーラント供給チューブ40の上端部の中への寒剤の流れを再度確立する。
Claims (18)
- マシンスピンドルを通じてマシンスピンドルに取り付けられたツールホルダーへの極低温クーラントの軸方向の供給用デバイスであって、
外部供給源からマシンスピンドルまで極低温クーラントを収容するための断熱チューブと、
断熱チューブを収容するためのマシンスピンドルの回転軸線上の軸方向ソケット開口であって、ツールホルダーの反対にあるスピンドルの端部にある軸方向ソケット開口と、
断熱チューブを囲む軸方向ソケット開口に取り付けられたソケットライナーと、
断熱チューブの少なくとも一部分からなる大きい直径の断熱部分と、
軸方向ソケット開口と断熱チューブの大きい直径の断熱部分との間をシールするために軸方向ソケット開口に配置されたシールであって、断熱チューブの大径の断熱部分が極低温クーラントの低温からシールを保護する、シールと、
断熱チューブからの極低温クーラントを受け入れるためのツールホルダーの軸方向の通路と、を備える、デバイス。 - 請求項1記載のデバイスにおいて、
ソケットライナーの端部に形成された排出ポートを更に備え、
排出ポートは、断熱チューブの端部及びツールホルダーの軸方向の通路と軸方向に整合し、それによって、断熱チューブからの極低温クーラントは、断熱チューブからソケットライナーの排出ポートまで軸方向の通路に沿って供給され、ソケットライナーの排出ポートからツールホルダーの軸方向の通路まで供給される、デバイス。 - 請求項2記載のデバイスにおいて、
軸方向ソケット開口に配置された少なくとも一つのベアリングを更に備え、ベアリングは、マシンスピンドルの回転軸線上に断熱チューブを配置する、デバイス。 - マシンスピンドルを通じてマシンスピンドルに取り付けられたツールホルダーへの極低温クーラントの軸方向の供給用デバイスであって、
外部供給源から極低温クーラントを供給するための寒剤供給ラインと、
寒剤供給ラインから極低温クーラントを収容するためのクーラント供給チューブと、
クーラント供給チューブからの極低温クーラントを受け入れるためのマシンスピンドルの軸方向の通路と、
寒剤供給ラインとクーラント供給チューブとの間の極低温クーラントの流れを制御するためのバルブ装置であって、極低温クーラントの流れは、ツールホルダーがマシンスピンドルから取り除かれるときに極低温クーラントの流れが止められる、バルブ装置と、
寒剤供給ラインの端部を囲むと共に、寒剤供給ラインから極低温クーラントを収容するバルブ装置上の空間を形成する第1ハウジングと、
第1ハウジングに接合されたアクチュエーターであって、第1ハウジングを昇降し、バルブ装置を制御し、寒剤供給ラインからクーラント供給チューブまでの極低温クーラントの流れを制御するアクチュエーターと、
クーラント供給チューブの端部を収容するためのツールホルダーの軸方向の通路であって、寒剤供給ラインの端部を囲む第1ハウジングの上昇は、ツールホルダーの軸方向の通路からクーラント供給チューブの端部を引っ込める、ツールホルダーの軸方向の通路と、を備える、デバイス。 - 請求項4記載のデバイスにおいて、
クーラント供給チューブの下端部を収容するためにツールホルダーに取り付けられた低温マニホールドと、
低温マニホールドの軸方向の通路と、を更に備え、
それによって、低温マニホールドの軸方向の通路は、クーラント供給チューブから極低温クーラントを受け入れて、極低温クーラントをツールホルダーに取り付けられたツールに供給する、デバイス。 - 請求項5記載のデバイスにおいて、
低温マニホールドに取り付けられた少なくとも一つのスプリングプランジャーと、
クーラント供給チューブの下端部に形成されたデテントと、を更に備え、
それによって、スプリングプランジャーは、クーラント供給チューブが低温マニホールドの中に完全に挿入されたときにデテントと係合する、デバイス。 - 請求項5記載のデバイスにおいて、
低温マニホールドは、低熱伝導率の材料からなる、デバイス。 - 請求項7記載のデバイスにおいて、
低温マニホールドを構成する材料は、ポリテトラフルオロエチレンである、デバイス。 - 請求項4記載のデバイスにおいて、
クーラント供給チューブの内部への極低温クーラントの流れを確立するためのポートを有し、クーラント供給チューブの上端部のエンドキャップと、
エンドキャップの外面と係合するシールと、を更に備え、
それによって、エンドキャップ上のシールの位置の制御は、ポートを通じたクーラント供給チューブの内部への極低温クーラントの流れを制御する、デバイス。 - 請求項9記載のデバイスにおいて、
クーラント供給チューブの上端部を包含する、第1ハウジングの端部に結合された第2ハウジングを更に備え、
それによって、アクチュエーターは、第1ハウジング及び第2ハウジングを昇降してクーラント供給チューブのエンドキャップのシールの位置を制御し、寒剤供給ラインからクーラント供給チューブへの極低温クーラントの流れを制御する、デバイス。 - 請求項5記載のデバイスにおいて、
低温マニホールドに取り付けられ、低温マニホールドの軸方向の通路の一部分を囲むシールを更に備え、
シールは、低温マニホールドの中に完全に挿入されるときのクーラント供給チューブの下端部からの漏れを防止するためにツールホルダーの中に完全に取り付けられるときにクーラント供給チューブの下端部と係合する、デバイス。 - 請求項5記載のデバイスにおいて、
低温マニホールドの上部に取り付けられたコーン形状のガイドを更に備え、
コーン形状のガイドは、低温マニホールドの中に下げられるときにクーラント供給チューブの下端部と整合する、デバイス。 - 請求項5記載のデバイスにおいて、
クーラント供給チューブの下端部の外面と係合するための低温マニホールドのシールを更に備え、
クーラント供給チューブは、非回転であり、
シールは、ツールのホルダーの回転構造と非回転クーラント供給チューブとの間のインターフェースである、デバイス。 - 請求項9記載のデバイスにおいて、
クーラント供給チューブは、マシンスピンドルと共に回転し、
エンドキャップの外面と係合するシールは、回転クーラント供給チューブとデバイスの非回転構造との間のインターフェースである、デバイス。 - 請求項1記載のデバイスにおいて、
断熱チューブは、小さい直径の真空断熱されたチューブを備える、デバイス。 - 請求項1記載のデバイスにおいて、
断熱チューブの大きい直径の断熱部分は、真空断熱される、デバイス。
- 請求項4記載のデバイスにおいて、
寒剤供給ラインは、真空断熱チューブを備える、デバイス。 - 請求項4記載のデバイスにおいて、
クーラント供給チューブは、小さい直径の真空断熱されたチューブを備える、デバイス。
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