JP5627671B2 - 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

Description

本発明は、海軍と空軍によって授与された契約番号Ｎ６８３３５−０８−Ｃ−０２６３及びＦＡ８６５０−０７−Ｃ−５３１１に基づいて政府の支持で作成された。政府は、本発明の特定の権利を有する。

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。

セラミックマトリックス複合材料及び低熱伝導率を有する他の高度な航空宇宙材料は、悪名高く、これらの材料はツールチップインターフェースから離れて熱を分散させることが容易にできないので加工することは困難である。より効果的にツールチップインターフェースを冷却することにより、加工速度及びツール寿命が増加し、低コスト及び高速生産を生じる。たいていの生産加工は、自動ツールチェンジャーを使用して加工ツールで行われるので、そのような冷却システムは、商業的に入手可能なツールチェンジャー及びツールホルダーシステムと互換性がなければならない。

本発明の目的は、スピンドルの標準ツールホルダーに取り付けられた回転切削ツールのための新規な冷却システムを提供することである。
他の目的は、商業的に入手可能なツールチェンジャー及びツールホルダーシステムと互換性がある回転切削ツールのための新規な冷却システムを提供することである。

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（ＬＮ_２）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、回転ツールのための寒剤供給システムの一実施形態を示す。 図２は、回転ツールのための寒剤供給システムの別の実施形態を示す。 図３は、図２の寒剤供給システムのクーラント供給チューブの昇降に使用される摺動ベアリング及びアクチュエーターを示す。 図４は、下降位置で駆動ハウジングの詳細図である。 図５は、上昇位置で駆動ハウジングの詳細図である。 図６は、クーラント供給チューブが下降位置にある状態のツールホルダーの詳細図である。 図７は、ライナーベアリング、駆動ハウジング及び上昇位置にあるクーラント供給チューブを示す。 図８は、クーラント供給チューブが上昇位置にある状態のツールホルダーの詳細図である。

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。

ソケットライナー２３の端部の排出ポート２４は、ツールホルダー１６の軸線に沿って形成された軸方向通路３１上に配置される。ツールホルダーの軸方向通路３１は、切削ツール１８のシャフトに形成されたクーラント通路３３と整合されるアウトレット３２を有する。クーラント通路３３は、ツールチップインターフェースにクーラントを導く切削ツール１８に形成された一つ以上のクーラントアウトレット（図示せず）につながる。

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。

図２に示されるように、回転軸線１４を有する標準的なスピンドル１２は、スピンドルの第１端部又は底端部に内部クーラント通路３３を有するツール１８と共にツールホルダー１６を収容する。真空断熱クーラント供給チューブ４０は、スピンドル１２の軸方向通路４１に取り付けられ、ツールホルダー１６からスピンドル１２を通り駆動ハウジング６２の中に延びる。

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３は、接合ブロックハウジング５０の下端の接合ブロック５２を示す。接合ブロック５２は、小さな直径の内部チューブの下端部を収容し、それを接合ブロックハウジング５０に固定する。接合ブロック５２は、図４及び図５に示すように、寒剤が、接合ブロック５２以下の空間５１の中の小さい直径のチューブ４７の端部から自由に流れるのを許容する。また、図３は、クーラント供給チューブ４０の上部分がスピンドル１２の外側に延び、ツール交換ピストン６１を通過するのを示す。ツール交換ピストン６１は、力をツール交換機構に付与し、本発明の一部を形成しない。クーラント供給チューブ４０の上端部は、第１又は接合ブロックハウジング５０の底部に取り付けられた第２又は駆動ハウジング６２を通過する。

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。

駆動ハウジング６２は、ライナーアクチュエーター５４による接合ブロックハウジング５０の昇降の結果として寒剤供給ライン４６からの寒剤の流れをオンオフするバルブ装置を含む。クーラント供給チューブ４０の上端部は、ポート７８が提供されたエンドキャップ７７と嵌合し、クーラント供給チューブ４０の上端を通じた流れだけがポート７８を通る。エンドキャップ７７の外面は、上部スプリング強化ポリマーシール６３に対してシールする。ポート付きエンドキャップとシール６３との組み合わせは、バルブ装置を形成する。スラストディスク７９は、駆動ハウジングの下端８２に取り付けられる反転キャップ８１によって駆動ハウジング６２の下部分に捕捉される位置にクーラント供給チューブ４０に取り付けられる。反転キャップ８１は、クーラント供給チューブ４０が自由にそこを通す開口８３を有し、開口８３は、スラストディスク７９がそこを通るのを許容するためにあまりにも小さい。

図４は、接合ブロックハウジングアッセンブリ５０がリニアアクチュエーター５４によって下降された後の下降位置の駆動ハウジング６２を示す。接合ブロックハウジングアッセンブリ５４の下降は、エンドキャップのポート７８がシール６３上にあるまでエンドキャップ７７のシール６３の位置を下降し、スラストディスク７９は、カップ８１の上部に接合する。これは、寒剤が接合ブロック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の内部まで流れるのを許容する。

図５は、接合ブロックハウジングアッセンブリ５０がリニアアクチュエーター５４によって上昇された後の上昇位置の駆動ハウジング６２を示す。接合ブロックハウジングアッセンブリ５４の上昇は、エンドキャップのポート７８がシール６３の下にあるまでエンドキャップ７７のシール６３の位置を上昇し、スラストディスク７９は、駆動ハウジングの下端部に接合する。これは、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の内部まで寒剤の流れを防止する。

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。

従って、本発明を説明したが、様々な変更や修正が当業者に生じ、様々な変更や修正は、添付の特許請求の範囲に画定された発明の範囲内にある。

Claims (18)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。
    
17. 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。
18. 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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