Штревель с внешней и внутренней подачей охладителя и станок с чпу, использующий такой штревель

Изобретение относится к области станкостроения. Штревель для соединения инструментодержателя с цангой в шпинделе станка с ЧПУ содержит корпус для установки инструментодержателя, имеющий продольный проход для подачи охладителя, который имеет возможность соединения с полостью корпуса, уплотнительное кольцо, установленное между концом продольного прохода и упомянутой полостью, пружину, установленную в полости, и шарик, находящийся в контакте с пружиной. Шарик установлен с возможностью открывания или запирания конца продольного прохода в зависимости от режима внутренней или внешней подачи охладителя. Представлен станок с ЧПУ для механической обработки, в котором используется данный штревель. Использование изобретения позволяет повысить производительность за счет исключения переналадки оборудования. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 19 ил., 2 табл.

 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники

[0001] Варианты осуществления изобретения относятся к оборудованию для механической обработки, а более конкретно - к штревелям, используемым в оборудовании для механической обработки.

Описание уровня техники

[0002] Механическая обработка относится к процессам, применяемым для удаления материала с заготовки для получения заданной формы или геометрии. Механической обработке часто подвергают металлические заготовки с целью получения детали для конкретного применения. Механическая обработка включает фрезерование, токарную обработку и сверление. При фрезеровании вращается инструмент и его режущие поверхности входят в контакт с заготовкой для удаления металла. При токарных работах вращается заготовка и входит в контакт с резцом. Сверление отверстий производят вращающимся инструментом.

[0003] На заре развития промышленности механическую обработку производили вручную. По мере развития техники, в отношении как генерации энергии, так и средств механической обработки, механическая обработка становилась все более автоматизированной, например, стали использовать кулачки, что сделало возможным массовое производство деталей одинаковой формы или профиля. В дальнейшем техника продолжала развиваться в направлении создания программируемых станков, которые сегодня широко используются в современных механических цехах.

Примером программируемого станка является станок с числовым программным управлением (ЧПУ). ЧПУ позволяет выполнять на одном станке механическую обработку с жесткими допусками и перепрограммировать его на обработку других деталей.

[0004] При механической обработке используют инструмент для срезания с заготовки тонкой металлической стружки, которую затем удаляют. Образование и удаление стружки происходит при относительном движении инструмента и заготовки, когда они находятся в контакте друг с другом. Инструмент и заготовка вращаются на больших скоростях относительно друг друга, что, помимо снятия стружки, приводит к выделению тепла. Для охлаждения и смазки инструмента часто в зоне обработки разбрызгивают жидкость.

[0005] В зависимости от процесса и специфики работы жидкость, например охладитель, можно подавать к инструменту изнутри или извне. При внутренней подаче охладитель проходит внутри станка, через инструментодержатель и подается на режущий инструмент. При внешней подаче охладитель направляется в наружное отверстие или фланец в инструментодержателе и затем подается на режущий инструмент. Пример такой подачи показан на фиг. 1. Инструментодержатель 2 присоединен к штревелю 4. Внешний охладитель 6 входит в канал 8 инструментодержателя, выходит из него и смазывает режущий инструмент (не показан). Более подробно известный штревель 4 (имеющий также номенклатуру "DIN69872/B"), предназначенный для использования в системах с внешней подачей охладителя, показан на фиг. 2. Альтернативно, внешнюю подачу охладителя можно производить по трубам, которые не являются частью шпинделя станка и/или инструментодержателя.

[0006] При внутренней подаче охладитель часто направляется внутри станка в инструментодержатель и затем к режущему инструменту, как показано на фиг. 3. С инструментодержателем 304 соединен штревель 302. Охладитель 306 входит в штревель 302, проходит через канал 308 в канал 310 в инструментодержателе 304 и поступает из него на режущий инструмент (не показан). Более подробно известный штревель 302 (имеющий также номенклатуру "DIN69872/A"), предназначенный для использования с системами внутреннего охлаждения, показан на фиг. 4. Поскольку для разных видов механической обработки потребности в охладителе различны, необходимость в наличии деталей, требуемых для перехода от внутренней подачи охладителя к внешней, и выполнение самого этого перехода могут увеличить время простоя станка и стоимость работ, что снижает общую производительность станка. Кроме того, если штревель 302 при работе с внутренней подачей охладителя используется с инструментодержателем 2, предназначенным для внешней подачи охладителя, то охладитель может вызвать сбой в работе из-за того, что он может попасть в шпиндель и вывести из строя электрические детали, которые должны быть сухими.

[0007] Поэтому желательно иметь устройства и способы, повышающие производительность станков.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0008] Согласно варианту осуществления изобретения, предложен штревель для соединения инструментодержателя с цангой в шпинделе. Штревель содержит тело, имеющее продольный проход, сообщающийся с полостью, которая сообщается с множеством продольных каналов; уплотнительное кольцо, установленное между концом продольного прохода и полостью; пружину, установленную в полости; и шарик, установленный с возможностью его смещения пружиной. Шарик предназначен для открывания конца продольного прохода путем выхода из контакта с уплотнительным кольцом, когда первая сила, с которой на шарик действует пружина, меньше второй силы, с которой на него действует текучая среда, текущая через продольный проход, причем первая и вторая силы действуют по существу в противоположных направлениях.

[0009] Согласно другому варианту осуществления изобретения, предложен способ сборки штревеля, в котором имеется как внутренний тракт подачи охладителя, так и внешний тракт подачи охладителя. Способ включает формирование тела для приема инструментодержателя, которое имеет продольный проход, сообщающийся с полостью, которая сообщается с множеством продольных каналов; установку уплотнительного кольца между концом продольного прохода и полостью; установку пружины в полости и формирование шарика, смещаемого пружиной, для открывания конца продольного прохода путем вывода его из контакта с уплотнительным кольцом, когда первая сила, с которой на шарик действует пружина, меньше второй силы, с которой на него действует текучая среда, текущая через продольный проход, причем первая и вторая силы действуют по существу в противоположных направлениях.

[00010] Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, предложен станок с числовым программным управлением, в котором имеются по меньшей мере два тракта подачи охладителя и который содержит шпиндель, включающий затяжной болт; внутреннюю втулку и цангу; инструментодержатель и штревель. Штревель содержит тело для приема инструментодержателя, имеющее продольный проход, сообщающийся с полостью, которая сообщается с множеством продольных каналов; уплотнительное кольцо, установленное между концом продольного прохода и полостью; пружину, установленную в полости, и шарик, выполненный с возможностью смещения пружиной, для открывания конца продольного прохода путем выхода из контакта с уплотнительным кольцом, когда первая сила, с которой на шарик действует пружина, меньше второй силы, с которой на него действует текучая среда, текущая через продольный проход, причем первая и вторая силы действуют по существу в противоположных направлениях.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[00011] На чертежах представлены в качестве примеров варианты осуществления изобретения, при этом

[00012] на фиг. 1 показан инструментодержатель и штревель для использования при внешней подаче охладителя,

[00013] на фиг. 2 показан штревель для использования при внешней подаче охладителя,

[00014] на фиг. 3 показан инструментодержатель и штревель для использования при внутренней подаче охладителя,

[00015] на фиг. 4 показан штревель для использования при внутренней подаче охладителя,

[00016] на фиг. 5 показаны детали для крепления инструментодержателя к шпинделю, согласно вариантам осуществления изобретения,

[00017] на фиг. 6 показан штревель для использования как при внутренней, так и при внешней подаче охладителя, согласно вариантам осуществления изобретения,

[00018] на фиг. 7 показан торец штревеля, сопрягаемый с инструментодержателем, согласно вариантам осуществления изобретения,

[00019] на фиг. 8 показано открытое положение, закрытое положение и ход пружины в штревеле, согласно вариантам осуществления изобретения,

[00020] на фиг. 9 показана внешняя подача охладителя, согласно вариантам осуществления изобретения,

[00021] на фиг. 10 показана внутренняя подача охладителя, согласно вариантам осуществления изобретения,

[00022] на фиг. 11 показан штревель, согласно вариантам осуществления изобретения,

[00023] на фиг. 12 показан торец штревеля, сопрягаемый с инструментодержателем, согласно вариантам осуществления изобретения,

[00024] на фиг. 13-17 показаны детали штревеля, согласно вариантам осуществления изобретения,

[00025] на фиг. 18 показаны операции способа работы при внутренней или внешней подаче охладителя, согласно вариантам осуществления изобретения, и

[00026] на фиг. 19 показаны операции способа сборки штревеля, согласно вариантам осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[00027] В подробном описании вариантов осуществления изобретения даны ссылки на чертежи, причем одни и те же или аналогичные элементы обозначены одинаковыми цифровыми позициями. Элементы на чертежах не всегда изображены в одинаковом масштабе. Кроме того, данное описание не ограничивает изобретения, объем которого определяется его формулой.

[00028] В данном описании выражения «один вариант осуществления изобретения» или «вариант осуществления изобретения» означают, что какая-либо особенность, деталь или характеристика, описанная в связи с конкретным вариантом, содержатся по меньшей мере в одном варианте осуществления изобретения. Поэтому выражения «в одном варианте» или «в варианте», встречающиеся в разных местах описания, не обязательно относятся к одному и тому же варианту. Кроме того, конкретные особенности, детали или характеристики могут как угодно сочетаться в одном или нескольких вариантах.

[00029] Как указано при описании уровня техники, устройства и способы, обеспечивающие повышение эффективности, желательны для таких станков, в которых инструментодержатель и штревель используются по меньшей мере с двумя возможными трактами подачи охладителя, например с внутренним и внешним трактами подачи охладителя. Перед описанием примеров осуществления изобретения, которые позволяют повысить эффективность станка, будет рассмотрена фиг. 5, изображающая инструментодержатель 504 и штревель 502. Согласно вариантам осуществления изобретения, шпиндель 506 станка может содержать затяжной болт 508, внутреннюю втулку 510 и цангу 512 для зажима и удерживания штревеля 502. Шпиндель 506 может быть таким, который используется в станках с числовым программным управлением.

[00030] Штревель 502 может быть соединен посредством резьбы с инструментодержателем 504. Инструмент (не показан) закреплен на конце инструментодержателя 504, противоположном тому его концу, который соединен со штревелем 502. Имеется проход 514 для охладителя. Хотя на фиг. 5 инструментодержатель 504 имеет только внутренний тракт для охладителя, он может быть выполнен в версии с внешним трактом для охладителя, например, аналогичным показанному на фиг. 1. Более подробно штревель 502 и проход 514 для охладителя описаны ниже.

[00031] На фиг. 6 и 7 показан штревель 502, согласно вариантам осуществления изобретения, который может использоваться в станках с внутренним или внешним трактом охладителя. На фиг. 6 показано продольное сечение штревеля 502, а на фиг. 7 - его вид с торца, на котором видны несколько каналов 618 для охладителя, выходящих из штревеля 502. Согласно фиг. 6, штревель 502 содержит тело 602, в котором выполнен продольный проход 604 для приема и транспортировки охладителя при работе в режиме внутренней подачи охладителя. На одном конце продольного прохода 604 имеется уплотнительное кольцо 606, окружающее этот конец и примыкающее к полости 608. Уплотнительное кольцо 606 может также контактировать с шариком 610, и оно имеет такую форму, что шарик 610, будучи посажен в уплотнительное кольцо 606, закрывает продольный проход 604. При полной посадке в кольцо 606 шарик 610 препятствует прохождению текучей среды в любом из двух возможных направлений. Это положение полной посадки шарика 610 или положение закрытия показано на фиг. 6, однако согласно другим вариантам осуществления изобретения, шарик 610 может находиться в другом положении, например в положении открытия, позволяющем охладителю перемещаться, если сила, действующая на него и заставляющая его перемещаться по продольному проходу 604, больше силы пружины 612 (как показано на фиг. 8 и более подробно описано ниже).

[00032] Согласно вариантам осуществления изобретения, шарик 610 находится в контакте с пружиной 612, которая, в свою очередь, находится в контакте с шайбой 614. Шайба 614 находится также в контакте с другим кольцом, например пружинным кольцом 616 Зегера. С полостью 608 сообщаются несколько каналов 618 для текучей среды. Как описано выше, на фиг. 7 приведен вид с торца, где видно несколько каналов для охладителя, выходящих из штревеля 502. Хотя на фиг. 7 показано четыре канала 618 для текучей среды, при необходимости их может быть больше для обеспечения желательной транспортировки текучей среды в сопрягаемый инструментодержатель 504.

[00033] Согласно описанным выше вариантам осуществления изобретения, штревель 502 может быть открыт или закрыт в зависимости от положения шарика 610, как показано на фиг. 8. В верхней части фиг. 8 штревель 502 показан в закрытом положении, при котором шарик 610 сидит на уплотнительном кольце 606 и препятствует протеканию текучей среды между продольным проходом 604 и полостью 608. Это происходит, когда сила F1, с которой движущаяся по продольному проходу 604 текучая среда действует на шарик 610, меньше силы F2, приложенной к шарику 610 пружиной 612. В нижней части фиг. 8 штревель 502 показан в открытом положении, когда шарик 610 не сидит на уплотнительном кольце 606 и не препятствует протеканию текучей среды между продольным проходом 604 и полостью 608. Это имеет место тогда, когда приложенная к шарику 610 сила F1 текучей среды, текущей по продольному проходу 604, больше силы F2, приложенной к шарику 610 пружиной 612. Расстояние, на которое перемещается шарик 610 между положениями открытия и закрытия, соответствует рабочему ходу "d" пружины 612, т.е. расстоянию, на которое она смещается. Это расстояние составляет, например, 5,0 мм и/или лежит в пределах 3,0 мм - 6,0 мм. Согласно варианту осуществления изобретения, охладитель может находиться под давлением приблизительно 6 бар, но в других вариантах осуществления изобретения это давление может быть другим.

[00034] Согласно вариантам осуществления изобретения, штревель 502 и инструментодержатель 504 могут работать в конфигурации с внешней подачей охладителя, как показано на фиг. 9. Стрелки показывают направление протекания охладителя. Охладитель входит через отверстия переходного фланца 902 в центральный канал 904 инструментодержателя 504. Наибольшая часть охладителя движется "вниз", к выходу 906 смазки инструмента, однако некоторая часть охладителя может попытаться подняться вверх к штревелю 502. Прохождению охладителя в штревель 502 препятствует шарик 610, сидящий на уплотнительном кольце 606, чтобы защитить электрические детали в шпинделе 506 станка.

[00035] Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, штревель 502 и инструментодержатель 504 могут работать в конфигурации с внутренней подачей охладителя, как показано на фиг. 10. Стрелки указывают направление протекания охладителя. Охладитель входит в штревель 502 и течет по продольному проходу 604. Сила F1 охладителя, приложенная к шарику 610, больше силы F2, приложенной к нему пружиной 612, вследствие чего шарик 610 перемещается в положение открытия. Охладитель проходит через полость 608 в каналы 618, откуда он течет в центральный канал 904 в инструментодержателе 504 и на выход 906 для смазки режущего инструмента.

[00036] Согласно варианту осуществления изобретения, штревель может быть изготовлен с размерами, указанными в Таблице 1, которая соответствует фиг. 11 и 12.

[00037] Однако согласно другим вариантам осуществления изобретения, размеры штревеля 502 можно изменять для подгонки к используемому инструментодержателю 504, чтобы обеспечить желательный поток охладителя и размещение желательной пружины 612. Другие размеры, допуски, материалы и данные по термообработке можно взять исходя из нормативов стандарта DIN69872 и модифицировать их по мере необходимости для подгонки к вариантам, рассмотренным в данном описании.

[00038] Другие детали, которые используются в штревеле 502, согласно следующим вариантам осуществления изобретения, показаны на фиг. 13-17. На фиг. 13 показано уплотнительное кольцо 606, на фиг. 14 - пружина 612, на фиг. 15 - шайба 614, на фиг. 16 - кольцо 616 Зегера и на фиг. 17 - шарик 610. В качестве примера в Таблице 2 указаны размеры и материалы для этих деталей.

[00039] Однако согласно другим вариантам, размеры можно модифицировать для подгонки к используемому инструментодержателю 504, чтобы обеспечить требуемый расход охладителя и возможность размещения желательной пружины 612. Аналогично, можно изменить используемые материалы.

[00040] Согласно вариантам осуществления изобретения, предложен способ работы устройства механической обработки, в котором можно использовать либо внутренний тракт подачи охладителя, либо внешний тракт подачи охладителя, как показано на фиг. 18. Способ включает следующие операции:

при работе в режиме внутренней подачи охладителя, открывание в штревеле внутреннего тракта охладителя путем воздействия на шарик охладителем с первой силой для перемещения шарика на расстояние, достаточное для открывания внутреннего тракта охладителя, причем первая сила, с которой охладитель действует на шарик, больше направленной противоположно ей второй силы, с которой на шарик действует пружина (операция 1800), и

при работе в режиме внешней подачи охладителя, закрывание в штревеле внутреннего тракта охладителя путем воздействия на шарик пружиной со второй силой для его посадки на уплотнительное кольцо с целью закрывания внутреннего тракта охладителя, причем вторая сила, с которой пружина действует на шарик, больше всех направленных противоположно сил, действующих на шарик (операция 1802).

[00041] Согласно вариантам осуществления изобретения, предложен способ сборки штревеля, в котором используется либо внутренний тракт охладителя, либо внешний тракт охладителя, как показано на фиг. 19. Способ включает следующие операции:

формирование тела для приема инструментодержателя, которое имеет продольный проход, сообщающийся с полостью, которая сообщается с множеством продольных каналов (операция 1902),

установку уплотнительного кольца между концом продольного прохода и полостью (операция 1904),

установку в полости пружины (операция 1906) и установку шарика с возможностью его смещения пружиной, причем шарик предназначен для открывания конца продольного прохода путем выхода из контакта с уплотнительным кольцом, когда первая сила, действующая на шарик от пружины, меньше второй силы, действующей от текучей среды, текущей через продольный проход, при этом первая и вторая силы действуют по существу в противоположных направлениях (операция 1908).

[00042] Согласно вариантам осуществления изобретения, предложен станок с числовым программным управлением для механической обработки, содержащий шпиндель 506, установленный с возможностью вращения, содержащий затяжной болт 508, внутреннюю втулку 510 и цангу 512 для зажима и удерживания штревеля 502, который соединен посредством резьбы с инструментодержателем 504, имеющим центральный канал для внешней подачи охладителя, подаваемого на выход для смазки инструмента. При этом в станке может иметься по меньшей мере два тракта охладителя, внутренний тракт для охладителя, выполненный в инструментодержателе, как показано на фиг 5, и внешний тракт для охладителя, например, аналогичный показанному на фиг. 1.

В целом станок с числовым программным управлением выполнен, как описано, например, в патенте США №6059702, за исключением шпиндельного узла, описанного ранее в данном документе, и его компонентов, включая штревель, выполненный в соответствии с вариантами выполнения, также описанными ранее в данном документе.

Поскольку для разных видов механической обработки потребности в охладителе различны, возникает необходимость в наличии двух трактов охладителя и, соответственно, деталей, обеспечивающих возможность простого перехода от внутренней подачи охладителя к внешней, без замены деталей. Такое выполнение позволяет снизить время простоя станка и стоимость работ, что повышает общую производительность станка. Также предотвращается сбой в работе станка из-за того, что охладитель может попасть в шпиндель и вывести из строя электрические детали, которые должны быть сухими.

[00043] Описанные выше варианты осуществления изобретения представлены только для пояснения его сущности и не ограничивают его объем. Изобретение допускает различные изменения, которые могут быть сделаны в описанных вариантах специалистами в данной области. Все такие изменения должны соответствовать сущности изобретения и находиться в пределах объема изобретения, определяемого его формулой. Например, описанные варианты осуществления изобретения могут применяться к другим штревелям, например DIN69871 40-50-60 и другим. Элементы, операции или указания в данном описании не должны считаться критичными или существенными для изобретения, если об этом не сказано явно. Кроме того, использование единственного числа подразумевает включение одного или большего количества элементов.

[00044] Примеры, рассмотренные в приведенном выше описании, включая лучшие варианты использования изобретения, предназначены для раскрытия изобретения и позволяют любому специалисту в данной области реализовать его на практике, в том числе создать любые устройства или системы и соответствующие способы. Объем изобретения определяется его формулой и может охватывать другие варианты его осуществления, очевидные специалистам. Эти варианты находятся в объеме формулы изобретения, если их конструктивные элементы не отличаются в буквальном смысле от указанных в формуле или если они эквиваленты конструктивным элементам, указанным в формуле.

1. Штревель для соединения инструментодержателя, имеющего центральный канал для подачи охладителя для смазки инструмента с цангой в шпинделе станка с числовым программным управлением (ЧПУ) для механической обработки, причем инструментодержатель имеет выполненное в его стенках отверстие для подачи охладителя в режиме его внешней подачи, соединенное с указанным центральным каналом, при этом штревель содержит
корпус для установки инструментодержателя, имеющий продольный проход для прохождения охладителя в режиме его внутренней подачи, сообщающийся с полостью, выполненной с возможностью соединения с указанным центральным каналом инструментодержателя,
уплотнительное кольцо, установленное между концом продольного прохода и указанной полостью,
пружину, установленную в полости, и
шарик, установленный в полости с возможностью его смещения пружиной к уплотнительному кольцу с закрыванием конца продольного прохода при работе в режиме внешней подачи охладителя и с возможностью его выхода из контакта с уплотнительным кольцом с открыванием конца продольного прохода при работе в режиме внутренней подачи охладителя, когда сила, действующая на шарик со стороны пружины, меньше силы, действующей на него со стороны подаваемого через продольный проход охладителя.

2. Штревель по п. 1, содержащий дополнительно шайбу, установленную с возможностью контакта с концом пружины, противоположным ее концу, находящемуся в контакте с шариком, и
второе кольцо, установленное в конце указанной полости с возможностью контакта с указанной шайбой.

3. Штревель по п. 1, в котором шарик находится в контакте с уплотнительным кольцом и с пружиной при работе в режиме внешней подачи охладителя.

4. Штревель по п. 1, в котором шарик расположен с промежутком относительно уплотнительного кольца при работе в режиме внутренней подачи охладителя.

5. Штревель по п. 1, в котором ход пружины составляет 3-6 мм.

6. Станок с ЧПУ для механической обработки, содержащий
шпиндель с затяжным болтом, внутренней втулкой и цангой,
инструментодержатель, имеющий центральный канал для подачи охладителя для смазки инструмента и выполненное в его стенках отверстие для внешней подачи охладителя, соединенное с указанным центральным каналом, причем инструментодержатель соединен с цангой шпинделя посредством штревеля, выполненного в соответствии с любым из пп. 1-5.

7. Станок по п. 6, выполненный с возможностью выполнения механической обработки с использованием по выбору внутренней подачи охладителя или внешней подачи охладителя.