Dispositivo para el suministro axial de fluidos criogénicos a través de un husillo de máquina.

Un dispositivo para el suministro axial de un refrigerante criógeno a través de un husillo de máquina (12) a una herramienta (18) montada en un portaherramientas amovible (16) que está montado sobre el extremo del husillo (12),

comprendiendo el dispositivo:

- el husillo de máquina (12) con el portaherramientas amovible (16) montado sobre el extremo del husillo (12);

- una tubería de abastecimiento de criógeno (46) para suministrar refrigerante criógeno a partir de una fuente externa;

- un tubo de suministro de refrigerante (40) para recibir refrigerante criógeno a partir de la tubería de abastecimiento de criógeno (46);

- un pasaje axial (41) en el husillo (12) para recibir la tubería de abastecimiento de criógeno (46); y

- una disposición de válvula (63, 77) para controlar el flujo de criógeno entre la tubería de abastecimiento de criógeno (46) y el tubo de suministro de refrigerante (40), con lo cual el flujo de criógeno puede detenerse cuando el portaherramientas amovible (16) se retira del husillo (12),

caracterizado por

- una primera carcasa (50) que rodea al extremo inferior de la tubería de abastecimiento de criógeno (46) y que forma un espacio (51) por encima de la disposición de válvula (63, 77) que recibe criógeno desde la tubería de abastecimiento de criógeno (46); y,

- un accionador (54) acoplado a la carcasa (50), con lo que el accionador (54) eleva y hace descender a la primera carcasa (50) para controlar la disposición de válvula (63, 77) y para controlar el flujo de criógeno desde la tubería de abastecimiento de criógeno (46) hasta el tubo de suministro de refrigerante (40),

- un pasaje axial en el portaherramientas (16) para recibir el extremo inferior del tubo de suministro de refrigerante (40), con lo que la elevación de la carcasa (50) que rodea al extremo de la tubería de abastecimiento de criógeno (46) retira el extremo inferior del tubo de suministro de refrigerante (40) del pasaje axial en el portaherramientas (16).

Dispositivo para el suministro axial de fluidos criogénicos a través de un husillo de máquina

Esta invención se realizó con apoyo gubernamental según lo estipulado en los contratos N2 N68335-8-C-263 y FA865-7-C-5311 adjudicados por el Departamento de Marina y la Fuerza Aérea. El Gobierno tiene ciertos derechos en la invención.

Campo

Un fluido de corte criogénico es suministrado a una herramienta de corte giratoria, montada en un portaherramientas convencional e impulsada por un husillo.

Antecedentes

Los compuestos de matriz cerámica y otros materiales aeroespaciales avanzados con baja conductividad térmica son notoriamente costosos y difíciles de maquinar dado que estos materiales no son capaces de dispersar fácilmente el calor lejos de la interfaz herramienta-rebaba. Refrigerando más eficazmente la interfaz herramienta- rebaba, las velocidades de maquinado y la vida de la herramienta pueden incrementarse, dando como resultado costes de maquinado inferiores y tiempos de producción más rápidos. Dado que la mayoría del maquinado de producción se realiza con herramientas de maquinar que usan cambiadores de herramientas automáticos, cualquier dicho sistema de refrigeración tiene que ser compatible con cambiadores de herramientas y sistemas portaherramientas disponibles en el mercado. El documento JP 2 5 975 A desvela un dispositivo y un método para suministrar fluido de corte. El documento EP 1 958 718 A1 desvela un dispositivo de husillo de una herramienta de maquinar. El documento de Flong, S.Y. y Ding, Y., 21, "Micro-temperature manipulation in cryogenic machining of low-carbon Steel", Journals of Materials Processing Technology, vol. 116 páginas 22-3 desvela un enfoque seguro desde el punto de vista medioambiental de micromanipulación de temperaturas de corte en acero de bajo contenido de carbono para maquinado.

Objetivos

Es un objetivo del presente dispositivo proporcionar un novedoso sistema de refrigeración para una herramienta de corte giratoria que está montada en un portaherramientas convencional sobre un husillo.

Es otro objetivo proporcionar un novedoso sistema de refrigeración para herramientas de corte giratorias que es compatible con sistemas de cambio de herramientas y portaherramientas disponibles en el mercado.

Sumario

El sistema de refrigeración descrito en el presente documento combina un acoplamiento giratorio con un sistema de herramienta comercial modificado que permite a un criógeno tal como nitrógeno líquido (LN2) ser transportado a la interfaz herramienta-rebaba durante operaciones de maquinado. Esto se consigue mediante el suministro axial de fluidos criogénicos a lo largo de una trayectoria axial a través del husillo de una herramienta de maquinar hasta una herramienta de corte que está montada en un portaherramientas convencional. Como resultado, materiales aeroespaciales extremadamente duros, de baja conductividad térmica que incluyen compuestos de matriz cerámica, compuestos de matriz metálica, y otros materiales pueden ser maquinados a alta velocidad. Además, materiales convencionales pueden ser maquinados sin el uso de fluidos de corte, dando como resultado un proceso de maquinado más respetuoso con el medio ambiente.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 muestra una realización de un sistema de suministro de criógeno para una herramienta giratoria, que no está dentro del alcance de las reivindicaciones.

La figura 2 muestra una realización alternativa de un sistema de suministro de criógeno para una herramienta giratoria.

La figura 3 muestra el cojinete deslizante y el accionador usados para elevar y hacer descender el tubo de suministro de refrigerante en el sistema de suministro de criógeno de la figura 2.

La figura 4 es una vista en detalle de la carcasa de accionamiento en la posición descendida.

La figura 5 es una vista en detalle de la carcasa de accionamiento en la posición elevada.

La figura 6 es una vista en detalle del portaherramientas con el tubo de suministro de refrigerante en la posición descendida.

La figura 7 muestra el cojinete lineal, la carcasa de accionamiento y el tubo de suministro de refrigerante en la posición elevada.

La figura 8 es una vista en detalle del portaherramientas con el tubo de suministro de refrigerante en la posición elevada.

Descripción de la realización preferida

La figura 1 muestra un sistema de corte refrigerado criogénicamente para una herramienta de corte giratoria generalmente designada mediante el número de referencia 1. El sistema comprende un husillo 12 que es impulsado por medios convencionales tales como un motor del husillo (no mostrado) para girar alrededor de un eje de rotación central 14. El husillo recibe un portaherramientas convencional 16 en un primer extremo que está bloqueado sobre el husillo por un mecanismo de pinza 17, tal como se conoce bien en la técnica. El portaherramientas 16 soporta una herramienta de corte 18 (de la cual solamente se muestra la parte superior). El husillo 12 tiene una abertura de encastre axial 19 en un segundo extremo que recibe a un dispositivo de suministro de criógeno de tipo bayoneta no giratorio 21. El dispositivo de suministro de bayoneta 21 es recibido en la abertura de encastre axial 19 por un par de cojinetes 22 que sitúan al dispositivo de suministro 21 sobre el eje de rotación 14 del husillo. Un revestimiento de encastre 23 que gira con el husillo está situado en la parte inferior de la abertura de encastre axial 19. El extremo inferior del revestimiento de encastre 23 tiene un orificio de descarga alineado axialmente 24.

El dispositivo de suministro de bayoneta 21 comprende el tubo de suministro aislado al vacío de pequeño diámetro 26 que tiene una parte superior que está rodeada por una sección aislada al vacío de diámetro mayor 27. El tubo de suministro 26 tiene un pasaje interno que recibe criógeno en un primer extremo 3 desde una fuente adecuada (no mostrada) ubicada fuera del husillo 12. Un segundo extremo del tubo de suministro 26 tiene una salida 28 que está alineada con el eje de rotación 14 del husillo. La salida 28 está ubicada por encima del orificio de descarga 24 del revestimiento de encastre 23. Una junta anular 29 está situada en el encastre 19 y proporciona una junta entre la sección aislada de diámetro grande 27 y el cuerpo del husillo giratorio 12. La junta anular 29 es accionada por resorte, y puede denominarse como una junta caliente dado que está protegida de la temperatura del criógeno en el dispositivo de suministro de bayoneta 21 por la sección aislada de diámetro grande 27, cuya superficie externa no está a temperatura criogénica.

El orificio de descarga 24 en el extremo del revestimiento de encastre 23 está situado por encima de un pasaje axial

31 formado a lo largo del eje del portaherramientas 16. El pasaje axial 31 en el portaherramientas tiene una salida

32 que está alineada con un pasaje para el refrigerante 33 formado en el árbol de la herramienta de corte 18. El pasaje para el refrigerante 33 conduce a una o más salidas para el refrigerante (no mostradas) formadas en la herramienta de corte 18 que dirigirán el refrigerante a la interfaz herramienta-rebaba.

Las características físicas y dinámicas del husillo usado en el sistema de corte refrigerado criogénicamente mostrado en la figura 1 son las mismas que las de husillos CNC existentes y permiten operaciones de maquinado tales como taladrado, avellanado, y fresado de bordes complejos con tramos largos se realicen fácilmente. El portaherramientas 16 tiene la misma forma y tamaño que los usados en sistemas portaherramientas disponibles en el mercado y, como resultado, pueden usarse con cambiadores de herramientas automáticos. Dado que el tubo de suministro aislado al vacío de pequeño diámetro 26 está alineado con el eje de rotación 14 del husillo, y tiene una masa pequeña, no afectará de forma adversa al funcionamiento del husillo a alta velocidad. La trayectoria del refrigerante a lo largo del eje de rotación 14 del husillo 12, el portaherramientas 16 y la herramienta 18 permite elevada velocidad de rotación del husillo sin fuerzas centrífugas creadas por la rotación del husillo que afecten al flujo de refrigerante. Dado que el orificio de descarga 24 del revestimiento de encastre 23 está en alineamiento axial directo con el pasaje axial en el portaherramientas 16, el acoplamiento del portaherramientas al mecanismo de pinza 17 en el husillo 12 establece la trayectoria de suministro de refrigerante desde el tubo de suministro interno 26 hasta el árbol 18 de la herramienta de corte en cuanto una nueva herramienta es montada en el husillo por un mecanismo de cambios de herramientas automático.

1. Un dispositivo para el suministro axial de un refrigerante criógeno a través de un husillo de máquina (12) a una herramienta (18) montada en un portaherramientas amovible (16) que está montado sobre el extremo del husillo (12), comprendiendo el dispositivo:

- el husillo de máquina (12) con el portaherramientas amovible (16) montado sobre el extremo del husillo (12);

- una tubería de abastecimiento de criógeno (46) para suministrar refrigerante criógeno a partir de una fuente externa;

- un tubo de suministro de refrigerante (4) para recibir refrigerante criógeno a partir de la tubería de abastecimiento de criógeno (46);

- un pasaje axial (41) en el husillo (12) para recibir la tubería de abastecimiento de criógeno (46); y

- una disposición de válvula (63, 77) para controlar el flujo de criógeno entre la tubería de abastecimiento de criógeno (46) y el tubo de suministro de refrigerante (4), con lo cual el flujo de criógeno puede detenerse cuando el portaherramientas amovible (16) se retira del husillo (12),

caracterizado por

- una primera carcasa (5) que rodea al extremo inferior de la tubería de abastecimiento de criógeno (46) y que forma un espacio (51) por encima de la disposición de válvula (63, 77) que recibe criógeno desde la tubería de abastecimiento de criógeno (46); y,

- un accionador (54) acoplado a la carcasa (5), con lo que el accionador (54) eleva y hace descender a la primera carcasa (5) para controlar la disposición de válvula (63, 77) y para controlar el flujo de criógeno desde la tubería de abastecimiento de criógeno (46) hasta el tubo de suministro de refrigerante (4),

- un pasaje axial en el portaherramientas (16) para recibir el extremo inferior del tubo de suministro de refrigerante (4), con lo que la elevación de la carcasa (5) que rodea al extremo de la tubería de abastecimiento de criógeno (46) retira el extremo inferior del tubo de suministro de refrigerante (4) del pasaje axial en el portaherramientas (16).

2. El dispositivo de la reivindicación 1, que comprende además:

- un colector criogénico (68) montado en el portaherramientas (16) para recibir el extremo inferior del tubo de suministro de refrigerante (4); y

- un pasaje axial (69) en el colector criogénico (68), con lo que el pasaje axial (69) en el colector criogénico (68) recibe criógeno desde el tubo de suministro de refrigerante (4) y suministra el criógeno a una herramienta (18) que está montada en el portaherramientas (16).

3. El dispositivo de la reivindicación 2, que comprende además:

- al menos un émbolo de resorte (66) montado en el colector criogénico (68); y

- un tope (67) formado en el extremo inferior del tubo de suministro de refrigerante (4), con lo que el émbolo de resorte (66) encaja con el tope (67) cuando el tubo de suministro de refrigerante (4) está completamente insertado en el colector criogénico (68).

4. El dispositivo de la reivindicación 2, en el que el colector criogénico (68) comprende un material de baja conductividad térmica.

5. El dispositivo de la reivindicación 4, en el que el material del que se compone el colector criogénico (68) es politetrafluoroetileno.

6. El dispositivo de la reivindicación 1, que comprende además:

- una tapa terminal (77) sobre el extremo superior del tubo de suministro de refrigerante (4), teniendo la tapa terminal (77) orificios (78) para establecer un flujo de criógeno al interior del tubo de suministro de refrigerante

(4); y

- una junta (63) que encaja con la superficie externa de la tapa terminal (77), con lo que el control de la posición de la junta (63) en la tapa terminal (77) controla el flujo a través de los orificios (78) al interior del tubo de suministro de refrigerante (4).

7. El dispositivo de la reivindicación 6, que comprende además:

una segunda carcasa (62) acoplada al extremo de la primera carcasa (5), conteniendo la segunda carcasa (62) el extremo superior del tubo de suministro de refrigerante (4), con lo que el accionador (54) eleva y hace descender las primera y la segunda carcasas (5, 62) para controlar la posición de la junta (63) en la tapa terminal (77) del tubo de suministro de refrigerante (4) para controlar el flujo de criógeno desde la tubería de abastecimiento de criógeno (46) hasta el tubo de suministro de refrigerante (4).

8. El dispositivo de la reivindicación 2, que comprende además: una junta (71) montada en el colector criogénico (68) y que rodea a una parte del pasaje axial (69) en el colector criogénico (68), encajando la junta (71) con el extremo inferior del tubo de suministro de refrigerante (4) cuando éste está completamente insertado en el portaherramientas (16) para impedir una fuga desde el extremo inferior del tubo de suministro de refrigerante (4)

cuando éste está completamente insertado en el colector criogénico (68).

9. El dispositivo de la reivindicación 1, que comprende además:

una guía en forma de cono (75) montada en la parte superior del colector criogénico (68), alineando la guía en 1 forma de cono (75) el extremo inferior del tubo de suministro de refrigerante (4) cuando a éste se le está

haciendo descender al interior del colector criogénico (68).

1. El dispositivo de la reivindicación 2, que comprende además:

una junta (71) en el colector criogénico (68) para encajar con la superficie externa del extremo inferior del tubo de

suministro de refrigerante (4), en donde el tubo de suministro de refrigerante (4) no es giratorio y la junta (71) es la interfaz entre la estructura giratoria del portaherramientas (16) y el tubo de suministro de refrigerante no giratorio (4).

11. El dispositivo de la reivindicación 6, en el que el tubo de suministro de refrigerante (4) gira con el husillo (12) y

la junta (63) que encaja con la superficie externa de la tapa terminal (77) comprende la interfaz entre el tubo de suministro de refrigerante giratorio (4) y la estructura no giratoria del dispositivo.