DE10220526A1

DE10220526A1 - Verfahren zur Kühlung eines spanend arbeitenden, rotierenden Werkzeuges und Werkzeugmaschine zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10220526A1
Application number: DE10220526A
Authority: DE
Inventors: Joerg-Michael Nussbaum; Gerald Stengele
Original assignee: Hueller Hille GmbH
Current assignee: Cross Hueller 71636 Ludwigsburg De GmbH
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2003-11-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung eines spanend arbeitenden, rotierenden Werkzeuges (2) und/oder des Werkstückes im Bearbeitungsbereich, wobei das Kühlmedium durch einen Kühlmittelkanal im Werkzeug (2) zugeführt wird. Die Erfindung besteht darin, daß als Kühlmedium verflüssigte technische Gase verwendet werden, die beim Austritt aus dem Kühlmittelkanal des Werkzeuges (2) verdampfen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kühlung eines spanend arbeitenden, rotierenden Werkzeuges und/oder des Werkstückes im Bearbeitungsbereich, wobei das Kühlmedium durch einen Kühlmittelkanal im Werkzeug zugeführt wird. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf einen Werkzeugmaschine zur Durchführung des Verfahren gemäß Oberbegriff der Ansprüche 5 und 9.

Aus der DE 195 38 762 C1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Kühlung eines Werkzeuges und eine Werkzeugmaschine bekannt, wobei als Kühlmedium ein Kühlschmiermittel-Trägergas-Gemisch in einem Speicherraum innerhalb der Spindel hergestellt und das Gemisch durch werkzeugintegrierte Zuführungskanäle dem Bearbeitungsbereich zugeführt wird. Auch wenn man bei dieser sog. Trockenschmierung oder auch bei der Minimalmengenschmierung immer bemüht ist, die Menge des Kühl-Schmiermittels möglichst gering zu halten, ist die Abführung und Entsorgung der flüssigen Medien aus dem Bearbeitungsraum aufwendig.

In der EP 1 086 782 A1 ist eine sog. Kaltluftkühlung an einer Werkzeugmaschine beschrieben, wobei für eine Schleifeinrichtung das gekühlte Kühlgas über separate, nicht im Werkzeug befindliche Düsen von außen einerseits auf das Werkzeug und andererseits auf das Werkstück geblasen wird. Wegen der geringen Wärmekapazität der Luft müssen hierbei erhebliche Mengen von Luft auf größere zu kühlende Flächen aufgebracht werden, um eine ausreichende Kühlung zu erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Werkzeugmaschine vorzuschlagen, bei der auf einfache Weise eine Kühlung im Bearbeitungsbereich erreicht wird und die aufwendige Entfernung und Entsorgung des Kühl- Schmiermittels entfällt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche 2 bis 4 enthalten sinnvolle ergänzende Vorschläge dazu. Eine Werkzeugmaschine zur Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen 5 und 6 definiert, wobei die Ansprüche 7 bis 11 sinnvolle Ausführungsformen dieser Werkzeugmaschine enthalten.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, als Kühlmedium verflüssigte technische Gase, vorzugsweise flüssiges CO₂ zu verwenden, das aus einem Druckspeicher über zentrale Führungskanäle in der Spindel und den Werkzeughalter dem Kühlmittelkanal im Werkzeug zugeführt wird. Das Kühlmedium wird also unter entsprechend hohem Druck, der für das flüssige CO₂ bei ca. 60 bar liegt, bis zum Bearbeitungsbereich, vorzugsweise bis zu den Schneiden des Werkzeuges transportiert. Dort entzieht das flüssige CO₂ bei der Expansion und Umwandlung in den gasförmigen Zustand seiner Umgebung die dazu nötige Wärme und kühlt damit den Bearbeitungsbereich. Es hat sich gezeigt, daß bereits geringe Massenströme an flüssigem CO₂ ausreichen, um für die notwendige Kühlung zu sorgen. Wenn man z. B. davon ausgeht, daß bei zwei typischen Bearbeitungsformen, z. B. Schlichtfräsen und Bohren für den Werkstoff Aluminium, die Spindelleistung vollständig als Kühlleistung abgeführt werden muß, so reichen bei einer üblichen Spindelleistung zwischen 6 und 15 kW Volumenströme an flüssigem CO₂von etwa 0,6 bis 1,6 Liter pro Minute aus. Diese Volumenströme sind im Vergleich zu den sonstigen Fluidströmen an Kühl- Schmiermittel in Werkzeugmaschinen recht klein und damit mit relativ kleinbauenden Ventilen zu realisieren.

Um bei Bearbeitungspausen, insbesondere während des Werkzeugwechsels eine weitere unerwünscht hohe Abkühlung im Zuführungs- und Bearbeitungsbereich zu vermeiden, wird erfindungsgemäß weiterhin vorgeschlagen, insbesondere während des Werkzeugwechsels die Zufuhr des Kühlmediums zum Werkzeug durch in der Spindelnase, in oder kurz vor dem Werkzeughalter und/oder im Bereich der Drehdurchführung angeordnete Ventile zu unterbrechen. Diese Absperrung verringert nicht nur den Verbrauch an flüssigem CO₂, sie verhindert auch eine Unterkühlung und Vereisung von Spindelnase, Spannzange und Werkzeuggreifer des Werkzeugwechslers.

Zur Durchführung des vorgenannten Verfahren ist eine Werkzeugmaschine mit vorzugsweise automatisch auswechselbarem Werkzeug vorgesehen, bei der vorzugsweise sowohl im Bereich der Drehdurchführung als auch im Bereich des Werkzeughalters, d. h. möglichst nahe vor dem Eintritt in den Kühlmittelkanal des Werkzeuges, Ventile zur Unterbrechung der Zufuhr des Kühlmediums angeordnet sind. Hierzu kann insbesondere im Zuführungskanal des Werkzeughalters oder im sog. Kühlmittelröhrchen des Werkzeughalters ein Rückschlagventil angeordnet sein, wobei der Öffnungsdruck möglichst klein sein sollte, z. B. höchstens 1 bar. Das in die Spindelnase eingebaute Ventil kann als leckagefreies Sitzventil ausgeführt sein und eine automatische Betätigung durch das Kühlmittelröhrchen des Werkzeughalters besitzen. Das Ventil ist dabei zweckmäßig als kombiniertes Sitz- und Schieberventil ausgeführt, das, so lange noch kein Werkzeug sich in der Spindel befindet, durch den Innendruck des Kühlmediums in der Spindel und eine zusätzliche Feder geschlossen gehalten wird.

Alternativ oder ergänzend zur Verwendung von Absperrventilen, insbesondere im Bereich des Werkzeughalters können erfindungsgemäß auch die Querschnitte der Zuführungskanäle auf ein Minimum reduziert werden. Es hat sich z. B. ein Durchmesser für die Zuführungskanäle von weniger als ¹/₁₀₀ der Länge der Spindel als zweckmäßig erwiesen. Darüber hinaus kann man auch den Zuführungskanal, insbesondere in der Spindelzugstange mit einem wärmeisolierenden Rohr versehen, wobei das Rohr mit einem Isolierstoff ummantelt werden kann oder als Doppelwandrohr ausgebildet sein kann. Ein derartiges wärmeisolierendes Rohr kann auch in den Kühlmittelkanal des Werkzeuges eingebracht werden, um bei Arbeitsunterbrechnungen die Bildung von Eisansatz an der Werkzeugoberfläche durch verdampfendes CO₂ zu verhindern. Das wärmeisolierende Rohr verhindert diesen Effekt und verlagert die Abkühlzone an die Werkzeugschneide.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Fig. 1 bis 9 beispielsweise näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Ansicht der Spindel
Fig. 2 die schematische Anordnung für die innere Zufuhr von flüssigem CO₂ in das Werkzeug durch die Spindel 1
Fig. 3 einen an sich bekannten HSK-Werkzeughalter für den Einbau eines Rückschlagventiles 13
Fig. 4 das Sperrventil 14 in geöffnetem Zustand
Fig. 5 die Spindelnase ohne Werkzeug bei geschlossenem Ventil 14
Fig. 6 die Spindelnase bei eingesetztem Werkzeug, wobei nur das Kühlmittelröhrchen 11 des Werkzeughalters dargestellt ist und das Ventil 14 geöffnet ist
Fig. 7 die Spindelnase bei Werkzeugwechsel, wobei die Zugstange 18 in der Stellung "offen" ist und das Ventil 14 durch den Ventilschieber 16 geschlossen ist
Fig. 8 eine im Vergleich zu Fig. 5 andere Ausführungsform des Sperrventils 14 und
Fig. 9 das Sperrventil nach Fig. 8 in seiner Lage in der Spindelnase.
Fig. 1 zeigt eine übliche Werkzeugspindel 1 mit einem Werkzeug 2, dem aus einem CO₂-Druckspeicher 3 über Ventile 4, die Drehdurchführung 5, den zentralen Zuführungskanal 6 unter einem Druck von ca. 60 bar das flüssige CO₂ zugeführt wird. Die schematische Darstellung nach Fig. 2 zeigt zusätzlich noch zwei Rückschlagventile 7 und 8 zur Unterbrechung der Zuführung des flüssigen CO₂ in das Werkzeug 2.
Bei Verwendung eines handelsüblichen genormten HSK-Werkzeughalters 9 kann wie aus Fig. 3 ersichtlich ein Rückschlagventil 13 in das Kühlmittelröhrchen 11 eingebaut werden, das wiederum in dem Zuführungskanal 12 des Werkzeughalters 9 angeordnet ist.
In Fig. 4 ist das Sperrventil 14 als Einzelheit vergrößert im geöffneten Zustand dargestellt, wobei der Ventilschieber 16 von dem nicht dargestellten Kühlmittelröhrchen mittels des Mitnehmers 27 gegen die Feder 15 nach rechts gedrückt ist, so daß der Dichtkegel 21 im Abstand zur Dichtfläche 22 angeordnet ist und damit das Ventil 14 geöffnet ist.
Wenn sich, wie in Fig. 5 dargestellt noch kein Werkzeug in der Werkzeugaufnahme in der Spindelnase 10 befindet, wird das Ventil 14 durch den Innendruck des CO₂ im Zuführungskanal 6 und zusätzlich durch die Feder 15 geschlossen gehalten und der Dichtkegel 21 dichtet auf der Dichtfläche 22 ab.
Befindet sich ein Werkzeug in der Werkzeugaufnahme der Spindel 1, wird nach Fig. 6 das Ventil 14 über das Kühlmittelröhrchen 11 des nicht dargestellten Werkzeughalters 9 nach rechts gedrückt und geöffnet, wobei der Ventilschieber 16 so verschoben wird, daß er sich in der Mittelstellung befindet.
Die Öffnungsbewegung der Zugstange 18 beim Werkzeugwechsel nach Fig. 7 ist durch die besondere Konstruktion des Ventils 14 (Kombination aus Sitz- und Schieberventil) berücksichtigt. Wie in Fig. 4 und Fig. 7 dargestellt taucht der zylindrische Ansatz 17 des Ventilschiebers 16 in das Ventilgehäuse 24 ein und verschließt dadurch den Kühlmittelkanal der Spindel. Durch eine geeignete Passung zwischen Ventilschieber 16 und Ventilgehäuse 24 kann von einer vernachläßigbar kleinen Leckage ausgegangen werden. Zudem besteht diese Konstellation nur während eines kurzen Zeitraumes zur Entnahme des Werkzeuges aus dem Spindelschaft durch den Werkzeugwechsler. Nach Entnahme des Werkzeuges ist wieder der Dichtkegel 21 entsprechend Fig. 5 durch Anlage an der Dichtfläche 22 aktiv. In den Umschaltphasen kommt es lediglich kurzzeitig zum Austritt von CO₂.
In den Fig. 8 und 9 ist als Alternative zur Ausführung nach Fig. 4 ein Ventil 25 dargestellt, daß eine separat aktivierbare Betätigungsstange 23 besitzt, die elektromagnetisch, pneumatisch oder hydraulisch, auch ohne Zwischenschaltung einer Feder, unabhängig vom Werkzeugwechsel betätigt werden kann.
Üblicherweise wird diese Betätigungsstange 23 von einer Einrichtung 26 außerhalb der Spindel 1 aktiviert. Die Übertragung der Betätigungsbewegung erfolgt über die Betätigungsstange 23, die im Zuführungskanal 6 der Spindel 1, also innerhalb der Zugstange 18 zur Betätigung des Werkzeug-Spann-Systems, verläuft. Das Ventil 25 wird mit Hilfe der Betätigungsstange 23 geöffnet und geschlossen, wobei das Schließen durch den Innendruck des CO₂ im Zuführungskanal 6 unterstützt wird. Bezugszeichenliste 1 Spindel
2 Werkzeug
3 CO₂-Druckspeicher
4 Ventil
5 Drehdurchführung
6 Zentraler Zuführungskanal in 1
7, 8 Ventile
9 Werkzeughalter (Schnittstelle zwischen 1 und 2)
10 Spindelnase
11 Kühlmittelröhrchen in 9
12 Zuführungskanal in 9
13 Rückschlagventil in 9
14 Sperrventil
15 Feder für 14
16 Ventilschieber
17 Zylindrischer Ansatz
18 Spindelzugstange
19 Spannzange
20 Spannbolzen
21 Dichtkegel
22 Dichtfläche
23 Betätigungsstange
24 Ventilgehäuse von 14
25 Ventil
26 Betätigungseinrichtung
27 Mitnehmer

Claims

1. Verfahren zur Kühlung eines spanend arbeitenden, rotierenden Werkzeuges (2) und/oder des Werkstückes im Bearbeitungsbereich, wobei das Kühlmedium durch einen Kühlmittelkanal im Werkzeug (2) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmedium verflüssigte technische Gase verwendet werden, die beim Austritt aus dem Kühlmittelkanal des Werkzeuges (2) verdampfen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium flüssiges CO₂ ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium von einem Druckspeicher (3) über Zuführungskanäle (6, 12) in der Spindel (1) und dem Werkzeughalter (9) dem Kühlmittelkanal im Werkzeug (2) zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß während des Werkzeugwechsels die Zufuhr des Kühlmediums zum Werkzeug (2) durch Ventile (7, 8) in der Spindelnase (10), in oder kurz vor dem Werkzeughalter (9) und/oder im Bereich der Drehdurchführung (5) unterbrochen wird.

5. Werkzeugmaschine zur spanenden Bearbeitung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche mit, vorzugsweise automatisch, auswechselbaren, Kühlmittelkanäle enthaltenden Werkzeugen (2) und Zuführungskanälen (6, 12) in der Spindel (1) und dem Werkzeughalter (9), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Ventil (7, 8) für die Unterbrechung der Zufuhr des Kühlmedium zum Werkzeug (2) in der Spindelnase (10), in oder kurz vor dem Werkzeughalter (9) und/oder im Bereich der Drehdurchführung (5) vorhanden ist.

6. Werkzeugmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zuführungskanal des Werkzeughalters (9) oder einem darin angeordneten Kühlmittelröhrchen (11) ein Rückschlagventil (13) angeordnet ist.

7. Werkzeugmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Spindelnase (10) ein Ventil (8) angeordnet ist, daß beim Werkzeugwechsel durch die axiale Bewegung des Werkzeughalters (9) und/oder des darin angeordneten Kühlmittelröhrchens (11) betätigbar ist.

8. Werkzeugmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (8) als kombiniertes Sitz- und Schieberventil ausgeführt ist, das bei entferntem Werkzeug (2) durch den Innendruck des Kühlmediums in der Spindel (1) und durch eine Feder (15) geschlossen gehalten wird.

9. Werkzeugmaschine zur spanenden Bearbeitung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 mit, vorzugsweise automatisch, auswechselbaren, Kühlmittelkanäle enthaltenden Werkzeugen und Zuführungskanälen (6, 12) in der Spindel (1) und dem Werkzeughalter (9), dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungskanäle (6, 12) einen Durchmesser d < = 0,01 der Länge der Spindel (1) haben.

10. Werkzeugmaschine nach Anspruch 5 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungskanäle (6, 12) für das Kühlmedium aus isolierendem Material bestehen.

11. Werkzeugmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zuführungskanäle (6, 12) zur Reduzierung des Durchtrittsquerschnittes Kunststoffeinsätze einsteckbar sind, die die Zuführkanäle mindestens teilweise in Längsrichtung auskleiden.