用于金属工件的切削加工的方法和机床的制作方法
【专利摘要】在用于金属工件的切削加工的方法和机床中，设置有用于输送低温冷却介质（38）到第一刀具（16）的冷却装置（35）和用于输送低温冷却介质（38）到第二刀具（27）的预冷却装置（26）。第一刀具（16）夹持在第一刀具–夹具（13）中并且加工工件，其中，第一刀具（16）在加工过程中借助于低温冷却介质（38）冷却。第二刀具（27）夹持在第二刀具夹具（26）中，并且应用于后续加工工件。为此，借助于预冷却装置（36）向第二刀具（27）输送低温冷却介质（38）并因此预冷却到加工所需的运行温度。因为第二刀具（37）在刀具更换以后已经具有运行温度，可以直接继续进行工件的加工。通过基本加工时间并行地预冷却，减小了机器基本加工时间，由此机床具有更高的生产率。
【专利说明】用于金属工件的切削加工的方法和机床
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于金属工件的切削加工的方法。另外，本发明涉及一种按权利要求9所述的、用于金属工件的切削加工的机床。
【背景技术】
[0002]由DE601 11 162T2 (对应于EP1208940B1)已知有一种机床，带有用于金属工件的切削加工的转塔刀架。该转塔刀架具有多个刀具夹具，在各刀具夹具中分别设置有一个设计用于加工工件的刀具。通过该转塔刀架将低温冷却介质导引到正与待加工的工件啮合的刀具。通过借助于低温冷却介质的有效冷却，在工件加工时实现了较高的生产率。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是实现一种方法，该方法能够在金属工件的切削加工时实现更高的生产率。
[0004]该技术问题通过具有权利要求1的特征的方法解决。通过按本发明的方法由此提高工件加工时的生产率，使得在借助于第一刀具加工工件的过程中，借助于低温冷却介质基本加工时间并行地对设计用于后续加工的第二刀具进行预冷却。为了实现低温的工件加工，刀具必须在切削过程可以开始之前被首先冷却到所需的低运行温度。在用于低温工件加工的已知方法和机床中，只有当设计用于加工的刀具位于加工位置或位于设计用于加工的刀具夹具中时，才开始该冷却过程。例如，在已知的方法和机床中，只有当设计用于加工的刀具位于连接在用于低温冷却介质的输送管的刀具轴时，才开始该冷却过程。
[0005]通过在借助于第一刀具的工件加工过程中就已经借助于低温冷却介质冷却设计用于后续加工的第二刀具，将第二刀具所需的预冷却时间从机器基本加工时间移到机器非加工/辅助加工时间。通过该与基本加工时间并行的预冷却，工件可以在其借助于第一刀具加工之后直接借助于已经预冷却的第二刀具继续加工，而不需要额外的预冷却。由此，不必损失机器基本加工时间来将第二刀具冷却到低的加工温度。低温的工件加工因此可以直接在刀具更换之后继续进行，其中，第二刀具在加工过程中借助于低温冷却介质被冷却。
[0006]设计用于后续加工的刀具的预冷却例如借助于预冷却装置进行，其可与刀具库、转塔刀架或者任意其它的刀具夹具耦联/联接。按本发明的方法可以按照权利要求2至8，尤其按照权利要求9至15扩展设计。
[0007]按权利要求2的方法确保了设计用于加工的第二刀具简单且有效的预冷却。例如液态或气态的氮、液态或气态的氧、气态的氢、气态的氦、液态或气态的氩、气态的二氧化碳和液态或气态的天然气可用作低温冷却介质。优选在刀具的预冷却和后续加工时的冷却中使用相同的低温冷却介质，优选氮。
[0008]按权利要求3的方法确保了设计用于后续加工的刀具迅速且有效的预冷却。优选为，冷却介质碰到待预冷却的刀具或者流过刀具时，该低温冷却介质任然具有低温。
[0009]按权利要求4的方法可以确保在刀具更换之后直接继续进行工件加工。例如可以通过将预冷却的第二刀具更换到第一刀具夹具中，进行刀具更换，该刀具夹具例如可以设计为刀具轴。备选地，可以通过将第二刀具夹具连同夹持在其中的并且预冷却过的第二刀具一起从预夹持位置移动到加工位置来实现刀具更换。例如在转塔刀架中就是这种情况，在转塔刀架中，各个刀具通过转盘的旋转从预夹紧位置被置于加工位置。预冷却装置尤其这样设计，使得刀具更换迅速地进行，即，设计用于加工的第二刀具直至更换到加工位置都基本上不变热。
[0010]按权利要求5所述的方法确保了设计用于加工的刀具的有效的预冷却。
[0011]按权利要求6所述的方法以简单的方式实现了预冷却。预冷却装置例如具有隔热设计的、用于提供低温冷却介质的存储器和配属的、用于冷却低温冷却介质的冷却单元以及用于将低温冷却介质从存储器输送到第二刀具夹具的预冷却输送导管。该预冷却输送导管优选隔热地设计。预冷却装置优选与用于在加工过程中冷却刀具的低温冷却装置这样耦联，使得在加工过程中，从同一存储器中提取用于预冷却和冷却的低温冷却介质。
[0012]按权利要求7所述的方法以简单的方式确保，在刀具更换时没有低温冷却介质不受控地从预冷却装置流出。由此，确保了机床较长的持续工作时间，因为仅当预冷却的刀具与预冷却装置耦联时，低温冷却介质才从预冷却装置流出。
[0013]按权利要求8的方法确保设计用于加工的刀具简单且有效的预冷却。仅当待预冷却的刀具与预冷却装置耦联时，才由预冷却装置允许低温冷却介质的流入。
[0014]本发明所要解决的技术问题还在于，进一步扩展设计这种类型的机床，使其能够在金属工件的切削加工时实现生产率的提高。
[0015]该技术问题通过具有权利要求9的特征的机床解决。按本发明的机床的优点与已经描述的按本发明的方法的优点一致。按本发明的机床具有用于低温冷却的、与待加工的工件啮合中的第一刀具的冷却装置。此外，机床具有预冷却装置，该预冷却装置预夹持在第二刀具夹具中并设计用于工件的后续加工。借助于控制装置这样控制低温的冷却装置和低温的预冷却装置，使得在借助于第一刀具加工工件的过程中预冷却设计用于后续加工工件的第二刀具并且将其冷却至所需的低加工温度。由此，以所述的方式将用于第二刀具的预冷却时间从机器基本加工时间移到机器非加工时间中。因此可以在第二刀具更换到设计用于加工工件的位置后，直接继续进行工件的加工。由此减少了用于工件加工的机器基本加工时间或循环时间，并且提高了机床的生产率。按本发明的机床可以按照权利要求1至8和10至15的特征扩展设计。
[0016]按权利要求10的机床确保了设计用于加工的刀具简单的预冷却。存储器和所属的冷却单元优选既是预冷却装置的部分也是冷却装置的部分，使得以相同的低温冷却介质实现加工中的工件的刀具的冷却和准备进行加工的刀具的预冷却。为此，预冷却输送管从存储器通向第二刀具夹具，而冷却输送管从存储器通向第一刀具夹具。
[0017]按权利要求11的机床确保了设计用于加工的刀具有效的预冷却。仅当刀具与耦联单元机械地耦联时，才释放/开启低温冷却介质到待预冷却的刀具的输送。低温冷却介质的释放可以机械或电机械地进行。
[0018]按权利要求12的机床以简单的方式确保了预冷却装置与或和第二刀具夹具的耦联和脱耦/分离。为此，预冷却装置可以固定地设置在机床的基架上，而第二刀具夹具可移动，或反之。[0019]按权利要求13的机床以简单的方式确保了多个不同的刀具的预冷却。第一刀具夹具例如可以设计为常见的刀具轴，其以“拾起”的方式执行刀具更换，即，在此将第一刀具放到刀具库中并且从第二刀具夹具接收预冷却的第二刀具。备选地，为此可以采用常见的刀具更换器。
[0020]按权利要求14的机床确保了有效的刀具预冷却，并且在加工过程中也确保了有效的刀具冷却。存储器既是预冷却装置的部分，也是冷却装置的部分，使得仅需要一个存储器，来将低温冷却介质经由预冷却输送管导引到第二刀具夹具，将低温冷却介质通过冷却输送管导引到第一刀具夹具。
[0021]按权利要求15的机床确保了相应的刀具有效的预冷却和冷却。输送管在(TC时优选具有最高0.4W/ (mK)，尤其是最高0.30W/ (mK)，并且特别是最高0.20W/ (mK)的固有导热率。通过隔热的设计，避免了低温冷却介质在到第一或第二刀具夹具的路途中不希望地变热。以这种方式可以非常有效地预冷却或冷却相应的刀具。输送管优选完全隔热地设计，也就是在整个长度上隔热地设计。此外，输送管优选真空隔热地设计。为此，该输送管具有内管和包围内管的外管，所述内管和外管在端侧相互连接并且限定出真空的隔热腔。在真空隔热的设计中，输送管在0°C时优选具有最高0.0lff/ (mK)的固有导热率。在真空隔热的设计中，优选只是一个管的长度可变，因此能够补偿内管和外管的各种长度变化。如果输送导管由低温冷却介质流过，内管基本上处于冷却介质的温度，反之，相应的外管由于设置在两个管之间的隔热介质明显更少地被冷却。因此，内管的长度变化明显比外管更多。为了避免输送管的损坏，至少一个管的长度是可变的。优选外管具有弯曲的金属波纹管，用于热力学的长度补偿。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]本发明的其它特征、优点和细节由以下实施例的描述得出。图中示出:
[0023]图1:带有刀具库和与之共同作用的预冷却装置的机床；
[0024]图2:图1中的机床的俯视图；
[0025]图3:与刀具库共同作用的预冷却装置的示意图；
[0026]图4:刀具库的正视图；
[0027]图5:预冷却装置与待预冷却的刀具耦联的耦联单元的剖视图；
[0028]图6:图5中的耦联单元的放大视图；
[0029]图7:预冷却装置与待预冷却的刀具脱耦的耦联单元的剖视图；以及
[0030]图8:图7中的耦联单元放大的视图。
【具体实施方式】
[0031]机床I具有基架2，该基架带有机座3和设置在机座上的立柱4。机座3基本上在水平的X方向和水平的Z方向延伸。立柱4在端侧固定在机座3上并且基本上在X方向和垂直的y方向延伸。基架2固定在基板5上。x,y和z方向分别相互垂直地延伸并且形成笛卡尔坐标系。
[0032]在立柱4上设置有X-滑块6，该滑块可在所属的X-导轨7上借助于X-驱动电机8平行于X方向线性地移动。在X-滑块6上又设置有y-滑块9，该滑块9可借助于y驱动电机11在y导轨10上平行于I方向线性地移动。在I滑块9上固定有刀具轴12，该刀具轴具有设计为夹紧组件的第一刀具夹具13，该第一刀具夹具可借助于驱动电机14围绕平行于z方向延伸的旋转轴15旋转驱动。在第一刀具夹具13中夹持有用于切削加工金属的工件17的第一刀具16。
[0033]机床I在刀具轴12之前具有加工区域18，在该加工区域中用于待加工的工件17的工件-支架19设置在机座3上。工件-支架19支承在Z-导轨20上并且可借助于驱动电机21平行于z方向线性移动。工件支架19设计为转台(Drehteller)，并且可借助于驱动电机22可围绕平行于I方向延伸的旋转轴23旋转。在转盘给料机19上例如可以固定工件-安装板以及夹紧在其上的工件17。
[0034]机床I具有固定在支柱4上的刀具库24。刀具库24设计为刀具盘式刀具库。刀具库24相应具有带有多个设置在其上的刀具夹具26的刀具盘25。在刀具夹具26中设置有用于工件17的后续加工的各种第二刀具27。刀具盘25可转动地支承在刀具库滑块28上并且可借助于驱动电机29围绕转动轴30相对刀具库滑块28旋转驱动。刀具库滑块28平行于z方向可移动地设置在刀具库支架31上，刀具库支架又固定在立柱4上。为此，在刀具库支架31上设置有z导轨32，刀具库滑块28可在该z导轨上借助于驱动电机33平行于z方向线性地移动。该刀具盘25由刀具库壳体34部分包围。
[0035]机床I为了低温冷却刀具16，17具有冷却装置35以及所属的预冷却装置36。冷却装置35和预冷却装置36具有公共的存储器37，该存储器用于提供低温冷却介质38且隔热地设计。为了冷却低温冷却介质38，设置有冷却单元39。借助于第一输送泵40可将低温冷却介质38通过冷却输送管41从存储器37输送到第一刀具夹具13或夹紧在其中的刀具16。为了中断到刀具夹具13的低温冷却介质的输送，在冷却-输送管41中设置有第一截止阀42。冷却装置35包括存储器37、冷却单元39、输送泵40、冷却输送管41和截止阀42。
[0036]为了预冷却第二刀具27，低温冷却介质38可借助于第二输送泵43从存储器37经由预冷却输送管44输送到刀具库24的第二刀具夹具26。为了中断低温冷却介质38的输送，在预冷却输送管44中设置第二截止阀45。预冷却装置36包括存储器37、冷却单元39、输送泵43、预冷却输送管44、截止阀45和后面还将描述的耦联单元46。输送管41，44为了避免低温冷却介质38不希望地变热设计为真空隔热的。
[0037]耦联单元46在端侧设置在预冷却输送管44上并且这样设计，使得在刀具27与耦联单元46机械耦联时，低温冷却介质38到相应的第二刀具27的输送被释放，而当刀具27从耦联单元46脱耦时，低温冷却介质38到相应的刀具27的输送被中断。为了将相应的刀具27与耦联单元46机械地耦联或脱耦，刀具库24的刀具夹具26可借助于驱动电机33相对于耦联单元46线性移动。
[0038]耦联单元46固定在刀具库壳体34上并且设计为弹簧加载的滑阀。为此，耦联单元46具有内部的滑阀部件47和外部的滑阀部件48，所述滑阀部件相互插套地可滑动地导引并且借助于弹簧元件49预紧。滑阀部件47，48和弹簧元件49设置在配属的壳体50内。滑阀部件47，48限定出一个内腔51，预冷却输送管44通向该内腔。壳体50在朝向刀具27的侧面具有通孔52，耦联管53经过该通孔从内腔51通向外部。耦联管53在设置在内腔51中的端部的端侧封闭，然而在该端的环周侧具有入口 60。内部的滑阀部件47为了释放/打开或关闭该入口 60在朝向耦联管53的侧面具有释放部段54和关闭部段55。
[0039]这样设计耦联单元46:该耦联单元可插入到刀具27的夹持凹槽56中并且耦联管53可与在刀具27中延伸的冷却通道57连接。为此，在冷却通道57的端侧设置有密封插入件58，借助于该密封插入件可在刀具27耦联时操纵外部的滑阀部件48。
[0040]为了控制机床I，该机床具有控制装置59，该控制装置这样设计，使得在借助于第一刀具16加工工件17过程中，可借助于低温冷却介质38预冷却设计用于工件17的后续加工的第二刀具27。
[0041]为了加工工件17，将该工件以常见的方式夹紧在工件-支架19中并且将第一刀具16夹紧在刀具轴12的第一刀具夹具13中。通常，用刀具16加工工件17，其中，工件支架19和/或刀具轴12沿x，y和/或z方向线性地移动。在加工过程中借助于低温冷却介质38冷却第一刀具16。为此,借助于输送泵40从存储器37经由冷却输送管41将低温冷却介质38输送到刀具轴12。冷却输送管41与刀具16的冷却通道57耦联，使得刀具16在加工过程中由低温冷却介质38流过并冷却。低温冷却介质38在此是氮、氧、氢、氦、氩、二氧化碳和天然气中的至少一种。低温冷却介质38优选是氮。低温冷却介质38在从刀具16流出时优选具有低于_60°C，尤其是低于_120°C，特别是低于_150°C，并且尤其是低于_180°C的温度。
[0042]在加工工件17的过程中，刀具库24中的、设计用于后续加工工件17的第二刀具27设置在预冷却位置并且借助于耦联单元46连接在预冷却装置36上。这在图5和6中示出。借助于输送泵43从存储器37经由预冷却输送管44将低温冷却介质38输送到耦联单元46，该耦联单元由于与刀具27的机械耦联释放低温冷却介质38的输送。为此，密封插入件58抵靠在外部的滑阀部件48上，因此该入口 60通到耦联管53，从而释放到刀具27的低温冷却介质38的输送。因此，低温冷却介质38流经刀具27并且将刀具冷却到加工所需的运行温度。该预冷却过程与工件17的加工并行地进行。低温冷却介质38在预冷却刀具27时具有低于_60°C，尤其是低于_120°C，特别是低于_150°C并且尤其是低于_180°C的温度。
[0043]如果工件17借助于刀具16的加工结束，则进行刀具更换。为此，刀具盘25与刀具夹具26和接纳在其中的刀具27首先平行于Z-方向借助于驱动电机33移动，使得耦联单元46与预冷却的刀具27脱耦。外部的滑阀部件48通过预紧的弹簧元件49这样地移动，使得封闭部段55设置在耦联管53的入口 60的区域内，从而中断到耦联管53的低温介质38的输送。接着，刀具盘25这样地围绕转动轴30转动，使得空闲的刀具夹具26设置在刀具更换位置上。刀具轴12然后被移动到刀具库24中并且刀具16放到空闲的刀具夹具26中。
[0044]接着，刀具盘25这样地围绕转动轴30移动，把预冷却的刀具27放置在刀具更换位置上并且在此由空闲的刀具轴12接纳。通过刀具轴12的移动，第二刀具27被移动到待进一步加工的工件17的加工位置中。第二刀具27在工件17的加工开始时具有最高_60°C，尤其是最高_120°C，尤其是最高_150°C并且尤其是最高_180°C的温度。假如第二刀具27在与预冷却装置36脱耦后有显著的变热，可以在加工工件17之前就已经在刀具轴12中借助于冷却装置35冷却该第二刀具。
[0045]在借助于第二刀具27加工工件17时，借助于低温冷却介质38以已经描述的方式冷却该第二刀具。
[0046]在用刀具27加工工件17的过程中，刀具盘25这样地围绕转动轴30转动，使得设计用于后续加工工件17的刀具27重新设置在预冷却位置。通过刀具盘25的线性移动，位于预冷却位置的刀具27与耦联单元46机械耦联。在此，刀具27的密封插入件58克服弹簧元件49的弹力操纵外部的滑阀部件48，使得释放部段54处在耦联管53的入口 60的区域并且释放到刀具27的低温冷却介质38的输送。低温冷却介质38流过耦联管53和冷却通道57并且将接下来设计用于加工的刀具27冷却到所需的运行温度。
【权利要求】
1.一种用于金属工件的切削加工的方法，具有以下步骤: -借助于第一刀具(16)加工工件(17)，其中， -借助于第一刀具夹具(13)夹持所述第一刀具(16)，以及 -在加工过程中借助于低温冷却介质(38)冷却所述第一刀具(16)， -预冷却设计用于加工所述工件(17)的第二刀具(27)，其中， -借助于第二刀具夹具(26)夹持所述第二刀具(27)以及 -在借助于第一刀具(26)加工工件(17)的过程中，借助于低温冷却介质(38)冷却所述第二刀具(27)， -借助于预冷却过的第二刀具(27)加工所述工件(17)，其中，在加工过程中借助于低温冷却介质(38)冷却所述第二刀具(27)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷却介质(38)是氮、氧、氢、氦、氩、二氧化碳和天然气中的至少一种介质。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述低温冷却介质(38)在预冷却第二刀具(27)时具有低于_60°C，尤其是低于_120°C，特别是低于_150°C并且尤其是低于-180°C的温度。
4.如权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述第二刀具(27)在加工位置具有最高-60°C，尤其是最高_120°C，特别是最高_150°C并且尤其是最高_180°C的温度。
5.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述第二刀具(27)在预冷却时由低温冷却介质(38 )流过。`
6.如权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，所述第二刀具(27)在预冷却时与用于存储和输送低温冷却介质(38)的预冷却装置(36)机械耦联。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二刀具(27)通过第二刀具夹具(26)和预冷却装置(36)之间的相对运动与该预冷却装置脱耦并且中断低温冷却介质(38)从预冷却装置(36)的流出。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，设计用于后续加工工件(17)的刀具(27)通过刀具夹具(26)和预冷却装置(36)之间的相对运动与该预冷却装置耦联并且允许低温冷却介质(38)流向刀具(27)。
9.一种用于金属工件的切削加工的机床，包括: -用于切削待加工的工件(17)的工件-支架(19)， -用于夹持第一刀具(16)的第一刀具夹具(13)， -用于输送低温冷却介质(38)到夹持在第一刀具夹具(13)中的第一刀具(16)的冷却装置(35)，和 -用于预夹持设计用于加工的第二刀具(27)的第二刀具夹具(26)，其特征在于， -用于输送低温冷却介质(38)到夹持在第二刀具夹具(26)中的第二刀具(27)的预冷却装置(36)，和 -控制装置(59)，该控制装置这样设计，使得在借助于第一刀具(16)加工工件(17)的过程中，借助于低温冷却介质(38)可预冷却设计用于后续加工工件(17)的第二刀具(27)。
10.如权利要求9所述的机床，其特征在于，所述预冷却装置(36)包括: -隔热设计的存储器(37 )，用于提供低温冷却介质(38 )，-冷却单元(39)，用于冷却低温冷却介质(38)，和 -预冷却输送管(44)，用于将低温冷却介质(38)从存储器(37)输送到第二刀具夹具(26)。
11.如权利要求9或10所述的机床，其特征在于，所述预冷却装置(36)具有耦联单元(46)，该耦联单元这样设计，使得: -当所述刀具(27)与耦联单元(46)机械耦联时，到所述刀具(27)的低温冷却介质(38)的输送被释放；以及 -当所述刀具(27)与所述耦联单元(46)机械脱耦时，到所述刀具(27)的低温冷却介质(38)的输送被中断。
12.如权利要求9至11之一所述的机床，其特征在于，所述预冷却装置(36)可相对第二刀具夹具(26)移动。
13.如权利要求9至12之一所述的机床，其特征在于，所述第二刀具夹具(26)是刀具库(24)、尤其刀具盘式刀具库的一部分。
14.如权利要求10至13之一所述 的机床，其特征在于，低温冷却介质冷却-输送管(41)从存储器(37)延伸到第一刀具夹具(13)，从而将低温冷却介质(38)输送到第一刀具(16)。
15.如权利要10至14之一所述的机床，其特征在于，至少一个输送管(41，44)隔热地设计。
【文档编号】B23Q11/10GK103687694SQ201280033659
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年7月6日 优先权日:2011年7月8日
【发明者】M·I·梅达尔, H·朗, W·霍恩, H·科尔博, D·沃茨 申请人:美格工业自动化系统有限公司