专利名称：使用冷却剂流体进行金属加工的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用冷却剂流体进行磨削的方法和设备。更具体地说，本发明涉及增强所谓的蠕动进给磨削过程，借助于蠕动进给磨削过程能达到非常高的毛坯切削率。
背景技术：
蠕动进给磨削是一种全深度或者说全切削作业，它通常允许以一次加工方式从固体上切除完全的轮廓深度。要被机加工的工件固定在表面工作台上，该工作台以不变速度进给通过旋转砂轮。毛坯切削率按照砂轮表面内部碎屑空穴的尺寸和数量并结合诸多其它因素进行设置。高切削率可以达到，但该过程会产生足够的摩擦热从而灼伤工件并危及砂轮。增大砂轮切削深度向来需要降低工件进给率或者以两次或多次加工方式执行该作业。
已经发现如下改进方法为砂轮接触区提供适当的冷却剂流，从而确保工件冷却剂和砂轮冷却剂以及有效的清洗。使用喷射清理喷嘴输送大量冷却剂到砂轮表面附近是众所周知的。该轮的类型和成分应根据被磨削材料种类进行仔细选择，以便在毛坯切削率和砂轮磨损之间获得最可接受的平衡。
从工件上以较高速率去除金属材料需要大量的冷却剂，该冷却剂所需精确并以足够的数量输送到金属加工工具和工件之间接触面的整个轮廓处以及该轮廓上。通常，操作者根据经验以及在金属加工工具处输送冷却剂射流的方向和位置判断来手动定位冷却剂喷嘴。在磨削作业期间大量的冷却剂射流及其压力例如会淹没磨削部分，并遮挡而不能看到冷却剂射流冲击和加工接触面的正确位置。通常，如果该冷却剂射流没有精确地输送到加工接触面，被加工工件就会因产生的过热或去除的材料而产生缺陷，因而所需重新加工或废弃。
所以，为了确保将适当的冷却剂射流精确和以足够的数量输送到金属加工工具和工件之间的加工接触面轮廓上，进一步改进是所需的。
发明内容
本发明涉及一种用来从工件上去除金属的金属加工设备，它包括1)用于工件的夹具；2)金属加工工具，它构造成沿着加工接触面接合该工件从而从该工件上去除金属；3)用来喷射冷却剂流体射流的冷却剂喷嘴，该喷嘴包括具有流动通道的喷嘴本体和激光器孔，其中该流动通道具有入口和出口，而该激光器孔具有瞄准该流动通道出口的线；以及4)可拆卸地插入该激光器孔的可见激光器，它与该喷嘴本体协作以便相对于该金属加工工具在视觉上定位该喷嘴，借此该喷射的冷却剂流体射流能被引向该加工接触面。
本发明还涉及一种用来从工件上去除金属的金属磨削设备，它包括1)用于工件的夹具；2)旋转磨削工具，它构造成在加工接触面处接合该工件从而从该工件上除去金属，其中该加工接触面具有接触面轮廓；3)用来喷射冷却剂流体射流的冷却剂喷嘴，其中该射流具有与该接触面轮廓大致相同的横截面的轮廓；4)与该冷却剂喷嘴协作的可见激光器，它用来相对于该金属加工工具在视觉上定位该喷嘴，借此该冷却剂流体射流能被引向该加工接触面，并且其中该射流的横截面轮廓与该加工接触面的接触面轮廓对齐。
本发明还涉及一种激光瞄准冷却剂喷嘴，它用来将冷却剂流体施加到加工设备上，该加工设备用来在加工接触面处从工件上除去金属，该冷却剂喷嘴包括1)具有流动通道和激光器孔的冷却剂喷嘴本体，其中该流动通道具有入口和出口，而该激光器孔形成在该喷嘴本体外表面内的进出开口并具有瞄准该流动通道出口的线；以及2)可拆卸地插入该激光器孔的可见激光器，它与该喷嘴本体协作以便相对于该加工设备在视觉上定位该冷却剂喷嘴，借此该冷却剂流体射流能被引向该加工接触面。
本发明还涉及一种方法，它使用可见激光来对准在加工工件时从冷却剂喷嘴朝金属磨削工具喷射的冷却剂射流，该方法包括下述步骤1)提供具有工作台和金属磨削工具的金属加工设备，以及固定在该工作台上的工件；2)提供用来向着该金属磨削工具上的加工接触面引导冷却剂流体射流的冷却剂喷嘴，该冷却剂喷嘴包括具有射流参考点的流体出口；3)提供用来发射可见激光束的可见激光器；4)把该可见激光器与冷却剂喷嘴联系起来，借此该发射激光束通过该射流参考点并且指示来自流体出口的冷却剂流体射流的目的地；5)用相关的可见激光器定位该冷却剂喷嘴，借此将该可见激光束引向加工参考点；6)固定该冷却剂喷嘴使之不再运动；7)使冷却剂流体通过冷却剂喷嘴，借此使冷却剂流体射流冲击该金属磨削工具的加工接触面；以及8)加工该工件。
本发明还涉及可见激光器的使用方法，该激光器用来瞄准冷却剂喷嘴的方向，借此在用加工工具从工件去除金属期间将冷却剂射流引向该加工工具与工件的加工接触面。
图1表示本发明金属加工设备的示意图，该设备被描述为用来从工件上切除金属并具有激光瞄准冷却剂喷嘴的磨削轮，该冷却剂喷嘴带有布置在其中的可见光激光器；图2为图1的示意图，它表示正在喷射冷却剂流体射流的冷却剂喷嘴；图3表示通过本发明激光瞄准冷却剂喷嘴的横截面图，该喷嘴具有布置在其中的可见激光器；图4表示图2冷却剂喷嘴的横截面图，其中可见激光器被拆卸并代之以密封插塞；图5表示本发明另一激光瞄准冷却剂喷嘴的示意图，该喷嘴带有布置在其中的可见光激光器；以及图6为图5的示意图，它表示喷射冷却剂流体射流的冷却剂喷嘴。
部件列表加工工具/砂轮2、砂轮旋转方向4、工件6、方向箭头8、接触区9、旋转心轴10、工具卡盘12、安装夹具14、加工参考点15、工作台16、冷却液射流18、加工接触面19、喷嘴20、喷嘴本体21、激光器孔22、线23、出入开口24、射流参考点25、外表面26、流动通道27、入口28、出口29、分界面30、高压软管31、进入孔32、螺纹38、可见激光器40、可拆卸插塞50、本体部分51、末梢端52、基部端54、插塞表面56、螺纹58、手柄59。
具体实施例方式
多种金属加工工具可用来从工件上去除材料。用于去除材料的典型的金属加工工具是磨削装置，更具体地说是砂轮。砂轮被用来根据该轮的外周边轮廓从工件上切除材料。典型的砂轮可具有平坦的轮廓，或者该轮廓可为曲线、直线或两者的结合体。通常砂轮横截面轮廓在它的整个周边中是相同的。这类所用已增强砂轮的表面速度值范围是从大约每秒10米至大约每秒80米。
图1和2表示金属加工组件，它包括表示为砂轮2的金属加工工具，所述砂轮沿箭头4方向旋转以便接合工件6，该工件6能沿相对的箭头8方向移动进入旋转砂轮2。所描述的作业在该技术中通称为在砂轮接触区内的“向下”磨削。如同“向上”磨削那样，发现本发明能够很好地工作。本质上，本发明过程是被通称为蠕动进给磨削的过程的变型，尽管这可能被看作多少有点名称使用不当，因为该增强效果使工件材料去除快出许多。
砂轮2安装在由刀架或卡盘12携带的旋转心轴10上，卡盘12是标准多轴机床的配件。工件6通过在加工工作台16上的安装夹具14固定就位以便加工，所述安装夹具被描述为一对安装托架14a和14b。由于本发明旨在进行“一次加工”磨削过程，该砂轮的宽度被成形为相当于所需磨削表面的宽度。工件向着加工接触面19移入并由旋转砂轮在该处加工。
典型的磨削作业包括磨削用于燃气透平发动机内的透平叶片末梢尖端。
在该磨削作业期间，如图2所示，通常含有水溶性油的液体冷却剂射流18从喷嘴20喷射并由该喷嘴引向轮2周边上的加工接触面19。喷嘴20是闭环冷却剂输送、收集和过滤系统的出口。从砂轮排出的已用完冷却剂被收集在位于机床下部的液槽(未示出)中，然后通过有效的过滤系统排除，以便除去通常至少约10微米颗粒尺寸的碎屑。
高压泵系统(未示出)与过滤系统(也未示出)成一整体，它将在高压状态下的冷却剂输送到喷嘴20的入口28。如图3所示，该冷却剂经过到达固定在入口28上的入口孔32的高压软管31，以高达100巴、通常为70巴的压力以及直至大约每分钟60升的流量供应到入口28。
该冷却剂喷嘴以高速和高压喷射冷却剂射流。在磨削作业期间，该冷却剂射流以高速冲击该磨削轮。该高速冷却剂射流与高速旋转砂轮生成的碰撞冲击冷却剂流体使其沿所有方向散开和飞溅，从而形成冷却剂雾和小滴的浮云状物，该浮云状物几乎完全地妨碍该加工作业的可见性。
但是，为了获得有效和精确的磨削，该冷却剂射流对于加工接触面的精确瞄准可以是十分重要的。如果冷却剂没有被适当地引导到该砂轮的全部所需位置，会因工件过热和从工件去除过多金属而引起不完美的磨削。
由于在磨削作业已经开始后该作业的高速度妨碍对准或者说将冷却剂射流引向砂轮的被瞄准位置，本发明曾经提出在冷却剂射流和磨削作业开始之前精确地定位喷嘴组件。图1表示开始磨削作业之前的金属加工组件。为了确保喷嘴20将冷却剂射流18(如图2所示)引向砂轮2上的表示为加工接触面19的适当位置，喷嘴20被成形为具有在其中能布置可见光激光器40的激光器孔22。激光器孔22构造成接纳激光器40并将其可拆卸地固定在静止位置。可见激光器40在其静止位置中能沿着线23发射可见光束。
激光器孔22被成形在喷嘴20内部以便激光器40与出口29的协同定位。更具体地说，沿着线23发射的激光束与在出口29周边上的射流参考点25协作，从而提供瞄准装置，该瞄准装置用来在视觉上定位并将来自喷嘴20的后继冷却剂射流18引向砂轮2。通常，该金属加工作业需要该喷射冷却剂射流18的轮廓与砂轮12周边上的加工接触面19对齐。为了保证喷嘴的适当取向以及冷却剂射流轮廓与加工接触面轮廓对齐，加工接触面19具有包括至少一加工参考点15的轮廓。通常，加工参考点15和射流参考点25被定位在它们各自的处于协同和大致相似位置的加工接触面19和喷嘴出口18上。加工参考点15可以选择，借此当从激光瞄准喷嘴20发射并沿着线23的可见光束与加工参考点15对齐或者位于后者上时，冷却剂喷嘴20对于后继金属加工作业而言被适当地瞄准和定向。
如图1所示，具有已插入激光器孔22的激光器40的喷嘴20被手动定位，借此沿着线23的可见激光束穿过或者说随着射流参考点25到达加工参考点15。在这个位置，该冷却剂喷嘴对于后继金属加工作业而言已被适当和最佳地预定位。于是能保证在磨削作业期间该已预定位和瞄准的冷却剂喷嘴向加工接触面19适当和有效地喷射冷却剂流体射流18。
冷却剂喷嘴20靠近轮2周边布置以便沿着大致径向朝该轮将高压冷却剂射流18输送到该轮周边的在加工接触面19前面的点处。通常，提供上面固定着冷却剂喷嘴的支承座(未示出)。该支承座构造成提供对于最佳冷却剂性能而言的该冷却剂喷嘴上下、前后、左右运动和枢转。该喷嘴通常也构造成相对于工件和砂轮作独立运动。最好是，该喷嘴组件能沿所有方向移动和旋转，并能定向和定位以便在不受工件干扰的情况下向该砂轮喷射冷却剂射流。
在图2描述的实施例中，喷嘴流动通道将呈薄板或扇子形状的冷却剂射流18引向该轮周边处，以便在该轮加工接触面19上获得大致均匀的分布。作为替代，该喷嘴能构造成提供具有种种形状横截面轮廓的喷射冷却剂射流。在典型作业中，该冷却剂流体射流轮廓和尺寸构造成与金属加工工具的加工接触面轮廓和尺寸相配，以致于冷却剂流体不变地供应到金属加工工具例如砂轮的正从工件上切除金属的那个部分。典型的喷嘴射流轮廓可为长条、直线、圆、椭圆或曲线形。
喷嘴20被成形和配置以便将冷却剂流体射流18向着横过该轮全宽的冲击点引导到该轮的周边。在一些作业中，沿着与该轮周边大致成直角的方向引导该冷却剂流是最好的。
在图1所示冷却剂喷嘴20构造成喷射张开成对扇形或者说从喷嘴出口向外扩张的冷却剂射流的同时，该喷嘴也能被成形来把喷射冷却剂射流18的轮廓限制成不变的横截面尺寸和形状，如图6所示。如同上文所述，图5所示实施例带有布置在喷嘴激光器孔22内的可见激光器40，以便适当瞄准和定位喷嘴20。喷嘴20具有出口29轮廓，该轮廓是具有宽度和高度的大致矩形。引导到出口29的流动通道27被成形为具有多个平行侧壁和不变的横截面轮廓，它提供具有相同宽度和高度的轮廓的喷射冷却剂射流18。
图3中以横截面形式表示典型的激光瞄准冷却剂喷嘴。该冷却剂喷嘴20包括喷嘴本体，它具有入口28、出口29以及使该入口与出口连接的流动通道27。入口28、流动通道27内表面以及出口29构造成提供喷射冷却剂射流18的轮廓图案(见图2)。设计规范可包括成形该流体通道内表面以便限制该流体在通过喷嘴时的扰动，借此使该流动冷却剂适合特殊的冷却剂射流轮廓。在实施例中，该喷嘴构造成在该冷却剂通过和离开喷嘴时使冷却剂体以层流方式通过此处。
冷却剂喷嘴20具有包括激光器孔22的本体21，所述孔22形成贯穿该喷嘴本体外表面26的开口24，开口24与流动通道27处于流体连通状态。激光器孔22通常朝喷嘴20的冷却剂流动通道27逐渐变小并在分界面30处与后者相交。激光器孔22构造成接纳激光器40，如图1和3所示。
喷嘴20通常构造成从激光器孔22拆卸激光器40并在磨削作业期间将可拆卸插塞50插入激光器孔22，如图2、4和6所示。通常可拆卸插塞50会具有穿过激光器孔22伸出的末梢端52。可拆卸插塞50的末梢端52通常具有沿着流动通道27和激光器孔22之间的分界面30与喷嘴流动通道27内表面配合的插塞表面56。插塞表面56模拟原先在喷嘴本体21内形成激光器孔22时已被去除的流动通道27内表面形状。
激光器孔22构造成提供至少从激光器孔22到流动通道出口29的瞄准线。尽管可以使用其它形状，激光器孔22和激光器40通常具有圆柱形状。同样，插塞50具有与该激光器形状大致相同的本体部分51，并构造成适合放置在激光器孔22内的密封装置(未示出)。插塞50通常具有接合激光器孔22内表面的装置，例如与激光器孔22内相应螺纹38配合的一组螺纹58。为了便于拆卸，插塞50在基部端54上通常会具有柄59，它从该喷嘴本体伸出以便容易插入和拆卸该插塞。
一种典型的本发明冷却剂喷嘴可从Innatech，ochester，MI的LLC得到。
激光器40可以是发射可见激光束的任何激光器。发射激光束的颜色和尺寸可为任何类型但应从大约小于2米距离处可以见到。该激光器通常是用来发射可见红色激光束的红二极管激光器。该激光器可以是自备电源例如带电池和手动开关，或者可以是通过到达远程电力源的软电线来提供电力和进行控制。
可见激光器典型实例是MLM(3/4英寸直径)，它可从Cabano，Quebec，Canada的FP Industry得到。
本发明还包括一种方法，它在工件上执行加工作业时使用可见激光来对准从喷嘴朝金属切削工具加工接触面喷射的冷却剂射流。在典型方法中，工件被固定在金属磨削设备工作台上的夹具内。该工件和旋转磨削工具构造成在加工接触面处接合从而从该工件上切除金属。该加工接触面具有与砂轮外周边轮廓一致的特殊接触面轮廓，并且在完成时将在工件上形成该加工轮廓。该工件和砂轮彼此相对的定位运动通常由电脑化控制器进行控制。在金属加工作业期间，用来引导冷却剂流体射流的喷嘴被安装来向加工接触面提供该冷却剂流体射流。该喷嘴构造成提供激光器孔，可见激光器能安插在该孔中以便用来定位该喷嘴。在作业之前操作者将该可见激光器插入，该可见激光器会与喷嘴协作，借此从该激光器发射的激光束的引导和定位会指示作业期间从液流喷嘴排出的生成冷却剂射流的目的地。该激光束被成形来精制地再现将从已定位冷却剂喷嘴喷射的该冷却剂射流的取向。在喷嘴被适当地定向和定位并固定就位之后，操作者从该激光器孔拆下激光器，并插入在磨削作业期间密封激光器孔的插塞，从而防止作业期间冷却剂流体从冷却剂喷嘴漏出。在任何时间操作者均可通过拆下该插塞和重新插入激光器来重新检查该喷嘴的定位和取向。
该方法包括沿着贯穿上文所述液流参考点和加工参考点的线来对准该激光束。这使得该液流喷嘴如下定位和取向，以致于该冷却剂射流轮廓与加工接触面轮廓相配或者与后者对齐。在替代实施例中，喷嘴能提供不与喷嘴流体通道接合或连通的分离激光器孔。在这个实施例中，该激光器孔将穿透该喷嘴后部并完全穿过喷嘴前部，并且通常直接邻近该喷嘴的排出开口。从插入激光器孔的激光器发射的可见光束通过该激光器孔的排出开口并被引向金属加工机床。该发射激光束的角度能与从该喷嘴喷射的冷却剂流体射流的角度平行。
在该上述实施例中，激光器孔的发射或者说排出开口能用透明玻璃材料覆盖，该玻璃材料允许激光束在此穿过，但阻止回溅的冷却剂流体进入该激光器孔开口。
使用多轴铣床实施本发明，该铣床适于利用代替标准铣刀的砂轮来进行作业。使用这类多轴机床的主要原因是它具有在被磨削工件上再现复杂表面轮廓的能力，不过这一特殊论题已在本发明范围之外。所以应该理解，尽管为了简单起见附图将这种相对运动表示为直线运动，砂轮和工件的相对运动可为复合运动。
权利要求
1.一种用来从工件上去除金属的金属加工设备，它包括1)用于工件的夹具(14)；2)金属加工工具(2)，构造成沿着加工接触面(19)接合工件(6)从而从工件上去除金属；3)用来喷射冷却剂流体射流(18)的冷却剂喷嘴(20)，喷嘴包括具有流动通道(27)的喷嘴本体(21)和激光器孔(22)，其中流动通道具有入口(28)和出口(29)，而激光器孔(22)具有瞄准流动通道出口(29)的线；以及4)可拆卸地插入激光器孔(22)的可见激光器(40)，它与喷嘴本体(21)协作以便相对于金属加工工具(2)在视觉上定位喷嘴，借此喷射的冷却剂流体射流(18)能被引向加工接触面(19)。
2.如权利要求1所述的金属加工设备，其特征在于，加工接触面(19)包括加工参考点(15)，而流动通道出口(29)具有射流参考点(25)，借此冷却剂喷嘴(20)能通过对准可见激光束的方法来定位，此处的可见激光束从激光器沿着穿过射流参考点(25)和加工参考点(15)的线(23)发射。
3.如权利要求1所述的金属加工设备，其特征在于，冷却剂喷嘴(20)构造成拆卸可见激光器(40)，并用来将可拆卸插塞(50)插入激光器孔(22)。
4.如权利要求3所述的金属加工设备，其特征在于，可拆卸插塞(50)包括具有表面(56)的末梢端(52)，其中该表面模拟当激光器孔(22)在喷嘴本体(21)内形成时已被去除的流动通道(27)内表面。
5.一种用来从工件上去除金属的金属磨削设备，包括1)用于工件(6)的夹具(14)；2)旋转磨削工具(2)，构造成在加工接触面(19)处接合工件(6)从而从工件上除去金属，其中加工接触面(19)具有接触面轮廓；3)用来喷射冷却剂流体射流(18)的冷却剂喷嘴(20)，其中射流具有与接触面轮廓大致相同的横截面的轮廓；4)与冷却剂喷嘴(20)协作的可见激光器(40)，用来相对于金属加工工具(2)在视觉上定位喷嘴，借此冷却剂流体射流(18)能被引向加工接触面(19)，并且其中射流(18)的横截面轮廓与加工接触面(19)的接触面轮廓对齐。
6.一种激光瞄准冷却剂喷嘴(20)，用来将冷却剂流体施加到加工设备(2)上，加工设备(2)用来在加工接触面(19)处从工件(6)上除去金属，冷却剂喷嘴包括1)具有流动通道(27)和激光器孔(22)的冷却剂喷嘴本体(21)，其中流动通道具有入口(28)和出口(29)，而激光器孔(22)形成在喷嘴本体(21)外表面内的进出开口(24)并具有瞄准流动通道出口(29)的线；以及2)可拆卸地插入激光器孔(22)的可见激光器(40)，它与喷嘴本体(21)协作以便相对于加工设备在视觉上定位冷却剂喷嘴(20)，借此冷却剂流体射流(18)能被引向加工接触面(19)。
7.如权利要求6所述的激光瞄准冷却剂喷嘴(20)，其特征在于，激光器孔(22)与流动通道(27)处于流体连通状态。
8.如权利要求6所述的激光瞄准冷却剂喷嘴(20)，其特征在于，冷却剂喷嘴还装备着可拆卸插塞(50)，它能代替激光器插入激光器孔(22)以便密封进出开口(24)使其不与流动通道(27)流体连通。
9.一种可见激光(4)的使用方法，该激光用来瞄准冷却剂喷嘴(20)的方向，借此在用加工工具(2)从工件(6)去除金属期间将冷却剂射流(18)引向加工工具与工件的加工接触面(19)。
全文摘要
一种从工件上去除金属的金属加工设备，采用激光瞄准的冷却剂喷嘴以便将冷却剂流体施加到加工工具上从而从工件去除金属。激光瞄准冷却剂喷嘴具有冷却剂喷嘴本体，本体具有冷却剂流体的流动通道以及激光器孔。激光器孔在喷嘴本体外表面内形成进出开口，可见激光器可通过开口插入。激光器孔提供瞄准流体通道出口的线。可见激光器插入激光器孔中，并构造成使可见激光束与喷嘴本体上的定位部件协作，从而相对砂轮在视觉上定位冷却剂喷嘴。当拆卸激光器并代之以密封插塞时，通过流动通道的冷却剂流体精确地引向砂轮从而改善工件磨削。
文档编号B24B55/00GK1613608SQ20041009223
公开日2005年5月11日 申请日期2004年11月5日 优先权日2003年11月5日
发明者R·A·阿蒂, L·A·埃尔曼, N·S·贝利斯 申请人:通用电气公司