專利名稱：機床內(nèi)的冷卻液噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及車床或磨床等機床內(nèi)的一種冷卻液供給裝置，尤其是涉及一種用于將冷卻液供給到刀具等物與工件之間接觸位置的噴嘴。
在機加工中，使加工時間和加工導(dǎo)致的變形最小化的主要因素就是加強刀刃或磨具與工件之間的接觸潤滑及摩擦熱的消散或冷卻。尤其是，從給予少量的表面弱化能夠改善切削條件來看，如果冷卻液能夠從所有方向進入切削的主剪切區(qū)并被產(chǎn)生的細微裂縫或空隙吸收，那么冷卻液將降低表面能量以免再壓縮。剪切區(qū)內(nèi)的這種脆性效果非常有用，其增加了剪切角，降低了切屑的厚度并節(jié)省了切削力。另一方面，由于刀具在工件表面會重復(fù)瞬時地形成塑性變形和剪切區(qū)域，因此對于每個瞬時塑性變形和剪切區(qū)域進行有效的冷卻和潤滑是非常重要的，其中刀具與這些塑性變形和剪切區(qū)域相接觸。
然而，在傳統(tǒng)的機床中，通過噴嘴直接供給到瞬時區(qū)域(刀具接觸區(qū))的冷卻液由于刀具或工件的旋轉(zhuǎn)被甩出并且與刀具和工件的表面只是膚淺的輕微接觸，因此不能說它起到了有效的冷卻或潤滑作用。
為了使冷卻液在機床內(nèi)一直運行直到其到達刀具/工件接觸區(qū)，冷卻液在接觸區(qū)形成薄膜，同時具有足夠的流動性并抵抗著旋轉(zhuǎn)表面產(chǎn)生的離心力以便能夠成功地進入剪切區(qū)域，通過試驗已經(jīng)產(chǎn)生出并觀察到了冷卻液不同階段的狀態(tài)。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，給加工區(qū)供給充足的冷卻液不是通過將冷卻液從噴嘴直接噴射到加工區(qū)實現(xiàn)的，而是通過將其作為流體供給到加工區(qū)實現(xiàn)的。為此設(shè)計了一種噴嘴，該噴嘴在內(nèi)部將冷卻液形成為一組紊流并將該紊流以圓柱形或圓錐形的瀑布幕形式送到旋轉(zhuǎn)刀具的周圍，同時所述瀑布的下端撞在圍繞著加工區(qū)的工件圓周線上，并且還觀察到較大一部分到達圓周線的冷卻液好像爬到了包括旋轉(zhuǎn)刀具在內(nèi)的中心部分。
根據(jù)上述發(fā)現(xiàn)，在噴嘴設(shè)計的初期階段，考慮到加工區(qū)周圍螺旋轉(zhuǎn)動的瀑布幕狀的冷卻液撞擊在工件表面然后形成放射狀的內(nèi)螺旋流到達加工區(qū)內(nèi)刀具和工件的接觸面以及接觸面的附近，將噴嘴制成環(huán)形其能夠?qū)⒙菪D(zhuǎn)的冷卻液通過向下導(dǎo)引的圓形噴嘴口排出，同時將該噴嘴進行了國際申請(PCT/JP/9700373，國際出版號No.WO97/29882)。
同傳統(tǒng)簡單的噴嘴結(jié)構(gòu)相比，盡管國際申請97/373所述的噴嘴結(jié)構(gòu)提供了劃時代的加工速度，加工精度，以及節(jié)省了大量的勞動和能量，但是經(jīng)過對撞擊在工件表面上之后的瀑布幕狀冷卻液的特性做進一步觀察發(fā)現(xiàn)還能進一步提高供給方法。尤其是，撞擊在工件表面上的冷卻液幕的下端具有相當(dāng)一部分冷卻液由于離心力變?yōu)橥饴菪鳎Ｓ嗟拇蠹s50％～60％的冷卻液流為內(nèi)螺旋流并且在工件表面上形成的厚度大約為20mm。在這種情況下，即使用相同的噴嘴提高了流速，由于離心力的增加所以內(nèi)螺旋流的量也保持不變。
當(dāng)內(nèi)螺旋流到達中心并撞擊在旋轉(zhuǎn)的刀具上時，其仍有一大部分在各個方向上流動，盡管這部分比傳統(tǒng)單口噴嘴情況下要少，在此期間能夠防止切屑卡在構(gòu)成空隙的刀具/工件接觸區(qū)內(nèi)。因此如果冷卻液能夠大量地從冷卻液幕的下端進入其中，那么就能夠?qū)⒌毒甙谠龊竦膬?nèi)螺旋流的中心并使切屑從工件漂浮到螺旋流中心的上部區(qū)域。
另一方面，通過消除螺旋轉(zhuǎn)動能夠降低冷卻液幕的離心力。因此，如果使用的噴嘴設(shè)計成通過其循環(huán)噴嘴口向下排出冷卻液并且沒有圓周扭轉(zhuǎn)角，那么噴嘴口和噴嘴口周圍的雜質(zhì)阻塞將導(dǎo)致排出的冷卻液形成液體幕，該液體幕到達工件的表面并由于阻塞在液體幕中形成了切口或裂口。(在這方面，如果液體幕螺旋轉(zhuǎn)動，由于噴嘴結(jié)構(gòu)內(nèi)的混合螺旋流，裂口將消失或立刻位于噴嘴口的下面。)因此，本發(fā)明的目的在于提供一種噴嘴結(jié)構(gòu)，即使瀑布狀排出的冷卻液幕是螺旋轉(zhuǎn)動的，該噴嘴也能夠減小離心力以保證更大一部分到達工件表面的冷卻液被導(dǎo)引到中心。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于冷卻液的環(huán)形或多邊框架形噴嘴，其能夠安裝在銑刀，磨具或鉆頭等刀刃的上面，其中銑刀，磨具或鉆頭固定在垂直的主軸上同時噴嘴與所述主軸同軸放置并朝向下方，所述噴嘴包括
a)內(nèi)周壁體；b)用于內(nèi)側(cè)廊道支撐的內(nèi)部凸緣，該凸緣包括廊道，利用該廊道，經(jīng)過在內(nèi)周壁體上或其附近直接形成的進口流入的冷卻液能夠基本上放射狀流動，中間壁體，其從所述廊道的外邊緣向上延伸以使放射狀流動的冷卻液向內(nèi)轉(zhuǎn)，及轉(zhuǎn)向天花板，其具有與所述內(nèi)周壁體邊緣相對的內(nèi)邊緣以便形成開口，通過該開口所述向內(nèi)轉(zhuǎn)的流動液體沿所述內(nèi)周壁體向上流出；c)上部框架，該框架包括在所述頂板上面形成的用作導(dǎo)向表面的天花板，該導(dǎo)向表面使通過開口向上流出的冷卻液以平面放射狀的方式流動，及用作外部導(dǎo)向平面的外周壁體，該外部導(dǎo)向平面使平面放射狀流動的液體向下轉(zhuǎn)并在所述凸緣的周邊上向下流動，所述上部框架與所述凸緣的外周壁體表面共同形成外部通道，其中形成外部通道的壁體表面至少在一個位置上形成有凹陷或凹凸不平的表面用于攪動流體；d)下部框架，其包括外周邊緣和內(nèi)周邊緣，外周邊緣和內(nèi)周邊緣與位于內(nèi)部凸緣下面的外周壁體的下端相連，外周邊緣和內(nèi)周邊緣之間的中間至少有一個落差，所述下部框架構(gòu)成流動導(dǎo)向地板，通過該導(dǎo)向地板已經(jīng)到達外周壁體下端的冷卻液通過所述落差被導(dǎo)引著成放射狀向內(nèi)，其中e)冷卻液被導(dǎo)引著向下流動，同時流動導(dǎo)向地板的內(nèi)周邊緣被用作環(huán)形瀑布排出邊緣以便形成包圍所述刀具的瀑布狀冷卻液幕。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，冷卻液流從噴嘴的內(nèi)側(cè)通道流向外側(cè)通道，所述通道具有彎管或鉤形結(jié)構(gòu)由此冷卻液流形成為細的紊流或微粒流同時穿過液體導(dǎo)向地板并且落下用于通過其中的內(nèi)周邊緣(噴嘴口)流出。在這種情況下，冷卻液流通過流體導(dǎo)向地板的落差使其速度(包括旋轉(zhuǎn)速度)降低以便增加厚度，因此，從噴嘴口排出的冷卻液流被厚的流體從后面有效地推動(放射狀向內(nèi))，并在根據(jù)流速降低流體幕直徑的同時落到工件的表面同時大部分朝著中心流動；因此，如上所述，形成了有效覆蓋刀具的中心流體層。


圖1為根據(jù)本發(fā)明采用用于機床的冷卻液噴嘴構(gòu)成冷卻液循環(huán)供給系統(tǒng)的原理示意圖2為根據(jù)本發(fā)明基本實施例的冷卻液噴嘴結(jié)構(gòu)的局部剖視圖；圖3為圖2沿線A—A，B—B，C—C，D—D，E—E，F(xiàn)—F的局部剖視組合圖；圖4為從圖2和圖3所示冷卻液供給噴嘴中出來的冷卻液的圓柱形幕和螺旋表面流的側(cè)視示意圖；圖5為圖4所示工件表面上的圓柱形幕和表面流的平面示意圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明第二實施例的冷卻液噴嘴結(jié)構(gòu)的局部剖視圖；圖7為在用于排出冷卻液幕的噴嘴與刀具/工件接觸位置之間具有較長主軸的實施例的主視圖；圖8為不同框架類型的冷卻液噴嘴的外形與噴嘴口之間關(guān)系的平面圖；圖9為第一和第二實施例中冷卻液噴嘴的內(nèi)側(cè)通道和外側(cè)通道不同圖1為本發(fā)明機床內(nèi)冷卻液循環(huán)供給系統(tǒng)的基本構(gòu)成圖，標(biāo)號1表示盛放冷卻液的大容量主冷卻液箱；標(biāo)號2表示冷卻液泵P，在該例中，冷卻液泵P用于將具有氣泡的冷卻液供給到環(huán)形噴嘴3，其中氣泡是通過空氣壓縮作用引入冷卻液內(nèi)的；冷卻液噴嘴3為環(huán)形，之所以這樣設(shè)計是為了從泵P1供給的冷卻液以螺旋流圓柱形或倒立圓錐形的包圍幕4形式向下流動形成瀑布，其中螺旋流為精細紊流的集合并且最好具有輕微的扭轉(zhuǎn)角，由此撞擊在工件5的表面。在可移動工作臺6上，利用銑刀7對工件5進行切削，銑刀7包括強力切削刀具和支撐銑刀7并穿過環(huán)形噴嘴3沿其軸線延伸的主軸8。冷卻液包圍幕4被導(dǎo)向中心，其下端撞擊在工件的表面上，并且大部分是以放射狀向內(nèi)運動的表面流形式撞擊在工件表面上的，同時對銑刀7與工件5之間的接觸位置(加工區(qū))提供了有效的冷卻液供給。由此供給到加工區(qū)并在包圍幕4內(nèi)形成凸出液體層的冷卻液使切屑從加工區(qū)浮起并隨其一起流出包圍幕4，同時結(jié)合最初向外的部分冷卻液并移過工件5和可移動工作臺6流入槽形的外周底盤9內(nèi)，然后由第二冷卻液泵2’(P2)通過抽吸口10抽吸，并最終到達分離回液箱11。分離回液箱11的詳細信息參考國際申請(PCT/JP/97/000373)。在該箱體11內(nèi)，所述冷卻液內(nèi)含有雜質(zhì)，如油質(zhì)成分和切屑，在將雜質(zhì)分離除去后，冷卻液通過噴管12返回到大容量冷卻液箱1。在冷卻液幕下端的一點上，如果需要，從其相鄰的位置上可以將線性冷卻液噴流供給到該點，因此在冷卻液幕4完成其任務(wù)后增強了排泄。標(biāo)號13表示輔助噴嘴。
在上述冷卻液循環(huán)供給系統(tǒng)的實例中，如果需要，以包圍幕4形式供給的冷卻液可以通過冷卻液泵2的空氣壓縮作用導(dǎo)入氣泡。這種情況下，供給到銑刀7與工件5之間接觸區(qū)的冷卻液質(zhì)量小，因此其從刀具旋轉(zhuǎn)接收的離心力也小，這意味著冷卻液更容易滲透進刀具/工件接觸區(qū)；這種情況下，由于氣泡破裂產(chǎn)生的飛濺加快以便容易地滲透到顯微裂縫中。另外，由于氣泡破裂實現(xiàn)的散熱也是極佳的，如上所述，潤滑，散熱和冷卻增強了刀具的切削功能，因此可以使用硬質(zhì)合金刀具實現(xiàn)高速切削。當(dāng)然，加工區(qū)排出冷卻液的流動也連續(xù)地除去切削產(chǎn)生的熱量。另外，將氣泡導(dǎo)入冷卻液的操作不但能夠通過泵2的空氣壓縮作用實現(xiàn)，還可以通過傾注的沖擊實現(xiàn)，例如這種沖擊可以通過充分增加從回液噴管14到分離回液箱11之間的落差及從噴管12在分離回液箱11的出口處與大容量冷卻液箱1液面之間的落差來實現(xiàn)。
圖2為冷卻液環(huán)形噴嘴3第一實施例的剖視圖。在該例中，環(huán)形噴嘴3的外露內(nèi)表面15a支撐在機床主軸罩16的外表面上。環(huán)形噴嘴3包括具有所述外露內(nèi)表面15a的內(nèi)周壁體15；由內(nèi)周壁體15包圍的環(huán)形金屬結(jié)構(gòu)，外周壁體17，頂壁18和下部框架壁體19。內(nèi)周壁體15相對薄的上端部分15b與緊挨在頂壁18下面的外周壁體17之間的空隙為冷卻液提供了進口室20，來自泵2的冷卻液通過與頂壁18相連的進口導(dǎo)管21流入進口室20。
構(gòu)成進口室20底面的上層地板22具有下部表面，該下部表面構(gòu)成了噴嘴3主結(jié)構(gòu)的天花板。上層地板22下面形成的是從內(nèi)周壁體下部伸出的內(nèi)部凸緣23。在內(nèi)周壁體15的高度區(qū)域形成有垂直的導(dǎo)向通路24，其用于將冷卻液從進口室20導(dǎo)引到內(nèi)部凸緣23上面的區(qū)域。內(nèi)部凸緣23包括一個廊道，中間壁體25和轉(zhuǎn)向的天花板26，該廊道用于使冷卻液經(jīng)進口24a基本上以放射狀的方式流入其中，進口24a從垂直導(dǎo)向通路24的下端向外延伸穿過內(nèi)周壁體15，中間壁體25從廊道的外邊緣筆直地向上伸出用于使放射狀流動的冷卻液轉(zhuǎn)向，天花板26具有與內(nèi)周壁體15的外緣相對的內(nèi)周邊緣26a，內(nèi)部凸緣支撐著限于轉(zhuǎn)向剖面結(jié)構(gòu)內(nèi)的內(nèi)側(cè)通道。該內(nèi)側(cè)通道是在使冷卻液轉(zhuǎn)向并導(dǎo)引其向上的過程中最初將細粒和紊流作用施加給冷卻液的部分。
由上層地板22下部表面確定的天花板用作導(dǎo)向表面，該表面使流出開口的冷卻液以平面放射狀的方式流到天花板26上面，同時外周壁體17用作外部導(dǎo)向表面用于使平面放射狀流動的冷卻液向下轉(zhuǎn)以繞著內(nèi)部凸緣23向下流動。由這些導(dǎo)向表面構(gòu)成的上部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部凸緣23的外周壁體表面一起形成了外側(cè)通道。其中一個形成外側(cè)通道的表面，其上至少一個位置上，該例中是在天花板的外端，形成有循環(huán)凹陷27用于攪動冷卻液流。如下所述，凹槽的截面形狀并不限于圖中所示的矩形，其可以是任何凹陷或凹凸不平的形狀。
外側(cè)通道以下部框架壁體19的上階梯表面19a作為下端終止，并且與流動導(dǎo)向地板上向內(nèi)的通道連接，該流動導(dǎo)向地板包括所述表面19a和內(nèi)側(cè)下階梯表面19b。內(nèi)部凸緣23下部表面的終止位置與下部框架壁體19下階梯表面19b的中間部分相一致，并且與內(nèi)周壁體15的下端15c相連，所述下端15c具有某種程度減少的外緣。如圖所示，內(nèi)部凸緣23的下部表面和內(nèi)周壁體的下端15c分別與下部框架壁體的上階梯表面19a和下階梯表面19b相對以確定通道高度，同時下端15c的外周表面用作與下部框架壁體的落差19a/19b相一致的上部導(dǎo)流板以便抑止向內(nèi)流動的冷卻液的流速。
下部框架壁體的下階梯表面19b的前端例如內(nèi)周端部為朝著最低前邊緣(最低的內(nèi)周邊緣)傾斜的噴嘴口28；功能上，其用作瀑布開口，冷卻液通過該開口向下流動。噴嘴口28上面為延伸到主軸罩16的充足空間，因此不存在向下流動的瀑布狀冷卻液被阻止的危險。
圖3為顯示上述環(huán)形噴嘴內(nèi)冷卻液流動的水平剖面組合圖。首先，截面A表示通過進口導(dǎo)管21流入進口室20的冷卻液是怎樣流入一個垂直導(dǎo)向通道24并向下運動的，導(dǎo)向通道24從進口室的地板22向下延伸。截面B表示冷卻液是怎樣流出垂直導(dǎo)向通道24的下端并流入紊流進口24a的，在該例中紊流進口24a扭轉(zhuǎn)60度的角度，從紊流進口24a冷卻液流入內(nèi)部凸緣23上面的中間壁體25里面的內(nèi)側(cè)通道(第一紊流形成區(qū)域)。截面C表示冷卻液流動的方式，從第一紊流形成區(qū)域向上流動的冷卻液以該方式從內(nèi)部凸緣23的上面穿過第二紊流形成區(qū)域沿著蜿蜒向外的路線流動。截面D表示在第二紊流形成區(qū)域的外側(cè)有一個向上的紊流形成凹陷27。因此，完全成為微粒和紊流的冷卻液通過位于外周壁體17和凸緣壁體25之間的外側(cè)通道向下朝著下部框架壁體的上階梯表面19a流動，如截面B所示。另外，如截面E所示，冷卻液從上階梯表面19a向下階梯表面19b流動，并且如上所述，冷卻液撞擊在內(nèi)周壁體(圖2)的下端15c由此減速，同時通過噴嘴口28以瀑布形式向下流動，如截面F所示。
圖4和圖5詳細顯示了圖2和圖3所示環(huán)形噴嘴內(nèi)排出的瀑布狀冷卻液形成的圓錐形/包圍幕4，并顯示了形成所述包圍幕的大部分稍微螺旋和放射狀向內(nèi)的表面流的狀態(tài)。如圖4所示，即使以包圍幕形式排出的冷卻液從噴嘴口28以近似直接向下的方式排出，當(dāng)冷卻液沿著噴嘴下部框架具有落差19a/19b的流動導(dǎo)向地板向內(nèi)流動時，其也具有離心力，該離心力通過內(nèi)周壁體的下端15c(圖2)將循環(huán)成分減速的作用而減小，并且在放射狀向內(nèi)的方向上，在噴嘴28之前受到來自周圍(后部)流體的推出作用，因此在下落期間包圍幕的直徑朝著中心逐漸減小。冷卻液的流速越大，這種減小越多。因此，如圖4所示，包圍幕沿著主軸端部上刀具固定件29的周圍下落，同時逐漸改變其形狀，從碗形變?yōu)榈沽㈠F體形并直接包圍著刀具7。
以這樣向內(nèi)的角度撞擊在工件5表面上的冷卻液根據(jù)所述表面的入射角度大部分朝著中心區(qū)域流動并形成包圍刀具7主體下端部分的中心液層30。因此，刀刃和工件的壓力接觸點浸沒在中心液層30內(nèi)，由此產(chǎn)生的切屑通過液層的液體流動而浮起并被帶離液體幕4。圖5中，從液體幕4朝著中心流動的液體流31以實線表示，而在與刀具7接觸后浮起并從液體幕移出的液體流32用虛線表示。另外，在液體幕4內(nèi)，實線表示的放射狀向內(nèi)的液體流31在方向上與虛線表示的放射狀液體流32相反。然而，如上所述，當(dāng)冷卻液流通過位于噴嘴上兩處的紊流區(qū)域時完全成為微粒，假定后者液體層32轉(zhuǎn)向時就像滑過前者液體層31，由此形成轉(zhuǎn)向的流通量。另外，由于冷卻液為相對較厚的流層，因此不會出現(xiàn)傳統(tǒng)噴嘴的缺點，冷卻液撞擊在刀具7的刀刃上并被彈回，同時將切屑留在后面以允許切入正在加工的部分。
圖6為根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的噴嘴局部剖視圖。除了下部框架34為多階梯型且內(nèi)周壁體15'與內(nèi)部凸緣23的下端平齊外，該環(huán)形噴嘴33與圖2和圖3所示噴嘴3的結(jié)構(gòu)相同。下部框架34包括架子形的上部階梯部分34a，其從外周壁體17的下端放射狀向內(nèi)伸出并會聚于一點，同樣放射狀向內(nèi)伸出的下部階梯部分34b，其與上部階梯部分34a向下隔開并會聚于一點，及中間板34c，該中間板34c包括外周部分和內(nèi)周部分，外周部分間隔在上下部階梯部分34a和34b之間，內(nèi)周部分從所述間隔伸出并會聚于一點。中間板34c為一塊獨立的環(huán)形板并通過平頭螺釘35懸掛在上部階梯部分34a上。
作為通道導(dǎo)向地板的下部框架34通過上部階梯部分34a的內(nèi)邊緣到中間板34c的落差形成了第一落差，并通過中間板34c的內(nèi)邊緣到下部階梯部分34b的落差形成了第二落差，同時通過中間板34c的內(nèi)邊緣形成了循環(huán)瀑布的開口，另外下部框架34將所述下部階梯部分34b作為流動導(dǎo)向地板用于冷卻液從第二落差向內(nèi)回轉(zhuǎn)，并將其內(nèi)周端沿作為第二循環(huán)瀑布開口，該第二循環(huán)瀑布開口比第一循環(huán)瀑布開口更靠外面。
在具有這樣下部框架34的噴嘴33內(nèi)，從上部階梯部分34a的內(nèi)邊緣經(jīng)第一落差下落到中間板34c上的冷卻液中，保持離心力的部分向外流到板34c上，沿外周壁體17的內(nèi)側(cè)穿過外邊緣落到下部階梯部分34b上然后向內(nèi)回轉(zhuǎn)。另一方面，落到中間板34c上的冷卻液中，一部分從中間板34c的內(nèi)終端以瀑布形成向內(nèi)向下流動，其中中間板34c作為第一瀑布開口或噴嘴口。另外，由于下部階梯部分34b內(nèi)終端的放射狀方向終止位置比中間板34c的內(nèi)終端靠前，因此其形成了較大直徑的噴嘴口，通過該噴嘴口冷卻液也以瀑布的形式向下流動。當(dāng)外側(cè)下落部分在經(jīng)過中間板34c的外邊緣改變其路線向內(nèi)時消耗了其離心力并且向內(nèi)加速；因此，在冷卻液變?yōu)槠俨紶畹南侣淠恢?，使該幕截面直徑減小的作用更強。由此，本實施例的噴嘴33比基本實施例的噴嘴3具有更大的能力使倒立錐體形的冷卻液會聚于一點。
圖7所示為從噴嘴出來的冷卻液包圍幕顯示了怎樣的特性，其中這種情況下伸出并固定著刀具7的相對長的主軸36伸出足夠長的長度如600mm到圖1和圖4所示工件并且沒有直接面對圖2，圖3或圖6所示具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的噴嘴3或33。在這樣情況下，冷卻液包圍幕4通過會聚成倒立的錐體形式撞擊在主軸36的中間圓柱形表面上，并圍繞著主軸沿圓柱形表面向下流動。冷卻液向下的流動基本上保持了其精細微粒狀的紊流和中心包圍的能力，即使它已經(jīng)落出了主軸36的下端并沖入刀具和工件接觸位置前面的空間內(nèi)。因此可以確信冷卻液有效供給到了刀具與工件的接觸位置。可以斷定的是主軸36從噴嘴伸出的長度可以向上1—1.5mm。因此，如上所述，本發(fā)明可以應(yīng)用于主軸附件系統(tǒng)以便有效地加工多種產(chǎn)品，如加工具有深孔的產(chǎn)品。
圖8A和圖8B所示為圖2，3和6所示內(nèi)部噴嘴結(jié)構(gòu)在正方形框架37內(nèi)制成具有相似形狀的兩種形式；其中一個最終噴嘴口為圓形38，另一個為正方形39。測試結(jié)果表明，如果冷卻液瀑布狀的包圍幕能夠以合適的量有效地朝著工件會聚，那么冷卻，潤滑和切屑回收就能夠?qū)崿F(xiàn)，因此加工精度，速度和刀具壽命等的提高就基本上與上述環(huán)形噴嘴相同。另外，圖8C所示的噴嘴的變型包括橢圓形框架40，同框架40的形狀基本相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，及環(huán)形38'的框架最終噴嘴口。該變型中也可以實現(xiàn)與環(huán)形噴嘴基本相同的效果。因此，橢圓形的框架也具有相同的效果。
圖9所示為在上述環(huán)形和正方形的框架中，圖2和圖6所示截面結(jié)構(gòu)中第二紊流形成部分的不同變型。在變型A中，在流體攪動循環(huán)凹槽區(qū)域內(nèi)，例如在上述實施例中矩形截面的凹陷27內(nèi)(圖2和圖6)，內(nèi)部凸緣23上面的天花板形成有波浪形的三角形突起。在變型B中，在沒有到達外周壁體17的中間位置上，天花板形成有與凹陷27相似的凹陷27b。在變型C中，天花板形成有與內(nèi)周壁體15接觸的凹陷27c。在變型D中，外周壁體17的上部頂端形成有凹陷27d，在變型E中，在低于外周壁體17上部頂端的位置上形成有凹陷27e。另外，在變型F中，凹陷27的位置與基本實施例相同，到內(nèi)部凸緣23上面空間內(nèi)的冷卻液入口是由垂直導(dǎo)向通道24的下端提供的，并且開口朝向內(nèi)部凸緣23上面的天花板。
在上述A—E的變型中，流體攪動凹陷的位置和截面形狀發(fā)生了變化，但是只要它們形成在天花板內(nèi)，其中天花板為上層地板22的背面，或者形成在外周壁體的內(nèi)表面內(nèi)并且與所述循環(huán)凹陷27具有基本相同的凹陷深度和容積，那么它們就能產(chǎn)生相同的流體攪動效果。通過類比可以認(rèn)為即使凹陷形成在周壁體內(nèi)(內(nèi)部凸緣23的中間壁體25內(nèi))也可以得到相同的效果。另外，冷卻液入口在內(nèi)部凸緣23上面開口的情況下，如變型F所示，即從噴嘴設(shè)計的角度看，盡管紊流形成效果有某種程度的降低，這種結(jié)構(gòu)也能滿足內(nèi)周部分厚度不能增加的限制。
在本發(fā)明上述實施例中發(fā)現(xiàn)的效果和可能性如下①在第二紊流形成部分，在內(nèi)部凸緣上面的天花板內(nèi)形成凹陷(圖2和圖6中的“27”)加速了將經(jīng)過內(nèi)部凸緣中第一紊流形成部分(圖2和圖6中的“23”)的冷卻液制成紊流/微粒的過程，因此，即使冷卻液從噴嘴口以瀑布的形式下落，也能夠形成分散較少，振動較少，流動性好及穩(wěn)定的刀具包圍流。
②噴嘴最終流動導(dǎo)向地板的階梯狀結(jié)構(gòu)在未到達噴嘴口的位置降低了冷卻液上的離心力但是增加了其上的向心力，因此能夠?qū)⑵俨紶钕侣涞睦鋮s液幕壓縮為集中的錐體形狀并具有大約700—800mm的高度，同時將它應(yīng)用于長刀具，如端銑刀和鉆頭，或?qū)⒃摻Y(jié)構(gòu)用于沖頭。
③一般而言，當(dāng)包圍刀具端部的流動液體層的厚度為40—50mm或更厚時，通過控制噴嘴頭的冷卻液供給來增加流速能夠增加倒立錐體的壓縮效果，并且也能增加切屑的浮起效果。流速的應(yīng)用范圍大約為60—100L/min，并且在自動機床內(nèi)，流速可以通過開關(guān)閥在大流速，高速加工操作與正常流速，普通加工操作之間進行切換。
④術(shù)語“高速加工”是指在刀具的轉(zhuǎn)動線速度為900—1000m/min時工件的進給速度(工作臺移動速度)大約為10—20m/min。在本發(fā)明者利用圖2和圖3所示基本形式噴嘴的加工試驗中，在加工速度為1000m/min，進給速度為15m/min時得到了足夠的加工精度和冷卻效果。另外，以這樣高的進給速度進行每次切削還提高了生產(chǎn)率。
在刀具為端銑粗加工刀具時，能夠在刀具轉(zhuǎn)速高的情況下保證粗加工刀具的大切削能力，其中刀具的線速度大約為80—100m/min并且通常使用的是超硬刀具，同時還能夠延長一個切削刀刃的進給間距及切削深度。
⑤如上所述改善切削性能的原因不是別的而是用于將冷卻液從本發(fā)明噴嘴供給到刀具前端的系統(tǒng)產(chǎn)生了極佳的冷卻和潤滑效果。就冷卻效果而言，即使是熱量聚集加工，如鉆孔加工，已經(jīng)加工的工件表面也可以用手觸摸并且不會感覺到熱。另外，至于潤滑效果的提高，沒有必要通過控制冷卻液的成分來保證潤滑，可以通過將冷卻液特別地供給到刀刃和工件之間的壓力接觸區(qū)域且沒有飛濺實現(xiàn)。
因此，使用的冷卻液的成分可以只包括水和防銹劑而不必要包括對環(huán)境有害的潤滑劑。由此，利用上述國際專利申請(PCT/JP/97/000373)中所述的分離回收泵11的效果加倍，本發(fā)明使得5年時間內(nèi)不必要進行廢液處理。
⑥由于本發(fā)明噴嘴的結(jié)構(gòu)不但為圓形或正方形并且相對于其中心線對稱，而且還可以為橢圓形或半圓形，因此該噴嘴可以制成適用于多種刀具固定架和刀具驅(qū)動件的附件型，同時可更換地固定在主軸罩或加工中心上。由于其能夠自然地形成流動性好穩(wěn)定的刀具包圍流并且沒有飛濺和振動，因此即使是五面的機床從上面施加的冷卻液包圍幕也能夠應(yīng)付。
⑦作為應(yīng)用的特殊方式，在增強切屑消除和水的效果的同時，該噴嘴能夠應(yīng)用于深切削機床或車床。
⑧一般而言，圖6所示的2階混合流動地板型噴嘴提供了更大的壓縮倒立錐體效果，冷卻液飛濺更少的效果，并比圖2和圖3所示基本形式的噴嘴具有更大的可切削性。
例如，材料SS400能夠成功地以高速進行加工，尤其是以2500m/min的加工速度和90—100m/min進給速度，利用高速鋼端銑刀(Φ25)并利用該混合流動地板型噴嘴進行加工，及以1200m/min和800m/min的進給速度利用鉆頭(Φ22)進行加工。
⑨圖1所示輔助噴嘴13的排出口放置的位置與包圍幕的尺寸和切屑的體積有關(guān)。如果冷卻液包圍幕下端的直徑足夠大，那么輔助噴嘴13可以插入幕4內(nèi)，如圖10所示。這種情況下，噴嘴13不但可以放置的使其直接噴射在刀具7下面的部分，如圖中實線所示，還可以放置的使其偏離地噴射過刀具7的旁邊，如圖中虛線所示的噴嘴13'。因此，在連續(xù)供給幕4的作用下排出的排出流被確定在圖中4a的位置并且被排出和除去同時其中沒有切屑停滯。
⑩利用本發(fā)明噴嘴供給合適的冷卻液將會使工件的變形最小，因此圖11A所示的金屬工件5可以通過切削出外周長槽41并將其作為一個單元從中取出從而加工成壁厚和底板厚度為1—2mm的薄的產(chǎn)品5a，如圖11B所示。可以確定的是單元產(chǎn)品5a根本沒有變形。
本發(fā)明提供了一種具有上述結(jié)構(gòu)的噴嘴，其作用于冷卻液的供給從而保證了極佳的潤滑和冷卻，并具有好的切屑排出特性，并使得在供給的冷卻液平穩(wěn)流動的同時進行高速和高精度的切削和車削操作。加工的速度可以提高3—7倍，在端銑刀的情況下最好為利用傳統(tǒng)噴嘴時的速度的5—25倍；因此具有很大的經(jīng)濟效果。另外，還可以降低切削油的成本并大大降低清洗儲液箱和處理排放廢物的成本；由此本發(fā)明大大地提高了效率，降低了對環(huán)境的污染，節(jié)省了勞動力等。另外，典型的是可以單獨使用水與防銹劑的混合物作為冷卻液進行切削操作。
權(quán)利要求
1.一種機床內(nèi)的環(huán)形或多邊框架形冷卻液噴嘴，其安裝在銑刀，磨具或鉆頭等加工工具的上面，其中加工工具與垂直的主軸連接以便噴嘴與所述主軸同軸并朝向下方，所述噴嘴包括a)內(nèi)周壁體；b)用于內(nèi)側(cè)通道支撐的內(nèi)部凸緣，該凸緣包括廊道部分，該廊道部分使通過內(nèi)周壁體上或其附近直接形成的進口流入的冷卻液能夠基本上放射狀地流動，中間壁體，其從所述廊道部分的外邊緣向上延伸以使放射狀流動的冷卻液向內(nèi)轉(zhuǎn)向，及轉(zhuǎn)向頂板，其具有與所述內(nèi)周壁體周邊相對的內(nèi)周邊緣以確定開口從而使所述向內(nèi)轉(zhuǎn)向的流動液體沿所述內(nèi)周壁體向上流出；c)上部框架，該框架包括在所述頂板上面形成的用作導(dǎo)向表面的天花板，該導(dǎo)向表面使通過所述開口向上流出的冷卻液以平面放射狀的方式流動，及用作外部導(dǎo)向平面的外周壁體，該外部導(dǎo)向平面使平面放射狀流動的液體向下轉(zhuǎn)彎并使后者繞所述凸緣的周邊向下流動，及所述上部框架與所述凸緣的外周壁體表面共同確定了外側(cè)通道，其中形成外側(cè)通道的壁體表面上至少在一個位置上形成有流體攪動凹陷或突起/凹陷的結(jié)合；d)下部框架，其包括外周邊緣和內(nèi)周邊緣，外周邊緣和內(nèi)周邊緣與位于內(nèi)部凸緣下面的外周壁體的下端相連，外周邊緣和內(nèi)周邊緣之間的中間至少有一個落差，所述下部框架形成流動導(dǎo)向地板，通過該導(dǎo)向地板到達外周壁體下端的冷卻液通過所述落差被導(dǎo)引著向內(nèi)放射狀，e)這種結(jié)構(gòu)能夠使冷卻液向下流動，同時流動導(dǎo)向地板的內(nèi)周邊緣確定了環(huán)形瀑布開口，由此形成包圍著所述刀具的圓柱形或向下逐漸變細的錐形瀑布狀冷卻液幕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻液噴嘴，其特征在于在所述內(nèi)周壁體內(nèi)或其附近直接形成的進口適應(yīng)于沿著所述放射狀托架的廊道部分排放冷卻液，其中排放的方式不是純粹的放射狀而是帶有預(yù)定的橫向扭轉(zhuǎn)角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的冷卻液噴嘴，其特征在于所述流體攪動凹陷或突起/凹陷的結(jié)合至少形成在所述上部框架的天花板或外周壁體上的一個位置上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的冷卻液噴嘴，其特征在于所述內(nèi)部凸緣背面的根部構(gòu)成一個從屬部分，該從屬部分至少與所述流動導(dǎo)向地板的落差中的一個相一致，所述從屬部分能夠用作上部堤堰，該上部堤堰使得經(jīng)過所述落差的放射狀向內(nèi)的冷卻液被迫下落。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的冷卻液噴嘴，其特征在于所述下部框架的流動導(dǎo)向地板包括上部階梯部分，其從外周壁體的下端邊緣放射狀向內(nèi)伸出并會聚于一點，放射狀向內(nèi)伸出并會聚于一點的下部階梯部分，其與上部階梯部分向下間隔開，及中間板，該中間板包括外周部分和內(nèi)周部分，外周部分放置在上下部階梯部分之間的間隔內(nèi)，內(nèi)周部分從所述間隔伸出并會聚于一點，其中從上部階梯部分的內(nèi)周端沿到中間板的落差確定了第一落差，而從中間板的外周端沿到下部階梯部分的落差確定了第二落差，中間板的內(nèi)周端沿確定了第一循環(huán)瀑布開口，所述下部階梯部分能夠作為流動導(dǎo)向地板用于從第二落差向內(nèi)回轉(zhuǎn)的冷卻液，其內(nèi)周終端邊沿用于確定第二循環(huán)瀑布開口，第二循環(huán)瀑布開口位于第一循環(huán)瀑布開口的外面。
全文摘要
一種機床內(nèi)的冷卻液噴嘴(3),其包括:a)內(nèi)周壁體(15);b)在內(nèi)周壁體(15)上形成的支撐內(nèi)側(cè)通道的內(nèi)部凸緣(23),c)上部框架,該框架包括使通過內(nèi)側(cè)通路向上流出的冷卻液以放射狀地方式在平面上流動的天花板表面,及外周壁體(17)其使流動的液體向下轉(zhuǎn)彎從而使液體向下流動并與凸緣(23)的外表面共同形成外側(cè)通路,至少在一部分壁體表面上設(shè)置有流動攪亂凹陷(27)及d)下部框架(19),其構(gòu)成了一個流動導(dǎo)向臺用于向心地導(dǎo)引經(jīng)過凸緣下面的至少一個落差達到外周壁體下端的冷卻液;e)由此將該流動導(dǎo)向臺用作瀑布(28)的環(huán)形頂部通過使冷卻液向下流動從而形成包圍著所述刀具的圓柱形或倒立的錐形瀑布狀冷卻液幕。
文檔編號B23Q11/08GK1327404SQ98814378
公開日2001年12月19日 申請日期1998年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月28日
發(fā)明者中井義和 申請人:株式會社澤塔平和