(57)【要約】  クランクシャフト（２）を機械加工する機械加工装置（３）は、刃先インサート（３１）が周縁に配置されたディスク形状の基体（２９）を含む工具（１３）を有する。この工具（１３）は、駆動ユニット（１２）によって回転軸（１４）の回りに回転駆動可能である。極低温冷却媒体（５）用の第１供給ライン（３３）が回転軸（１４）に対して同心に配置され、この第１供給ライン（３３）は、少なくともいくつかの部分において断熱性に構成される。工具（１３）は、更に、極低温冷却媒体（５）用の複数の第２供給ライン（３４）であって、回転軸（１４）に対して横方向に延びて刃先インサート（３１）に達する第２供給ライン（３４）を有する。この第２供給ライン（３４）は、それぞれ、少なくともいくつかの部分において断熱性に構成される。分配器ユニット（４６）が、第１供給ライン（３３）を、極低温冷却媒体（５）を少なくとも１つの刃先インサート（３１）に供給する少なくとも１つの第２供給ライン（３４）に接続する。この機械加工装置によって、極低温冷却媒体（５）を、被機械加工クランクシャフト（２）と係合している刃先インサート（３１）に直接導くことが可能になり、それによって、クランクシャフト（２）の機械加工における高い生産性と利益性とが実現される。
2014504961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクシャフトを機械加工する機械加工装置であって、
ハウジング（１１）と、工具（１３）を回転駆動するための、前記ハウジング（１１）上に配置される駆動ユニット（１２）と、クランクシャフト（２）を機械加工するための工具（１３）とを備えて構成される機械加工装置にして、
前記工具（１３）が、刃先インサート（３１）を周縁に配置したディスク形状の基体（２９）を有し、かつ前記駆動ユニット（１２）によって回転軸（１４）の回りに回転駆動可能である、機械加工装置において、
極低温冷却媒体（５）用の第１供給ライン（３３）が、前記ハウジング（１１）内で前記回転軸（１４）に同心に配置され、
前記第１供給ライン（３３）は、少なくとも複数の部分にて断熱性に構成され、
前記工具（１３）は、前記回転軸（１４）に対して横方向に延びて前記刃先インサート（３１）に達する前記極低温冷却媒体（５）用の複数の第２供給ライン（３４）を有し、
前記第２供給ライン（３４）はそれぞれ、少なくとも複数の部分にて断熱性に構成され、及び
前記極低温冷却媒体（５）を前記刃先インサート（３１）の少なくとも１つに供給するために、前記第１供給ライン（３３）を、分配器ユニット（４６）によって、前記第２供給ライン（３４）の少なくとも１つに連結することが可能であることを特徴とする機械加工装置。
【請求項２】
前記第１供給ライン（３３）が、少なくとも複数の部分にて真空断熱構造に構成されることを特徴とする請求項１に記載の機械加工装置。
【請求項３】
前記第１供給ライン（３３）が、内側チューブ（４７）とそれを取り囲む外側チューブ（４８）とを有し、これらチューブ（４７、４８）の少なくとも何れか一つは長さが可変であることを特徴とする請求項１又は２に記載の機械加工装置。
【請求項４】
前記第１供給ライン（３３）を、移動ユニット（３５）によって前記回転軸（１４）に平行に変位させることが可能であり、その際、前記移動ユニット（３５）は、特に、複動式のピストンシリンダユニットとして構成されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の機械加工装置。
【請求項５】
前記第１供給ライン（３３）を、駆動ユニット（７１）によって前記回転軸（１４）の回りに回動させることが可能であり、かつ、前記分配器ユニット（４６）が、前記第１供給ライン（３３）を、その回動位置に応じて異なる第２供給ライン（３４）に連結することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の機械加工装置。
【請求項６】
前記分配器ユニット（４６）が、前記回転軸（１４）に同心に前記基体（２９）上に配置されると共に、前記第１供給ライン（３３）を挿入するために前記回転軸（１４）に同心に延びる第１穿孔（５７）と、前記回転軸（１４）に対して横方向に延び、かつ前記第２供給ライン（３４）を挿入するために前記第１穿孔（５７）の中に開口している複数の第２穿孔（５９）とを有することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の機械加工装置。
【請求項７】
前記第２穿孔（５９）は、前記第１穿孔（５７）の中に、円周方向にて互いにずらされて開口しており、前記第１供給ライン（３３）は、円周上に配置される前記極低温冷却媒体（５）用の流出開口（６２）を有することを特徴とする請求項６に記載の機械加工装置。
【請求項８】
前記流出開口（６２）が１つの細長い穴として構成され、その幅は前記回転軸（１４）の方向に変化することを特徴とする請求項６又は７に記載の機械加工装置。
【請求項９】
前記第１穿孔（５７）が、前記第１供給ライン（３３）に面する一方の端部にて、漏斗形状に設計されることを特徴とする請求項６〜８の何れか一項に記載の機械加工装置。
【請求項１０】
各々の前記穿孔（５７、５９）の中に挿入された前記供給ライン（３３、３４）をシールするためのリング形状のシール（５８、６３）が、それぞれ、前記第１穿孔（５７）及び／又は前記第２穿孔（５９）の中に延びていることを特徴とする請求項６〜９の何れか一項に記載の機械加工装置。
【請求項１１】
前記分配器ユニット（４６）が、前記工具（１３）のクランプ用として前記基体（２９）に配置されたボルト（３２）の中に少なくとも部分的に延びていることを特徴とする請求項６〜１０の何れか一項に記載の機械加工装置。
【請求項１２】
前記分配器ユニット（４６）が、断熱材料製、特にプラスチック材料製であることを特徴とする請求項１〜１１の何れか一項に記載の機械加工装置。
【請求項１３】
前記第２供給ライン（３４）が、少なくとも複数の部分にて真空断熱構造に構成されることを特徴とする請求項１〜１２の何れか一項に記載の機械加工装置。
【請求項１４】
前記第２供給ライン（３４）がそれぞれ、内側チューブ（６７）とそれを取り囲む外側チューブ（６８）とを有し、これらチューブ（６７、６８）の少なくとも何れか一つは長さが可変であることを特徴とする請求項１〜１３の何れか一項に記載の機械加工装置。
【請求項１５】
前記第２供給ライン（３４）がそれぞれ、１つの第１ライン部分（６５）と、それに接続される複数の第２ライン部分（６６）とを有し、前記第２ライン部分は複数の刃先インサート（３１）に至ることを特徴とする請求項１〜１４の何れか一項に記載の機械加工装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５の何れか一項に記載の機械加工装置（３）と、極低温冷却媒体（５）供給用の断熱された貯留装置（４）と、前記極低温冷却媒体（５）を冷却するための冷却ユニット（６）と、前記極低温冷却媒体（５）を前記貯留装置（４）から前記機械加工装置（３）に供給するための断熱された供給ライン（８）と、を備えたクランクシャフト機械加工用の機械加工システム。
【請求項１７】
前記機械加工装置（３）への前記極低温冷却媒体（５）の流量を弁（９）によって調整することが可能であることを特徴とする請求項１６に記載の機械加工システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段部分（所謂おいて書き部分）に係るクランクシャフトの機械加工装置に関する。本発明は、更に、そのような機械加工装置を備えた機械加工システムに関する。この機械加工システムは、特に、内燃機関用のクランクシャフトを機械加工する工作機械の一部分である。
【背景技術】
【０００２】
クランクシャフトのブランクは、クランクシャフトの製造において、複数のステップで機械加工される。通常用いられる機械加工法は、例えば、ターンブローチ加工（turn broaching）、ターンターンブローチ加工（turn-turn broaching）、或いは外面フライス加工（external milling）である。クランクシャフトは乾燥機械加工される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、クランクシャフトの機械加工において高い生産性と大きな利益性とを可能にするような機械加工装置を創出することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は、請求項１の特徴を備えた機械加工装置によって実現される。極低温冷却媒体を、機械加工装置の内部における供給ラインを通して、クランクシャフトが機械加工されている間クランクシャフトと係合する刃先インサート若しくは刃先まで直接導くことができる。極低温冷却媒体が刃先インサート若しくは刃先に直接供給されるので、また、刃先インサート若しくは刃先が極低温冷却媒体の低温度によってきわめて効率的に冷却されるので、クランクシャフトの機械加工において高速の切削速度が可能になる。更に、極低温冷却媒体は、刃先インサートの稼動寿命にも好適な影響を及ぼす。極低温冷却媒体を刃先インサート若しくは刃先に直接供給することによって、生産性及び利益性を増大させることが可能になる。
【０００５】
分配器ユニットによって、第１供給ラインが、工具の回転位置に応じて、その時点で被機械加工クランクシャフトと係合している刃先インサート若しくは刃先に対応する少なくとも１つの第２供給ラインに接続される。これによって、極低温冷却媒体が、その時点でクランクシャフトと係合していない刃先インサート、従って冷却する必要がない刃先インサートを不必要に通って導かれることが避けられ、これが利益性を改善する。更に、供給ラインは断熱性として設計されるので、極低温冷却媒体が、刃先インサートへのその経路において好ましくない加熱を受けないように防護されると共に、供給ラインを取り囲む機械加工装置の構成要素が予期しないほどに冷却されることも防止される。その結果、これらの構成要素には熱応力が生じない。また、極低温冷却媒体は蒸発するので、機械加工されたクランクシャフトと、機械加工装置若しくは全工作機械とのいずれも汚染を蒙ることは全くない。
【０００６】
供給ライン及び分配器ユニットは、極低温冷却媒体が、刃先インサートにおいて、−６０℃より低い温度、特に−１２０℃より低い温度、特に−１５０℃より低い温度、そして特に−１８０℃より低い温度を有するように設計される。例えば、液体又は気体状の窒素、液体又は気体状の酸素、気体状の水素、気体状のヘリウム、液体又は気体状のアルゴン、気体状の二酸化炭素、及び液体又は気体状の天然ガスを、極低温冷却媒体として用いることができる。窒素が、供給ラインを通して刃先インサートに送り込むのに好適である。第１供給ライン及び／又は第２供給ライン及び／又は分配器ユニットは、特に、０℃において、高くても０．４０Ｗ／（ｍＫ）、特に高くても０．３０Ｗ／（ｍＫ）、そして特に高くても０．２０Ｗ／（ｍＫ）の固有熱伝導率（specific thermal conductivity）を有する。
【０００７】
請求項２に係る機械加工装置によって、極低温冷却媒体の好ましくない加熱を防止するために、第１供給ラインの良好な断熱性が保証される。第１供給ラインは、完全に、即ちその全長にわたって断熱設計することが望ましい。供給ラインは、内側チューブとそれを取り囲む外側チューブとを有し、それらは端部において相互に結合されている。チューブによって確定されるこの絶縁空間は排気され、その結果、供給ラインはきわめて低い熱伝導率を有する。
【０００８】
請求項３に係る機械加工装置によって、内側チューブ及び外側チューブの長さの異なる変化の均等化が可能になる。第１供給ラインがそれを流れる極低温冷却媒体を有する場合は、内側チューブは基本的にその媒体の温度になるが、外側チューブの冷却程度は、２つのチューブ間に設けられる絶縁媒体のために遥かに低い。従って、内側チューブは、外側チューブよりその長さが大きく変化することになる。第１供給ラインの損傷を避けるために、少なくとも１つのチューブの長さを可変にする。外側チューブが熱的な長さ均等化用の蛇行形状の金属ベローズを有することが望ましい。
【０００９】
請求項４に係る機械加工装置によって、第１供給ラインを、工具交換のために、或いは、極低温冷却媒体の第２供給ラインへの目標通りの配分のために、回転軸の方向に簡単に位置決めできる。工具交換のためには、第１供給ラインを直線状に移動させ、それによって、分配器ユニット及び第２供給ラインから切り離す。続いて、工具を通常の方法で交換する。工具交換後、第１供給ラインを、再度直線状に反対方向に変位させて、分配器ユニット及び第２供給ラインに再連結する。移動ユニットは、空気圧又は液圧操作可能な複動式のピストンシリンダユニットとして構成することが望ましい。例えば、このピストンシリンダユニットのピストンを第１供給ラインに結合する。更に、極低温冷却媒体の第２供給ラインへの配分を目標通りに制御するため、従って、極低温冷却媒体の射出角を調整するために、第１供給ラインを直線状に変位させることができる。このため、第１供給ラインを、移動ユニットによって、制御しながら分配器ユニット内において直線状に変位させるが、その際、、第１供給ラインの軸方向の変位位置に応じて、極低温冷却媒体の第２供給ラインへの配分が変化する。この方式で、クランクシャフトのクランクウェブ（crankshaft wall）を機械加工する場合には、極低温冷却媒体の大きな射出角を実現でき、一方、ジャーナル部分の表面（cylindrical bearing surface）を機械加工する場合には、小さな射出角を実現できる。第１供給ラインの目標通りの位置決めは、例えば、上記のピストンシリンダユニットを用いて行うことができるが、このユニットにおいては、ピストンは端部位置に達し得るだけでなく、任意の中間位置に位置することも可能である。このため、ピストンシリンダユニットには、ピストンの位置を決定する距離測定システムを装備することができる。位置調整のため、所要の部分作動空間に、所要位置に達するまで、現在の位置に応じて、付属する弁若しくはサーボ弁を経由して圧力媒体が充填される。代わりの方式として、移動ユニットとして電気駆動装置を用いることも可能である。極低温冷却媒体の射出角位置を変化させるために、第１供給ラインを、付加的に、回転軸の回りに回動可能にすることができる。
【００１０】
請求項５に係る機械加工装置によって、機械加工中に工具の係合位置が移動する際に、極低温冷却媒体を、被機械加工クランクシャフトと係合している刃先インサートに目標通りに供給し得るようになる。これは、例えば、クランクシャフトのクランクピン（pin bearing）部分若しくはクランクウェブを外面フライス加工する場合がそれに該当する。駆動ユニットは、例えばＮＣ軸として具現化される。クランクシャフトの回転動作と一緒の電子的な拘束動作であって制御ユニットによって遂行される拘束動作によって、極低温冷却媒体の刃先インサートにおける流出点の位置若しくは動きと、クランクシャフト機械加工中の工具の係合点とのきわめて正確な一致を実現できる。従って、第１供給ラインを回動させることによって、極低温冷却媒体の射出角の位置を変えることが可能になる。極低温冷却媒体が、機械加工が行われている位置に正確に供給されるので、切削速度の増大が可能になる。
【００１１】
請求項６に係る機械加工装置によって、分配器ユニットの簡単な設計、従って、第１供給ラインから第２供給ラインへの極低温冷却媒体の簡単な配分が保証される。
【００１２】
請求項７に係る機械加工装置によって、分配器ユニットの簡単かつコンパクトな設計、従って、第１供給ラインから第２供給ラインへの極低温冷却媒体の簡単な配分が保証される。第１供給ラインの流出開口が円周上に配置されているので、この流出開口が、工具の回転位置に応じて、第２供給ラインの対応する第２穿孔がその流出開口の領域内に配置される第２供給ラインのみに連結される。この流出開口は細長い穴として設計することが望ましい。そうすると、相互に軸方向にずらして配置される第２穿孔が、流出開口の領域内に同時に位置することになり、その結果、複数個の第２供給ラインに、極低温冷却媒体を同時に供給できることになる。
【００１３】
請求項８に係る機械加工装置によって、極低温冷却媒体の射出角を簡単に変化させることが可能になる。流出開口の幅が全長にわたって変化しているので、分配器ユニット内で第１供給ラインを軸方向に変位させることによって、極低温冷却媒体の射出角を変えることができる。極低温冷却媒体が大きな幅の流出開口の領域から流出すると、極低温冷却媒体は複数個の第２供給ラインに分配され、それによって、大きな射出角が実現される。第１供給ラインのこの変位位置はクランクウェブの機械加工に適している。しかし、極低温冷却媒体が小さい幅の流出開口の領域から流出すると、僅かな個数の第２供給ライン、若しくは極端な場合にはただ１つの第２供給ラインのみが操作目標になるので、極低温冷却媒体は大幅に小さい射出角で放出される。第１供給ラインのこの位置は、ジャーナル部分の表面の機械加工に適している。第１供給ラインの軸方向の変位位置は、制御ユニットを介して、クランクシャフトの回転に連結することが望ましい。それによって、極低温冷却媒体のそれぞれ適切な射出角が、クランクウェブの機械加工用としても、また、ジャーナル部分の表面の機械加工用としても自動的に設定される。流出開口の幅は、例えば段階的に又は連続的に変化する。段階的変化の場合には、離散的な射出角が設定され、一方、連続的変化の場合には、射出角も連続的に変化するか、或いは、微小な段階的変化量において調整される。
【００１４】
請求項９に係る機械加工装置によって、工具交換後に、第１供給ラインの第１穿孔の中への簡単な挿入が可能になる。
【００１５】
請求項１０に係る機械加工装置によって、極低温冷却媒体の刃先インサートへの損失のない供給が保証される。このシールは、特に、極低温冷却媒体に対する高い抵抗力を有する。このシールは、高い化学的抵抗力と良好な断熱特性とを備えたプラスチック材料若しくはゴム材料製とすることが望ましい。このシールはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製とすることが望ましい。
【００１６】
請求項１１に係る機械加工装置によって、分配器ユニット若しくは工具のコンパクトかつ頑丈な設計が保証される。分配器ユニットは、金属より大幅に低い機械的応力しか受けることができない断熱性の材料から構成されるので、金属ボルトが、機械的応力によって分配器ユニットが破損するに至ることがないことを保証する。
【００１７】
請求項１２に係る機械加工装置によって、刃先インサートへの途上における極低温冷却媒体の好ましくない加熱が防止される。プラスチック材料は、０℃において、高くても０．４０Ｗ／（ｍＫ）、特に高くても０．３０Ｗ／（ｍＫ）、そして特に高くても０．２０Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を有する。分配器ユニットはＰＴＦＥ製とすることが望ましい。
【００１８】
請求項１３に係る機械加工装置によって、極低温冷却媒体の好ましくない加熱を防止するために、第２供給ラインの良好な断熱性が保証される。第２供給ラインは、完全に、即ちその全長にわたって断熱設計することが望ましい。第２供給ラインは、それぞれ、内側チューブとそれを取り囲む外側チューブとを有し、それらは端部において一緒に結合されている。チューブによって確定されるこの絶縁空間は排気され、その結果、第２供給ラインはきわめて低い熱伝導率を有する。
【００１９】
請求項１４に係る機械加工装置によって、内側チューブ及び外側チューブの長さの異なる変化の均等化が可能になる。第２供給ラインがそれらを流れる極低温冷却媒体を有する場合は、内側チューブは基本的にその温度になるが、外側チューブの冷却程度は、２つのチューブ間に設けられる絶縁媒体のために遥かに低い。従って、内側チューブは、外側チューブよりその長さが大きく変化することになる。第２供給ラインの損傷を避けるために、それぞれ、少なくとも何れかのチューブの長さを可変にする。外側チューブが熱的な長さ均等化用の蛇行形状の金属ベローズを有することが望ましい。
【００２０】
請求項１５に係る機械加工装置によって、被機械加工クランクシャフトと係合している複数の刃先インサートへの極低温冷却媒体の目標通りの配分が保証される。
【００２１】
本発明は、また、クランクシャフトの機械加工において大きな生産性及び利益性を有する機械加工システムを創出することをもその目的としている。
【００２２】
この目的は、請求項１６の特徴を備えた機械加工システムによって実現される。本発明に係る機械加工システムの利点は、すでに述べた本発明に係る機械加工装置の利点に合致する。極低温冷却媒体は、断熱された貯留装置から断熱された供給ラインを通して機械加工装置に供給される。貯留された極低温冷却媒体の温度を一定に維持するために、冷却ユニットが設けられる。更に、機械加工システムは、極低温冷却媒体を貯留装置から機械加工装置に供給するための供給ポンプを有する。機械加工システムは、更に、工具交換のため、工具交換前の極低温冷却媒体の機械加工装置への供給を遮断する弁若しくは遮断弁を有する。冷却ユニット及び／又は供給ポンプ及び／又は弁は制御ユニットによって制御可能である。この機械加工システムは、クランクシャフトの機械加工用としての他の方式の従来型工作機械の一部分である。
【００２３】
請求項１７に係る機械加工システムによって、流量調整による冷却効果の調整が可能になる。そのため、弁は、例えばサーボ弁として設計される。第１供給ラインの流出開口の幅、従って射出角は、最大の切削弧長に従って寸法決定される。従って、より小さい切削弧長を機械加工する場合には、弁を通る極低温冷却材媒体の流量が低減される。このため、冷却効果を容易にかつ安価に調整することができる。
【００２４】
本発明のさらなる特徴、利点及び詳細が、いくつかの例示的な実施形態に関する以下の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の例示的な実施形態に係るクランクシャフト機械加工用の機械加工システムの模式図である。
【図２】極低温冷却媒体を供給する運転位置にある図１の機械加工システムの機械加工装置の軸方向の断面図である。
【図３】極低温冷却媒体用の第１供給ラインを変位させるための移動ユニットの領域における図２の機械加工装置の拡大図である。
【図４】極低温冷却媒体を第１冷却ラインから複数個の第２冷却ラインに供給するための分配器ユニットの領域における図２の機械加工装置の拡大図である。
【図５】図２の機械加工装置の工具の模式的な前面図である。
【図６】刃先インサートの領域における図５の工具の拡大図である。
【図７】工具交換位置における機械加工装置の軸方向の断面図である。
【図８】図７の分配器ユニットの拡大図である。
【図９】第１供給ラインを回動させるための駆動ユニットを備えた第２の例示的な実施形態に係る機械加工装置の軸方向の断面図である。
【図１０】分配器ユニットの領域における第３の例示的な実施形態に係る、第１運転位置にある機械加工装置の軸方向の断面図である。
【図１１】断面ＸＩ−ＸＩに沿う図１０の機械加工装置の軸方向の断面図である。
【図１２】分配器ユニットの領域における第２運転位置にある機械加工装置の軸方向の断面図である。
【図１３】断面ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩに沿う図１２の機械加工装置の軸方向の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の第１の例示的な実施形態を図１〜８を参照して以下に説明する。詳細には示されていない工作機械が、クランクシャフト２を機械加工するための機械加工システム１を有し、この機械加工システム１は、機械加工装置３と、極低温冷却媒体５供給用の断熱貯留装置４と、極低温冷却媒体５冷却用の冷却ユニット６と、供給ポンプ７と、対応する弁若しくはサーボ弁９を備えた供給ライン８と、制御装置１０とを含む。供給ライン８は、貯留装置４と機械加工装置３とに接続され、かつ、断熱される。機械加工装置３と、冷却ユニット６と、供給ポンプ７と、遮断弁９とは、制御装置１０によって制御可能である。機械加工システム１を超える工作機械の部分の構成は従来通りであり、既知である。
【００２７】
機械加工装置３はハウジング１１を有し、そのハウジング１１の上に、工具１３を回転軸１４の回りに回転駆動する第１駆動ユニット１２が配置される。駆動ユニット１２は、ハウジング１１の外側に取り付けられる電気駆動モータ１５を含み、その電気駆動モータ１５は、歯付きベルト１６を介して、ウォーム軸１８がその上に配置されるギヤホイール１７を駆動する。ウォーム軸１８は、回転軸１４に同心に配置されるウォームホイール１９に連結され、ウォームホイール１９は回転スリーブ２０に取り付けられる。回転スリーブ２０は、回転軸１４の回りに回転し得るように、軸受２１によってハウジング１１に支持される。回転スリーブ２０内には、２つのスリーブ部分２２、２３と、複数のスプリング要素２４と、第１ピストンシリンダユニット２５とが配置される。スプリング要素２４は板バネとして構成される。第１スリーブ部分２２は、工具１３に面する回転スリーブ２０の一方の端部に取り付けられる。第２スリーブ部分２３は、第１スリーブ部分２２と接触していると共に、回転スリーブ２０の内部においてほぼ反対側の端部まで延びている。ピストンシリンダユニット２５は、同様に第２スリーブ部分２３に当接しているおり、かつ回転スリーブ２０に取り付けられる。スプリング要素２４は第２スリーブ部分２３の内部に配置され、かつ、一方の端部ではスリーブ部分２２に当接し、もう一方の部分ではピストンシリンダユニット２５に当てがわれている。ピストンシリンダユニット２５は、詳しくは図示されていない供給ポンプによって通常方式での液圧操作可能である。
【００２８】
第１スリーブ部分２２の内部には、工具１３をクランプするためのコレットチャック２６が配置される。このコレットチャック２６は、第１スリーブ部分２２の中に軸方向に変位可能に装着される操作スリーブ２７によって操作可能である。この操作スリーブ２７は操作ロッド２８に取り付けられるが、この操作ロッド２８は、スプリング要素２４を貫通してピストンシリンダユニット２５まで、回転軸１４に同心に延びている。操作ロッド２８はピストンシリンダユニット２５に同様に固定される。コレットチャック２６は、スプリング要素２４によって通常の方式で引張状態の下に置かれるが、ピストンシリンダユニット２５の操作によって、かつ、操作ロッド２８の軸方向変位によって、スプリング要素２４の予備緊張力に抗して解放することが可能である。
【００２９】
工具１３は、クランクシャフト２のクランクピン部分及び中心ジャーナル（center bearing）を機械加工する機能を有する。それは、ディスク形状の基体２９を有し、その基体２９に、刃先インサート３１がその中に配置されるカセット３０が周縁に同じ角度距離において取り付けられる。工具１３をクランプするため、ボルト３２が、基体２９上に回転軸１４に対して同心に配置される。ボルト３２は、金属材料製であり、それをコレットチャック２６によってクランプし得るように、従って、回転スリーブ２０に固定し得るように、その端部が形状化されている。
【００３０】
極低温冷却媒体５を供給ライン８から刃先インサート３１に供給するため、機械加工装置３は、１つの第１供給ライン３３と複数の第２供給ライン３４とを有する。これらの供給ラインは断熱性に構成される。第１供給ライン３３は、回転軸１４に同心に配置され、移動ユニット３５によって回転軸１４に平行に変位させることができる。このため、移動ユニット３５は、シリンダ３６と、その中をガイドされるピストン３７とを有する複動式のピストンシリンダユニットとして設計される。第１供給ライン３３はバヨネットとも呼称される。
【００３１】
ピストンシリンダユニット３５は、ハウジング１１に取り付けられる連結ハウジング３８の中に配置される。供給ライン８は、連結ハウジング３８の中をガイドされて、接続ユニット３９によって第１供給ライン３３に接続される。第１供給ライン３３を変位させるため、第１供給ライン３３は、ピストン３７によってガイドされ、かつピストン３７に結合される。ピストン３７は、ピストンシリンダユニット３５の作動空間を２つの部分作動空間４０、４１に分割し、この各部分作動空間４０、４１は、それぞれ、流体媒体供給用の接続部４２、４３に接続される。この方法で、両方の部分作動空間４０、４１に流体媒体を充填でき、従って、ピストン３７を、軸方向において両方向に変位させることが可能になる。更に、ピストンシリンダユニット３５の位置検出可能な２つの誘導スイッチ４４、４５が、連結ハウジング３８上に配置される。ピストンシリンダユニット３５は、例えば、空気圧又は液圧操作可能である。
【００３２】
第１供給ライン３３は、接続ユニット３９を始点として、ピストン３７と、操作ロッド２８と、操作スリーブ２７と、ボルト３２とを貫通して回転軸１４に同心に分配器ユニット４６まで導かれる。第１供給ライン３３における極低温冷却媒体５の好ましくない加熱を避けるため、第１供給ライン３３は真空絶縁構造に設計される。このため、供給ライン３３は内側チューブ４７とそれを取り囲む外側チューブ４８とを有し、これらのチューブは端部において互いに結合され、その間に絶縁空間４９が形成される。絶縁空間４９は、供給ライン３３がきわめて低い熱伝導率を有するように排気される。外側チューブ４８の長さが可変になるように、蛇行形状に構成される金属ベローズ５０が外側チューブ４８の中に組み込まれる。金属ベローズ５０は、極低温冷却媒体５によるチューブ４７、４８の異なる長さの変化を均等化する機能を有する。
【００３３】
分配器ユニット４６は、回転軸１４に同心に基体２９上に配置され、２つの分配器部分５１、５２を含む。第１分配器部分５１は３段の円筒体として設計され、その第１部分５３がボルト３２における貫通穿孔５４の中に延び込む。第１部分５３に繋がる第２部分５５は、その側面がボルト３２に当接している。第２部分５５は第２分配器部分５２によって囲繞されるが、この第２分配器部分５２は、リング形状に構成され、同様にボルト３２に接触しており、第２部分５５に結合される第３部分５６によって軸方向に固定される。第１分配器部分５１には第１穿孔５７が形成されるが、これは、第１及び第２部分５３、５５の中にメクラ孔状に延び込む。第１穿孔５７は、第１供給ライン３３の挿入を簡単化するため、開放端において漏斗状の形状に構成され、漏斗形状部分の後ろにおいて、第１部分５３と、挿入された供給ライン３３との間の空間をシールするリング形状のシール５８が、穿孔５７の中に延び込む。分配器ユニット４６は回転分配器とも呼称される。
【００３４】
分配器ユニット４６は、更に、第２供給ライン３４を導く機能を担う複数の第２穿孔５９を有する。第２穿孔５９は、回転軸１４に対して横方向若しくは半径方向に延びており、この場合、第１穿孔部分６０は分配器部分５１の第２部分５５の中に形成され、第２穿孔部分６１は分配器部分５２の中に形成される。第２穿孔２９は、分配器部分５２の周囲表面を始点として、第１穿孔５７まで延びており、半径方向及び軸方向のずれをもって第１穿孔５７の中に開口している。極低温冷却媒体５を、軸方向にずらして配置される複数の穿孔５９と、接続される第２供給ライン３４とに供給するために、第１供給ライン３３は、工具１３に面するその端部の周囲表面上に１つの流出開口６２を有する。この流出開口は細長い穴の形状に構成される。この流出開口６２は、工具１３のクランクシャフト２との係合点の方に向けられる。
【００３５】
第２供給ライン３４は第２穿孔部分６１の中に差し込まれる。第２穿孔部分６１は数段階に構成され、それぞれの第２供給ライン３４と、対応する環状シール６３とに対するストッパを形成する。シール６３は、対応する固定要素６４によって固定される。シール６３は、第２穿孔部分６１と、その中に差し込まれる供給ライン３４との間の中間空間をシールする機能を有する。従って、分配器ユニット４６は、第１供給ライン３３を、工具１３の回転位置に応じて、少なくとも１つの第２供給ライン３４に連結する。分配器ユニット４６、即ち、分配器部分５１、５２は断熱性のプラスチック材料から作製される。このプラスチック材料は、例えばＰＴＦＥとすることができる。シール５８、６３は、化学抵抗力があり、かつ断熱性の材料から作製される。その材料として、例えばＰＴＦＥを用いることができる。
【００３６】
第２供給ライン３４は、回転軸１４に対して横方向若しくは半径方向に刃先インサート３１まで延びており、従って、極低温冷却媒体５を、第１供給ライン３３から分配器ユニット４６を介して、クランクシャフト２とそれぞれ係合している刃先インサート３１に供給することが可能になる。第２供給ライン３４は、それぞれ、１つの第１ライン部分６５と、それに接続される複数の第２ライン部分６６とを有する。第１ライン部分６５は、回転軸１４に対して横方向若しくは半径方向に、対応する第２穿孔５９から、４個の対応する刃先インサート３１の前面の中心まで等しい距離の角度間隔において延びている。それぞれの第１出力ライン部分６５に、第１ライン部分６５の末端から刃先インサート３１まで延びる４個の第２ライン部分６６が属している。
【００３７】
第２供給ライン３４の第１ライン部分６５は真空絶縁構造に設計される。第１供給ライン３３の場合と同様に、第２供給ライン３４は、それぞれ、内側チューブ６７とそれを取り囲む外側チューブ６８とを有し、これらのチューブは端部において互いに結合され、その間に絶縁空間６９が画定される。絶縁空間６９は排気され、それによって、第１ライン部分６５における第２供給ライン３４はきわめて低い熱伝導率を有する。蛇行形状の金属ベローズ７０が、それぞれの外側チューブ６８の中に組み込まれ、内側チューブ６７と外側チューブ６８との間の長さを均等化する。これによって、それぞれの外側チューブ６８の長さは可変になる。
【００３８】
第２ライン部分６６は断熱性に構成されないが、代わりの方式として、第２ライン部分６６も断熱性に構成することができ、特に真空絶縁することができる。例えば、第２ライン部分６６を、対応する穿孔の中に差し込まれた断熱性の材料からなるチューブによって形成することができる。例えば、ＰＴＦＥを断熱材料として用いることができる。断熱性は、第２ライン部分６６を真空絶縁設計することによって更に改善される。真空絶縁設計の詳細に関しては、第１ライン部分６５に関する記述を参照されたい。
【００３９】
次に、クランクシャフト２の機械加工について説明する。機械加工するために、第１供給ライン３３を第１穿孔５７の中に挿入して、流出開口６２が第２部分５５の位置に来るように、即ち、第２穿孔５９が第１穿孔５７の中に開口する位置に来るように、ピストンシリンダユニット３５によってセットする。分配器ユニット４６の中に挿入された第１供給ライン３３が図４に示されている。次に、工具１３を、駆動ユニット１２によって回転軸１４の回りに回転駆動し、かつ、極低温冷却媒体５を供給する。極低温冷却媒体５は、例えば液体窒素とすることができるが、この液体窒素は、蒸発温度より低い温度で貯留装置４に供給され、冷却ユニット６によって所定の温度に維持される。極低温冷却媒体５を供給するために遮断弁９が開かれ、それによって、供給ポンプ７が、極低温冷却媒体５を貯留装置４から供給ライン８を経由して機械加工装置３に供給できる。
【００４０】
工具１３が回転駆動されている間、ピストンシリンダユニット３５及び第１供給ライン３３は回転軸１４の回りに静止しているが、回転スリーブ２０と、スリーブ部分２２、２３と、スプリング要素２４と、ピストンシリンダユニット２５と、操作スリーブ２７と、操作ロッド２８と、その中に工具１３がクランプされたコレットチャック２６とは、回転軸１４の回りに回転する。極低温冷却媒体５は、第１供給ライン３３を通って分配器ユニット４６に流れ、その分配器ユニット４６において、工具１３の回転位置に応じて第２供給ライン３４に配分される。その第２供給ライン３４の対応する第２穿孔５９は、第１供給ライン３３の流出開口６２の領域内に位置している。従って、極低温冷却媒体５は、第２供給ライン３４を通って、その時点でクランクシャフト２と係合している刃先インサート３１に流れ、対応する刃先をきわめて効果的に冷却する。極低温冷却媒体５は、カセット３０において、個々の流路を通って、刃先インサート３１若しくは刃先インサートに導かれる。供給ライン３３、３４は真空絶縁構造に設計され、分配器ユニット４６も断熱プラスチック材料から作製されるので、極低温冷却媒体５が機械加工装置３を流れる際に、極低温冷却媒体５が何らかの大きな加熱を受けることはあり得ない。極低温冷却媒体５は、刃先インサート３１において−１８０℃より低い温度で放出される。放出後に、極低温冷却媒体５は蒸発するので、クランクシャフト２の機械加工は乾燥状態において行われ、その結果、クランクシャフト２及び全工作機械は汚染されない。
【００４１】
工具交換のためには、工具１３の回転を停止し、かつ、極低温冷却媒体５の供給を、供給ポンプ７の遮断と遮断弁９の閉操作とによって中断する。次に、ピストンシリンダユニット３５によって、第１供給ライン３３を、接続ユニット３９及びそれに連結された供給ライン８と共に、第１供給ライン３３が第１穿孔５７から取り外されるように変位させる。コレットチャック２６を、ピストンシリンダユニット２５と、操作ロッド２８と、操作スリーブ２７とによって通常方式で開放した後、工具１３を新しい工具１３に取り替えることができる。新しい工具１３がスプリング要素２４の力のためにコレットチャック２６によってクランプされた後、第１供給ライン３３を再度変位させる。即ち、第１供給ライン３３は、ピストンシリンダユニット３５によって、再度第１穿孔５７の中に挿入されるが、その際、、その挿入は、穿孔５７の漏斗形状の端部部分によって容易に行われる。その後、工具１３を再度回転駆動して、極低温冷却媒体５を再度供給できる。
【００４２】
次に、図９を参照して本発明の第２の例示的な実施形態を説明する。連結ハウジング３８に、第２駆動ユニット７１が追加的に配置され、その第２駆動ユニット７１によって、第１供給ライン３３を回転軸１４の回りに回動することが可能である。そのため、第１供給ライン３３は、電気駆動モータ７４によって第２ギヤホイール７３を介して回転駆動できる第１ギヤホイール７２に結合される。駆動モータ５及び７４は、工具１３の回転位置が第１供給ライン３３の回動位置と整合若しくは同期するように、制御装置１０によって制御可能である。図９においては、連結ハウジング３８と、その中に配置されるピストンシリンダユニット３５とは回転軸１４の回りに静止している。代わりの方式として、連結ハウジング３８及びピストンシリンダユニット３５を、回転軸１４の回りに第１供給ライン３３と共に回動させることができる。第１供給ライン３３の周期的な回動動作によって、極低温冷却媒体５の刃先インサート３１に対する流出位置は、クランクシャフト２の機械加工中に移動する係合点に対応して前後に移動する。これは、例えば、クランクシャフト２のクランクピン部分の機械加工の場合に有利である。駆動ユニット７２はＮＣ軸として具現化されるので、工具１３若しくはクランクシャフト２の回転動作と一緒の電子的な拘束動作のために、極低温冷却媒体５の流出点の、刃先インサート３１若しくは切削インサートの係合点とのきわめて正確な位置若しくは動きの一致が実現できる。機械加工システム１の残りの部分の設計並びにさらなる機能に関しては第１の例示的な実施形態を参照されたい。
【００４３】
極低温冷却媒体５が工具１３の係合点に直接導かれるので、本発明に係る機械加工システム１若しくは機械加工装置３によって、クランクシャフト２の機械加工における切削パラメータを高めることができる。この方式によって、クランクシャフト２の機械加工における生産性及び利益性における改善が達成される。
【００４４】
次に、図１０〜１３を参照して、本発明の第３の例示的な実施形態を説明する。機械加工装置３において、極低温冷却媒体５の射出角が、分配器ユニット４６における第１供給ライン３３の軸方向の変位位置に応じて可変になる。これは、特にクランクウェブの横方向フライス加工（lateral milling）において有利である。クランクウェブの横方向フライス加工においては、クランクシャフトの１回転内において切削弧長が大きく変化する。通常、切削弧長は０〜１８０ｍｍの値であるので、切削弧はその長さ及び位置に関して大きく変化する。切削速度及び稼動寿命の問題に関する制約を回避するために、係合している刃先を、全係合時間にわたって有利に冷却しなければならない。このため、本発明に係る機械加工システム１若しくは機械加工装置３によって、被冷却刃先の角度位置と、被冷却刃先によってカバーされる円弧長若しくは極低温冷却媒体５の射出角とを、切削弧の位置及び／又は長さに応じて制御できなければならない。
【００４５】
極低温冷却媒体５の射出角を変化させるために、第１供給ライン３３の流出開口６２が、その幅が長さ全体にわたって変化する細長い穴として構成される。流出開口６２は、第１開口部分７５を有し、この第１開口部分７５は、回転軸１４に沿う対応する長さＬ１と、回転軸１４に対して横方向の幅Ｂ１とを有する。この第１開口部分７５は第２開口部分７６に繋がっており、この第２開口部分７６は対応する長さＬ２及び対応する幅Ｂ２を有する。長さＬ２は長さＬ１にほぼ等しいが、幅Ｂ２は幅Ｂ１より大きい。第１供給ライン３３は、移動ユニット３５によって、規定された態様で軸方向に変位可能であり、その結果、第１供給ライン３３の軸方向の変位位置に応じて、第１開口部分７５又は第２開口部分７６の何れかが、第２穿孔５９の領域に位置する。
【００４６】
図１０及び１１は、機械加工装置３の第１運転位置を示す。この位置においては、第１供給ライン３３は、第１開口部分７５が第２穿孔５９の領域に位置する第１変位位置にある。第１開口部分７５の幅Ｂ１は小さいので、第１開口部分７５の領域には僅かに数個の第２穿孔５９が存在するだけになり、その結果、供給される極低温冷却媒体５は僅かに数個の第２供給ライン３４に配分されるだけになる。第１供給ライン３３のこの変位位置においては、極低温冷却媒体５の射出角は小さいが、ジャーナル部分の表面を機械加工するには十分である。
【００４７】
極低温冷却媒体５の射出角を大きくして、工具１３を、より大きな切削弧長に基づいてより良好に冷却し得るようにするため、第１供給ライン３３を、第２開口部分７６が第２穿孔５９の領域に位置するように、移動ユニット３５によって軸方向に変位させる。機械加工装置３のこの第２運転位置であって、第１供給ライン３３が第２の軸方向の変位位置にある第２運転位置が図１２及び図１３に示されている。第２開口部分７６の幅Ｂ２は遥かに大きいので、この場合は、流出開口６２の領域内により多くの第２穿孔５９が同時に存在することになり、その結果、より多くの第２供給ライン３４に、極低温冷却媒体５が同時に供給されることになる。これによって、極低温冷却媒体５の射出角が増大し、従って、冷却された刃先が工具１３のより長い弧をカバーする。この場合は、切削弧長が大きく変動するが、上記の方法によって、刃先を全切削弧に沿って冷却できるので、クランクウェブを機械加工する場合に有利である。第１供給ライン３３を分配器ユニット４６内において規定どおりに位置決めするために、移動ユニット３５は、シリンダ３６内のピストン３７の位置を決定する長さ測定システムを付加的に有する。また、ピストン３７が端部位置に達し得るだけでなく、シリンダ３６内の任意の中間位置に位置することができるように、部分作動空間４０、４１にサーボ弁によって充填できる。代わりの方式として、移動ユニット３５を電気駆動ユニットとして構成することができる。
【００４８】
クランクシャフトの機械加工においては、極低温冷却媒体５の射出角は、連続的に、かつクランクシャフト２の回転に関して同期して変化させることが望ましい。クランクウェブの機械加工においては、第２の軸方向の変位位置が用いられ、ジャーナル部分の表面の機械加工においては、第１の変位位置が用いられる。これは、制御装置１０によって実現できる。
【００４９】
流出開口６２の幅は、原理的には、場合によっては全長にわたって変化させることができる。例えば、この幅は、微小に段階的に変化させることができるし、或いは、全長にわたって連続的に変化させることができる。この方法で、射出角をより一層正確に変化させることができる。
【００５０】
更に、射出角の位置を、第２の例示的な実施形態の場合に説明したように、第１供給ライン３３を回転軸１４の回りに回動させることによって変えることが可能である。代わりの方式として、第１供給ライン３３の軸方向の変位位置によって射出角の位置も変化し得るように、第２供給ライン３４を、第２穿孔５９を通って第１穿孔５７の中に開口させることができる。
【００５１】
更に、冷却効果を、極低温冷却媒体５の流量によって制御できる。そのため、流量をサーボ弁９によって制御する。
【００５２】
従って、本発明の機械加工システム若しくは本発明に係る機械加工装置３によって、極低温冷却媒体５の射出角の大きさを、第１供給ライン３３の軸方向の変位位置によって、かつ、それぞれの射出角の位置を、第１供給ライン３３を回転軸１４の回りに回動させることによって、互いに独立に調整できるようになり、その結果、極低温冷却媒体５の配分若しくは工具１３の冷却を、クランクシャフトの機械加工のそれぞれの要件に最適に適合させることができる。さらなる機能態様に関しては、前述の例示的な実施形態を参照されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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