用於調製輔助式加工的刀具夾持器組件和方法

2023-07-26 04:59:11 2

專利名稱：用於調製輔助式加工的刀具夾持器組件和方法
用於調製輔助式加工的刀具夾持器組件和方法相關申請的交叉引用
本專利申請要求於2005年5月3日提交的美國臨時申請60/677,437的權益，該臨時申請的內容通過引用併入本文中。
背景技術：
本發明大體上涉及加工裝備，且更具體地涉及一種刀具夾持器組件，其能夠在加工工藝中提供對切削刀具的受控調製(例如強制移動)，從而以便產生具有納米結晶的微觀結構以及期望的尺寸和形狀的切屑。
切削刀具技術的發展總體上涉及先進的材料和塗層、獨特的幾何形狀及其組合的使用，以延長刀具壽命、減小切削阻力和減少加工排
放流。儘管通常沒有在刀具與工件的界面之間形成分離或控制機械切屑尺寸的能力，但還是在有關切削刀具方面特別地引入斷屑器的幾何形狀特徵，以促進切屑斷裂。在鑽削期間還通過調製實現切屑斷裂，其中鑽頭以輪轉的方式軸向地移動。除實現切屑斷裂以外，還已表明調製輔助式鑽削改善了鑽削性能並減小了對切削液的需求。例如，已表明具有最低限度潤滑的調製輔助式深孔鑽削(具有長度直徑(L/D)比達20的孔縱橫比)。這樣的研究結果已擴展為表明調製能改善有關金屬切削的潤滑效能。這樣的研究領域可延伸為通過對能量消耗和生態學具有正面影響的工藝控制和創新來提高加工性能並減少加工流出物。
除以上所述之外，當前工藝狀態的加工實踐未將調製視作期望參數。通常利用特別設計和組裝成用於在加工工藝中應用調製的專用設備進行前述研究，並且相對於機械設計或工業應用中技術的資本成本存在著經濟阻礙。因此，總體的加工工藝設計強調消除或降低通常與 對加工工藝的性能有害的不穩定性相聯繫的振動。
發明簡述
本發明提供一種用於在加工工藝中有意地引起調製的刀具夾持 器組件和方法。4艮據本發明的優選方面，刀具夾持器組件可用於產生 具有納米微觀結構的切屑的工藝，並且尤其可用於可受控地產生具有 期望的形狀和尺寸的納米結晶切屑的方法。
本發明的刀具夾持器組件構造為用於安裝在加工設備上的刀具
臺座中。刀具夾持器組件包括刀具夾持器本體，其構造為用於固定 在加工設備的刀具臺座上；刀具夾持器，其安裝在刀具夾持器本體上 並構造為以便將切削刀具固定到該刀具夾持器上，以及用於在刀具夾 持器上施加重疊調製以便使切削刀具相對於刀具夾持器本體並因此 相對於加工設備的刀具臺座運動的裝置。
本發明的刀具夾持器組件尤其適於在意圖利用切削刀具加工坯 體以產生具有期望尺寸和形狀的切屑的方法中使用。具體而言，刀具 夾持器組件適於在切削刀具上施加重疊調製以便使切削刀具相對於 被加工的坯體運動，並且在切削刀具與坯體之間的接觸點處引起切削 刀具與坯體之間的瞬時和周期性的分離，其中切削刀具與坯體之間的 每次分離產生切屑。如此以來，切屑的形狀和尺寸至少部分地由調製 周期決定，並且具體地由切削刀具與被力。工的坯體相接合的時間長度 決定。根據本發明的優選方面，坯體以如下的方式進行加工由於切 削加工以施加足夠大的應變變形的方式進行，故產生基本上由納米結 晶的微觀結構所構成的切屑。坯體可由多種材料形成，包括金屬、金 屬合金、金屬互化物和陶瓷材料。此外，坯體可具有基本上無納米微 晶體的微觀結構，並且甚至可具有單晶微觀結構。由切削刀具產生的 切屑可呈微粒、條帶、絲線、細絲和/或片晶形式。
以上述方式產生的切屑可(在有粉碎或無粉碎的情況下)固結以形 成產品，使得產品基本上為大致或完全由納米微晶體構成、或者由納米微晶體長成的顆粒構成的納米結晶整體材料。作為備選，切屑可分 散在基體材料中，使得產品為作為加強材料的切屑分散在複合材料 中。
本發明的刀具夾持器組件的優選使用是基於如下判定在合適的 條件下通過加工可在材料中形成納米結晶結構，以產生包括高應變率 的非常大的應變變形，諸如大約0.5至大約10的塑性應變和達到106 每秒的應變率。認作為能夠產生合適的納米結晶結構的加工工藝包括 切削和研磨技術。切削速度看起來不是決定因素，以致如果使用切削 刀具進行加工操作，則基本上可使用任何切削速度。因為用於切屑的 生產方法為其參數可精確控制的加工操作，故對於給定的材料可精確 地並且重複地獲得用於切削的期望的納米結晶微觀結構。由本發明的 刀具夾持器組件提供的調製輔助能力還能夠控制形成用於在各種應 用中使用的期望的目視尺寸和形狀的納米結晶切屑。此外，刀具夾持 器組件可用於由利用現有技術難於或不可能處理的材料產生納米結 晶固體，例如不能通過多級變形工藝處理的非常硬的材料和不能通過 凝結法處理的合金。
鑑於以上所述，本發明的刀具夾持器組件發現在可控制的和低成 本的方法中的效用，以便對可在各種整體的和複合的產品中使用的切 屑和特定的納米結晶固體進行合成。
本發明的其它目的和優點將通過以下的詳細說明得到更好地理解。


圖1示意性地表示根據本發明的實施例用切削刀具加工坯體以產 生切屑的工藝。
圖2和圖3是由本發明的調製輔助式加工技術所產生的納米結晶 切屑的掃描圖像。
圖4表示用於在本發明的調製輔助式加工技術中使用的刀具夾持器組件。 發明詳述
如以下將討論的那樣，本發明為一種刀具夾持器組件，鑑於表明 重疊調製對加工工藝的益處的研究，該刀具夾持器組件特別有用。具
體而言，共同轉讓的且共同待決的美國專利申請序列No.(代理檔案 No,A6-2082)公開了在加工工藝期間給予切削刀具或工件的調製運動 可在刀具-切屑接觸的鄰近區域處產生刀具與材料之間的瞬時分離。才艮 據所施加調製的方向，在具有通過切削液改善切削性能和潤滑效能的 間接益處的情況下，實現有效的切屑形成。在對切屑尺寸和形狀相關 的切屑管理或工藝應用具有重要關聯的情況下，有效的切削形成可用 來對加工切屑的尺寸進行控制。
在圖4中示出了屬於本發明範圍的刀具夾持器組件10。組件10 適於在可能的成本效率方法中使用，以便通過將調製直接應用於切削 刀具12而在傳統的和現有技術水平的加工工藝中引入調製和使調製 商業化。所示的刀具夾持器組件10能夠在調製輔助式車削和鑽削操 作中使用。因此，雖然切削刀具12表示為切削鑲嵌件，^旦切削刀具 12可備選地為鑽削刀具或切斷刀具/切斷車刀。刀具夾持器組件10還 可適用於各種其它的加工工藝，使得現有的和將來的工具機和工藝可裝 配或改型裝配有在加工中施加調製的刀具夾持器組件10。切削刀具 12示出為通過刀具夾持器14而直接安裝到線性滾珠花鍵軸16上，但 要理解的是刀具12可以是或者直接結合在線性滾珠花鍵軸16的設計 中，使得滾珠花鍵軸16為刀具夾持器14的整體構件。由滾珠花鍵軸 承18所支承的滾珠花鍵軸16組裝到刀具夾持器本體20中，並且整 個組件安裝在工具機臺座22上。刀具12可以常規的方式使用，但根據 本發明，刀具夾持器組件IO適於對刀具12局部地施加調製。為此， 刀具夾持器組件10包括在刀具夾持器本體20內並且聯接到安裝在滾 珠花鍵軸16上的滾珠花鍵軸承18上的線性促動器24,例如壓電機械線性轉換器、磁致伸縮線性促動器、線性驅動馬達等。在刀具12通 過刀具臺座22而旋轉時促動器14對刀具12施加線性調製。軸承18 將平面外的力傳遞到刀具夾持器本體20，以防止在促動器14與滾珠 花鍵軸16的連接處的扭轉或彎曲。
在所示的組件10中，軸向地調製刀具12。取決於工具機設計，刀 具12可安裝成平行於工件旋轉軸線(例如外圓車削或鑽削)或橫向於工 件旋轉軸線(例如切斷、橫向車削)。但是，這種相同的方式可延伸至 沿備選的刀具方向上的調製。另外，提出的發明可通過能夠與旋轉刀 具連接的促動機構的改裝而在旋轉刀具(例如加工中心、活鑽)中實現。
根據加工操作期間所施加調製的方向，形成兩種不同的有效情
形。在沿刀具進給方向施加調製的情況下，未切的切屑厚度在各調製 周期期間等於零(h-O)，有效地使得切屑斷裂。在調製的峰-峰振幅大 於刀具進給速率並且適當地控制調製頻率時，即調製頻率和工件旋轉 頻率滿足充分的條件時，出現上述情形。對於沿切削速度的方向所施 加的調製，在零切削速度處形成用於刀具與切屑界面之間分離的條 件，需要調製頻率和振幅的乘積超過工件的局部切向速度。在所施加 調製的兩種方向情況下，加工期間在刀具與工件界面處的分離提高潤 滑的效能。但是，對於沿進給速度方向調製的情況，可控制切屑的形 成和形狀。此外，在兩種情況下，系統柔度的效果將決定用於在刀具 切屑界面處的分離條件的物理閥值。
壓電機械和磁致伸縮的轉換器/促動器技術在所考慮的車床加工 條件的範圍內能夠傳遞所需的調製力和頻率響應。與在較低振幅(例如 大約0.005毫米)處具有較高頻率範圍(例如大約30kHz)的Terfenol-D 基磁致伸縮促動器相比，鋯鈦酸鉛(PZT)基壓電才幾械轉換器通常在具有 較高振幅能力(例如大約0.150毫米)的相對低的頻率範圍(例如大約 5kHz)內操作。通常，兩種類型的技術都能夠滿足通常加工情形的必 要條件。但是，可預見到的是，具體的加工工藝或需要的調製方向或 會要求一種類型的促動器技術要優於另一種。對於在刀具進給速度方向上的調製，促動器(諸如壓電轉換器)振幅越大可能越合適，而在切 削速度方向上的調製則允許使用(諸如基於磁致伸縮的)較高頻率的促 動器。但是，由於所述兩種促動器技術不能承受所施加的扭轉或彎曲 載荷，故刀具夾持器組件10示出為包括機械連結件(線性滾珠花4定軸
承18)，以消除促動器24上的這些載荷。除壓電機械和磁致伸縮的促 動器以外，希望線性馬達技術的繼續開發提供施加運動控制的能力， 從而提供局部地調製切削刀具12的額外途徑。
切削刀具12的局部調製消除由大的機械質量(例如刀具臺座20) 的調製所引起的不希望有的慣性效應，並避免基型工具機設計中的調製 所需的資本成本，以便向加工工業提供採用調製加工技術的節省成本 的途徑。同樣地，與各種其它工具機構件(如機械滑道、驅動器、轉臺、 工作夾持機構等)的質量相比，刀具夾持器組件IO的顯著優點是要調 制相對小的質量。通過將調製局部地施加於切削刀具12，避免由較大 的機械構件質量的慣性所引起的不希望有的動態力。此外，刀具夾持 器組件10在成本方面與基型工具機設計中的調製所需的資本投資相比 明顯較低，以便向製造工業提供將該技術應用到主流加工操作中的相 對便宜的途徑。因此，新的或現有的工具機和工藝可裝配或改型裝配有 用於調製輔助式加工的刀具夾持器組件10。
其它的技術可用於將調製能力結合到現有技術水平的工具機系統 的基本設計中。這些包括線性驅動技術或高速工具機滑動構件中的新近 進展。當前，工具機中線性驅動的應用是對於速度、精度和可重複性的 日益增加的需求的結果。但是，重點沒有放在開拓相關的內在調製能 力上。Etrema Products, Inc,(Ames, Iowa, USA)當前銷售 一種車床力口工 應用中基於磁致伸縮促動器技術的主動加工系統(AMS)，以在轉動的 同時產生桶狀成形。該系統可潛在地修改成用於調製輔助式加工。但 是，該裝置的尺寸限制了可能的機械應用。類似地，Polytec PI, Inc.(Physik Instrumente, Auburn, Massachusetts, USA)設計並銷售用於 車床加工應用的定製快速刀具伺服滑動裝置，以便將壓電轉換器技術用於提高的滑動速度或備選地用於伺服馬達機構。儘管上述兩種商業 刀具滑動系統可潛在地修改為在加工工藝期間施加調製，但它們受較 高的成本和定製設計必要條件的限制。
本發明特別優選的方面是刀具夾持器組件10在通過調製式加工
直接產生納米結晶切屑的方法中使用的適用性。這樣的納米結晶切屑 可直接由包括金屬、金屬合金、金屬互化物和陶瓷的鬆散材料製成。
組件10尤其被認為最適於在深孔鑽削操作中使用，特別地適於在包
括不鏽鋼、沉澱硬化鋼、鈦、和鉭材料的難於加工的金屬和合金中使
用。利用組件IO加工的鬆散材料可具有基本無納米晶體的微觀結構。
加工條件選擇為引起導致具有納米結晶微觀結構的切屑的產生的嚴
重塑性變形，同時調製的條件通過刀具夾持器組件10而重疊在加工
操作上，以控制納米結晶切屑的尺寸和形狀，從而提供切屑在長度上 從幾納米到幾毫米的範圍變動的能力。因為可控制形態、尺寸和形狀 的納米結晶切屑可通過本發明的調製加工工藝直"l妄產生，故消除了對 額外的二次粉碎步驟的需求。通過受控的調製，有可能產生具有包括 等軸微粒、條帶、絲線、細絲和片晶的大小和形狀的納米結晶切屑。 因此，用語"切屑"在此用於包括可通過加工操作產生的大致任何形 狀。
共同轉讓的美國專利No.6,706,324公開了基於加工中切削形成期 間高應變變形導致金屬和合金中明顯的晶粒細化和納米結晶微觀結 構形成的判定、用於大規模生產納米結晶材料的加工技術。參考圖1 可看到切屑的剪切面中出現的變形，圖中示出為用楔形壓頭(刀具)加 工工件表面。通過大應變變形去除的材料即切屑在刀具的通常稱作為 前刀面的表面上滑動。刀具的前刀面與工作面的法線之間的角度稱為 前角(oc)。刺入工件的楔的邊緣是切削刃。刀具與工件之間的幹涉量 是未變形的切屑厚度的切口深度(t。)，而刀具與工件之間的相對速度是 切削速度(Vc)。當刀具切削刃垂直於切削速度並且切口寬度與切削刃 長度和t。相比很小時，平面應變變形的狀態佔有優勢，這認為是用於加工的試驗和理論研究的優選構造。
通過沿著稱為剪切面的平面的集中剪切，觀察到產生圖1中的切
屑形成，其中在切屑形成期間施加剪切應變(Y)。該剪切應變可通過 以下的方程(l)估算
Y = cos oc / sin 4> cos 0J)-oc) (方一呈1)
其中剪切面角((J))是t。和te的已知函數。可利用如下方程預測有
效的Von Mises應變(5 ):
e"〃3)54 (方程2) 方程(l)示出通過使前角(oc )從大的正值變化為大的負值可使得剪 切應變(Y)在寬的範圍內變化(見圖1)。另外，刀具-切屑界面處的摩才察 還經由其對剪切面角(J)的作用影響剪切應變(Y )。
鑑於以上所述，並且如文獻中所稱，在合適的切削條件下可產生 在大約0.5到大約10的範圍內的有效塑性應變以及高達每秒106的應 變率，以及可產生寬範圍的剪切面溫度。這些值的範圍大致大於通常 的嚴重塑性變形工藝中可實現的範圍。加工相同的切口深度(t。)、前角 (a )和切削速度(Ve)的幾何參數以與鍛造或擠壓中的模具的作用相類 似的方式影響剪切變形。切屑中沿著剪切面(變形區)的有效塑性應變 可通過改變刀具前角以及更小程度地通過改變刀具與切屑之間的摩 擦而在大約0.5至大約10的範圍內系統地變化。剪切面上的平均剪切 應力和法向應力可通過改變刀具幾何參數連同諸如Ve和t。的工藝參 數一起而改變，儘管通過力的測量可獲得這些應力值。最後，變形區 中的溫度可通過改變切削速度而系統地改變。例如，通過以非常j氐的 速度(大約0.5毫米/s)切削，在獲得非常大的應變變形的同時溫度可保 持稍高於周圍溫度。作為備選，希望切屑中或會出現相變(例如馬氏體、 熔化)的溫度可通過將切削速度提高到較高值如大約lm/s至大約2m/s 而實現。還利用刀具塗層、刀具-切屑界面的低頻調製和確保在刀具與 切屑之間的界面處總是存在潤滑劑的潤滑的組合表明了使沿著刀具-切屑界面的摩擦改變高達三倍的能力。切削操作中可將摩擦(以及上述討論的其它參數和條件)控制到的程度在其它嚴重的塑性變形工藝中是不可能的。總之，變形區域中的溫度、應力、應變、應變率和速度場可利用可用的機械模型很好地估算或通過直接測量獲得。因此，在寬範圍內即在當前可獲得的其它嚴重塑性變形工藝中及超出其的範圍內可系統地施加和改變非常大的應變變形條件。
通過以上所述，可理解的是，美國專利No.6,706,324提供了在廣泛的材料組中並且與其它工藝相比以較低的成本生產納米結晶結構的基礎。儘管美國專利No.6,706,324公開了可通過二次粉碎(例如球化、磨損、噴射研磨等)產生具有期望形狀和大小的切屑，但採用本發明的刀具夾持器組件10的調製技術可用於直接通過加工工藝產生期望形狀和大小的切屑。具體而言，如果加工期間在刀具進給方向上通過刀具夾持器組件10應用合適的調製條件，則在調製的各周期中未切的切屑厚度等於零，從而有效地斷裂切屑。如上所述，在調製的峰-峰的振幅大於刀具進給速率並且適當地控制調製頻率時，即調製頻率和工件旋轉頻率滿足充分的條件時，出現上述情形。這樣，通過加工將納米結晶材料的生產與合適的調製技術相結合，可生產具有特定大小和形狀的納米結晶切屑。相比之下，二次粉碎工藝僅提供切屑有限的或者沒有可控性的最終大小和形狀。因此，經由根據本發明的調製輔助式加工的納米結晶切屑的生產提供了在生產的過程控制和能力方面的顯著優點。
如上述實例，圖2和圖3是在垂直的調製輔助式車削操作中通過O(零)度前角的刀具產生的6061-T6納米結晶鋁切屑的顯微照片。切屑總體上具有大約75納米的典型粒度的等軸晶粒。圖2中的微粒在體積(大約6.25xl(TS毫米s)上大致相同，但是呈不同的形狀，包括等軸的、針形和片晶狀。圖3中的微粒也是同樣體積的顆粒(大約168.8x10—5毫米3),再次呈包括等軸的、針形和片晶狀的不同形狀。在外圓車削操作中利用直徑大小不同的杆產生這些顆粒。工件旋轉速度、切削深度以及調製頻率與振幅基於用於調製輔助式加工工藝的數學模型而改變。由於加工期間實現的晶粒細化，故切屑具有大約150HV的 硬度，這比初始鬆散原料硬50%。這樣的納米結晶切屑可通過粉末冶 金(PM)工藝結合到構件或結構中，或用作金屬和聚合基體複合物中的 重要成分。
納米結晶切屑的調製輔助式加工可通過相同的基礎途徑從少量 的試驗需求到大量的工業需求依比例決定。例如，在微粒形成的切屑 生產中，可通過提高的材料去除率以及設計成按比例地提高切屑生產 率的多邊切削刀具的使用實現提高的生產率，該提高的材料去除率由 受動態響應限制的提高的調製頻率補償。
現在將參考圓柱形垂直車削操作更詳細地描述用於本發明的調 制輔助式加工工藝的基礎，其中切削刀具平行於被加工的工件軸線(與 旋轉軸的軸線一致)移動，以便從工件的周邊去除材料層。本領域技術 人員將理解的是，橫向車斷面和切斷車削操作中的調製的應用以及其 它加工工藝(例如鑽削、磨削、研磨等)將遵循類似的途徑。
在本實例中，切削速度Ve根據以下方程式由工件直徑和旋轉速度 限定
vc=2nrfw
穩定狀態中在給定時間t處的切削刀具的刀具位置Z。為
其中Vf是沒有調製的情況下的進給速度(例如毫米/秒)，而t是時
間(以秒為單位)。在外圓車削期間刀具的軸向進給速度vf根據以下方
程式由進給速率a限定
vf=afw
其中Vf是在沒有調製情況下的進給速度(例如毫米/分鐘)，a是每 次迴轉的軸向進給速率(例如毫米/轉)，而fw是工件旋轉頻率(轉/秒)。 在任一時間t處的未切切屑厚度h是進給速率和所用刀具切削刃數量 的常數函數。對於具有"n"個切削刃的刀具，表達式為h(tha/『常數。儘管調製可以是時間的 一般函數，但在進給速度方向上的強迫二 次諧波調製被認為是用於本實例的方法，並且fm是以周/秒(Hz)為單位 的調製頻率。在正弦調製"t)-AC0S口TTU)沿進給速度的方向應用於刀具
的第一實例中，刀具位置隨時間周期性地改變，而未切的切屑厚度是 時間的函數。基於較早的報告，在任一時間t處，刀具位置是刀具的 瞬時位置Z(t)與刀具在前一周期中的相對位置Z(t-T)之間的差值(其中 t是由工件旋轉所限定的一個周期的時間段)。於是，瞬時的未切切屑
厚度h限定為
h(t)-z^z(t)-z(t-T)
對於正弦調製，作為時間和刀具切削刃數量n的函數的未切切屑
厚度的一般形式為
h(t)-z^n + z(t〉-z(t-T/n)
h(t) = VfT/n + 2A{cosnfm(2t-T/nsin[n(fm/n)TJ}
h(t) = a/n + 2A[cos(2nfJ - n(Vn)/fw)Isin(n(fJn)/f』
其中fw是工件旋轉速度(轉/秒)，T是工件一轉的時間段 =2TT/cow = 1/fw， n是切削刀具邊緣的數量，Vf是沒有調製的情況下的進
給速度(毫米/秒)，fm是以轉/秒(Hz)為單位的調製頻率r^"^轉/秒)， A是調製的峰-峰振幅的一半(毫米)，而T是時間(秒)。
在各個調製周期中當未切的切屑厚度(h)達到h=0的值時，出現單 獨顆粒的形成。數字地求解用於11=0的時間的值。通過未切切屑厚度 的函數關係，調製頻率和切削刃數量與工件旋轉頻率的比率(fn;n)/fw 必須不為零或偶數，因為用於h(t)的表達式中的n的偶數倍得到 h(t)=VfT=Vf/fw的恆定值(這些情形將意味著調製對未切的切屑厚度、 每周期刀具位置的相對變化、以及隨後的在時間t處的切削遵循與前 一周期t-T中的切削相同的路徑未施加影響)。在圓柱形垂直車削的情 況下，切削刃的數量(n)是一(單點車削)，而用於零切屑厚度的充分條 件是調製的振幅2A大於或等於"a，，，並且比率fjfw必須為1/2的奇 數倍，其中"a"大於或等於Vf/fw。儘管這些條件是在鄰近接觸區域處形成刀具-切屑界面之間的分離的數學充分條件，但系統柔度的物理
效應(例如刀具剛度、工件剛度)將增加實現h=0和有效地斷裂切屑所
需的振幅2A的實際大小。此外，要重點指出的是，實際值組中fn/fw
的比率取決于振幅2A的值、可導致單獨的切屑顆粒的形成。
通過用於h = 0的時間值的數值解，有可能確定切屑形成頻率和 絕對切屑長度的特徵。切屑形成的這些基於時間的屬性與調製振幅、 調製頻率和工件旋轉頻率相關，但是獨特的表達式不容易處理。然而， 通過h = 0的順序時間值的數值解可確定在調製情況下的切削的持續 時間。通過調製輔助式加工的切屑控制可明顯地影響加工切屑管理中 的材料處理或者在切屑的大小和/或形狀相關的應用中起重要的作用。 通常，對於給定的切削條件組，切屑形成頻率與調製頻率和工件旋轉 頻率的比率成比例。於是，每工件迴轉周期斷裂的切屑數量由下式給 定
fcB = fir/fw
其中，fcB是每工件迴轉斷裂的切屑的頻率(斷裂/轉)。通過降低工 件旋轉速度或提高調製頻率可減小切屑長度。由於調製不改變體積材 料去除的總速率，故每調製周期去除的體積可用於估計切屑的形狀。
削速度估算。切屑的實際形狀(和長度)是在調製期間刀具穿入的實際 通道距離與由於切削所引起的應變效果之間的複雜關係的結果。
L 2rrfwTCB
其中，TcB是用於一個調製周期的切削持續時間(h-O的數值解時 間值)，L是大致的切屑長度(毫米)，而fw是工件旋轉頻率(轉/秒)。
切屑的實際長度將取決於由調製振幅和頻率條件所引起的刀具 到工件中的穿入。重點指出的是，在數學模型中，可通過修改調製條 件直接控制切屑長度，並且在工件幾何形狀的極限範圍內基本上可獲 得任何的切屑長度。
在正弦調製z(t)=Acos(2nfmt)沿切削速度的方向應用於刀具的加工操作中，瞬時未切的切屑厚度11保持規定的刀具進給速度11=2。=￥{1=&= 規定常數的常數函數。儘管未切的切屑厚度不改變，但瞬時刀具位置 和切削速度Vc隨時間周期性地改變。在穩定狀態的條件下刀具相對工 件的相對周邊位置由下式給定
c(t) = 2nrfwt
其中，r是工件的半徑(例如毫米)。通過沿切削速度方向施加的調
制，在具有調製的情況下得到的切削速度(V^，毫米/秒)為
V咖- 2nrfw - 2nf, sin (2ttU) V加=v。 - 2nf, sin (2nfmt)
其中，Vc是在沒有調製情況下的切削速度(毫米/秒)，fm是調製頻 率(周期/秒，赫茲)，fw是工件旋轉頻率(轉/秒，赫茲)，A是調製的峰-峰的振幅的一半(毫米)，而t是時間(秒)。
如果乘積fmA大於或等於Vc/2 7t (備選地fmA大於或等於fm)，則 瞬時切削速度vcm在調製的各周期期間為零或較小，以便在刀具-切屑
接觸的鄰近區域啟動用於分離的必要條件。瞬時的分離通過允許潤滑 劑穿透刀具-切屑界面的區域來在加工工藝期間增強潤滑效能、以便改
善切削性能。fmA大於或等於Vc/2 7t的條件是在接觸的鄰近區域形成
刀具-切屑界面之間的分離的充分條件。但是，如調製沿進給速度的方
向情況一樣，實現O或較小的切削速度Vem所需的fmA的大小稍大於
Vc/2tt，以補償加工系統的柔性(例如刀具剛度、工件剛度等)。
採用包括大約0.150毫米/轉的進給速率a和大約2500轉/分鐘的 工件旋轉頻率fw的典型外圓車削條件，沒有調製的情況下的進給速度 Vf = 0.150毫米x 2500轉/分鐘/(60秒/分鐘)=6.25毫米/秒。對於沿進 給速度方向施加的調製，有效地斷裂切屑需要調製的振幅2A>a> 0.150毫米(h-0)。在相同的切削條件下，為了沿切削速度的方向施加 的調製變得有效，comA> Vf/2丌comA>大約0.97和2A=0.010毫米的 規定調製振幅必須與大約11.6kHz的頻率fm —起出現，以啟動用於 刀具與切屑接觸之間的分離(Vcm為零或較小)。要重點指出的是，調製條件在方向上的相對差值和相對分量導致切屑的形成或分離。
鑑於以上所述，注意到本發明的刀具夾持器組件10可克服用於
調製輔助式加工的現有裝備的各種缺點。通過利用諸如具有滾珠花鍵 軸承的磁致伸縮的或壓電機械的促動器的促動器技術，刀具夾持器組
件IO提供機械界面，以便以使得切屑的大小和形狀受控制的方式將
強迫的位移應用在切削刀具。線性滾珠花鍵軸承消除扭轉載荷與促動 器之間的相互影響，以便在允許沿調製方向的接近無摩擦的運動的同 時承載平面外施加的載荷。由於調製局部地施加在切削刀具和直接支 承刀具的部件上，因而避免了由大的機械構件質量所引起的可能的不
希望有的動力效應。刀具夾持器組件10提供相對便宜的途徑，以將
調製技術採用於諸如車削和鑽削的主流加工工藝中，並避免在基型機 床設計或定製改型的工具機構件中的調製所需的資本成本。現有的機械
刀具和工藝能通過刀具夾持器組件10改型，而其它備選的方式需要 明顯較高的成本和定製設計的工具機構件。刀具夾持器組件10還提供
通過允許更有效的潤滑和改善加工性能而在加工中減少能量需求的 潛能。通過刀具-切屑界面局部分離增強潤滑效能能夠在潛在地有利影 響加工操作的生態學的情況下潛在地減少(例如水和/或化學基的)力口工 外排流。
儘管已根據特定的實施例說明了本發明，但顯然的是本領域的技 術人員可採用其它的形式。因此，本發明的範圍僅由所附權利要求限 定。
權利要求
1. 一種構造為用於安裝在加工設備上的刀具臺座中的刀具夾持器組件，所述刀具夾持器組件包括刀具夾持器本體，其構造為用於固定到所述加工設備的刀具臺座上；刀具夾持器，其安裝在所述刀具夾持器本體上並構造為用於將切削刀具固定到所述刀具夾持器上；和裝置，所述裝置用於在所述刀具夾持器上施加重疊調製以便使所述切削刀具相對於所述刀具夾持器本體並因此相對於所述加工設備的刀具臺座運動。
2. 根據權利要求1所述的刀具夾持器組件，其特徵在於，所述施 加裝置是可操作的，以便使所述切削刀具相對於利用所述切削刀具進 行加工的坯體運動，並且在所述切削刀具與所述坯體之間的接觸點處虧1起所述切削刀具與所述坯體之間的瞬時和周期性的分離。
3. 根據權利要求1所述的刀具夾持器組件，其特徵在於，所述刀 具夾持器本體安裝到所述刀具臺座上以便與所述刀具臺座一起繞它們的共同軸線旋轉，並且由所述施加裝置施加的重疊調製包括所述刀具的沿著所述刀具夾持器本體和所述刀具臺座的共同軸線的運動。
4. 根據權利要求1所述的刀具夾持器組件，其特徵在於，所述刀 具夾持器本體安裝到所述刀具臺座上以便與所述刀具臺座具有共同的軸線，並且由所述施加裝置施加的重疊調製包括所述刀具的平行於 所述刀具夾持器本體和所述刀具臺座的共同軸線的運動。
5. 根據權利要求1所述的刀具夾持器組件，其特徵在於，所述刀 具夾持器本體安裝到所述刀具臺座上以便與所述刀具臺座具有共同的軸線，並且由所述施加裝置施加的重疊調製包括所述刀具的橫向於 所述刀具夾持器本體和所述刀具臺座的共同軸線的運動。
6. 根據權利要求1所述的刀具夾持器組件，其特徵在於，所述施加裝置包括所述切削刀具安裝於其上的軸；所述刀具夾持器本體中 的腔體，所述軸容納在所述腔體中使得所述軸和所述腔體具有共同軸 線；滾珠花鍵軸承，其用於允許在所述軸與所述刀具夾持器本體之間 平行於所述共同軸線的運動；以及用於使所述軸相對於所述刀具夾持 器本體並且平行於所述共同軸線雙向促動的裝置。
7. —種加工坯體以產生切屑的方法，所述方法包括步驟 提供被構造為用於安裝在加工設備上的刀具臺座中的刀具夾持器組件，所述刀具夾持器組件包括刀具夾持器本體，其構造為用於 固定到所述加工設備的刀具臺座上；以及刀具夾持器，其安裝在所述 刀具夾持器本體上並且構造為用於將切削刀具固定到所述刀具夾持 器上；以及在所述刀具夾持器上施加重疊調製，以便使所述切削刀具相對於
8. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述施加步驟包括 使所述切削刀具相對於利用所述切削刀具進行加工的坯體運動，並且 在所述切削刀具與所述坯體之間的接觸點處形成所述切削刀具與所 述坯體之間的瞬時和周期性的分離。
9. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述刀具夾持器本 體與所述刀具臺座一起繞它們的共同軸線旋轉，並且所述重疊調製包 括所述刀具的沿著所述刀具夾持器本體和所述刀具臺座的共同軸線 的運動。
10. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述刀具夾持器 本體安裝到所述刀具臺座上以便與所述刀具臺座具有共同的軸線，並 且所述重疊調製包括所述刀具的平行於所述刀具夾持器本體和所述 刀具臺座的共同軸線的運動。
11. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述刀具夾持器 本體安裝到所述刀具臺座上以便與所述刀具臺座具有共同的軸線，並 且所述重疊調製包括所述刀具的橫向於所述刀具夾持器本體和刀具臺座的共同軸線的運動。
12.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述重疊調製利 用軸施加，所述切削刀具安裝在所述軸上，所述軸容納在所述刀具夾持器本體中的腔體中使得所述軸和所述腔體具有共同軸線，滾珠花鍵:線的運動，並且所述軸相對於所述刀具夾持器本體並且平行於所述共 同軸線被雙向促動。
全文摘要
一種用於在加工工藝中有意地引起調製的刀具夾持器組件(10)和方法。刀具夾持器組件構造為用於安裝在加工設備上的刀具臺座(22)中並包括刀具夾持器本體(20)，其構造為用於固定到加工設備的刀具臺座上；刀具夾持器(14)，其安裝在刀具夾持器本體上並構造為用於將切削刀具(12)固定於其上；裝置(24)，其用於在刀具夾持器上施加重疊調製以便使切削刀具相對於刀具夾持器本體並因此相對於該刀具運動。刀具夾持器組件可在用於產生具有期望形狀和尺寸的切屑的工藝中使用，且尤其是可用於可控地產生納米結晶切屑的方法。
文檔編號B23B29/12GK101484261SQ200780025230
公開日2009年7月15日 申請日期2007年1月11日 優先權日2006年5月3日
發明者J·B·曼, S·錢德拉塞卡, W·D·坎普頓 申請人:普渡研究基金會