工具機及工件加工方法

2023-05-02 17:50:16

專利名稱：工具機及工件加工方法
工具機及エ件加工方法本發明涉及一種根據獨立權利要求前述部分所述的工具機及エ件加工方法。用帶有定義型切削刀的工具去對エ件進行切削加工是為大家所熟知的。這其中最常見的エ藝有鑽削、車削、銑削和刨削。所用的切削工具具有ー個或幾個具有明確定義的、可清晰描述的刀刃。該切削加工是通過刀具，尤其是其刀刃，與被加工エ件間的相對運動(切削運動)來實現的。該エ藝在一定的工具損耗下以一定的材料去除率進行切削加工，並且加工出的表面具有在一定程度上可預見的特徵。就鑽削而言，原則上是移動刀具並同時轉動被加工エ件。就銑削而言，原則上是銑削工具一邊轉動一邊行進，或是轉動銑削刀具的同時讓エ件自身行迸。就刨削而言，可以讓刀具或被加工エ件行迸。此外大家知道的還有，利用不帶有定義型切削刀的振動性工具去對エ件進行加エ。此類振動性工具粗糙,做研磨式工作並且以相對較高的頻率振動著(振動運動)，例如以超過5kHz或超過IOkHz或超過20kHz的頻率。由於這樣的高振動頻率，其能超出人類聽カ範圍，因此此類加工エ藝通常又被稱為超聲波加工，並且此類機器被作為超聲加工機。該工具的振動可以為平移式或旋轉式振動。此類工具可表面平行於エ件滑動而後去除エ件表面材料。但也可捶擊式的作用於エ件。這些使用帶有定義型切削刀的工具的現有加工エ藝的缺點是，在某些加工情況下，尤其是對某些エ件材料，其材料去除率相對比較低或刀具磨損比較嚴重或被加工エ件表面光潔度相對較差。顯然，用傳統的帶有定義型切削刀的工具進行加工時發生的切屑斷裂會導致加工成的表面較粗糙並有劃痕，其機械上沒有理想的對環境的抵抗力並易受其影響(腐蝕，生鏽)。本發明的任務是提供一種工具機和一種エ件加工方法，其在某些加工環境下，提供較高的材料去除率和/或較低的工具損耗和/或較好的表面光潔度，尤其是在エ件上得到平滑密實的加工表面和具有較高殘餘壓應カ的加工表面。所述任務是通過獨立權利要求所述的技術特徵而得以實現的。從屬權利要求旨在本發明的優選實施例。一臺工具機具有ー個切削工具，其用於通過工具相對於エ件的切削運動來對エ件進行加工；和一個振動単元，其用於在工具和エ件之間產生振動運動。通過ー種エ件加工方法，使工具和エ件之間開展相対的切削運動，並與此同時或與此交替地開展振動運動。將切削加工和振動加工相結合的優點在於，通過切削工具的定義型切削刀以及エ件和刀刃間變化的相對運動使得切屑從該エ件中排除出去。該排屑エ藝因而追求的不是速度而是效果。該エ藝由此可加工出較精細的表面，並且エ件表面在加工後具有一個較高的殘餘壓應カ且較少情況會被劃傷和留下紋路，從エ件硬度和其表面對環境的抵抗力及機械應カ來看這些都正是我們所希望的。該振動單元優選位於工具附近。它可以包括ー個或多個壓電致動器或電磁致動器。其振動頻率可以是大於5kHz，大於10kHz，大於20kHz或大於40kHz。該工具機可以是ー臺鑽床、一臺銑床、一臺車床、一臺刨床或類似設備。該振動運動的方向可以平行和/或垂直於刀具的切割運動或二者間有ー個夾角。該振動運動方向可以是平行於エ件局部瞬時表面或與該表面夾有某個大於0°的角度。它還可以是垂直於エ件表面。該切削工具可適應於所說的可能的振動運動，例如該工具的某些個表面或刀刃呈粗糙的、齒狀的或其他的如由現有刀具改造而來的。可以如此去改造，以使該刀具具有或避免特定的共振頻率。該振動単元可以是ー個可快速更換的(自動更換式)切削工具的一部分，其次它可通過適當的裝置來接收能量。例如，可以含有一個無線的(電感式)電カ傳輸裝置。一個控制/調節裝置可控制或調節該切削運動和該振動運動。可含有用於確定エ藝參數的傳感系統，其中該エ藝參數將可被反饋到控制裝置。該切削運動控制和振動運動控制可互相獨立地或互相交錯地開展。其中一個可以根據其中另ー個的控制參數或測量參數的大小而被控制或調節。切削運動和振動運動可以相互同時被控制或有選擇的相互獨立的分別單獨被控制。下面將參照附圖對本發明的個別實施例進行描述。附圖示意性地展示

圖1 一臺工具機示意圖，圖2該工具機的控制系統，圖3—個工具，圖4方向參數。圖1不意性地展不了一臺工具機10。它包含有ー個機器框架I。在使用時，通過各種中間部件，エ件6被固定到了機器框架I上的ー側而切削工具7被固定到了另ー側。可含有多個調節軸2a，2b以用於靜態調整工具和/或エ件的平動位置和/或旋轉位置。可在機器框架I與工具臺4之間設有調節軸2a，和/或在機框架I與工具7之間設有調整軸2b。此外，還含有至少ー個該切削工具或エ件臺或エ件夾固裝置的驅動器3a，3b。一般來說，所述驅動器可以為電動的，並且包括一個機械加速或減速裝置。所說切削工具可以為ー個銑刀，尤其是端銑刀，其在エ件加工時在電驅動下可進行轉動。在其為鑽具的情況下，例如，驅動器3b可以為ー個帶有齒輪的電動發動機，其使鑽具7或鑽具盤進行轉動。在其為車床的情況下，驅動器3a可以是ー個帶齒輪的電動發動機，其使車刀盤進行旋轉。通常，驅動器3a可置於機器框架I和エ件6之間，和/或驅動器3b可置於在機器框架I和工具7之間。工具7可通過快速離合裝置5，5a和/或通過工具接ロ 5b進行更換，以致該工具能快速地且必要時還能自動地被更換棹。該快速離合裝置5，5a可以為ー個普通的錐形離合器，其包含工具側錐體5a和對應的工具機側套ロ或類似物。工具接ロ 5b可直接安在原刀具上並含有刀柄套ロ，並且該工具接ロ還可以含有一個夾鉗或類似物。エ件6可置於エ件臺4上並被夾緊固定於此處。含有一個振動単元11，其用於除工具7和エ件6之間常規的切削運動之外，還在它們之間引發相対的振動運動。圖1示意性地展示了一個實施例，其中振動單元11位於快速離合裝置5a機器框架側的側端上。然而，該振動單元11也可置於動カ流的其他位置上。該振動単元也可以被安置的較靠近工具，如位於快速離合裝置5的刀具ー側，其中在振動單元11和工具之間還配有所述的工具接ロ 5b。該振動単元11還可以裝配於エ件臺4附近，如エ件臺4和驅動器3a之間或者調節控制元件2a的一旁或者機器框架I上.
所示的實施例也展示了用來使工具7振動的振動單元11。該振動可以為線性振動或旋轉振動。線性振動可擁有平行和/或垂直於エ件局部平面的方向分量。為鑽床時，可以沿著鑽軸進行此振動。為車床時，可使車刀進行振動。為銑削時，可讓銑削刀具或被加工エ件進行振動。旋轉振動可以繞ー個該機器內已現有的旋轉軸來進行，並由一個被適當安裝和驅動的振動單元來引發。一般情況下，該旋轉振動可作用於其本就從事轉動運動的機器部件上(例如鑽床的鑽具底盤或鑽具)。但也常還可-繞同樣的軸-作用於跟該從事轉動的部件相対的部件上(當為鑽床時，於エ件臺或加工エ件上)。為車床時，可使車刀盤繞旋轉軸做旋轉振動。為銑床時，可使銑削工具繞它自己轉動軸做旋轉振動。多個振動，並尤其旋轉振動和線性振動，可同時並相互疊加地由多個振動單元而引發。當含有多個振動單元時，它們可以一部分固定在エ件或エ件臺上，一部分固定在刀具或刀具固件上。一個振動単元可包括一個或多個振動器，例如壓電元件。這些振動器可以接收相同的或不同的信號。不同信號間的差異可為一個相移或一次變頻。振動頻率可設為大於5kHz或大於IOkHz或大於20kHz或大於40kHz。振動單元11和驅動器3a，3b可以同時運作或単獨分別交替運作。對這兩種運行模式(一起、交替)都可進行控制。一般情況下，工具機10可包括用於檢測エ藝參數的傳感系統14。該傳感系統可包括分布在該工具機上的一個或多個傳感器。通過導線16，檢測信號將被反饋給控制/調節裝置12並於其處被記錄下來和/或被輸出和/或部分用於控制若干該機器的組件。該控制裝置12擁有控制線15通向該機器的個別組件，尤其是通向驅動器3a，3b、定位軸2a，2b和振動單元11. 此外，還可含有一個並未畫出的針對操作人員的輸出設備。13表示ー個數據存儲器(例如半導體和/或磁碟)，其中例如一方面，存儲有該エ件的加工程序；另一方面，也還可存有該切削運動、振動運動或其相互依賴性的控制參數的關鍵值，尤其是切削運動和振動運動的輸入參數或計算/測量參數的關鍵值(表格式的，公式的)。該控制裝置可以訪問此存儲器，並於此獲取例如用於從輸入量來確定調整量的兩維或多維表格。通過振動單元11可以對ー些個別參數進行調整/控制，尤其是對振動頻率，振動振幅，被控信號的波形，振動的方向及諸如此類。可以對單個或多個參數進行調節，即根據探測並反饋回的值的大小來校正。圖2示意性地展示了一個控制裝置的調節技術部分。12表示圖1中的調節器。程序技術部分並未被畫出，但其ー樣也是可存在的。該程序技術部分可以儲存有ー個加工程序，該程序控制各個機器組件並給出控制及調節的各個控制參數及設定值。該控制裝置12可為數字式控制裝置，還可在其通向作業端的接ロ處含有模/數轉換器，該模/數轉換器並未在圖中顯示出。根據不同的運行狀態，該控制裝置12及調節裝置12可獲得各個設定值，這些值是從，例如，一個存儲器13中取得的或者由該控制程序計算確定的。在圖2中，該控制裝置12示意性地顯示由兩部分組成，即ー方面，由切削工具7的常規驅動器3b的調節器21，即例如鑽具的電動發動機。就這方面來講，框3b表示該實際作業端。14a表示有關該常規切削運動的傳感系統，其結果通過導線16a被反饋。此外，含有另外ー個調節器22，其控制調節本發明中的振動運動。它通過導線15b向對應的實際作業端提供信號，尤其是向振動單元11。14b表示測量振動具體數值的傳感系統，其結果可通過導線16b被反饋。基本上講，振動運動和切削運動可被同時控制或者被交替地控制。其每個運動的控制都可以根據各自単獨要求在控制或調節面上相互獨立地完成，或者每個運動的控制也可交錯地完成，例如其中提供給常規的切削運動驅動器的輸出信號15a還傳給了振動驅動器的調節器22 (導線23)，和/或相反地，其中給振動驅動器11的輸出信號15b還輸入給了切削運動的調節器21 (導線24)。此外，若需要時信號16a，16b還可「交叉」反饋，即振動驅動器的調節器22獲取有關切削運動的處理信號(導線16a)，和/或相反地，切削運動的調節器21獲得有關振動運動的處理信號(導線16b)。各個參數的結合和交錯可依照公式或圖表來完成，這些公式和表格已被妥當存儲並被提前讀取出來。然而，也可採用ー種相對簡單的控制方式，其必要時可以完全無反饋地對切削運動和振動運動簡單地按照設定值進行控制，但當然其中這些設定值是可相互參照來計算確定的。可含有一個或多個振動単元11。例如，可在刀具7近旁提供ー個第一振動單元11，並在エ件6或エ件臺4近旁提供ー個第二振動器裝置11。這些振動單元可被單獨控制/調節或相互參考著來進行控制/調節，其類似於參照圖2所描述過的有關切削運動控制器21和振動運動控制器22的相關處理。一個單獨的振動單元11也可用於產生沿多個軸的振動，其中每個軸都是可彼此互相獨立的被控制的。應當指出的是，圖2僅展示了整體控制系統的一部分。其中，ー些控制的傳統常規組件(例如定位軸，換刀器)並未畫出，但是他們也是可以存在的。控制裝置12可以為ー臺按照相應要求所配置的過程控制計算機的一部分。工具機10中的傳感系統可以包括ー個或多個下列傳感器，這當中「傳感器」 ー詞還可以附帶包含較複雜的估值機械在振動單元11的頻率範圍內的用於測量振動幅度或振動幅度變化的傳感器；用於測量驅動器的，特別是振動驅動器11的，電壓和/或電流的傳感器，其必要時還測量每個驅動器的電壓和電流之間的相位差，必要時還有每個值(電流，電壓，相位)的變化；用於測量切削加工的進給速度的傳感器。也可含有其他額外的傳感器。圖3示意性地展示了可快速更換的切削工具単元30的一個實施例。該工具単元包括原切削工具7，例如端糹先刀。此外，它還包括有振動單元11。該工具單元進ー步還包括ー個電カ供應31，和一個離合部分5a以使該工具単元30可與工具機連接起來。該離合部分5a可以為常見的錐形離合器或者類似裝置。在振動單元11和刀具7之間可含有允許刀具7更換的工具接ロ 5b。振動單元11可以為ー個機電式運行的振動單元或壓電式運行的振動單元。這兩種情況下，該單元都須要電力。該電カ可以通過一個傳統的電源連接來提供，當使用自身轉動的工具時，該電源連接則必然會發生纏繞打結，因而其可能必須安排設計的相對繁瑣些。該電カ供應也可以無線的方式來實現，例如電感式，其中該工具単元內含有例如ー個感應線圈32 ;—個外部磁場，箭頭33所示，相對於該線圈發生著變化。該線圈32可位於如ー個與旋轉的工具的旋轉軸相垂直的平面內， 並且被ー個以一定頻率自身變化的外磁場所穿過。但也還可以被設計成，讓該線圈處在一個靜態的外磁場中，並由於工具的旋轉運動而造成一個變化的磁場通過該線圈面。這樣產生一個感應交流電壓，其可直接提供給致動器。但也可以給其他的(未畫出的)電動或電子元器件去進行電壓成形。圖3的實施例的優點在於，一個如此構造的切削工具單元30可以比較容易地應用在一個傳統的工具機10上。尤其是，該單元無須跟電源有接觸。當然為確保滿意的電感耦合效果，則可能需要在本地生成一個合適的磁場。圖4a示意性展示了一個視圖來說明在工具7為銑刀的情況下的方向參數。該圖示意地展示了一個在エ件表面上由左向右工作的端銑刀(箭頭74)。其按照箭頭42逆時針繞軸43旋轉。71為該端銑刀的刀刃。此外，銑刀7和エ件6之間的相對切削運動是沿箭頭74的方向(X方向)展開。振動運動可與該切削運動方向成正交，如垂直於圖平面(y方向)。但振動方向還可以是其他的不同於所示的方向，如沿X方向或沿z方向或可傾斜於這些方向。圖4b示意性展示了一個視圖來說明當工具7為鑽具情況下的方向參數。它示意地顯示了一個插入到エ件6內的鑽具7。71表示鑽具的切削刃。在傳統操作中，鑽具7繞其軸線73旋轉，如箭頭74所示。切削刃71上的每個點則做ー個圓形的切削運動，如箭頭74所示。根據本發明，由箭頭74所表示的切削運動可與ー個振動運動75相疊加，或者運動75，74相互交替地進行。圖4b展示了一個實施例，其中振動運動沿箭頭75進行，也就是鑽軸73的方向上(Z方向)。該振動運動75不平行於該切割運動方向74。它可以與該切削運動方向約成直角，或特別是在鑽軸的方向上。在所示的實施例中，該振動運動不平行於鑽具刀口下的局部エ件表面。實際上它是淺淺地撞入該表面。與傳統的切削工具相比較，此工具還可以按照振動運動來進行設計。例如，該工具的某些面或刀刃可以是粗糙的，或者與現有工具相比較而言是按某種方式進行過改造的。尤其是，例如切削工具的前刀面或工具的刀刃或工具的後刀面可以至少局部為粗糙或帶齒的，以便於按所期望的方式調節該振動運動的效果。該工具也可以被設計成，按照希望的激發振動而使其具備一定的共振頻率或使其在某頻率範圍內避開一定的共振頻率。工具共振頻率和振動激發頻率可存在一個預先給定的失調量(差)，該量為可控的且若調節技術上需要時，其還可以被留存。該切削工具的設計可以通過對工具進行有目的的材料添加或材料去除來實現。在沒有明確說明，且技術上可行的情況下，本說明書中所描述的現有技術或本發明的技術特徵應該還可相互結合。對エ藝流程的描述還應該被理解為是對該流程具體實施設施的描述，對裝置和部件的描述也應該被理解為是對該裝置和部件所實施的エ藝流程的闡述。
權利要求
1.一種工具機(10),其包含 工具(7)，其帶有定義型切削刀(71)，並用於通過所述工具(7)相對於工件(6)的切削運動(74)來加工工件， 其特徵在於 振動單元(11)，其用於在工具(7)和工件(6)之間產生振動運動(75)。
2.根據權利要求1所述的工具機，其特徵在於所述振動單元(11)還適應於使所述工具(7)或所述工件臺(6)做振動運動(75)。
3.根據權利要求1或2所述的工具機，其特徵在於所述振動單元(11)適應於產生一個沿一個方向上的振蕩型振動(75)，其中所述方向為平行或垂直於所述切削運動(74)的方向或與該切削運動的方向成一定夾角。
4.根據一個或多個前述權利要求所述的工具機，其特徵在於所述工具(7)為鑽具、銑刀、尤其是端銑刀、刨刀或車刀。
5.根據一個或多個前述權利要求所述的工具機，其特徵在於所述工具(7)為端銑刀或鑽具，並且所述振動單元(11)適應於在一個平行或垂直於它們轉軸(73)的方向(75)上或與該軸成一定夾角的方向上來振動所述端銑刀及所述鑽具(7)。
6.根據一個或多個前述權利要求所述的工具機，其特徵在於多個相互相關或相互獨立的可控的振動單元(11)。
7.根據一個或多個前述權利要求所述的工具機，其特徵在於所述振動單元(11)包括電磁或壓電式驅動器，並優選地以大於5KHz或大於IOKHz或大於20KHz的振動頻率工作。
8.根據一個或多個前述權利要求所述的工具機，其特徵在於控制裝置(12)，其用於控制所述切削運動(74)和控制所述振動運動(75)。
9.根據權利要求8所述的工具機，其包含裝置(21)，其用於根據一個或多個所述振動運動(75)的可調參數值或計算參數值的大小來控制一個或多個所述切削運動(74)的可調參數，和/或裝置(22)，其用於根據一個或多個所述切削運動的可調參數值或計算參數值的大小來控制一個或多個所述振動運動(75)的可調參數。
10.根據權利要求8或9所述的工具機，其特徵在於包括一個或多個傳感器(14)，其用於檢測一個或多個與所述切削運動(74)有關的和/或與所述振動運動(75)有關的參數，尤其是檢測一個或多個所述致動器上的振動的振幅和/或電壓和/或電流，和/或所述振動單元(11)的機械振動、電壓和電流中二者間的相位差，和/或所述切削加工的進給速度(77)。
11.根據權利要求8至10中的一個或多個權利要求所述的工具機，其特徵在於所述控制裝置(12)可使所述切削運動(74)和所述振動運動(75)同時進行或對同一所述工具單獨分別進行。
12.根據一個或多個前述權利要求所述的工具機，其特徵在於所述工具(7)包括一個至少部分粗糙的前刀面或後刀面或刀刃。
13.根據一個或多個前述權利要求所述的工具機，其特徵在於所述工具(7)為可更換的，且所述振動單元(11)位於所述可更換的工具內，其中所述振動單元(11)優選地包含用於無線接收能量的裝置(31-35)。
14.一種工件加工方法，其包括在帶有定義型切削刀的工具和工件之間開展相對的切削運動和振動運動，其中所述切削運動和所述振動運動既可同時又可單獨分別進行。
15.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於沿一個平動軸和/或繞一個旋轉軸來進行該振動。
全文摘要
工具機(10)帶有一個切削工具(7)，其用於通過該工具(7)的相對於工件(6)的切削運動(76)來加工工件，和一個振動單元(11)，其用於在工具(7)和工件(6)之間產生一個振動運動(75)。一個工件加工方法，其在切削工具(7)和工件(6)之間開展一個相對切削運動(76)並同時或交替的再開展一個振動運動(75)。
文檔編號B23Q5/027GK103052457SQ201180036387
公開日2013年4月17日 申請日期2011年7月15日 優先權日2010年7月16日
發明者阿克塞爾·黑森坎普爾, 漢斯-約爾格·普克爾 申請人:邵爾超聲波有限責任公司