CN101479068B - 深孔加工装置 - Google Patents

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Abstract

一种能够防止刀痕扩散的深孔加工装置。所述深孔加工装置包括：用于被驱动旋转以在物体(W)中钻削深孔(Wa)的刀具(12)；用于在深孔钻削期间以加速度形式检测刀具(12)的振动的加速度计(19)；监测设备(20)，其用于分析所检测的加速度的频率，并且在频率范围中的除深孔钻削期间一直引起的扭转振动固有频率的频率以外的回转固有频率和弯曲固有频率的总值超过预定阈值(α)时判断在深孔(Wa)中产生刀痕；和NC设备(18)，其用于依据由监测设备(20)作出的判断来控制刀具(12)的旋转和进给速度。

Description

深孔加工装置 
技术领域
本发明涉及能够防止刀痕扩散的深孔加工装置。 
背景技术
一种在工件(待加工的物体)中钻孔的普通和常用的方法如下。例如钻头等刀具附接到例如卡盘等刀具保持构件，并且然后刀具旋转以形成孔。最近的制造多种紧凑产品的趋势要求用于这些产品的紧凑的构成部分。制造紧凑构成部分通常要求在构成部分中钻削出具有小的直径并较深的孔。钻孔必须精确。 
钻削具有大的孔深/孔径比的孔被特别称为深孔钻削。传统已知的钻削深孔的技术包括枪钻系统及BTA(Boring and Trepanning Association)系统。所形成的用于深孔钻的刀具具有对应于将要在工件中钻削的孔的所希望的形状的小的直径和长的尺寸。所形成的刀具的尖端因此较长，但某些时候径向摇摆，并且摇摆使得不可能钻出精确的深孔。 
迄今已经提供了多种深孔加工装置，用以减小用于深孔钻削的刀具的摇摆并钻削精确的深孔。这样的传统型深孔加工装置的实例发布在专利文献1到3中。 
专利文献1：JP-A-H7-51992 
专利文献2：JP-A-2003-159607 
专利文献3：JP-B-3026555 
发明内容
本发明要解决的问题 
有时在深孔钻削期间形成作为刀痕公知的螺旋状擦痕。刀具尖端的回转振动在深孔的内周表面中形成刀痕。 
每种刀具具有取决于它的长度的弯曲固有频率。在弯曲固有频率与所施加的比转速高x倍的激励力频率一致(coincide)的状态下，更易于发生摆振。 一旦发生摆振并且产生刀痕，则在刀痕的影响下会导致发生另外的回转振动(自激振动)的现象。由此，刀痕被扩散。 
在钻削深孔的单个操作期间，会出现刀具突出量的较大变化，并且这样的变化又引起刀具的回转振动的频率的较大变化。因此，作为回转振动的因素，弯曲振动的弯曲固有频率和用作激励力的比转速高x倍的频率分量不可避免在单个钻削操作中至少一次彼此一致。这样看来，防止刀痕的发生是很难的。 
因此，一种必须采用以应对刀痕的适合的措施为：在发生刀痕之后立即检测出刀痕，并改变钻削状态为那些能够避免发生刀痕的状态。然而，目前没有深孔加工装置采用任何对策来抑制刀痕的发生。 
因此，本发明提出以解决上述的问题，并且本发明的目的在于提供深孔加工装置，其能够防止刀痕的扩散。 
本发明装置 
所提供的用以解决上述问题的依据第一发明的深孔加工装置的特征在于包括： 
刀具，其被驱动旋转以在要加工的物体中钻削深孔； 
振动检测装置，其在深孔加工期间检测刀具的振动； 
刀痕判定装置，其对振动检测装置所检测的振动进行频率分析，当频率的总值超过预定的阈值时，刀痕判定装置判定在深孔中产生了刀痕，频率的总值所在的频率范围不包括深孔加工期间持续产生的扭转振动的扭转振动固有频率。 
控制装置，其基于由刀痕判定装置所作出的判定来控制刀具的转速和进给速度。 
所提供的用以解决上述问题的依据第二发明的深孔加工装置是第一发明的深孔加工装置， 
该设备特征在于：刀痕判定装置仅在总值连续超过阈值一预定时间的情况中判定在深孔中产生了刀痕。 
所提供的用以解决上述问题的依据第三发明的深孔加工装置是第一和第二发明中的任一个的深孔加工装置， 
该设备特征在于：刀痕判定装置在刀具的转速达到额定转速时开始进行判定。
所提供的用以解决上述问题的依据第四发明的深孔加工装置是第一和第二发明中的任一个的深孔加工装置， 
该设备特征在于：刀痕判定装置在流过驱动刀具旋转的马达的电流达到额定电流时开始进行判定。 
所提供的用以解决上述问题的依据第五发明的深孔加工装置是第一和第二发明中的任一个的深孔加工装置， 
该设备特征在于：刀痕判定装置在由刀具和待加工的物体之间的接触而产生的推力载荷达到额定推力载荷时开始进行判定。 
所提供的用以解决上述问题的依据第六发明的深孔加工装置是第三到第五发明中的任一个的深孔加工装置， 
该设备特征在于：当刀痕判定装置判定深孔中产生了刀痕时，存储此时计算出总值的频率范围。 
所提供的用以解决上述问题的依据第七发明的深孔加工装置是第一发明的深孔加工装置， 
该设备特征在于：在完成深孔的钻削且没有总值超过阈值的情况中，通过以所希望的安全因子乘以总值而计算出新的阈值，并且新的阈值用于相同钻削条件下进行的下一次判定。 
发明效果 
依据第一发明的深孔加工装置包括：刀具，其被驱动旋转并且用以在待加工的物体中钻削深孔；振动检测装置，其在深孔加工期间检测刀具的振动；刀痕判定装置，其在一频率范围内的频率的总值超过预定的阈值时判定在深孔中产生刀痕，所述频率范围不包括整个深孔加工期间产生的扭转振动的扭转振动固有频率；和控制装置，其基于刀痕判定装置所做出的判定而控制刀具的转速和刀具的进给速度。因此，通过对所检测的振动进行频率分析而防止了刀痕的扩散，然后判定是否产生刀痕，并且，之后立即改变状态至不易产生刀痕的一种状态。 
依据第二发明的深孔加工装置是第一发明的深孔加工装置，在该设备中刀痕判定装置仅在总值在一预定时间长度内连续超出的情况中判定在深孔中产生刀痕。因此，即使存在由于干扰等造成了瞬时加速增加也能够避免判定偏差。 
依据第三发明的深孔加工装置是第一和第二发明中的任一个的深孔加 工装置，在该设备中刀痕判定装置在刀具的转速达到额定转速时开始判定。因此，即使在钻削加工开始时的定位而导致的待加工的物体和刀具之间的碰撞使得全频率的振动增加并且所增加的振动超过阈值时也能够避免判定误差。 
依据第四发明的深孔加工装置是第一和第二发明中的任一个的深孔加工装置，在该设备中刀痕判定装置在流过驱动刀具旋转的马达的电流达到额定电流时开始判定。因此，即使在由于钻削开始时的定位而导致的待加工的物体和刀具之间的碰撞使得全频率的振动增加并且所增加的振动超过阈值时也能够避免判定误差。 
依据第五发明的深孔加工装置是第一和第二发明中的任一个的深孔加工装置，在该设备中刀痕判定装置在刀具和待加工的物体之间的接触而产生的推力载荷达到额定推力载荷时开始判定。因此，即使在由于钻削开始时的定位而导致的待加工的物体和刀具之间的碰撞使得全频率的振动增加并且所增加的振动超过阈值时也能够避免判定误差。 
依据第六发明的深孔加工装置是第一到第五发明中的任一个的深孔加工装置，在该设备中刀痕判定装置在刀具和待加工的物体之间的接触而产生的推力载荷达到额定推力载荷时开始判定。因此，即使在由于钻削开始时的定位而导致的待加工的物体和刀具之间的碰撞使得全频率的振动增加并且所增加的振动超过阈值时也能够避免判定误差。 
依据第七发明的深孔加工装置是第一发明的深孔加工装置，在该设备中，在完成了深孔钻削而没有总值超过阈值的情况中，通过以预定的安全因子乘以总值而计算出新的阈值，并且新的阈值用于相同钻削条件下进行的下一次判定。因此，由于能够获得用于每个时间段的阈值，可以进行更为精确的判定。另外，甚至可以自动响应由于例如用于工件的材料和刀具的形状的钻削条件的改变而引起的加速度级的改变。 
附图说明
[图1]图1是依据本发明的实施例的深孔加工装置的示意图。 
[图2]图2是示出了加速度的频率分析的结果的图表。 
[图3]图3是示出了当产生刀痕时加速度的频率分析的结果的图表。 
[图4]图4是示出了总值的时间变化的图表。
[图5]图5是示出了设定阈值的另外的方法的图表。 
[图6]图6是依据本发明的另外的实施例的深孔加工装置的示意图。 
1和2：5轴BTA机床；11：钻杆；12：刀具；13：支撑构件；15：压头；16：伺服马达；17：滚珠丝杠机构；18：NC设备；19：加速度计；20：监测设备；21：遥测计；22：电缆；W：工件；Wa：深孔。 
具体实施方式
下面参考附图描述依据本发明的深孔加工装置的详情。图1是依据本发明的实施例的深孔加工装置的示意图。图2是示出了加速度的频率分析的结果的图表。图3是示出了当产生刀痕时加速度的频率分析的结果的图表。图4是示出了总值的时间变化的图表。图5是示出了设定阈值的另外的方法的图表。图6是依据本发明的另外的实施例的深孔加工装置的示意图。 
图1示出了5轴BTA(Boring and Trepanning Association)机床，其是深孔钻削设备，用以在工件(待加工的物体)W中钻削深孔。5轴BTA机床包括五个钻杆11，每个钻杆具有空心结构。每个钻杆11在它的尖端具有刀具12。钻杆11穿过支撑构件13，并由其支撑。管状压头15穿过支撑构件13，并且未示出的滑动轴承布置在各个压头15内。由此，由此支撑的钻杆旋转并沿轴向移动。 
另外，5轴BTA机床包括：伺服马达16，其驱动以旋转钻杆11；和滚珠丝杠机构17，其沿轴向移动钻杆11。NC(数字控制)设备18连接到伺服马达16和滚珠丝杠机构17。加速度计(振动检测装置)19布置在形成在每个压头15的尖端处形成的斜面上。加速度计19连接到NC设备18，监测设备(刀痕判定装置)20设置于两者之间。 
在工件W中钻削深孔开始时，布置5轴BTA机床1使得在压头15的尖端能够压在工件W上的各个预定位置上的位置处。然后，伺服马达16和滚珠丝杠机构17被驱动。利用刀具12的各个钻杆而给刀具12施加预定的转速和进给速度。由此在工件W中形成深孔Wa，每个深孔Wa具有所希望的孔深和所希望的孔径。在深孔被钻削的同时，切削油从未示出的油供应设备提供至刀具12的尖端。切削油和刀具12所削掉的切屑穿过钻杆11的中空部分，并排出刀具12的内部。 
随着深孔Wa的钻削的进展和进给量加大，钻杆11从压头15突出较大的量。同时，弯曲固有频率变化。在变化的弯曲固有频率与高于转速x倍的分 量的值相同时，满足了更易于产生回转振动的状态。当这样的状态得以满足时，螺旋擦伤形式的刀痕可以形成在深孔Wa的内周表面中。 
优选地，在工件W中钻削深孔期间在同一钻削加工中判定是否形成刀痕。下面将给出关于监测设备20进行这样的判定的方法的描述。 
首先，在每个钻杆11中产生的振动通过对应的压头11得以传递，并且然后由加速度计19进行加速度检测。由此检测到的加速度信号发送到监测设备20。监测设备20利用傅立叶变换分析加速度信息的频率。然后监测设备输出每个钻杆的加速度频率分析的结果，如图2中示出。 
在钻削进行的同时，切削抗力施加到钻杆11(刀具12)。由此，持续地在钻杆11上产生扭转振动。突然地，在图2中，在围绕频率f和围绕频率2f的频率范围处观察到加速度明显量变。众所周知的事实是：在这些频率周围观察到的分量是源自于扭转振动的振动分量。典型地，扭转振动固有频率仅具有单峰。但是，例如，如图2所示，可以观察到由转速所调制的分量(扭转振动固有频率±转速)的峰。另外，在比扭转振动固有频率大两倍的频率处可以观察到峰，其源自于扭转的波形(distorted waveform)。注意，下文中，在围绕频率f的范围处和围绕频率2f的范围处的扭转固有频率将分别表述为T-分量和2T分量。 
随后，随着钻杆11的进给量增加，钻杆11从压头突出的量也增加。逐渐地，在钻杆11上产生回转振动和弯曲振动，并且由此引起刀痕易于在深孔Wa中产生的状态。 
如图3所示，由于所产生的刀痕，在T分量下的频率范围中的回转振动分量变大。另外，由于回转振动分量由源自于扭转振动固有频率的振动分量所调制，在T分量和2T分量之间的频率范围内的振动分量也变大。注意普通加速计对于更高频率范围中的振动的检测更为敏感。在T分量和2T分量之间的频率范围中的峰大于在T分量之下的频率范围中的峰。 
如迄今已经描述的，当产生刀痕时，在T分量和2T分量之间的频率范围中发生加速度的大的变化。因此，获得了对于每个预定时间段的在该频率范围内的加速度(回转固有频率和弯曲固有频率)的总值(overall value)(平均值)。总值的时间变化对应每个钻杆11输出，时间变化在图4中以实线表示。在图4中，虚线表示伺服马达16的转速。S表示钻削开始的时间。E表示钻削完成的时间。
另外，如图4所示，监测设备20具有为总值预先设定的阈值α(用双点划线表示)。监测设备20判定所计算的总值是否超过阈值。未超过阈值α的总值允许继续进行深孔的钻削。反之，当总值超过阈值α时，则判定是否在分别对应于钻杆11的深孔Wa的任何一个中产生刀痕。然后，从监测设备20发送报警信号到NC设备18。 
随后，输入报警信号的NC设备18发送停止信号至伺服马达16和滚珠丝杠机构17。因此，全部钻杆11(刀具12)逐步停止旋转及进给。当对于钻杆11的驱动被停止时，对应于产生了刀痕的深孔Wa的刀具被操作人员用新的刀具替换。然后，采用相同的转速和相同的进给速度重新进行深孔的钻削。 
由这个原因，依据本发明的深孔加工装置，在判定产生了刀痕之后不久，状态立即改变到不易于产生刀痕的状态。由此，刀痕的扩散能够得以防止。 
另外，对于在每个钻杆11上产生的振动进行频率分析。比较频率分析和使用振动的波形时间记录的分析，频率分析更容易将扭转振动频率的T分量和2T分量与来自回转固有频率的振动分量区分开来。在扭转固有频率持续地在钻削加工期间产生的同时，回转固有频率仅在产生刀痕时产生。另外，所获得的在T分量和2T分量之间的频率范围的总值使得可以避免否则会由T分量和2T分量施加的影响，而不管是否形成刀痕。由此，是否产生刀痕的判定变得更为容易。 
另外，依据本发明的深孔加工装置，是否产生刀痕的判定也可以采用下面描述的构造进行。 
在可选构造中，小波变换替换了由监测设备20进行的频率分析中使用的傅立叶变换。因此，能够同时分析时间信息和频率信息，使得能够容易地进行刀痕的判定。 
在另外的构造中，假定了一种实例，可以预先得到有关作为回转固有频率而产生的频率的信息。在该实例中，是否产生刀痕的判定不是通过设定T分量和2T分量之间的整个频率范围作为用于刀痕判定的目标频率进行的，而是通过仅以围绕上述的预先得到的频率为目标频率进行。由此，能够更为精确地实现对于作为产生刀痕的最主要原因的回转振动的检测。 
在另外的构造中，产生刀痕的判定在总值连续超过阈值的状态下作出，或者更为精确地，如在图4中所示，从总值超过阈值开始已经经过t秒的状态下作出判定。由此，判定误差即使在瞬时加速度增加时也能够得以避免。引 起这样的增加的一些实例有：在钻削过程中的例如噪音等干扰；在钻削加工S开始时由于刀具12定位到工件W所引起的猛然增加的总值Ps；和在钻削加工E结束时由于刀具12与工件W脱离所引起的猛然增加的总值Pe。 
在钻削加工S开始时的低转速期间，由于刀具12定位到工件W的碰撞导致如上所述的全频率范围的加速度增加。因此，如图4所示，突然增加的总值Ps超过阈值a。突然增加的总值Ps即使在未产生刀痕时也可以导致错误的判定。因此，在另外的构造中，伺服马达的额定转速R被添加到超过阈值的总值作为判定产生刀痕的条件。如此能够以这种方式避免判定误差。 
注意在工件W和刀具12碰撞时，马达电流增加，同时伴随着伺服马达16的转矩的增加。因此，在另外的构造中，伺服马达16的额定电流值被添加到超过阈值的总值作为用于判定产生刀痕的条件。另外，在工件W和刀具12碰撞处，较大的推力载荷被经由刀具12施加到钻杆11，其大于钻削加工期间施加到那儿的推力载荷。因此，施加到钻杆11的额定推力载荷可以添加到超过阈值的总值作为用于判定产生刀痕的条件。 
在另外的构造中，当产生刀痕时从频率分析数据计算出总值的频率范围被一次存储，并且所存储的频率范围在频率分析数据与先前的相同时自动设定。计算出总值的频率范围可以响应于例如工件的材料和刀具的形状的钻削状态而发生改变，但即使发生这样的改变，使用上述的构造也可以迅速响应。 
在再一另外的构造中，如图5所示，从钻削加工开始起，每个预定时间段的总值的最大值从钻削完成而未产生刀痕的情况的加速度级(accelerationlevel)计算出。由此获得的最大值乘以安全因子(例如1.5)以获得阈值β(在图5中表示为双点划线)，并且由此获得的阈值β被存储。采用这样的构造，由于获得了对于各个时间段的阈值，可以进行更精确的判定。另外，即使对于由于钻削条件的改变(例如用于工件的材料和刀具的形状变化)而引起的加速度级的改变也可以自动响应。 
在另外的构造中，输入了报警信号的NC设备18减小伺服马达16的转速。采用这样的构造，能够使回转固有频率不同于弯曲固有频率。因此，能够减小钻杆11的振动，并防止了刀痕的扩散。 
在另外的构造中，输入了报警信号的NC设备18减小滚珠丝杠机构17的进给速度。因此，消除了钻杆11的自激振动，否则其会由刀痕所引起。由此，防止了刀痕的扩散。 
在另外的构造中，输入了报警信号的NC设备18使得电磁振动器对钻杆11施加沿钻杆11轴向的高频振动。如此，刀具12与各个深孔Wa的接触时间可以减少。因此，可减小切割阻抗，并且减小扭转振动。 
在另外的构造中，如图6中示出的5轴ETA机床2，加速度计19可以布置在各个刀具12中。在这样的情况中，每个加速度计19通过线缆连接到提供到对应的钻杆11的遥测计21。遥测计21通过无线传输加速度信号。因此，可以进行更为精确的振动检测。可选地，滑环可以代替遥测计21，以减小噪音。 
在另外的构造中，应变计可以代替加速度计19，用于检测每个钻杆11的振动。因此，是否产生刀痕的判定能够基于应力水平进行。可选地，位移传感器可以替代加速度计19。因此，能够在低于在扭转振动固有频率的T分量和它的2T分量之间的频率范围的频率范围内进行是否产生刀痕的判定。 
在另外的构造中，用以检测每个钻杆11的转速的编码器、使用齿轮的电磁拾取器等可以替代加速度计19。因此，能够基于钻杆11的转速的变化而进行是否产生刀痕的判定。可选地，用以测量切削声音的传声器可以布置以替代加速度计19。因此，能够基于切削声音的变化而进行是否产生刀痕的判定。 
工业应用领域 
本发明适应于使用NC加工中心钻削深孔的情况。 

Claims (7)

1.一种深孔加工装置，其特征在于包括：
刀具，被驱动旋转以在待加工的物体中钻削深孔；
振动检测装置，在深孔加工期间检测刀具的振动；
刀痕判定装置，基于由所述振动检测装置检测的振动进行频率分析，刀痕判定装置在频率的总值超过预定阈值时判定在深孔中产生刀痕，频率的总值所在的频率范围不包括在深孔处理期间持续产生的扭转振动的扭转振动固有频率；和
控制装置，基于由刀痕判定装置所作出的判定来控制刀具的旋转和进给速度。
2.如权利要求1所述的深孔加工装置，其特征在于：刀痕判定装置仅在所述总值连续超过阈值一预定时间的情况中判定在深孔中产生刀痕。
3.如权利要求1和2的任一项所述的深孔加工装置，其特征在于：刀痕判定装置在刀具的转速达到额定转速时进行判定。
4.如权利要求1和2中任一项所述的深孔加工装置，其特征在于：刀痕判定装置在流过用于旋转驱动所述刀具的马达的电流达到额定电流时进行判定。
5.如权利要求1和2中任一项所述的深孔加工装置，其特征在于：刀痕判定装置在由所述刀具和所述待加工的物体之间的接触而产生的推力载荷达到额定推力载荷时开始进行判定。
6.如权利要求1到2中任一项所述的深孔加工装置，其特征在于：当所述刀痕判定装置判定刀痕产生在所述深孔中时，此时计算的总值所对应的频率范围被存储。
7.如权利要求1所述的深孔加工装置，其特征在于：在完成所述深孔的钻削而没有总值超过所述阈值的情况中，通过以预定的安全因子乘以所述总值来计算得到新的阈值，并且所述新的阈值使用于在相同钻削条件下进行的下一次判定。
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