CN102548690A - 具有轴向振动的钻床头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有轴向颤振振荡器的钻床头(1)，包括：固定架(2)，用于连接钻床头到使固定架绕轴旋转的电动机，固定架(2)具有与电动机的旋转轴重合的纵向轴(5)；刀架(3)；可弹性变形装置(6)，用于保持刀架(3)到固定架(2)上；以及装置(7)，用于为刀架(3)在固定架(2)中沿所述固定架的纵向轴(5)导向，其中钻床头的固定架包括位于固定架(2)与刀架(3)之间的在上述轴(5)的方向上往复运动的受控振荡器(8)，刀架与振荡器通过纵向联轴节(9)连接，纵向联轴节适合于衰减刀架(3)承受的冲击，同时能够传输往复运动。

Description

具有轴向振动的钻床头
技术领域
本发明涉及安装有轴向颤振(振动)的振荡器的钻床头。
背景技术
钻床具有产生长切屑的缺点，因为他们很难快速地移动远离工作区，所以在钻孔操作中存在各种问题，从而会使产生的孔的表面质量变差。
该缺点的一个补救措施是通过改变这些切屑的厚度以及重复中断切削操作来使这些切屑折断。这可以通过施加具有使切屑折断的振幅以及频率的轴向振动到切削刀具上来实现，该切削刀具一般是钻头，该轴向振动使进给速度(穿透材料的速度)循环地改变。
同时，在钻孔操作中，其只是对某些时间段内的(例如当在多层材料上钻时)振动工具或者实时改变颤振的振幅和/或频率(例如以便对切削过程作出反应以及修改以适合要钻孔的材料)是有益的。因此需要具有一种能够被控制的设备，其具有足够快速的反应性，以及确定从一种材料到另一种材料的通路的能力。
许多在钻孔时使用轴向颤振的设备已经被提出。例如，在文献EP 994758中描述的设备中有提及。后者描述了一种在刀架与它的驱动固定架之间的连接器，用这种方式使刀架悬挂到固定架上，会产生自保持的轴向颤振，因此刀具穿透工件的速度在平均速度附近循环地改变，当然该平均速度非零。
另一文献DE 103 43 682中公开了一种铣或者钻孔刀具，其中依靠安放在刀架中、无线连接到电源的压电传动装置或者励磁器使旋转刀具经受往复轴向运动。该系统进行遥控。该刀具意图用于以很高(超声)频率以及很低振幅的轴向振动对合成材料进行机械加工。
另一文献US2008/041604中公开了一种具有颤振头的刀具，其中旋转刀具经受频率必须等于刀具的固有频率的非常高的频率的颤振，因此产生的颤振使刀具在轴向上共振。文献US2008/041604中描述的解决方案中的致动器完全合并到设备的轴向移动部分中，在振幅足够高以便折断切屑时不能产生移动以及静态或者低频的载荷。另外，因为他们涉及使用共振，所以获得的颤振的特性在很大程度上取决于载荷，也就是说取决于在机械加工操作期间所遇到的穿透力。
关于在钻孔期间通过叠加轴向颤振到正在前进的刀具进给运动上来折断切屑，众所周知的设备都不具有通用机器所需要的所有性质，也就是说，重型设备能够产生足够振幅的颤振来折断切屑，以及能够进行修改以适合不同的钻孔程序，尤其考虑在一个或者相同操作中钻孔通过的各种不同材料。例如，众所周知，EP 994758以及US2008/041604中描述的设备所产生的颤振对载荷敏感，其意思是说他们取决于切削直径以及条件(刀具，切削参数，等等)。还有众所周知，压电致动器是脆性的，除了压缩载荷之外不能承受其它应力。
发明内容
为此，本发明的主题是具有轴向颤振的振荡器的钻床头，包括：固定架，用于连接钻床头与驱动固定架绕轴旋转的电动机，该固定架具有与电动机的旋转轴重合的纵向轴；刀架；可弹性变形悬挂装置，用于将刀架悬挂到固定架上，其能够传递扭转力矩；以及导向装置，沿该固定架的纵向轴在固定架中为刀架导向，包括插入在固定架与刀架之间的、在上述轴线方向上往复运动(颤振)的受控振荡器。
优选地，颤振振荡器(也称为致动器)是管状的压电式，通过它的一个端部挤压在刀架固定架上，而根据本发明的钻床头包括：管状振荡器内产生的、在固定架与刀架之间的滑动枢轴；分别由它的端部安装到固定架以及刀架上的高抗扭刚度的轴向弹性外套筒；以及刀架经由其轴向压在振荡器的端部上的、确定轴向刚度以及低抗弯刚度的环状垫片。
套筒与垫片用于在振荡器上建立预载荷。与外套筒的自由长度以及它在轴向方向的弹性有关的振荡器与垫片的组合长度允许调节振荡器上的预载荷。轴向为刚性的环状垫片允许将振荡器发出的振动传递到刀架，同时它的抗弯柔性保护振荡器克服由钻孔过程以及滑动枢轴中可能有的任何窜动所引起的弯曲力矩的突然变化。
在该示例的另一实施例中，由连接在固定架与刀架之间的导轨(仿形轴或者花键轴上的直线球轴承)执行固定架与刀架之间的扭矩的传递，以便于只有外套筒具有将预载荷施加到振荡器上的功能。
该套筒的结构可以是具有高导热性的壁部分与促进消耗由振荡器的升温导致的热量的切口的合成。
在另一实施例中，钻床头包括固定架与刀架之间的、管状振荡器内的滑动枢轴；分别由它的端部安装到固定架以及刀架上的、具有能够传递径向荷载的平行安装的至少一个平面元件的高抗扭刚度的轴向弹性外套筒，其安装在固定架与刀架之间；以及刀架经由其轴向压在振荡器的端部上的、确定轴向刚度的环状垫片。
如在前一实施例中，与外套筒的自由长度以及它的轴向方向的弹性有关的振荡器与垫片的组合长度允许调节振荡器上的预载荷。由外套筒以及上述柔性元件两者保护压电振荡器抵抗扭转力矩，其一起减轻垫片对刀架与振荡器扭转隔离的需要；该措施使得对滑动枢轴连接有窜动时该连接不能对其作出反应的径向荷载作出反应成为可能，即使该窜动很小。采用与第一个平行的、用于将刀架悬挂到固定架上因此也具有外套筒的另一平面元件也是可能的，该其他平面元件位于压住垫片的区域，其具有经由为该目的而提供的孔通过平面元件的退刀槽。当有共同存在的轴线方向上是柔性的两个平面元件时，他们组成适合于小的轴向移动的导轨类型的轴向导向，以及能够对径向荷载作出反应，在这种情况下，例如由球和保持架组件提供的管状致动器内的滑动枢轴连接不再是绝对必不可少的。在装配阶段期间将弹性导向元件放置到适当位置之前，如此连接(滑动枢轴)的存在仍然使元件(刀架3以及固定架2)较容易地根据设定的同轴度公差准确地定位。如果仅仅由弹性导向元件提供轴向导向，而放弃滑动枢轴连接，则在装配期间不得不将刀架3相对于固定架2准确地定位。
优选地使用电磁式发送接收系统(旋转变压器)的非接触电源传输。然而，也能够使用经由滑环组件的接触连接。
在本发明实施例的一个特定的选择形式中，振荡器可以合并能够在机械加工期间指示钻头轴向施加在工件上的力的传感器。该传感器可以例如使用正压电效应借助于几层压电材料直接测量该载荷，或者可以间接测量例如致动器的变形(例如变形测量计)，在这种情况下，需要对信号进行处理以便确定钻孔载荷。因此，收集关于该力的变化的数据以及使用它来控制致动器或者甚至控制机器使用的切削参数的使用(即时切削速度，进给速度)是可能的。具体地，钻孔操作中涉及的轴向力的瞬时值的这个指示是变化的，其由信号处理单元解释，以便使用软件中包括的、在数据处理单元(例如计算机)上运行的模块更改钻孔参数。一般地，压电传感器致动器上的该轴向载荷的变化能够解释为在要钻孔的给定组件中从一种材料到另一种材料的通路。经由该检测，处理单元能够根据检测力矩更改从一种材料到另一种材料的通路的钻孔参数，因此能够参考存储的钻孔程序使操作最优化。
从以下给出的本发明的一个实施例的描述中，本发明的其他特征以及优点变得很明显。
附图说明
将参考附图进行描述，其中：
图1是根据本发明的设备的剖面示意图，
图2是根据本发明的设备的第一实施例的轴向剖面图，
图3是图2的组件的爆炸图，
图4是根据本发明的设备的第二实施例的轴向剖面图，
图5是图4中描写的设备的爆炸图。
具体实施方式
在图1中，描写成1的钻床头包括固定架2以及用于保持钻头4与固定架2的旋转轴5同轴的刀架3。
经由它的端部2a，将固定架连接到示意地描述以及其旋转轴与轴5同轴的驱动电动机M，该轴5也是固定架2的纵向轴。
刀架3通过垫圈6安装到固定架2上，该垫圈6具有在固定架与刀架之间传递扭转的性质以及在轴5的方向上可弹性变形。在文件EP 994 758中描述了如此垫圈的一个示例。该垫圈6由外围螺钉6a安装到固定架2上，而刀架3通过中间螺钉6b安装到垫圈6上。刀架3具有用固定架的轴承7的轴向滑动来导向的中间部分3a。
固定架2是空心的，它的中间凹孔2b中容纳压电致动器8，施加到其上的可变电压所产生的颤振指示沿轴5的方向。在它的上部分2a处将该致动器的上端安装到固定架上，其中在预加载他们的外壳中容纳压电元件。将它的下部分本身安装到刀架的中间部分3a上。使用纵向联轴节9执行该安装，该联轴节9具有对弯曲应力作出反应的性质(由于轴承7的窜动以及不完美性，其必须存在)，同时允许传递往复移动。该构件9使致动器的振动端8a与枢轴10连接，其依靠两个推力球轴承11a以及11b将枢轴平动楔入刀架的中间部分3a中，如果垫圈6破裂，则推力球轴承11a以及11b允许致动器8与刀架3扭转不连接。
控制压电致动器的电源用符号12表示。取决于环境，这可以是不接触类型(旋转变压器加集成电子学)或者接触类型(基于滑动接触的滑环组件类型)。
使用致动器的有源元件部分作为它所受到的轴向载荷的传感器是有益的。在图中，从该传感器的输出用13表示。取决于与供应电源给致动器8一致的环境，它将是不接触或者接触类型。发出的信号直接送到处理单元14，处理单元14从输出端15发出取决于输入信号的致动器控制信号。实际上，众所周知，输入信号指示施加到致动器上的轴向载荷；因此表示在机械加工期间刀具穿透工件的阻力，以及表示加工材料的性质。例如，在多层工件情况下，该信号的变化与接合面交叉相对应，其会导致不仅根据致动器的控制(经由到致动器或者其电源供应的源的传递路径15a)，而且还根据驱动刀具旋转的电动机M(经由来源于单元14的输出端15的另一传递路径15b)以及根据钻头穿透工件的速度来改变钻孔操作怎样进行，例如，这取决于存储在处理单元14的内存中的设定值。正如在致动器控制下的情况，使用将信号从旋转传感器传递到安装的处理单元以及在需要的地方为传感器提供电源的任何适当的装置(转发器等等)，将从传感器的输出优选地处理成非接触。顺便提及，在刀架内提供所有或者部分信号处理单元不会造成背离本发明的范围。
图2以及3使用相同的附图标记再次描写已经描述过的大部分元件。将固定架2连接到机床元件M上，例如，如果工件绕轴5旋转，则该机床元件M可以是从电动机或者安装组件伸出的旋转轴。固定架2经由提供刀架3在固定架2中的轴向导向(滑动枢轴)的球和保持架组件或者直线球轴承20接受刀架3的柄3a。该导向在致动器8内提供，在这种情况下，致动器8是管式的，没有预加载(原有的压电材料)。这里的轴向载荷测量装置(载荷传感器)以沿致动器8的外部电源发动机延伸的应变仪21为代表。
该实施例与图1的图之间的本质区别在于连接刀架3到固定架2的装置，其两者都能传递来于钻孔操作的扭矩以及轴向颤振，同时保护致动器8克服会削弱它的操作的扭转或者弯曲力。
这里的这些装置都包括外套筒22，它的一端螺纹连接到固定架2上，而它的另一端通过螺钉23连接到刀架3上。该套筒具有扭转刚度非常大而在轴线方向上相对较柔性的性质，具有设定的轴向刚度。为此，将它沿圆周方向切出大量的槽24，这使得它在轴向上更有弹性，同时保持它的抗扭刚度。用如此方式确定槽的数量以及尺寸，以便提供计划要实现施加到致动器8上的预载荷的轴向弹性特性。然而，例如通过相对于载荷具有很大的轴向刚度，该特性必须与振动能量一致，以便不消耗太多的该能量。槽中可以充填高导热性的材料，以便消耗致动器操作时所放出的热。套筒22首先用于将刀架悬挂到固定架上，其次用于将由切削力引起的扭转力矩从一个传递到其他，同时实现致动器需要的必要的预载荷。假如执行所有这些功能，则除了上文描述之外的其它几何形状也能够用于套筒22。因此，该套筒可以包括另外连续的内外凹槽，从外观上看其为具有确定轴向刚度的波纹管。
连接装置还包括插入以及限制在致动器8的一端与刀架3之间的环状垫片25。选择该垫片25的材料以及几何形状，以便维持由致动器8产生的轴向颤振的传输，同时使切削力引起的弯曲应力最小化，其能够经由滑动枢轴连接传递，该滑动枢轴连接不得不具有适用某种功能的间隙，它整体来说尺寸较小。只要考虑该垫片25的几何形状，就应该注意到，在平行以及垂直于轴5的多个平面内具有切口，其按允许微量移动的万向联轴节的方式限定连结在一起的该垫片的两部分，微量移动为小振幅地移动，并具有保护压电致动器的弯曲柔软性。
应该注意，在这种解决方案中，刀架3具有通过它的、沿它的轴向进行的孔道C，因此提供用于冷却以及/或者润滑切削区的任何冷却剂以及润滑剂的通路。这些冷却剂也可以服务于改善致动器的热量的消耗。也可以在周围组件中设置各种密封装置以及隔板，以便使该冷却剂与致动器接触，从而造成强制冷却。
图4以及5中描写的实施例非常类似于刚才描述的实施例。区别在于连接固定架与刀架的装置中存在第一附加元件。该元件26类似于图1中的元件6，由于与套筒22一起，它用于将刀架3悬挂到固定架2上，因而增加了刀具的刀架的相对端处的连接的径向刚度，因此有助于避免滑动枢轴连接中的窜动所允许的侧面微量移动。即使当存在的元件26有助于此，也继续由套筒22提供扭矩的传递。
应该注意，存在类似于元件26的第二元件或者垫圈27，其具有凹孔27a，属于环形圈25的退刀槽25a经由其穿过垫圈压在刀架3上。分开垫片25中的退刀槽的空心具有足够大的尺寸，以便超过由垫片25传递到刀架3的致动器8的振动的振幅，以便防止垫片25与垫圈27一直接触。垫圈27由外面的螺钉23刚性安装到套筒22与刀架3上，以及以适当的方法(专用的螺钉27b)安装到固定架2的转轴上。垫圈27的任务同样是增加刀具的刀架端处的径向刚度，以便与组件26一起产生适合于小振幅移动的柔性导向的导轨连接。
套筒22的轴向刚度取决于强加于致动器8上的预载荷。在使用螺钉23连接之前，该载荷事实上与面向垫片25以及套筒22的刀架表面与该套筒的自由端之间沿轴5的位置之差相对应。之前组装的上述两表面的该位置差组成固定架间隙，其需要通过组件的设计以及精确制造来确定。使用螺钉23的紧固将使套筒22弹性拉伸，结果，将导致致动器8/垫片25组合压缩(固定架间隙的大小以及套筒22的轴向刚度确定的量)。
本发明使得用简单的方法解决折断钻孔刀具的切屑的问题以及自动控制该折断，以及一般来说，自动控制操作参数以检测要处理的材料的性质成为可能，尤其在压电致动器的情况下使用相同的有源构件使这些成为可能。

Claims (6)

1.一种具有轴向颤振的振荡器的钻床头(1)，包括：固定架(2)，固定架(2)用于将钻床头与电动机相连，电动机驱动固定架绕轴旋转，固定架(2)具有纵向轴(5)，纵向轴(5)与电动机的旋转轴重合；刀架(3)；可弹性变形悬挂装置，悬挂装置用于悬挂刀架(3)到固定架(2)上，并允许刀架轴向运动；以及导向装置，用于沿固定架的纵向轴(5)导向固定架(2)上的刀架(3)，导向装置包括受控振荡器(8)，受控振荡器(8)在上述纵向轴(5)的方向上往复运动，受控振荡器(8)插入固定架(2)与刀架(3)之间，其特征在于，轴向往复运动的振荡器(8)是管状的，且为没有预载荷的压电式振荡器，振荡器通过它的一个端部挤压在固定架(2)上；其中钻床头(1)还包括有设置在固定架(2)与刀架(3)之间的滑动枢轴(20)，滑动枢轴(20)位于振荡器(8)内；高抗扭刚度的轴向弹性外套筒(22)，外套筒(22)分别通过它的端部安装到固定架(2)和刀架(3)上；以及确定轴向刚度和低抗弯刚度的环状垫片(25)，刀架(3)通过环状垫片(25)轴向挤压在振荡器(8)的一端上，以便降低对振荡器(8)不利的压力，同时允许传递轴向运动。
2.根据权利要求1中所述的钻床头，其特征在于，外套筒(22)与环状垫片(25)组成向振荡器(8)施加轴向预载荷的装置。
3.根据权利要求1中所述的具有轴向颤振的振荡器的钻床头(1)，其特征在于，包括设置在固定架(2)与刀架(3)之间的导轨(20)，导轨(20)位于振荡器(8)内，允许在刀架(3)与固定架(2)之间传输扭转力矩；轴向弹性外套筒(22)，外套筒(22)分别通过它的端部安装到固定架(2)和刀架(3)上；以及确定轴向刚度和低抗弯刚度的环状垫片(25)，刀架(3)通过环状垫片(25)轴向挤压在振荡器(8)的一端上，以便降低对振荡器(8)有害的压力，同时允许传递轴向运动。
4.根据权利要求1中所述的具有轴向颤振的振荡器的钻床头(1)，其特征在于，包括设置在固定架(2)和刀架(3)之间的滑动枢轴(20)，滑动枢轴(20)位于振荡器(8)内；高抗扭刚度的轴向弹性外套筒(22)，外套筒(22)分别通过它的端部安装到固定架(2)和刀架(3)上，外套筒(22)上设有至少一个平行安装的能够传递径向荷载的平面元件(26，27)，平面元件(26，27)安装在固定架(2)与刀架(3)之间；以及确定轴向刚度和低抗弯刚度的环状垫片(25)，刀架(3)通过环状垫片(25)轴向挤压在振荡器(8)的一端上。
5.根据权利要求1中所述的具有轴向颤振的振荡器的钻床头(1)，其特征在于，包括高抗扭刚度的轴向弹性外套筒(22)，外套筒(22)分别通过它的端部安装到固定架(2)和刀架(3)上，外套筒(22)上设有两个平行安装并能够传递径向荷载的平面元件(26，27)，平面元件(26，27)安装在固定架(2)与刀架(3)之间，从而形成具有柔性元件的轴向导向；以及确定轴向刚度和低抗弯刚度的环状垫片(25)，刀架(3)通过环状垫片(25)轴向挤压在振荡器(8)的一端上，以便降低对振荡器(8)有害的压力，同时允许传递轴向运动。
6.根据权利要求1中所述的钻床头，其特征在于，致动器(8)上设置有传感器(21)，传感器(21)用于感应机械加工期间由钻头轴向施加到工件上的力。
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