CN103052457B - 机床及工件加工方法 - Google Patents

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Abstract

机床(10)带有一个切削工具(7)，其用于通过该工具(7)的相对于工件(6)的切削运动(76)来加工工件，和一个振动单元(11)，其用于在工具(7)和工件(6)之间产生一个振动运动(75)。一个工件加工方法，其在切削工具(7)和工件(6)之间开展一个相对切削运动(76)并同时或交替的再开展一个振动运动(75)。

Description

机床及工件加工方法
本发明涉及一种根据独立权利要求前述部分所述的机床及工件加工方法。
用带有定义型切削刀的工具去对工件进行切削加工是为大家所熟知的。这其中最常见的工艺有钻削、车削、铣削和刨削。所用的切削工具具有一个或几个具有明确定义的、可清晰描述的刀刃。该切削加工是通过刀具，尤其是其刀刃，与被加工工件间的相对运动(切削运动)来实现的。该工艺在一定的工具损耗下以一定的材料去除率进行切削加工，并且加工出的表面具有在一定程度上可预见的特征。就钻削而言，原则上是移动刀具并同时转动被加工工件。就铣削而言，原则上是铣削工具一边转动一边行进，或是转动铣削刀具的同时让工件自身行进。就刨削而言，可以让刀具或被加工工件行进。
此外大家知道的还有，利用不带有定义型切削刀的振动性工具去对工件进行加工。此类振动性工具粗糙，做研磨式工作并且以相对较高的频率振动着(振动运动)，例如以超过5kHz或超过10kHz或超过20kHz的频率。由于这样的高振动频率，其能超出人类听力范围，因此此类加工工艺通常又被称为超声波加工，并且此类机器被作为超声加工机。该工具的振动可以为平移式或旋转式振动。此类工具可表面平行于工件滑动而后去除工件表面材料。但也可捶击式的作用于工件。
这些使用带有定义型切削刀的工具的现有加工工艺的缺点是，在某些加工情况下，尤其是对某些工件材料，其材料去除率相对比较低或刀具磨损比较严重或被加工工件表面光洁度相对较差。显然，用传统的带有定义型切削刀的工具进行加工时发生的切屑断裂会导致加工成的表面较粗糙并有划痕，其机械上没有理想的对环境的抵抗力并易受其影响(腐蚀，生锈)。
本发明的任务是提供一种机床和一种工件加工方法，其在某些加工环境下，提供较高的材料去除率和/或较低的工具损耗和/或较好的表面光洁度，尤其是在工件上得到平滑密实的加工表面和具有较高残余压应力的加工表面。
所述任务是通过独立权利要求所述的技术特征而得以实现的。从属权利要求旨在本发明的优选实施例。
一台机床具有一个切削工具，其用于通过工具相对于工件的切削运动来对工件进行加工；和一个振动单元，其用于在工具和工件之间产生振动运动。通过一种工件加工方法，使工具和工件之间开展相对的切削运动，并与此同时或与此交替地开展振动运动。
将切削加工和振动加工相结合的优点在于，通过切削工具的定义型切削刀以及工件和刀刃间变化的相对运动使得切屑从该工件中排除出去。该排屑工艺因而追求的不是速度而是效果。该工艺由此可加工出较精细的表面，并且工件表面在加工后具有一个较高的残余压应力且较少情况会被划伤和留下纹路，从工件硬度和其表面对环境的抵抗力及机械应力来看这些都正是我们所希望的。
该振动单元优选位于工具附近。它可以包括一个或多个压电致动器或电磁致动器。其振动频率可以是大于5kHz，大于10kHz，大于20kHz或大于40kHz。该机床可以是一台钻床、一台铣床、一台车床、一台刨床或类似设备。该振动运动的方向可以平行和/或垂直于刀具的切割运动或二者间有一个夹角。该振动运动方向可以是平行于工件局部瞬时表面或与该表面夹有某个大于0°的角度。它还可以是垂直于工件表面。
该切削工具可适应于所说的可能的振动运动，例如该工具的某些个表面或刀刃呈粗糙的、齿状的或其他的如由现有刀具改造而来的。可以如此去改造，以使该刀具具有或避免特定的共振频率。
该振动单元可以是一个可快速更换的(自动更换式)切削工具的一部分，其次它可通过适当的装置来接收能量。例如，可以含有一个无线的(电感式)电力传输装置。
一个控制/调节装置可控制或调节该切削运动和该振动运动。
可含有用于确定工艺参数的传感系统，其中该工艺参数将可被反馈到控制装置。该切削运动控制和振动运动控制可互相独立地或互相交错地开展。其中一个可以根据其中另一个的控制参数或测量参数的大小而被控制或调节。
切削运动和振动运动可以相互同时被控制或有选择的相互独立的分别单独被控制。
下面将参照附图对本发明的个别实施例进行描述。附图示意性地展示：
图1一台机床示意图，
图2该机床的控制系统，
图3一个工具，
图4方向参数。
图1示意性地展示了一台机床10。它包含有一个机器框架1。在使用时，通过各种中间部件，工件6被固定到了机器框架1上的一侧而切削工具7被固定到了另一侧。可含有多个调节轴2a，2b以用于静态调整工具和/或工件的平动位置和/或旋转位置。可在机器框架1与工具台4之间设有调节轴2a，和/或在机框架1与工具7之间设有调整轴2b。
此外，还含有至少一个该切削工具或工件台或工件夹固装置的驱动器3a，3b。一般来说，所述驱动器可以为电动的，并且包括一个机械加速或减速装置。所说切削工具可以为一个铣刀，尤其是端铣刀，其在工件加工时在电驱动下可进行转动。在其为钻具的情况下，例如，驱动器3b可以为一个带有齿轮的电动发动机，其使钻具7或钻具盘进行转动。在其为车床的情况下，驱动器3a可以是一个带齿轮的电动发动机，其使车刀盘进行旋转。通常，驱动器3a可置于机器框架1和工件6之间，和/或驱动器3b可置于在机器框架1和工具7之间。
工具7可通过快速离合装置5，5a和/或通过工具接口5b进行更换，以致该工具能快速地且必要时还能自动地被更换掉。该快速离合装置5，5a可以为一个普通的锥形离合器，其包含工具侧锥体5a和对应的机床侧套口或类似物。工具接口5b可直接安在原刀具上并含有刀柄套口，并且该工具接口还可以含有一个夹钳或类似物。工件6可置于工件台4上并被夹紧固定于此处。
含有一个振动单元11，其用于除工具7和工件6之间常规的切削运动之外，还在它们之间引发相对的振动运动。图1示意性地展示了一个实施例，其中振动单元11位于快速离合装置5a机器框架侧的侧端上。然而，该振动单元11也可置于动力流的其他位置上。该振动单元也可以被安置的较靠近工具，如位于快速离合装置5的刀具一侧，其中在振动单元11和工具之间还配有所述的工具接口5b。该振动单元11还可以装配于工件台4附近，如工件台4和驱动器3a之间或者调节控制元件2a的一旁或者机器框架1上.
所示的实施例也展示了用来使工具7振动的振动单元11。该振动可以为线性振动或旋转振动。
线性振动可拥有平行和/或垂直于工件局部平面的方向分量。为钻床时，可以沿着钻轴进行此振动。为车床时，可使车刀进行振动。为铣削时，可让铣削刀具或被加工工件进行振动。
旋转振动可以绕一个该机器内已现有的旋转轴来进行，并由一个被适当安装和驱动的振动单元来引发。一般情况下，该旋转振动可作用于其本就从事转动运动的机器部件上(例如钻床的钻具底盘或钻具)。但也常还可-绕同样的轴-作用于跟该从事转动的部件相对的部件上(当为钻床时，于工件台或加工工件上)。为车床时，可使车刀盘绕旋转轴做旋转振动。为铣床时，可使铣削工具绕它自己转动轴做旋转振动。
多个振动，并尤其旋转振动和线性振动，可同时并相互叠加地由多个振动单元而引发。当含有多个振动单元时，它们可以一部分固定在工件或工件台上，一部分固定在刀具或刀具固件上。
一个振动单元可包括一个或多个振动器，例如压电元件。这些振动器可以接收相同的或不同的信号。不同信号间的差异可为一个相移或一次变频。
振动频率可设为大于5kHz或大于10kHz或大于20kHz或大于40kHz。振动单元11和驱动器3a，3b可以同时运作或单独分别交替运作。对这两种运行模式(一起、交替)都可进行控制。
一般情况下，机床10可包括用于检测工艺参数的传感系统14。该传感系统可包括分布在该机床上的一个或多个传感器。通过导线16，检测信号将被反馈给控制/调节装置12并于其处被记录下来和/或被输出和/或部分用于控制若干该机器的组件。该控制装置12拥有控制线15通向该机器的个别组件，尤其是通向驱动器3a，3b、定位轴2a，2b和振动单元11.
此外，还可含有一个并未画出的针对操作人员的输出设备。13表示一个数据存储器(例如半导体和/或磁盘)，其中例如：一方面，存储有该工件的加工程序；另一方面，也还可存有该切削运动、振动运动或其相互依赖性的控制参数的关键值，尤其是切削运动和振动运动的输入参数或计算/测量参数的关键值(表格式的，公式的)。该控制装置可以访问此存储器，并于此获取例如用于从输入量来确定调整量的两维或多维表格。
通过振动单元11可以对一些个别参数进行调整/控制，尤其是对振动频率，振动振幅，被控信号的波形，振动的方向及诸如此类。可以对单个或多个参数进行调节，即根据探测并反馈回的值的大小来校正。
图2示意性地展示了一个控制装置的调节技术部分。12表示图1中的调节器。程序技术部分并未被画出，但其一样也是可存在的。该程序技术部分可以储存有一个加工程序，该程序控制各个机器组件并给出控制及调节的各个控制参数及设定值。该控制装置12可为数字式控制装置，还可在其通向作业端的接口处含有模/数转换器，该模/数转换器并未在图中显示出。根据不同的运行状态，该控制装置12及调节装置12可获得各个设定值，这些值是从，例如，一个存储器13中取得的或者由该控制程序计算确定的。
在图2中，该控制装置12示意性地显示由两部分组成，即一方面，由切削工具7的常规驱动器3b的调节器21，即例如钻具的电动发动机。就这方面来讲，框3b表示该实际作业端。14a表示有关该常规切削运动的传感系统，其结果通过导线16a被反馈。
此外，含有另外一个调节器22，其控制调节本发明中的振动运动。它通过导线15b向对应的实际作业端提供信号，尤其是向振动单元11。14b表示测量振动具体数值的传感系统，其结果可通过导线16b被反馈。
基本上讲，振动运动和切削运动可被同时控制或者被交替地控制。其每个运动的控制都可以根据各自单独要求在控制或调节面上相互独立地完成，或者每个运动的控制也可交错地完成，例如其中提供给常规的切削运动驱动器的输出信号15a还传给了振动驱动器的调节器22(导线23)，和/或相反地，其中给振动驱动器11的输出信号15b还输入给了切削运动的调节器21(导线24)。此外，若需要时信号16a，16b还可“交叉”反馈，即振动驱动器的调节器22获取有关切削运动的处理信号(导线16a)，和/或相反地，切削运动的调节器21获得有关振动运动的处理信号(导线16b)。各个参数的结合和交错可依照公式或图表来完成，这些公式和表格已被妥当存储并被提前读取出来。
然而，也可采用一种相对简单的控制方式，其必要时可以完全无反馈地对切削运动和振动运动简单地按照设定值进行控制，但当然其中这些设定值是可相互参照来计算确定的。
可含有一个或多个振动单元11。例如，可在刀具7近旁提供一个第一振动单元11，并在工件6或工件台4近旁提供一个第二振动器装置11。这些振动单元可被单独控制/调节或相互参考着来进行控制/调节，其类似于参照图2所描述过的有关切削运动控制器21和振动运动控制器22的相关处理。一个单独的振动单元11也可用于产生沿多个轴的振动，其中每个轴都是可彼此互相独立的被控制的。
应当指出的是，图2仅展示了整体控制系统的一部分。其中，一些控制的传统常规组件(例如定位轴，换刀器)并未画出，但是他们也是可以存在的。控制装置12可以为一台按照相应要求所配置的过程控制计算机的一部分。
机床10中的传感系统可以包括一个或多个下列传感器，这当中“传感器”一词还可以附带包含较复杂的估值机械：在振动单元11的频率范围内的用于测量振动幅度或振动幅度变化的传感器；用于测量驱动器的，特别是振动驱动器11的，电压和/或电流的传感器，其必要时还测量每个驱动器的电压和电流之间的相位差，必要时还有每个值(电流，电压，相位)的变化；用于测量切削加工的进给速度的传感器。也可含有其他额外的传感器。
图3示意性地展示了可快速更换的切削工具单元30的一个实施例。该工具单元包括原切削工具7，例如端铣刀。此外，它还包括有振动单元11。该工具单元进一步还包括一个电力供应31，和一个离合部分5a以使该工具单元30可与机床连接起来。该离合部分5a可以为常见的锥形离合器或者类似装置。在振动单元11和刀具7之间可含有允许刀具7更换的工具接口5b。
振动单元11可以为一个机电式运行的振动单元或压电式运行的振动单元。这两种情况下，该单元都须要电力。该电力可以通过一个传统的电源连接来提供，当使用自身转动的工具时，该电源连接则必然会发生缠绕打结，因而其可能必须安排设计的相对繁琐些。该电力供应也可以无线的方式来实现，例如电感式，其中该工具单元内含有例如一个感应线圈32；一个外部磁场，箭头33所示，相对于该线圈发生着变化。该线圈32可位于如一个与旋转的工具的旋转轴相垂直的平面内，并且被一个以一定频率自身变化的外磁场所穿过。但也还可以被设计成，让该线圈处在一个静态的外磁场中，并由于工具的旋转运动而造成一个变化的磁场通过该线圈面。这样产生一个感应交流电压，其可直接提供给致动器。但也可以给其他的(未画出的)电动或电子元器件去进行电压成形。
图3的实施例的优点在于，一个如此构造的切削工具单元30可以比较容易地应用在一个传统的机床10上。尤其是，该单元无须跟电源有接触。当然为确保满意的电感耦合效果，则可能需要在本地生成一个合适的磁场。
图4a示意性展示了一个视图来说明在工具7为铣刀的情况下的方向参数。该图示意地展示了一个在工件表面上由左向右工作的端铣刀(箭头74)。其按照箭头42逆时针绕轴43旋转。71为该端铣刀的刀刃。此外，铣刀7和工件6之间的相对切削运动是沿箭头74的方向(x方向)展开。振动运动可与该切削运动方向成正交，如垂直于图平面(y方向)。但振动方向还可以是其他的不同于所示的方向，如沿x方向或沿z方向或可倾斜于这些方向。
图4b示意性展示了一个视图来说明当工具7为钻具情况下的方向参数。它示意地显示了一个插入到工件6内的钻具7。71表示钻具的切削刃。在传统操作中，钻具7绕其轴线73旋转，如箭头74所示。切削刃71上的每个点则做一个圆形的切削运动，如箭头74所示。根据本发明，由箭头74所表示的切削运动可与一个振动运动75相叠加，或者运动75，74相互交替地进行。图4b展示了一个实施例，其中振动运动沿箭头75进行，也就是钻轴73的方向上(Z方向)。该振动运动75不平行于该切割运动方向74。它可以与该切削运动方向约成直角，或特别是在钻轴的方向上。在所示的实施例中，该振动运动不平行于钻具刀口下的局部工件表面。实际上它是浅浅地撞入该表面。
与传统的切削工具相比较，此工具还可以按照振动运动来进行设计。例如，该工具的某些面或刀刃可以是粗糙的，或者与现有工具相比较而言是按某种方式进行过改造的。尤其是，例如切削工具的前刀面或工具的刀刃或工具的后刀面可以至少局部为粗糙或带齿的，以便于按所期望的方式调节该振动运动的效果。该工具也可以被设计成，按照希望的激发振动而使其具备一定的共振频率或使其在某频率范围内避开一定的共振频率。工具共振频率和振动激发频率可存在一个预先给定的失调量(差)，该量为可控的且若调节技术上需要时，其还可以被留存。该切削工具的设计可以通过对工具进行有目的的材料添加或材料去除来实现。
在没有明确说明，且技术上可行的情况下，本说明书中所描述的现有技术或本发明的技术特征应该还可相互结合。对工艺流程的描述还应该被理解为是对该流程具体实施设施的描述，对装置和部件的描述也应该被理解为是对该装置和部件所实施的工艺流程的阐述。

Claims (14)

1.一种机床(10)，其包含：
工具(7)，其有定义型切削刀(71)，并用于通过所述工具(7)相对于工件(6)的切削运动(74)来加工工件；
其特征在于：振动单元(11)，其用于在工具(7)和工件(6)之间产生振动运动(75)；
第一装置(21)，其用于根据一个或多个所述振动运动(75)的可调参数值或计算参数值的大小来控制一个或多个所述切削运动(74)的可调参数，和/或
第二装置(22)，其用于根据一个或多个所述切削运动的可调参数值或计算参数值的大小来控制一个或多个所述振动运动(75)的可调参数。
2.根据权利要求1所述的机床，其特征在于：所述振动单元(11)还适应于使所述工具(7)或一工件台(4)做振动运动(75)。
3.根据权利要求1或2所述的机床，其特征在于：所述振动单元(11)适应于产生一个沿一个方向上的振动运动(75)，其中所述振动运动的方向为平行或垂直于工具的切削运动或二者间有一个夹角。
4.根据权利要求1或2所述的机床，其特征在于：所述工具(7)为钻具、铣刀、刨刀或车刀。
5.根据权利要求4所述的机床，其特征在于：所述工具(7)为端铣刀或钻具，并且所述振动单元(11)适应于在一个平行或垂直于它们转轴(73)的方向上或与该轴成一定夹角的方向上来振动所述端铣刀或所述钻具。
6.根据一权利要求1或2所述的机床，其特征在于：所述振动单元(11)为多个相互相关或相互独立的可控单元。
7.根据权利要求1或2所述的机床，其特征在于：所述振动单元(11)包括电磁或压电式驱动器，并以大于5KHz或大于10KHz或大于20KHz的振动频率工作。
8.根据权利要求1或2所述的机床，其特征在于：所述机床还包括控制装置(12)，其用于控制所述切削运动(74)和控制所述振动运动(75)。
9.根据权利要求8所述的机床，其特征在于：所述控制装置(12)使所述切削运动(74)和所述振动运动(75)同时进行或对同一所述工具单独分别进行。
10.一种机床(10)，其包含：
工具(7)，其有定义型切削刀(71)，并用于通过所述工具(7)相对于工件(6)的切削运动(74)来加工工件；
其特征在于：振动单元(11)，其用于在工具(7)和工件(6)之间产生振动运动(75)；
第一装置(21)，其用于根据一个或多个所述振动运动(75)的可调参数值或计算参数值的大小来控制一个或多个所述切削运动(74)的可调参数，和/或
第二装置(22)，其用于根据一个或多个所述切削运动的可调参数值或计算参数值的大小来控制一个或多个所述振动运动(75)的可调参数；
一个或多个传感器(14)，其用于检测一个或多个与所述切削运动(74)有关的和/或与所述振动运动(75)有关的参数。
11.根据权利要求10所述的机床，其特征在于：所述工具(7)包括一个至少部分粗糙的前刀面或后刀面或刀刃。
12.根据权利要求10所述的机床，其特征在于：所述工具(7)为可更换的，且所述振动单元(11)位于所述可更换的工具内，其中所述振动单元(11)优选地包含用于无线接收能量的装置(31-35)。
13.一种工件加工方法，其包括：在有定义型切削刀的工具和工件之间开展相对的切削运动和振动运动，其中所述切削运动和所述振动运动既可同时又可单独分别进行，且所述振动运动/切削运动的可调参数值来控制所述切削运动/振动运动的可调参数。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：沿一个平动轴和/或绕一个旋转轴来进行该振动。
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