CN103260819B - 用于加工工件的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于容纳工件和用于应用在用于切削加工工件(5)的装置中的工件容纳装置，该装置带有：用于容纳工具(6)的工具保持部，用于容纳工件(5)的工件容纳装置，其特征在于，在切削加工期间通过振动部件(2,2ˊ,3,3ˊ,4,7)在Z方向上可引入至少一个第一振动分量而在X和/或Y方向上可引入尤其同时的第二振动分量。

Description

用于加工工件的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于加工工件的装置以及方法。
背景技术
已知的用于切削、尤其铣削工件的装置能够在加工过程期间利用工具的振动产生在工具回转(Werkzeugumlauf)期间改善的铣削特性，其中，运用18000 Hz至20000 Hz的频率。
在这样的装置中，尤其极其硬的工件(例如SiC、SiN或B4N)引起问题，因为它们导致工具的极度磨损。
发明内容
因此，本发明的目的是这样改进这种类型的装置，使得可实现更小的工具磨损和相应更高的使用寿命以及加工速度(即每单位时间的切屑体积或者说切掉体积(Aushubvolumen))的提升。
为此本发明提出用于加工工件的装置，其带有：
- 用于容纳工具的工具保持部，
- 用于容纳所述工件的工件容纳装置，
其特征在于，所述用于加工工件的装置在加工期间通过振动元件在Z方向上能够引入至少一个第一振动分量而在X和/或Y方向上能够引入至少一个第二振动分量，其中在X和Y方向上或在X和Z方向上或在Y和Z方向的振动分量相对于工具和/或工件的加工方向或者进给方向结合成斜的振动分量。此外，还提出一种用于加工工件的方法，其中：
- 工具保持部用于容纳工具，
- 工件容纳装置用于容纳所述工件，
其特征在于，在加工期间通过振动元件在Z方向上引入至少一个第一振动分量而在X和/或Y方向上引入至少一个第二振动分量，其中在X和Y方向上或在X和Z方向上或在Y和Z方向的振动分量相对于工具和/或工件的加工方向或者进给方向结合成斜的振动分量。由在说明书和/或附图中所说明的特征中的至少两个构成的所有组合也落在本发明的范围中。对于所说明的数值范围，处于所提及的限度内的值也应作为极限值有效公开并且能够以任意的组合要求保护。
本发明的基本思想是通过过程控制的多维联结的且同步的轴向激励(Achserregung)来获得改善的切削效果。因此，本发明特别适合于硬的和超硬的材料，例如氧化物陶瓷(Oxidkeramik)、非氧化物陶瓷、硬质合金(Hartmetall)或玻璃。根据本发明，在将工具接合到工件中时、即在切削时，在工件容纳装置和因此工件和工具之间实现多轴的、振动的相对运动。在此这样加载工件的微观结构，使得实现更好的切削效果。
基于通过在工具和工件之间的多轴的、相联结的且同步的相对运动工具的同样通常多轴的加工可能性，X、Y和Z方向涉及相应的加工面。其非强制地在图中所示的通常取向中，而是在理想情况中是任意的，以便允许工件的单独加工。因此设置有工具和/或工件的在X和Y方向上的加工平面以及加工方向或者还有进给方向、即工具和/或工件向彼此的运动。
通过本发明，尤其由于在Z方向、即进给方向上所设置的第一振动分量相应地产生微凿效应(Mikro-Meißeleffekt)或微冲击钻效应(Mikro-Schlagbohreffekt)，其中，通过第二振动分量附加地引入横向分量(Querkomponente)。
工具的凿效应(Meißelwirkung)由振动元件引起，其中，优选地在Z方向上、即在进给方向上设置有主要的振动分量或幅度。
振动分量的引入通过尤其轴线相关的减振(被动)和/或通过尤其轴线相关的激振(主动)而实现。引入器件根据本发明尤其设置在工具处。
相应的振动分量的引入的被动控制根据本发明由此实现，即通过工件被工具切削加工所引起的振动被减小、调整或阻尼成使得引起带有限定的幅度、频率和/或相位的预设的振动分量。
相应的振动分量的引入的主动控制通过附加的、尤其它励的(fremderregt)振动而实现，该振动与可能存在的、由工具的切削加工本身所激励的振动叠加。
通过由在切削加工时的程序化的运动来产生带有限定的幅度、频率和/或相位的限定的振动分量，主动控制根据本发明尤其可在可编程的、多轴振动的工具中通过控制部的相应编程而实现。
优选地，相应的(减振的和/或它励的)振动分量的振动频率小于1kHz、尤其小于500Hz、优选地大于10Hz。
根据本发明的一有利的实施形式设置成，第一和/或第二振动分量的振动幅度和/或振动频率尤其可彼此独立地调节。以该方式，该装置对工件的相应的待加工的材料或工具和工件的材料的组合可调节。
只要振动频率可调节小于1GHz、尤其<100MHz、优选地<1MHz、还更优选地<100kHz、还更优选地<1kHz、理想地在100Hz与600Hz之间，则获得越来越好的切削效果。
通过同时或独立于此振动幅度可调节小于100μm、尤其<10μm、优选地<1μm、还更优选地<100nm并且理想地在1nm与10nm之间，来进一步提高该装置的切削效果。当根据本发明的一实施形式通过压电元件产生振动分量时，是特别有利的。
优选地，在X和/或Y方向上的振动幅度最大与在工具的表面中的微观结构、尤其金刚石的平均尺寸一样大。
附图说明
从优选的实施例的说明中以及根据附图得出本发明的另外的优点、特征和细节。其中：
图1在示意性的透视图中显示了根据本发明的装置的第一实施形式，
图2在示意性的透视图中显示了根据本发明的装置的第二实施形式，
图3在示意性的透视图中显示了根据本发明的装置的第三实施形式以及
图4a至4c显示了振动元件的工作原理的图示。
在附图中相同的或起相同作用的构件/特征以相同的附图标记来表示。
具体实施方式
根据图1的装置是带有用于工件5相对于用于切削加工工件5的工具6的固定和运动的工件保持部1的机床。
在根据图1的实施形式中，工件保持部1包括用于实施在Z方向上的振动运动的第一振动元件2。Z方向对应于在工具6的方向上或远离它的运动。振动元件2尤其具有在Z方向上的唯一的自由度，在Z方向上相应地实施往复运动、尤其线性运动。
另外两个与振动元件2相连接的振动元件3、4使工件5在X方向或Y方向上移动或摆动，其中，X、Y和Z方向相应彼此垂直地延伸。振动元件3、4也具有唯一的自由度。
振动元件2、3、4的运动以带有相应的振动幅度和相应的振动频率(其对于每个振动元件2、3、4尤其可彼此独立地调节)的振动的形式实现。以该方式，可产生固定在工具保持部1处的工件5的多轴激振，其中，根据本发明，通过振动元件2在Z方向上设置有至少一个的第一振动分量而通过驱动部件4在X方向上和/或通过驱动部件3在Y方向上设置有第二振动分量，使得第一和第二振动分量的振动在整个加工过程期间具有彼此间恒定的相位关系。
振动元件2、3、4尤其为了激振包括压电元件8、9。根据所要求的振动频率和/或振动幅度，备选地可通过带有偏心轴的芯轴来产生激振。
当振动分量同时地尤其在其振动相位和/或其振动频率和/或其振动幅度方面可调节时，是特别有利的。换言之：振动相位和/或其振动频率和/或其振动幅度构造成同步工作。
独立于振动元件2、3、4，根据所设置的机床或根据所期望的切削加工，独立于振动分量设置有这里未示出的驱动件用于工件的运动。
在本发明的在图2中所示的优选的实施形式中，振动元件2'、3'相互引导成使得在振动元件2'和3'彼此间的相对运动中产生斜的振动分量，其在X和Y方向上或在X和Z方向上或在Y和Z方向上同时各引起至少一个振动分量，如在图3中所示出的示例那样。即由于相对于工具和/或工件的加工方向或者还是进给方向的斜置，发生两个振动分量的结合，使得设置有带有斜的振动平面的斜的振动分量。斜的振动平面即意味着，振动平面的法线相对于Z方向(工具和/或工件的加工方向或者还是进给方向)倾斜。
以该方式，在Y和Z方向上的这两个振动分量自动地通过机械地预设的结构元件、即斜的平面而同时或同步，亦即不仅在振动幅度方面而且在振动频率和尤其在振动相位方面。因此，与所提及的第一实施形式相比，不必设置单独的器件以将在两个振动分量的两个分离的振动之间的相位关系保持恒定，因为沿着轴线的这两个振动分量被沿着上面所定义的斜的振动平面的一个振动分量代替。
振动元件4尤其同时于由振动元件2'和3'的振动附加地可引起在X方向上的振动。
通过振动元件2'和3'所产生的振动有利地不具有在X方向上的振动分量。
与根据图1的实施形式相比，带有斜的平面的实施形式具有该优点，即两个振动分量、亦即在图2中所示的示例中在Y和Z方向上的振动分量设置有相同的振动幅度、振动相位和振动频率，而在根据图1的实施形式中必须设置振动元件2和3的精确控制或调节。
斜的平面的角度尤其可自由选择，优选地相对于X方向或相对于X-Y平面在20°与70°之间。这根据本发明尤其可由此实现，即振动元件2'和3'可相互摆动并且可在一定的、可调节的角度中锁止。由此，平面的倾斜位置的改变和因此振动分量的取向的改变是可能的。控制经由控制装置实现。
在图4a至4c中所示的图示中示出通过振动元件2'和3'的运动借助于压电元件8、9产生振动分量的作用方式。在所示的实施形式中，振动元件2'相对振动元件3'滑动地来引导，亦即沿着斜的平面、尤其以相对于X-Y平面20°的角度。
在图4a中这两个压电元件8、9在初始位置中、尤其在卸载的位置中。压电元件8在压电元件9的方向上贴靠在振动元件3'的止挡10处。压电元件9在压电元件8的方向上贴靠在振动元件3'的对应的止挡11处。
根据图4b，通过激活压电元件9引起压电元件9的膨胀，使得压电元件9支撑在止挡11处以及相对而置地支撑在振动元件2'的止挡13处并且因此沿着振动元件3'移动振动元件2'。在此，在止挡10与振动元件2'的相对布置的止挡12之间相应地压缩压电元件8。
反过来，这在压电元件8激活时根据图4c起作用。
作为本发明的实施形式可设置成通过设置在工具6处的振动元件在Z方向上引入振动分量。这可备选于振动元件2或者增加地来设置。
在图3中所示的实施形式中设置有与根据第一实施形式的振动元件2类似的振动元件2。代替振动元件3、4，对于在X和Y方向上的振动设置有振动元件7，利用其可产生在旋转方向上的振动分量，其中，旋转轴线A尤其布置在Z方向上。旋转轴线A优选地与工具6'的旋转轴线重合，工具6'在此优选地是钻头。
振动元件2、2'、3、3'、4、7的振动幅度和/或振动频率可通过控制装置单独调节，以便对于相应的工件5调节最佳的振动幅度或振动频率。
为了能够加工工件5，需要附加的马达，其未示出，并且利用其引起工件保持部1与工具6之间的相对运动。优选地，这样的马达近似无振动地工作。马达在此可构建成使得其驱动工件保持部1和/或工具6。
本发明因此独立于工具6的类型、其运动方向、调整角(Anstellwinkel)、频率等。通过附加的和根据振动相位、振动频率和振动幅度所引入的多轴的、优选地同时的振动分量，引起尤其在超硬的材料中在微米、甚至纳米范围中的微观结构的破坏。工具6尤其涂覆有硬的或超硬的材料、尤其金刚石覆层，其中，各个金刚石晶体(其从工具6的表面伸出)如微米/纳米结构的微米/纳米刀那样起作用。
附图标记清单
1 工件保持部
2, 2' 振动元件
3, 3' 振动元件
4 振动元件
5 工件
6 工具
7 振动元件
8 压电元件
9 压电元件
10 止挡
11 止挡
A 旋转轴线
X X方向
Y Y方向
Z Z方向。

Claims (20)

1.一种用于加工工件(5)的装置，其带有：
- 用于容纳工具(6)的工具保持部，
- 用于容纳所述工件(5)的工件容纳装置，
其特征在于，所述用于加工工件(5)的装置在加工期间通过振动元件在Z方向上能够引入至少一个第一振动分量而在X和/或Y方向上能够引入至少一个第二振动分量，其中在X和Y方向上或在X和Z方向上或在Y和Z方向的振动分量相对于工具(6)和/或工件(5)的加工方向或者进给方向结合成斜的振动分量。
2.根据权利要求1所述的用于加工工件(5)的装置，斜的所述振动分量通过机械地预设的结构元件来产生。
3.根据权利要求2所述的用于加工工件(5)的装置，所述机械地预设的结构元件是斜的平面。
4.根据权利要求2所述的用于加工工件(5)的装置，在其中振动频率能够调节为<1GHz。
5.根据权利要求4所述的用于加工工件(5)的装置，在其中振动频率能够调节为<100MHz。
6.根据权利要求5所述的用于加工工件(5)的装置，在其中振动频率能够调节为<1MHz。
7.根据权利要求6所述的用于加工工件(5)的装置，在其中振动频率能够调节为<100kHz。
8.根据权利要求7所述的用于加工工件(5)的装置，在其中振动频率能够调节为<1kHz。
9.根据权利要求8所述的用于加工工件(5)的装置，在其中振动频率能够调节为在100Hz与600Hz之间。
10.根据权利要求2所述的用于加工工件(5)的装置，在其中振动幅度能够调节为<100μm。
11.根据权利要求10所述的用于加工工件(5)的装置，在其中振动幅度能够调节为<10μm。
12.根据权利要求11所述的用于加工工件(5)的装置，在其中振动幅度能够调节为<1μm。
13.根据权利要求12所述的用于加工工件(5)的装置，在其中振动幅度能够调节为<100nm。
14.根据权利要求13所述的用于加工工件(5)的装置，在其中振动幅度能够调节为<10nm。
15.根据上述权利要求1到14中任一项所述的用于加工工件(5)的装置，在其中第一和第二振动分量能够同时调节。
16.根据权利要求15所述的用于加工工件(5)的装置，在其中第一和第二振动分量能够同时地在其振动相位和/或其振动频率和/或其振动幅度方面调节。
17.根据上述权利要求1到14中任一项所述的用于加工工件(5)的装置，其特征在于，所述振动分量能够通过压电元件产生。
18.根据上述权利要求1到14中任一项所述的用于加工工件(5)的装置，其特征在于，所述振动分量的引入通过减振和/或通过激振而实现。
19.根据权利要求18所述的用于加工工件(5)的装置，其特征在于，所述振动分量的引入通过轴线相关的减振和/或通过轴线相关的激振而实现。
20.一种用于加工工件(5)的方法，其中：
- 工具保持部用于容纳工具(6)，
- 工件容纳装置用于容纳所述工件(5)，
其特征在于，在加工期间通过振动元件在Z方向上引入至少一个第一振动分量而在X和/或Y方向上引入至少一个第二振动分量，其中在X和Y方向上或在X和Z方向上或在Y和Z方向的振动分量相对于工具(6)和/或工件(5)的加工方向或者进给方向结合成斜的振动分量。
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