CN103313821A - 带有工件台振动单元的机床及工件加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使用刀具（2）加工工件（1）的机床（10），其具有机器框架（5），与机器框架相连接的刀架（4），与机器框架相连接的工件台（3），和用于振动工件台的第一振动单元（11），其优选地具有大于5kHz或大于10kHz的振动频率。

Description

带有工件台振动单元的机床及工件加工方法
本发明涉及一种独立权利要求前述部分所述的机床和工件加工方法。 
利用不具备被定义了的刀口的振动刀具(例如超声波刀具)对工件进行切削加工已为人所知。这种振动刀具以相对较高的频率振动，例如大于5kHz或大于10kHz或大于20kHz。由于高振动频率其超出了人类听觉的范围，所以此类加工工艺通常称为超声波加工，而此类机床称为超声波加工机。此类刀具的振动可以为平移或旋转式振动。此类刀具可以沿工件表面平行前进从而去除外表材料。但它也可以以撞击工件的方式来加工。 
众所周知的还有使用具备被定义了的刀口的刀具(如钻头、铣刀、车刀、刨刀等)来加工工件。这类刀具加工时，瞬时工件面与刀具(特别是其刀刃)之间做一种通常不可逆的相对运动，其中该刀具或工件被相应驱动。可以使用平移式(如刨刀)或旋转式(如钻、车床)驱动器，或两种模式的驱动器(如铣刀)。 
这些已知的加工工艺，尤其是使用不具备被定义了的刀口的刀具的现有加工方法存在一个缺点，就是在一定加工情况下特别是对一定工件材料，材料去除率相对较低，或是刀具磨损较严重，又或是被加工工件的表面光洁度相对较差。有显示，用传统的具备定义了的刀口的刀具进行加工时发生的切屑断裂导致加工表面相对粗糙并有划痕，其在机械上对环境影响的抵抗力不理想、易受其影响(比如腐蚀、生锈)。 
本发明的一项任务是提供一种，尤其是适合使用不具备被定义了的刀口的刀具的机床和加工方法，其可以对所需加工模式和所需振动模式进行有效的调整。 
本发明的另一项任务是提供一种，尤其是适合使用具备被定义了的刀口的刀具的机床及加工方法，其在一定加工环境下具有较高的切削功率和/或较低的工具损耗和/或较好的表面加工质量，尤其是工件上加工出光滑密实的表面。 
这些任务通过独立权利要求中的技术特征得以实现。从属权利要求旨在本发明的优选实施例。 
一台用于加工工件的机床上提供有一个第一振动单元，用以振动加工工件。优选地，使放置工件或固定工件的工件台，即它的一个区域，振动。 
一种用刀具加工工件的加工方法，包括振动加工工件。 
例如，当工件跟刀具相比相对较小时或者当出现较复杂的共振频率模式时，通常可以简单的用工件代替刀具做振荡。 
除此以外，如在传统的超声波加工机上一样，这里所述的刀具也可以是可振的。可以同时控制刀具振动和工件振动，以在工件和刀具之间产生一个的总的叠加的相对振动。 
不论是刀具还是工件都可以沿着或绕着多个振动轴进行振动。这些振动可以通过一个统一的控制装置来控制。不同振动之间可以互相防调或相互独立。这些振动可以通过例如由适当信号控制的压电元件来产生。 
该刀具可以为一个具备被定义了的刀口的刀具(如：钻、铣刀、车刀、刨刀等)或者一个不具备被定义了的刀口的刀具(如：超声波刀具)。刀具接口与此相匹配。 
以下将参照附图对本发明的实施例分别进行描述。附图示意性地展示： 
图1一台依照本发明机床的一个侧面图， 
图2振动单元可能的控制方案，和 
图3叠加的相对振荡模式的例子。 
图1示意性展示了一台机床10的侧面图。5所指的是一个机器框架。该框架上一侧通过一个第一振动单元11固定有或可固定一个工件台3。其另一侧可通过一个第二振动单元12固定有或可固定一个刀具2。第一和第二振动单元可以互换。振动刀具2的第二振动单元12可与刀具2作为结构不可拆卸整体，且可通过一个刀具夹4作为离合器与该机床10可拆卸式地相连接。 
第一振动单元11引发的振动可以为一个线性振动或一个扭转振动。 
第一振动单元11的线性振动可拥有与局部工件面相平行和/或相垂直的方向分量。第一振动单元11的旋转振动可以绕一个该机床内已现有的旋转轴来进行。特别是，它可以跟刀具的旋转振动绕同一轴进行振动。 
一个振动单元可以包括一个或多个，如压电元件，振动器。它们可以接收相同的或不同的信号。不同信号间可相差一个相移或为反相。 
工件(台)1，3和/或刀具2，4可以沿或绕相应轴平移或旋转地进行调节以调整工件和刀具间的相对位置。这些轴作为定位装置，在图1中由符号13，14定性表示。它们可位于刀具夹4和机器框架5之间或第一振动单元11和机器框架5之间。它们中的每个还可绕多轴运作。图中框13，14可代表复合单元组件。 
15代表一个控制装置，借助其可对各个部件进行控制及调节。尤其是，它控制现有的振动单元11，12和定位装置13，14。该控制装置向各个制动器输出信号并从传感器(图中未标出)接收信号，其设定值可由工件数字定义或一个完成了的加工程序而来。传感系统可包括振动单元11，12上的传感系统、定位装置13，14各个轴上的位置传感系统、工件上用来测量加工进度的形状或深度传感系统、及环境传感系统。 
每个所述振动单元11，12都可产生沿或绕一个轴或者沿或绕多个轴的振动，并相应包含有相符的振动器。此外还具有可相应被电力驱动的适当结构。这些振动单元可以包含压电制动器，其从控制/调节装置15接收适当信号。但其也还可具有电磁制动/振动器。 
图2示意展示了可用于如图1所示机器上的控制模式。该图显示了四个不同区域A，B，C和D。展示了每个振动单元11及12的运行。在时间段A，这些振动单元中没有任何一个单元活动。在时间段B，只有第一振动单元11(刀具台端的那一个振动单元)单独活动。在时间段C，只有第二振动单元12(刀具4端的那一个)单独活动。在时间段D，第一和第二振动单元都活动。这些振动单元因此可各个单独工作。它们也还可相互协调地或相互独立地两个一起运行。 
当两个振动单元共同工作时，刀具2和工件1之间产生由各个运动叠加形成的一个总相对运动，该相对运动由两个分量组成：一方面为工件的振动分量和另一方面为刀具的振动分量。由此，各个振动单元用什么振动模式(平移轴或旋转 轴的数量，轴的取向)可有多种不同的组合，其中并不是所有都必须有用或技术上可行。 
振动单元11，12的各个(平移，旋转)振动轴可以以一定的可调频率，可调振幅，可调波形和相对彼此可调的相位条件下运行。不同的轴所设的频率可以一样也可相互不同。当相互不同时，它们可采取一定的频率比，如2∶1，3∶1，3∶2或类似比例。该相位这里也是可调的。控制信号的波形可以为正弦、矩形、三角或类似波形。 
在一个或两个振动单元内沿多个振动轴的操作过程中，刀具2和工件1间通过叠加所形成的相对运动可根据频率比和相位出现李萨如图案(Lissajous)，其能描绘一个理想刀具中心点在工件表面上的运动。图3对此做了示意展示。 
图3a显示了沿一x轴(箭头32)和沿一y轴(箭头31)的单个振动。当两个振动使用相同频率时，箭头33和34表示以0°或180°相位叠加而成的相对运动，而圈35表示以90°和270°相位叠加而成的相对运动。此圈然后沿顺时针或逆时针方向转。例如，当互相垂直的两个平移轴以相同频率驱动时，根据具体信号相位做平移式相对运动(0°或180°相位)或一个旋转式相对运动(90°或270°相位)。36代表刀具在工件上的总作用面。37表示沿所示轨道移动的理想刀具中心点。 
对于较复杂的频率比(如2∶1，3∶1，3∶2)则出现相应较复杂的图案，如图3b中所示的一些频率比和相位的图案。 
在沿多轴振动操作中，通过对驱动频率、驱动振幅、相对相位及驱动波形的选择可在工件面上相应开展所需的刀具加工模式。 
所述的第一和/或第二振动单元可各具有一个第一振动轴用以沿或绕此轴做振动，和一个第二振动轴用以沿或绕此第二轴做振动，其中沿/绕任一个振动单元11，12两个振动轴的振动还可以相互独立地被调整，尤其是调整其每个的振幅和频率及他们的相对相位。 
所说的相对总振动可拥有平行于瞬时工件表面的方向分量和/或垂直于瞬时工件表面的方向分量。这些不同的(平行，垂直)分量可分别通过不同的致动器产生。但也可安排提供一个致动器，以使其制造平行和垂直于瞬时工件表面的多个振动分量。一个或多个或所有平移振动或旋转振动的方向可在工件的刀具作 用点局部平行于瞬时工件加工表面，以造成一个研磨该瞬时表面的相对运动分量。一个或多个或所有平移振动或旋转振动的方向也可在工件的刀具作用点局部垂直于瞬时工件加工表面，以造成一个凿刻该瞬时表面的相对运动分量。这些振动方向也还可以是，在工件的刀具作用点局部存在至少一个平行于该瞬时工件面的振动运动，且存在至少另外一个垂直于该瞬时工件面的相对运动。 
“瞬时工件表面”可以被理解为位于工件刀具瞬时实际作用点旁或上的一个平面，或平行于作用点周围平均取向的一个平面(但在此特别不考虑由于瞬时加工而在实际表面产生的暂时凹痕)。 
为调整所需的控制变量(如频率、振幅或相位)，可提供一个图形用户界面，其可视为控制/调节装置15的一部分.通过该界面可以具体地对一个工件加工工艺进行调整，或者可以对一个加工程序进行编写。所述图形用户界面可以同时或依次有选择地呈现理想刀具中心37在工件表面上，或若需要还可考虑在作用面36上，多个所需相对运动图像。这种成像可包括如图3中所示的轨迹(李萨如图形)展示。 
相对运动成像还可具体到相关工件或工件段。相关的相对运动的各个参数还能具有可调性，从而改变成像，例如根据成像结果来校准工件面上叠加的平移运动，或是参数如两个同频振动的相位。 
这样以来当定义或选定了一个所需相对运动后，就可以根据此选择来确定振动单元11，12中各个振动致动器的各个驱动参数并将其作为加工程序的一部分进行保存或对其直接进行调整。 
所述的第一振动单元可以能够具有沿所有空间轴(x，y，z)的平移振动性。所述第二振动单元12可同样如此设计。该单元还可以具有沿一个空间轴(刀具到工件的垂直轴，z轴)的平移振动性，且对应于钻具，它则可以能够绕着相同轴旋转或执行旋转振动。 
在一个振动单元或所述两个振动单元内的沿着各个轴的振动可以根据要求彼此相互同步或不同步地运行。 
对振动单元11，12的控制也可以根据平移或旋转轴13，14的控制量，或按照传感系统信号大小来实现。例如，当一个刀具沿一工件表面移动时(其可通过活动平移轴来实现)，还可根据相关进度来改变这些振动单元的控制。此改变 可以涉及频率、相位、振幅或振荡模式。通过一个图形用户界面还可对这些相关性来进行设置或调整，以使其作为加工程序的一部分可存储下来或对其直接进行调整用于该工件加工。此外，还可以根据工件加工进度对调整振动单元控制参数直接进行调节，或者它们可以具有可控性，如依时性。 
本发明所描述的特征使得能够动态调整工件表面刀具加工模式。使用所描述的设备能够在当使用一个振动着的刀具工作较为困难的情况下，振动工件来代替刀具。该刀具就可无振动的被固定住或仅由移动轴带动着缓慢移动。 

Claims (15)

1.一种用于使用刀具(2)加工工件(1)的机床(10)，该机床具有：
机器框架(5)，
与所述机器框架相连接的刀架(4)，
与所述机器框架相连接的工件台(3)，
其特征在于：
用于振动工件台的第一振动单元(11)，其优选地具有大于5kHz或大于10kHz的振动频率。
2.根据权利要求1所述的用于使用刀具(2)加工工件(1)的机床，其特征在于还包括用于振动该刀具(2)或该刀架的第二振动单元(12)，其优选地具有大于5kHz或大于10kHz的振动频率。
3.根据权利要求2所述的用于使用刀具(2)加工工件(1)的机床，其特征在于所述第一和/或第二振动单元各可具有一个第一振动轴用于沿该第一振动轴振动和一个第二振动轴用于沿该第二振动轴振动，其中可相互独立地调整任一振动单元的两个振动轴上的各个振动，尤其是对相关的振幅和频率及它们的相对相位。
4.根据权利要求2所述用于使用刀具(2)加工工件(1)的机床，其特征在于可相互独立地调整所述的两个振动单元的各个振动，尤其是对相关的振幅和频率及它们的相对相位。
5.根据权利要求1所述的用于使用刀具(2)加工工件(1)的机床，其特征在于一个控制装置或调节装置(15)，其能够相互独立调整地控制所述振动单元(11，12)和它们的振动轴。
6.根据权利要求5所述的用于使用刀具(2)加工工件(1)的机床，其特征在于所述控制装置(15)用相同频率和可调相位信号控制所述各个振动轴。
7.根据权利要求5所述的用于使用刀具(2)加工工件(1)的机床，其特征在于所述控制装置(15)用不同频率信号控制所述各个振动轴。
8.根据权利要求5所述的用于使用刀具(2)加工工件(1)的机床，其特征在于所述控制装置(15)包括一个时间控制装置，其随时间变化来调整所述各个振动轴的控制参数。
9.根据权利要求1所述的用于使用刀具(2)加工工件(1)的机床，其特征在于一个或多个定位设备(13，14)，其可沿着一个或多个平移或旋转轴改变和调整工件(1)和刀具(2)之间的相对位置，且其位于刀具(2)和机器框(5)之间和/或工件台(3)和机器框(5)之间，且其可通过控制装置(15)进行控制或调节。
10.根据权利要求1所述的用于使用刀具(2)加工工件(1)的机床，其特征在于还包括控制装置(15)其包括一个图形用户界面，该图形用户界面实现了对所述振动单元(11，12)或振动单元的优选地相对于工件的振动轴的控制模式进行选择或设定。
11.根据权利要求10所述的用于使用刀具(2)加工工件(1)的机床，其特征在于该图形用户界面允许对所述各个振动轴的控制模式进行选择或设定和对工件和刀具的相对位置相对彼此进行选择。
12.根据权利要求2所述的用于使用刀具(2)加工工件(1)的机床，其特征在于所述第一振动单元具有一个或两个在水平方向上或三个在三维空间方向上平移振动的振动轴和/或所述第二振动单元具有一个在垂直方向平移振动的振动轴和/或一个绕垂直方向旋转振动的振动轴。
13.根据权利要求1所述的用于使用刀具(2)加工工件(1)的机床，其特征在于所述刀架可连接一个不具备被定义了的刀口的刀具和/或连接一个具备被定义了的刀口的刀具。
14.一种刀具加工工件方法，其包括振动被加工工件。
15.一种用刀具加工工件方法，包括权利要求1至13中任一项所述的机床上实施的加工方法。
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