CN104755202A - 工件加工方法、供电电路、供电系统、刀具致动器、刀具装配 - Google Patents

Abstract

在一种工件加工方法中，一种切削刀具相对于工件行进，其中叠加有振动，该振动的振幅至少为5μm。一种供电电路用于供给振动的刀具的压电致动器，其在电压输出端产生一个带有直流分量和交流分量的电压。一种供电系统用于供给振动的刀具的压电致动器，其具有如上所述的供电电路，其与次级线圈相连，与初级线圈耦合。

Description

工件加工方法、供电电路、供电系统、刀具致动器、刀具装配

技术领域

本发明涉及一种如独立权利要求前序部分所述的工件加工方法、供电电路、供电系统、刀具致动器和刀具装配。DE 10 2010 048 638 A1中已知这样的一个方法。

背景技术

DE 10 2010 048 638 A1中所描述的方法将一个较高频的振动叠加给刀具(“超声波”)。该刀具可以是铣刀、钻头或者车刀。

然而，人们意识到对于某些材料和工件加工其他边界条件而言，所用的高频振动频率和相对较小的振动振幅在刀具上不是特别有效地达到所期望的效果。

相似技术可在US 2006/0229004，EP 1137511 B1，EP 1762305 A2，WO 2008/118 479，DE10 2010 048 636 A1中找到。

发明内容

本发明的目的是提供一种工件加工方法和一种刀具及用于其上的致动器，其能够通过振动的刀具进行有效的工件加工。除此以外，还提供一种用于该目的的供电电路。

这些目的是通过独立专利权利要求的技术特征而实现的。从属权利要求旨在本发明的优选实施方案。

在一种通过切削刀具加工工件的方法中，其中所述刀具相对工件做叠加了振动的加工运动，所述振动具有至少为5μm，优选地至少为10、15或20μm的振幅。

所述振动在此之上附加地或者取而代之地具有一个相对于该振动系统的机械共振频率失谐至少10％、优选至少20％或30％的工作频率。所述工作频率可以位于一个下限为500Hz或800Hz和/或上限为1600Hz或1200Hz的范围内。

所述刀具可以是钻头、铣刀或者车刀，和所述振动可以是平移振动，其中对于钻头和铣刀，其振动轴是轴向平行于刀具轴线的；而对于车刀，该振动轴是平行于自转的工件的径向方向的。

与已知的现有技术相比较，这里所描述的工作频率相对较小。它可处于1kHz范围内。而振幅却相反比较大。其上限可以是30μm或50μm或100μm。通过采用所述这些值，该叠加的振动运动在不同加工环境中对工件、尤其对工件剩余表面的作用跟迄今为止现有技术中通常使用的振动的相比明显加强。尤其是，跟已知的现有加工方法相比剩余表面看起来纹路较少，也就是更光滑。

一种用于振动刀具致动器的供电电路具有一个电压发生器，其在电压输出端生成一个带有直流分量和交流分量的输出电压。

所述电压发生器可以接收交流电，可以包括一个与输入端串联的电容器C1和一个平行于所述串联电路的半波整流器。其输入电压可以是以电感无线方式提供的交流电压。

一种振动的刀具的致动器，其具有机器侧第一机械接口、刀具或用于连接刀具的第二机械接口、在所述第一接口和刀具或第二接口之间的电振动驱动器、供电电路、以及供电电路和振动驱动器之间的电连接。所述振动驱动器可以产生平移振动和可以包括压电驱动器。

当该致动器的机电转换器是压电元件时，应注意的是压电元件为带有极性的装配件，当其数量增多时，其中驱动电压的错误极性连接可能会导致削弱或毁坏。因此，以下做法是有益的：尽可能的只在施加电压的一个极性下运作压电元件，或者无论如何这样来控制两个可能极性中的一个：以使得振幅(大小)保持尽可能低(或零)。

对于大的振动振幅就希望有相对高的交流电压幅值。这里为了避免压电元件的损伤或者完全毁坏可以生成一个这样的驱动电压，其中与所期望的振动对应的交流分量绕一直流分量振荡。根据规格选择(直流分量相较于交流幅值)，就可以减少或避免压电元件反向极性连接。

所述致动器可以位于所述固有的刀具头(如钻头)和机床的驱动组件之间。所述机床可以是一台数控机床，其以这样方式使用标准化刀具：它们接机床的机械接口是标准化的，如按照HSK或诸如此类标准。也可以提供一个第二机械连接/接口用于连接刀具头自身，或者所述刀具或多或少可以与该致动器可拆卸或不可拆卸地固定连接。

用于该致动器的供电系统可以包括一个如上所述的电路。其交流电输入端可被以电感方式供应，即最终通过一个与初级线圈磁耦合的次级线圈来供应。所述供电电路可设置于刀具自身内并且按照其加工运动(例如钻头的转动)随其一起运动。

以下将参照本发明各实施方案的附图进行说明。

附图说明

附图展示了：

图1：图表用于说明所期望的振动的机械性能，

图2：一种供电电路的电路图，

图3：一种电信号，

图4：一种机床内的刀具的示意图，和

图5：一种刀具。

具体实施方式

在下面的说明中，同一数字应表示相同的部件。当未明确声明时，特征也应被视为是互相可结合的，只要其组合在技术上不是不可能的或不合理的。对方法和工艺步骤的描述也被理解为是对实现各方法和工艺步骤的设备的描述，反之亦然。

图1示意性地和定性地显示了所期望的机械振荡的特性。图1a显示了一个绕0位置(中间位置)的振动。例如钻头，所述振动可为沿钻轴的平移式振动。图中所显示的是一个正弦波形的机械振荡。然而，它也可以按照需要或者由于自身形成而采取不同于正弦波的其它振荡波形。所述机械振荡具有一个绕中间位置的工作振幅Aa。其极值则描述为+Aa和Aa.该振幅Aa可以取至少5μm、至少10μm或至少20μm。它的上限可以是30或50或100μm。

这些都是迄今为止现有技术中没有想到的相对较高振幅。而本发明发明人的研究显示，根据材料和其它操作参数(转速、表面质量期望值、加工速度、成本等等)不同于迄今偏爱的相对较小的振幅的、尤其比之更大的振幅可有利于工件加工并带有一定优势。这与所述相对较低的工作频率fa相符。一种此类振动的刀具，在其为钻的情况下对当前工件表面进行加强的挤压作用，从而使得当刀具结束加工工件后，其恰恰留下所期望的表面。

在车刀情况下，平移振动的振动轴可以具有一个相对于工件旋转轴径向的运动分量，从而使得同样该车刀垂直于(当前)工件表面平移振动。

铣刀可以沿其旋转轴或与之正交地并且垂直于工件表面来进行振动。

图1a显示了一种周期性机械振荡11的一个周期P。它倒数值对应振荡频率，也标记为工作频率fa。一般情况下，该工作频率可以在一个上限为5kHz或3kHz或2kHz或1.5kHz的范围内。它可以在一个下限为200Hz或500Hz或800Hz的范围内。它可以取1kHz±10％。

事实表明，当需要快速加工时，这样的频率——即跟现有技术相比相对较低的频率——非常适合于对工件进行加工并带有一定优点。所述低工作频率的优点还在于：它与共振频率间隔足够远以至于可对它进行调节，例如根据进给速度大小来调整。像频率误差下导致的所不希望的频率偏移一样，那么通过改变频率调节而产生的所期望的频率偏移对振幅只会有微弱的影响。因而，尤其当进行粗加工时，即希望高功率切削时，选择所述的相对较低的频率和/或相对较高的振幅较有益。

那么，所述加工方法就此相关部分就是根据工件上的刀具进给引导振动频率这一步。

图1b显示频率关系。所画的是一个被激励进行振荡的刀具的频率响应曲线12，即机械振荡振幅A对激发频率f关系曲线。该曲线12在13处具有一个最大值，其对应一个共振，即激发固有振动。跟现有技术中通常采用的不同的是，优选地在共振频率f0以外来激励刀具，即使当需要所激发的振荡的振幅Aa尽可能大时也一样，而通常的做法是在共振频率上激励，原因是按照频率响应那里的振幅相对较大。

但跟这种显而易见的方法相反的是：按照本发明一般情况下对于用振动的刀具加工工件，被加工工件的激发频率fa可选择为共振以外的一个值。大小可以这样来定，以使得工作频率fa跟该振动系统的机械共振频率失谐至少10％、优选至少20％或至少30％。尤其，它可以小于共振频率f0。

振动的刀具的共振频率通常在f0＝2kHz范围内。与此相对照的，工作频率fa可以处于一个这样范围内，其下限可以是500Hz或800Hz，和/或其上限可以是1600Hz或1200Hz。在图1b中，画出了下限值f1和f2；它们分别对应于所生成的振幅A1和A2的边界值。

使工作频率fa跟共振频率f0存在失谐量的原因是，除了共振过高以外，所述的作用在工件上的振幅对驱动频率的频率失谐的误差敏感度较低。在共振频率f0附近，该特性曲线相对较陡，以至于小的频率误差将导致相对较大的振幅误差因而导致该工件加工中无法预料的频率关系。

与此相反，频率误差对远离共振频率f0处的频率关系而言较不危险，这是由于振幅A的频率响应曲线较不陡峭。相同的频率误差在远离共振频率处比相同误差在靠近共振频率处具有较小的振幅误差产生。

因此，钻头或铣刀的转速可以设在这样一个范围内，其下限为10000转/分钟或15000转/分钟，和/或其上限可以为30000转/分钟或25000转/分钟。

图2显示用于振动驱动器电能供应的电路。它可以是或者包括一个压电元件。在图4中，该元件由43表示。在图2的电路图中，它按照它的电性作用作为电容器分别显示在最底部。

假设，所述电能供应以无线方式进行。除了所述振动以外，该刀具还执行常规的加工运动，对于钻头例如其为绕轴的转动。通过磨削接触设法实现从静态到动态部分的电能传输是一项已知的技术。可是鉴于磨损，所以它还是存在缺点的。

当不能接受有磨损时，可选择无线电能传输，其中一个初级线圈和一个或多个次级线圈磁耦合。该初级线圈被输入交流电压并相应产生一个交变磁场，该磁场在次级线圈中引起一个交流电压。所述初级线圈设为静态的，而所述次级线圈同刀具装配设在一起并且可以是固定安装在其上。

图2a显示静态的交流电压源21，其与初级线圈22相连。这些组件是静止的。此外，还设有2个次级线圈24a和24b，其随刀具运动。尤其是，当刀具被驱动旋转时它们也旋转。所述次级线圈中的一个24b供给全波整流器25，该整流器的整流输出通过电容器26变平滑。以这种方式形成一个脉冲直流电压。所述另一个次级线圈24a生成交流电压，其串联连接到经整流平滑后的电容器26的输出电压。以这种方式形成一个直流电压，其叠加有明显的交流电压。它然后给由43所标识的和由电容器所象征的电压致动器供电。

然而该电路也存在风险，即次级线圈24a和24b反作用互相影响，以至于可能存在未定义频率关系。所以就这点来说，如果所述电能供应不是感应进行而是传统分接的话，就尤其更可以使用图2a的电路。

图2b显示用于无线电能传输的另一种电路。在静态交流电压源21和初级线圈22之间可以设有串行电容器23作为阻挡直流电的阻直器。该电容器规格较大，可以具有超过1mF或3mF的容量。次级侧设有次级线圈24c，其供应两个电路元件串联电路。其中的一个电路元件是传统二极管28，其用作半波整流器。另一个电路元件是电容器27或者包括该电容器。可以设一电阻29并行与二极管28即第一电路元件。在该二极管即第一电路元件处可以将供应电压分接给压电致动器43。

所述半波整流器28除去次级线圈上的交流电压的半个波形和二极管阀值电压以下的电压，以至于所导通的部分不再是绕零点对称。它因此包含一个直流分量。一方面，所述充当电容器的压电驱动器43可以作为交流阻抗，可是其仍允许一部分的交流电压通过，但另一方面，整流器28的输出电压将被平滑，这样以便给它和给压电驱动器43自身大约提供一正弦电压。

所述半波整流器28不仅滤掉反向电压极性而且滤掉导通方向上的低于二极管阀值电压的电压成分，这一事实将根据规格大小通过压电元件43的阻抗得到自动补偿，因为其按照1/(jωc)起最终的交流阻抗的作用。通过适当的设计可以得到一个这样的总电压，其最小值是零和其最大值在二极管28导通方向上对应大约两倍的交流电压幅值。

图3显示了二极管28即所述第二电路元件上电压的一种可能的时间响应曲线。该时间响应曲线31可以或多或少为正弦形状。根据该曲线的对称性，直流分量Udc将处于交流分量Uac的最大和最小值之间大约中间的位置。图中实线显示一个自始至终处于零线以上的响应曲线。虚线31’表示一个向下到达零线的响应曲线。它也可以穿过零线然后引起压电元件极性反转。只要逆向电压大小上仍然保持在一定边界值范围内，这样的反转并不危险。所述叠加的直流分量Udc为此解决了问题。

图2b电路的优点是它构造简单，并且它只需要一个次级抽头来既产生直流电压Udc又产生交流电压Uac，这样以便不会出现如图2a电路中发生的相互作用。

所述次级线圈(们)优选地构造成相对于刀具转轴旋转对称。那么在操作中，刀具的转动就不会导致穿过线圈的磁通变化或只有轻微的变化，从而使次级感应电压不受或仅轻微受转速的影响。取而代之，那么次级电压的频率和幅度将可通过在初级侧对电参数相应的控制来调节，而不受刀具转速的影响。

然而，如果需要的话，所述次级绕组也可以安装成使得刀具旋转会影响穿过它的磁通，以便所述刀具转动形成次级电压。

所述直流电压分量Udc可以至少为交流分量幅度Uac的一半。它优选等于幅度Uac±4％的Uac或者±1％的Uac。

一种用于振动的刀具的致动器供电系统具有如上所述的供电电路28，29、一个或多个如上所述的次级线圈、一个初级线圈22和一个交流电压源21。还可以设有已述的电容器23。该电容器23的值可至少是电容器27的值的100倍。其反过来可以规定为：它的值至少是压电致动器43的等效电容的四倍。它也可以至少是其两倍或至少其三倍，和/或任选地至多其10倍或至多其20倍。所述初级线圈可设在自转的机床主轴附近。但它理论上是静止不动的。

图4示意性显示一种用于刀具的致动器40。它包括机器侧接口44，通过其可将该致动器与机床的自转主轴45耦合。所述接口可对照某种标准，诸如HSK。另外，可设有刀具侧接口42，其上固定有刀具或可固定刀具。图中显示的是一个实施例，其中刀具10可用螺丝41固定。所述工具侧接口42自身可以是可与同类型或其他类型接口进行替换的，即可从致动器拆卸下并可与之相连接的。通过这种方式，便可运用不同的接口的刀具。

43象征振动驱动器，其可以做成压电致动器。它在机器侧接口44和刀具侧接口42之间作用。47象征图2电路中的次级线圈24。它可以是环绕所述致动器外围而建。48象征一个初级线圈对应图2中的22。48a象征一个固持装置，用于将所述初级线圈保持在机床的固定部分上。

所述供电电路20安装在所述致动器的一个适当位置上。为了避免不平衡，它可以分散安置在致动器外围，或者它利用配重物平衡。47是致动器连同刀具10的旋转轴，该刀具可通过螺栓41固定着。此外，主轴45绕轴47转动。49象征一个工件。46象征工件台。次级线圈24与供电电路20电连接，后者又与驱动器43电连接。

所述致动器的机械和电气系统的设计是这样的：它生成在该加工方法开始时所描述的参数值大小。尤其，所述压电驱动器43和所述电气系统是这样设计的：振动幅度达到所期望的大小。振动频率的调节，如先前所解释的，优选通过调整初级侧激励频率实现。

一种刀具装配具有如上所述的致动器40和刀具10。刀具10被适当地固定在致动器40上。图4中显示的是用螺丝41作为连接。所述刀具可以是用于振动加工工件的一种特殊刀具，例如如图所示的一个带有工件侧磨削附件的中空圆柱结构，或者它可以是一种或多或少常规的刀具。同样，刀具10在致动器40上的固定方式可特殊化或标准化。所述刀具优选为钻头或者铣刀或者车刀。

到此为止描述的都是沿轴的平移振动。然而，相同的如上想法也适用于钻头或铣刀围绕其旋转轴的旋转振动。如上所列举的频率设置也同样适用于旋转振动。所述振幅设置各应用于刀具的最大切割半径。对于旋转振动的情况，所述致动器40和尤其所述振动驱动器可以构造的跟图4所示不一样。但是一样也可以设有一个压电致动器。所述供电电路可以是相同的。

图5显示一种其用于工件加工的刀具51。所述加工是对相对塑性材质的、尤其金属材质的、例如铝及其合金材料的工件其先前已另外加工过的表面的一个压实(击压，“拍”)。所述刀具与振动致动器40相连或可与之相连，该致动器可以按所描述的来构造。所述振动包括一个垂直于工件表面的运动分量。它可以是一个按照至此所描述的边界条件(振动频率，振幅)的垂直于工件表面的平移振动。

所述刀具51包括一个面向工件的表面52，该面不具有切削刃或切削刀。它可以相对光滑。它可在工件朝向上绕轴线53旋转对称。它可以区域性具有球面半径为R的扇形，并且可以向后(图5中为向上，朝向机器)在适当装配区域内过渡至致动器40或永久地固定其上。所述球的半径可以处于一个其下限为0.5mm或1mm或2mm和/或其上限为20mm或10mm或5mm的范围内。然而，所述表面52还可以(图中未示出)区域性平坦和边缘具有适当圆角。

在所述加工过程中，所述刀具振动并通过机器部件被引导到工件表面上。它可以不进行绕轴53转动地进行运作。然后，所述振动和引导运动就是唯一的运动。

一般情况下，所述机床包括控制装置，其调节所描述的参数大小并执行各步骤。它可以按照某程序工作，必要时还根据传感器信号进行反馈调节或控制工作。

Claims (16)

1.用切削刀具加工工件的方法，其中所述刀具相对工件做叠加有振动的加工运动，所述方法其特征在于：所述振动具有至少5μm，优选至少10、15或20μm的振幅。

2.用切削刀具加工工件的方法，优选其根据权利要求1所述，其中所述刀具相对工件做叠加有振动的加工运动，所述方法其特征在于：所述振动具有一个工作频率其在一个下限可为500Hz或800Hz和/或上限可为1600Hz或1200Hz的范围内，其中所述工作频率相对于该振动系统的机械共振频率失谐至少10％、优选至少20％或30％。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述刀具为钻头、铣刀或车刀和所述振动为平移振动，其中当为钻和铣刀时，所述振动轴与刀具轴轴平行并且为平移和/或旋转振动，而当为车刀时，其与自转的工件的径向平行。

4.用于振动的刀具的致动器的供电电路(28)，包括：

交流电输入端(21)，

与该交流电输入端相连的带有电容器(C1)的第一电路部分，

带有半波整流器(D1)的第二电路部分，该半波整流器并行于交流电输入端和第一电路部分串联电路，和

用于所述第二电路部分上电压的电压分接器(22)作为电压输出端。

5.根据权利要求4所述的电路，其包括并行于所述半波整流器的电阻(R1)。

6.用于振动的刀具的致动器的供电电路(20)，包括：

交流电输入端(21)，

电压发生器，其与所述交流电输入端相连并具有电压输出端(22)，并且被设计用于在所述电压输出端生成一个带有直流分量和交流分量的电压。

7.根据权利要求4至6中任一所述的电路，其包括次级线圈(L2，47)，其与所述交流电输入端相连。

8.根据权利要求4至6中任一权利要求所述的电路，其中所述电压输出端的电压具有一个直流分量(Udc)，和/或具有一个交流分量(Uac)，该交流分量的幅值优选最高双倍于和等于所述直流分量(Udc)±8％或±2％。

9.用于振动的刀具的致动器的供电系统，包括：

根据权利要求7所述的供电电路(28，29)，

与所述次级线圈磁耦合的初级线圈(L1)，和

并行于所述初级线圈的由交流电源(U)和第三电容器(C3)组成的串联电路。

10.根据权利要求9所述的供电系统，其中可以适用C3＞100*C1和C1＞4*C2其中C2是所述振动驱动器的有效电容，和/或其中可以适用1/2＜L1/L2＜2，优选地L1＝L2±10％。

11.振动的刀具的致动器(48)，包括：

机器侧的第一机械接口(44)，

刀具(10)或者用于连接刀具的第二机械接口(42)，

在所述第一接口和刀具或所述第二接口间的电振动驱动器(43)，

根据权利要求4至6中任一权利要求所述的供电电路(28，29)，和

所述供电电路和所述振动驱动器之间的电连接(49)。

12.根据权利要求11所述的致动器，包括：

根据权利要求7所述的供电电路，和

旋转轴，所述次级线圈L2绕其而设，

其中，所述第一接口可以为标准化接口，尤其为HSK接口。

13.根据权利要求11或12所述的致动器，其中所述振动驱动器产生平移振动和可以包括压电驱动器。

14.根据权利要求11或12所述的致动器，其可以被设计用于产生一个至少10μm，优选至少15μm或20μm的机械振动振幅(A)，其中其供应电压的电频率(fa)相对于由致动器和刀具组成的系统的机械共振频率失谐至少该共振频率(f0)的20％，优选地至少30％。

15.刀具装配，包括：

根据权利要求11或12所述的致动器(40)，和

与所述致动器相连的刀具(10，51)，尤其钻头(10)或者铣刀或者车刀。

16.刀具，包括：

致动器(48)或者用于装配致动器的装配区，该致动器优选地根据权利要求11或12所述，和

在操作中面向工件的表面(52)，其不具有切削刃并且为圆形或包括圆角边。