CN104823529A - 刀具、机床、加工方法 - Google Patents

Abstract

一种用于机床上加工工件的刀具(10)具有连接部分(11)用于将该刀具与数控机床(30)相连接，该连接部分在操作过程中在机器一侧并且优选地为标准化的；等离子管(44)用于传导所产生的等离子体；以及出口部分(13)，其在操作过程中在工件一侧和被设置在所述管道(44)的端部，并且其包括一个或多个出口(22)用于给工件表面提供等离子体。

Description

刀具、机床、加工方法

技术领域

本发明涉及一种如独立权利要求前述部分所述的刀具、机床以及工件加工方法。

背景技术

利用等离子体加工工件表面已为人所知。这种加工工艺可以有不同用途。它可以用作于清洁工件表面或者去除材料或者表面涂层又或者表面改性。为此，现有很多刀具可用，这些刀具包括等离子体发生器并且具有适当的等离子出口通过其可将产生的等离子体提供给工件表面。这种刀具要么被手动引导，要么由机器人以自动控制的方式引导。

当工件被手动引导，加工的精度不够高带来了一个问题。而且它很费力。然而，提供一个单独的机器，比如机器人，通过其可使适合于等离子体处理工件表面的刀具在工件表面自动制导，也是很费力的。

发明内容

本发明的目的是提供一种刀具、一种机床及一种加工方法，其使得简单实现等离子体处理工件方法成为可能。

此目的是通过独立权利要求的技术特征实现的。从属权利要求针对本发明的优选实施方案。

一种用于机床上加工工件的刀具具有一个优选标准化的连接部分用于连接该刀具和数控机床上与之相匹配的连接件，一个用于传导所产生的等离子体或其它流体或粒子流的流体管，以及一个位于流体管末端的出口部分，该出口部分具有一个或多个出口用于给工件表面提供等离子体或流体。

该刀具可以具有加工气体连接件设在所述连接部分中，和等离子体发生器连接到该加工气体连接件和等离子管。提供有一种供能系统用于供应电能。它可以具有横于接口的滑动接触，或者可以是或包括无线感应供能。

用于等离子处理工件的传统机床可与一个这样的刀具一起使用。可以使用传统的控制算法。这里也可以使用现有的供能系统，用于向刀具供应能源(穿过一个可能旋转的接口)。

一种机床具有机架、如上所述的用于连接刀具的刀具连接件、和用于连接该刀具的加工气体连接件，所述加工气体连接件包括刀具侧的加工气体出口和该出口上游的开关器件，所述开关器件与所述出口相连接、为将该出口与加工气体管或冷却剂管或可能是机床冲洗流体或其他流体的流体源进行选择性可控连接而设计。可提供有用于所述出口和开关器件的清洁装置。

用这种方法，就可以用现已存在的机器侧流体管(例如，用于输送冷却剂、润滑剂的管道)，包括面向机床的接口，为刀具供应加工气体。在该机床上，静止部分中，提供有一个开关系统，通过其用户可以选择是将哪个流体通过流体管供应给刀具。在使用常规刀具的情况下，它可以是冷却剂或润滑剂。在使用本发明的刀具的情况下，其为加工气体。

所述刀具到机床的连接通过一般可旋转的主轴的适当接口来实现。通常情况下，此连接按照“HSK”空心锥柄(hollowtapershank)设计。该主轴自身通常为可转动的，并且在等离子体刀具操作期间，它也可以做成按所需的可控转速旋转。所述流体管通过该主轴上的抗扭型连接件从机床延伸至刀具。这里也一样，都可以使用现有的结构(冷却剂或润滑剂的)。

对于通过如上所述刀具在机床上加工工件的方法，等离子体是通过安装在机床上的刀具被提供给工件表面的。该刀具，就像传统刀具一样，可以被以数控方式引导扫过工件表面。该刀具可以被安装在机床主轴上。该刀具可在操作期间旋转。所述加工气体可经由一个连接件提供给所述刀具，该连接件还用于给刀具提供冷却剂，此外在该机床上，用户可以根据控制在提供加工气体和提供冷却剂之间进行切换，并且在安装该刀具之前，可进行一个清洁步骤，尤其一个让加工气体或另一种气体吹过该机器侧供给结构的步骤。

用所述方法，一个等离子体刀具就可被用于传统的或仅略微改装后的数控机床中，而该机床还使用其它刀具。所述等离子体刀具在刀具库中可被分类作为多个其它刀具中的一个并且可由该机床自动访问那里，对于其它刀具也一样。

下文将参照附图对本发明的各个实施例进行说明。

附图说明

图1展示一个等离子体刀具的立体图、

图2展示一个等离子体刀具的侧视图、

图3示意性展示了一台机床、

图4示意性展示了一个实施例中的一个等离子刀具的内部结构、

图5示意性展示了该机床的组件、

图6展示该刀具的另一种内部结构。

具体实施方式

在下面的说明中和附图中，相同的附图标记指代相同的部件。本发明的特征是被视为可互相结合的，即使它们的结合没有被明确提到、但只要它们的结合在技术上不是不可能的。对方法步骤的描述也被认为是对实现这些方法步骤的装置/手段的说明，反之亦然。

图1和图2示意性地展示了一个用于在机床中加工工件的刀具10的立体图和侧视图。刀具10包括一个机器侧的连接部分11和一个刀具侧的出口部分13。二者之间可能存在中心部分12用于其它组件。在该刀具10的内部有一个等离子管，其将等离子体输送到出口部分13、尤其是等离子出口22那里，所述这些出口被设置在等离子管44的端部。在出口部分13中可以提供一个或多个等离子出口22。

21代表一个刀具轴。该刀具可以具有旋转对称结构或者旋转不变结构。它可以在操作期间转动。

优选地，所述连接部分11是根据某一标准构造的。它可以是HSK空心锥柄结构(DIN69893)或者大锥度形状(DIN69871)。所述连接部分11或该刀具另一部分可以具有自动换刀装置的夹持部分。

等离子管44将等离子体输送至(多个)等离子出口22。该等离子体可由外部提供，也可在刀具10自身内生成。它可以是由周围空气生成的大气压等离子体。

以这种方式就可以获得一个就像其他刀具一样可以在一台机床中使用的刀具(即插入、去除、沿/跨工件表面平移和/或旋转制导、刀具库内的刀具管理、机器程序设计、...)。

如果等离子体是要在刀具自身内产生，该刀具则包括等离子体发生器45，其可以被容纳在刀具中心部分12内和可以一方面包括电气电子零部件、且另一方面还包括机械结构部件。此外，在这种情况下可以设有供能系统14、43。该供能系统优选为非接触/感应式。在刀具侧，它具有一个接收线圈14，其被一个交变磁场穿过。有利的是，它进一步包括一个电压整形电路43a，其将存在于线圈中的交流电压转换成合适的物理量(频率、振幅、稳态分量、...)。所述刀具侧线圈14可以被设计和布置为关于轴线21对称。它可以具有环形设计。

为了提供等离子体或还未离子化的加工气体，可以使用一个与旋转轴21同轴的通道。这里尤其可以使用一个另用于其他刀具其它流体的通道，尤其是用于提供冷却剂和/或润滑剂的通道。在这方面，已知的和标准化的结构已在使用中。所述加工气体供给可以相应地进行设计。

图3示意性展示了一台机床30。31是一个或多或少刚性的机架。32象征一系列致动器，通过其刀具10可以被平移地和/或旋转地调整和移动。33象征主轴，其可以使刀具10旋转。所述刀具10按如上或如下所述来设计的。34象征工件台35的致动器，其在适当情况下也可以平移地和/或旋转地调整工件台35。36象征工件本身。

37象征一个开环/闭环控制，其一方面向进程方向传输信号，尤其是向所述的各个致动器32、34，在适当情况下也向刀具10本身，在适当情况下也向其他未显示的组件传输。此外，它也能接收信号，尤其是接收从图3中未示的传感器、还从该刀具中的一个或多个传感器所反馈的信号。所述控制系统37根据工件36的加工程序运作。

38象征一个流体源，尤其是加工气体源或等离子源。相应地，从源38经过致动器32和主轴33到刀具10存在一个流体管道。所述加工气体可以是周围空气，也可能是净化过的空气。就此，进气口或一个适当的泵或过滤器出口可视为源38。所述源并不需要固定地安装在机架31上。根据流体的种类，它也可以位于较靠近刀具10的地方。在刀具10和主轴33之间设有标准化的刀具固定结构(“HSK”、大锥度、...)。

所述系统可以包括一个未示出的流体驱动器用于将流体从源输向工件方向。它可以设计成一个泵或者可压缩性流体增压容器，其在适当情况下包括流量控制阀。该驱动器可位于该刀具自身内或机床上。

图4示意性展示了刀具10的内部结构。48象征刀具侧流体入口或加工气体入口。该入口可位于连接部分11中与转动轴21同轴延伸。它可以根据行业标准或规范来设计，尤其是就像其他刀具的冷却剂入口或润滑剂入口那样设计。45象征一个等离子体发生器，其与上游流体管44a和下游流体管44b相连接。通过入口48加工气体被提供给发生器45。

14象征一个能量源。它可以是一个线圈/环形线圈，其以感应地方式接收能量。43a象征一个电压整形电路，其与所述环形线圈14相连。它可以包括，例如，一个整流和在适当情况下一个随后的反转电路以及输出电压振幅控制。所述电压整形电路43a向等离子体发生器45提其所需要的电能，还可能提供所述流体驱动器和其他组件所需电能。当提供上电能，等离子体发生器45由从上方流入下方流出的加工气体生成等离子体。在发生器45内部或作为发生器的一部分，可提供有开环和闭环组件、致动器和机械的或电气/电子设备。

线圈14与一个图中未显示的静止线圈合作，该静止线圈可配置成使得其仅提供在环形线圈14某一区段的上方并且在z方向上在一小段距离处与之相对。该图中未显示的激励线圈可以以电和/或机械的方式固定地连接到该机床。尤其它以这样的方式来安装：使得换刀装置对所述刀具的访问不受阻挡。

该系统设计可以是：使得刀具不仅给提供了电能，而且它还接收控制信号。例如，这些信号可以通过在机器侧将信号调制成用于供能的供应交流电、然后在刀具侧将其解调/解码再相应地进行使用，以这样的方式被输送给刀具。43b象征用于此目的一个组件，其很可能具有一个较为复杂的结构。以这样的方式，外部命令就可被接收。于是，用户就可相应地作用于等离子体发生器45。然而，信号与外部组件也可以通过一个适当的无线电接口或有线接口直接进行交换。

本发明还可提供有一个或多个流量控制阀46。图中所示的是发生器45下游的一个阀门。可想象上游也有一个阀门。可想象有多个可能可适当控制的阀门(开/关或者也可能渐控)。此外，在刀具内实现开环或闭环控制也是可能的。47代表一个传感器，其检测例如等离子体发生器45上或内的状态变量、并将其传送给电路43b。在那里，它们可以要么直接用于生成开环控制/闭环控制信号，要么它们可以被传输回机床并在那儿使用。

在图4的底部显示，带有等离子体出口22的出口部分13可做成一个可更换的部分49。用这种方法，可以很容易地提供不同的出口设计以及可能的话还有喷嘴设计。图4中左下侧的49′代表一个不同于组件49的出口设计。对于49，图中显示了一个向下的(轴向方向)出口22。而对于49′，显示了几个或多或少指向一旁的出口22。用这种方法，可以考虑到不同的加工情况和加工要求。

图5示意显示了机器侧的特征。在图5的底部-也仅仅示意性地-显示了所述刀具的连接部分11。上面，则显示了机器侧的连接区域。它可以是一主轴的驱动端，即一个在操作期间旋转的刀具连接装置33b，其可以以所需转速相对于静止部分33a被驱动。朝向刀具10的机器侧连接装置51位于所述旋转部分33b中。穿过静止部分33a和旋转部分33b之间的界面，延伸有一个气体导管51，其带有位于所述静止部分中的分段51a和在所述旋转部分中的分段51b，所述分段相对彼此具有抗扭连接。它可位于静止部分33a和旋转部分33b之间的过渡区域内，并与旋转轴21同轴延伸。

在所述静止部分33a中，可提供有开关器件52，其依赖控制信号55进行工作，该控制信号可源自控制系统37。该开关器件52可以将所述出口侧(导管51a)交换地连接到两个或多个入口导管53、54中的一个。这些入口导管53、54可以提供不同的流体，其随后可由开关器件52来进行选择。例如，所述入口导管中的一个53可以供应冷却剂和/或润滑剂。其中另一个54可以供应所述加工气体。再一个入口导管(图中未显示)可以供应另一种加工气体。再一个导管(图中也未显示)可以包括用于在连接刀具10之前清洁所述下游组件(导管51、开关器件52)的冲洗流体。该清洁可以例如通过使空气吹过这些组件来完成。

与图5中所示的不同的是，所述开关器件52也可以置于更上游的位置，例如在机器框架31中，即致动器32的上游，这样使得仅有一个单个导管51须穿过致动器和主轴。

除了实际产生和提供等离子体给工件表面和通过机床引导刀具扫过该工件表面，所述加工工件表面的工作方法还可包括有：在刀具10插入机床前，首先进行一道冲洗工序，在此期间导管们将被冲洗流体冲洗(该冲洗流体也可以是加工流体/加工气体)，这样使得其他流体(例如冷却剂)的残留物通过例如吹出的方式从该机器导管中(尤其是主轴中和其上游的)除去。如需要，可由开关器件52通过将所需入口与出口侧流体管51相连通来选择一种所需的加工气体。在此步骤之前或之后，尤其通过自动刀具处理器，将刀具10插入该机床，该自动刀具处理器也可从一个刀具库中取出该刀具。

除了到目前为止所描述的能源供应(金属接触和/或感应式能源供应)以外、或者作为它们的代替物，所述能量供应系统还可以在刀具内包括一个能源存储装置。例如，它可以是一个可更换的、也可能是可充电的电池。

与图中所显示的不同的是，在工件中也可以提供一个用于加工气体或加工流体的流体容器。可以提供一种可更换的套筒和与其相应的连接。可以提供一个或多个流量控制阀，其包括对它们的适合的适当的控制。这样于是所述的朝向机床的流体连接就可被省略。

做为一个截面示意图，图6显示了所述刀具的一种内部结构，其相比于图4经过了修改。一般来说，等离子体发生器45和/或导管44不需要被设计成单独部件安装在刀具外壳内，而是可以使用该刀体或它的壁61、62自身来作为导管壁62和/或发生器壁61。在该刀具内部空间中、等离子体发生器的区域内，即由壁面区域61所限定的区域，存在有必要的电气或电子器件和设备用于引发和稳定地产生等离子体，这些器件设备在图中由63表示。然后，下游刀具壁62自身可以构成用于将等离子体导至出口22的管道。

图1和图2的刀具，也可设计用于处理及向工件表面提供其它流体或粒子而非等离子体从而加工该工件表面。通常，它可设计为向工件表面供应一种液体或气态流体或供应一种粒子流。管道44在这种情况下为一个流体或粒子管。所述出口22为流体或粒子出口。所述流体可以是液态的或气态的。所述发生器可以省略或者根据需要来构造。它可以包括一个流体源或粒子源，例如一个溅射靶、一个电子源或类似物。它也可直接位于出口22的前面。

因而，所描述的刀具10的使用并不限定于工件表面的等离子体加工。一般，它可以用于流体加工或用于为工件涂层，其中工件表面是通过一种气态或液态流体被加工，尤其是通过材料去除或通过材料积聚而被修改、加工的。所述流体可以是气态的，所述原子/电子可以是电中性或离子化的或者可以呈现为等离子体。可以在刀具10内提供其他合适的导管或其它用于生成相应所需的流体或离子或粒子的发生器，来取代等离子体发生器。然后，刀具10中的控制43b可适应于相应条件，可以执行开环控制或反馈控制任务。不然，所述刀具、机床以及加工方法的特征可以为所描述的那样。

Claims (15)

1.一种用于机床上加工工件的刀具(10)，其包括：

连接部分(11)用于将所述刀具与数控机床(30)相连，所述连接部分在操作期间在机器侧和优选地是标准化的，

管道(44)，尤其等离子管，其用于输送流体、尤其等离子体，和

出口部分(13)，其在操作期间在工件侧和设置在所述管道(44)的端部和其包括一个或多个用于将流体提供到工件表面的出口(22)。

2.根据权利要求1所述的刀具，其包括：

设置在所述连接部分(11)中的加工气体连接件(48)，

等离子体发生器(45)，其与所述加工气体连接件(48)和所述等离子管(44)相连，和

用于所述等离子体发生器(45)的无线能源供应(14，43)。

3.根据权利要求2所述的刀具，其特征在于：所述加工气体连接件(48)是为与机器侧的连接件(51)相连接而设计的，该机器侧连接件可以用于冷却剂的供应。

4.根据权利要求2或3所述的刀具，其特征在于：所述能源供应包括线圈(14)和与之相连的电压整形电路(43a)。

5.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的刀具，其包括：控制系统(43b)，其为从上级控制系统(33)和/或从一个或多个传感器(47)接收信号、和根据所接收的信号控制刀具组件(45，46)、和/或发送信号到所述上级控制系统(33)而设计。

6.根据权利要求5所述的刀具，其特征在于：所述控制系统包括用于对叠加在无线接收到的能量上的信号进行解码的解码电路。

7.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的刀具，其包括：多个等离子体出口(22)，所述出口的等离子体供给通道可以被定向在不同的方向。

8.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的刀具，其特征在于：所述工件侧的出口部分(13)是可拆卸和可更换的组件。

9.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的刀具，其包括：一个或多个控制阀(46)用于控制加工气体流和/或等离子体流。

10.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的刀具，其特征在于：它是为能由所述机床的换刀装置处理而设计的。

11.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的刀具，其特征在于：它是为从周围空气中处理或生成等离子体和/或为从多个可选择气体或气体混合物中之一处理或生成等离子体而设计的。

12.根据权利要求2所述的刀具，其包括：在所述等离子体发生器(45)上或内的传感器(47)。

13.一种机床(30)，包括：

机架(31)，

用于根据任一前述权利要求所述的刀具(10)的刀具连接装置(33)，

工件台(35)，和

用于机械组件的数字控制系统(37)，

其特征在于：

所述刀具连接装置包括用于所述刀具(10)的加工气体连接(51)，该加工气体连接具有刀具侧出口和设置在该出口上游的开关器件(52)，该开关器件是与所述出口相连的和是为了将所述出口与加工气体管道(53)或冷却剂管道(54)或可能是冲洗流体源进行控制连接而设计的，

其中，也可能提供有用于所述出口和所述开关器件的清洁器件。

14.一种在机床上加工工件的方法，该机床(30)包括根据任一前述权利要求所述的刀具(10)，其中等离子体是由所述的安装在机床上的刀具提供给工件表面的。

15.根据权利要求14所述的方法，其中加工气体经由连接装置提供给所述刀具，该连接装置也用于给某个刀具提供冷却剂，其中，在所述机床中，加工气体供应和冷却剂供应之间的切换是根据控制系统(33)来进行的，和其中，在安装所述刀具之前，可能执行一个清洗步骤，尤其让所述加工气体或另一种气体吹过所述的机器侧的供应结构。