CN105246623A - 刀具、机床和工件加工方法 - Google Patents

Abstract

一种刀具(20)具有一个机器侧的机器接口(21)用于将所述刀具与一个机床(1)连接用以绕旋转轴(29)旋转驱动(27)该刀具和相对工件进刀(26)，一个工件侧的刀头(22)其带有一个或多个用于加工工件的切削刃(25)，其中所述刀头的直径(D)大于20毫米，所述刀具(20)的切削刃(25)可以安排成使得它们在垂直于所述旋转轴(29)的表面上移动，一个振动单元(23)其适于使所述刀头进行绕所述旋转轴(29)的旋转振动(28)，和一个能量接收装置(24)用于接收无线供给的能量并将电能输送给所述振动单元(23)。

Description

刀具、机床和工件加工方法

技术领域

本发明涉及一种刀具、机床和工件加工方法。

背景技术

使用带有明确切削刃的刀具对工件进行切削加工已为人所知。其中最常见的工艺有钻削、车削、铣削和刨削。该技术所使用的刀具有一个或几个轮廓清楚明确的、可清晰描述的切削刀口。所述切削加工是通过刀具、尤其其切削刃与工件之间的相对运动(切削运动)而实现的。该加工在一定的刀具磨损下以一定的切削功率进行，并且加工出具有在一定范围内可预测的特性的工件表面。钻削中，通常是移动刀具，而车削是移动工件。铣削中，通常是铣刀在转动的同时其自身或者该工件进行移动。刨削中，可以让刀具或者工件移动。所述工件自身也可以是一个刀具，其由所描述的刀具加工生产而成。

除此以外，被人已知的还有使用不带明确切削刃的振动刀具对工件进行加工。所述振动刀具为粗糙的、进行研磨式工作并且以相对高频进行振动(振动运动)，例如以高于5kHz或高于10kHz或高于20kHz的频率振动。由于如此的高振动频率可能超出了人类的听觉范围，所以此类加工通常称为超声波加工，此类机床称为超声波加工机。所述刀具的振动可以是平移式或旋转式振动。该刀具可以沿工件表面平行移动，然后以类似锉削的方式去除材料。但它也可以以相冲撞的方式作用于工件上。

DE102008048638A1描述了一些带有明确切削刃的刀具，这些刀具的旋转运动被叠加了一个旋转式振动。

现有已知刀具的一个缺点是，大直径刀具由于它们的大小和重量而被认为不能充分应用于振动运作中。

发明内容

本发明的目的是提供一种相对大直径的刀具，其可合理应用于振动运作中。

该目的通过独立权利要求的特征而得以实现。从属权利要求旨在本发明的优选实施例。

一种刀具具有一个机器侧机器接口(例如HSK接口、斜锥型接口)用于将该刀具连接到机床、一个带有一个或多个明确切削刃的工件侧刀头用于加工工件，其中所述刀头的直径大于20mm，并且所述刀具的切削刃可以布置成以使得其在运作中在与旋转轴相垂直的平面内覆盖式行进、一个振动单元其设计成适于所述刀头绕所述旋转轴做旋转振动、和一个能量接收装置用于接收无线供给的能量并向振动单元提供电力。

所述旋转振动具有取决于直径的振幅。对于大直径设备，其小振幅的缺点便通过大圆周的几何转化而初步得以补偿。通过一定方式利用共振效应，可以使该振幅进一步增大。

所述能量接收装置可以包括与一个电感线圈，其与所述振动单元中的一个或多个振动驱动机构(例如压电元件)直接或间接连接。它可设为环形并与所述旋转轴同心，用于和一个在旋转轴方向上与其相对而设的静止线圈一起作用。

所述刀具的进给方向可以为垂直(端面铣刀)或并行(钻头)于所述旋转轴。所述刀头上与工件卡合的部分可具有大于25毫米或大于30毫米的直径、和/或小于150毫米或小于100毫米或小于80毫米的直径。

所述刀具可以具有一个细长的沿所述旋转轴延伸的振动部分，该振动部分在驱动端具有所述振动单元，在输出端具有所述刀头，在这两端之间具有一个与所述机器接口相连的中间区域。

所述刀具的尺寸和运作方式可以设为：使所述振动频率等于所述振动部分的扭转共振频率或其倍数，其中所述驱动端和/或所述输出端设置在以振荡波腹为中心、共振波长的±20％或±10％或±5％为半径的范围内，和/或所述中间区域以及尤其用于连接的其紧固区域设在绕一振荡节点为中心、距离该中心为共振波长的±20％或±10％或±5％的这样一个范围内。

一种机床具有机架、其上设有工件台用于固定工件、机架上所设的刀具架如上所述用于接连刀具、能量发送装置用于将能量无线传输到能量接收装置、和用于运行所述配备该刀具的机床、尤其所述刀架和能量发送装置的控制装置。

以下将参照附图对本发明的实施方案进行描述。附图显示了：

附图说明

图1示意显示一种机床外观，

图2示意显示一种刀具，

图3示意显示一种刀具，

图4振荡特性图解，

图5显示一种实施例中的振荡驱动，和

图6显示刀具的其他实施例。

具体实施方式

图1示意展示了一台机床1。它包括机架10。在使用时，通过不同的中间体在机架10上一侧固定工件2、另一侧固定刀具20。可设多个调整轴13、14用于静态调节刀具20和/或工件2的平移和/或旋转位置。此外，还可设有一个用于刀具20的主轴12，用于使该刀具进行旋转运动。可以在机架10和工具台11之间设置调整轴13，和/或在机架10和刀具20或主轴12之间设置调整轴14。所述调整轴13中的一个或多个在运行中也可以执行刀具20的相对工件2的平移或旋转进给运动。

通常，机床10可以包括传感系统3，其用于检测工艺参数。该传感系统可以包括分布在机床上的一个或多个传感器。通过导线可将信号反馈给控制/调节装置16并记录在那里和/或进行输出和/或自身用于控制各种机床组件(轴13、14，主轴驱动12，电源17)。此外，还可包括一个图中并未画出的用于操作人员的输出单元。

刀具20可以为铣刀、尤其是端铣刀，其在工件加工中由电驱动进行旋转运动。然而，它也可以为钻头。

刀具2可通过标准化的联轴器21进行更换，这样从而它可以快速地、并且如果必要的话还可自动地进行替换。所述连轴器21可以是与对应的刀具侧和主轴侧的接口相耦合的常规锥形耦合器(斜锥型、HSK型)。

图1中所示意展示的机床适于使用，如图2、3或6所示意展示的，刀具进行工作。尤其，控制装置16可设计成使得适合进行刀具运作。除了常规功能，例如调整轴13，14的控制、主轴12的控制，这还可以包括使用适当信号尤其适当幅度和/或适当频率和/或适当时间对能量发送装置17进行适当控制。幅度和频率可以根据刀具寄存在控制装置16中或者被存储作为控制程序的一部分。

图2示意展示了一种刀具20的侧视图。图中示意性表示的有旋转轴29、由主轴12引起的刀具的旋转运动27、由调整轴13和/或14引起的刀具20的相对工件2的进给运动26、和由振动驱动器23产生的旋转振动28(扭转振动)。

21示意象征刀具到机床1的接口。该机床接口21可以被标准化配置。它可以是匹配直径的HSK接口或者斜锥接口或者类似物。图2仅仅示意性指出了机床接口21。

22表示刀头，其设有朝向工件2的刀口。所述刀口为轮廓明确的切削刀刃25，其可固定形成于刀头22上或者通过可更换的刀片插件装配而成，诸如螺旋固定型刀片插件或可转位刀片。D表示刀具的直径，其中这里指的是对工件的有效直径，也就是说最后还要加上切削刀刃25或刀片插件的径向最外部分的大小。所述直径D相对较大，其大于20毫米，优选大于25毫米或大于30毫米。

由于该相对较大的半径，使得所述扭转振动至少在刀头的径向外部区域具有一个可接受的振幅。事实上大型刀具只是在难激发带有满意振幅的振动方面有缺陷，而这个将通过激励扭转振动、通过使振幅随着与扭转振动轴29距离的增加而变大的方法来初步得到补偿。所述直径D可以选择小于150毫米或小于100毫米。

刀具20可以以这样一种方式进行装备：机床接口21和必要的话刀头25具有大于处在它们之间的区域的直径。在绕轴29的旋转运动中，刀刃25总和优选覆盖刀具的端表面(垂直于轴线29的表面)。它们可以如图2中示意所示地位于同一平面。但并不是必须如此。在其他实施方案中，它们也可以(沿旋转轴29方向看)间隔形成圆周的一部分。

23为振动单元，其适于使刀头进行旋转振动(由箭头28表示)。它可包括压电元件。这些元件由交流信号供电。所述振动频率也可直接与该交流电信号的频率一致。

24表示功率接收设备。它可以是一个环形感应线圈，其被一个专门产生的交变磁场穿过并在其端部产生感应电压，从而提供振动单元23运作所必需的电能。依照不同设计，该接收装置24的线圈可以直接与振动单元23的压电元件相连。还可以在它们之间设置用于压电元件的用来整形供给的电路元件(整流、反相、振幅控制...)。

图2并不应理解为，该刀具包括一个单块胚体。该刀具可以总共由多块、大约在轴向上分段而构成。这些单个块体然后再以合适的方式彼此相连，例如通过螺栓固定、焊接、熔接、压接或类似方式。

图3展示了刀具的一个实施例的截面图，其中该刀具包括振动部分31-34，其通过连接部分35与所述机床接口相连。所述振动部分具有一定的长度L，其大体上与旋转轴29相平行延伸。所述振动部分具有驱动端31、输出端32和它们之间的中间区域33，34。在驱动端31设有振动驱动器23。在输出端32设有刀头22以及尤其切削刀刃25或者所述刀片插件。在驱动端31和输出端32之间为所述中间区33、34。该区包括紧固区34，通过其所述振动部分31-34与机床接口21相连接。该连接为固定连接并且足够牢固使得能够安全承受刀具插入时所使的力。

紧固区34和机床接口21之间的连接部分35可以为一个管状或圆筒状结构35，其环绕驱动端31和振动驱动器23、然后沿轴向从机床接口21向连接区34延伸。所述连接部分35可以设计成完整圆柱形，就是圆周封闭，或者其可以具有断裂又或者仅包括个别长壁连接所述振动部分31-34的连接区34与机床接口21。

图4示意性展示图3所示刀具的运作模式。它显示了一个图形，图中沿旋转轴29的轴向位置xa设为横坐标，绕轴29的扭振的振幅为纵坐标。该图中示意性绘制了所述振动部分31-34的单个区域。

可以这样设计和运作：沿所述振动部分设置一个具有较小扭振幅度(大约为0)的振荡节点42。在该节点42的范围内(扭转振动的最小幅度)可设置所述中间区33和尤其所述振动部分31-34的紧固区34。

其中，将中间区33和尤其紧固区34设于振荡节点42区域内可获得以下优点：振动系统对机床的反作用被最小化。所述振动部分被设在其震动最小处。这样，通过机床接口21传播至机床1的振动也可最小化，从而无须再担忧该机床中不利的相互作用。

通过轴向长度观察，所述扭振包括一个由该扭振振幅的节点和波腹所定义的波长λ。图4展示了一个实施例，其中刀具的振动部分31-34的长度L大约等于该扭振波长λ的一半，即λ/2。节点42的左侧和右侧分别是振荡波腹41和43，其相对反相振荡。这两个相反运动的、在节点42交叉的曲线可以类似地理解为一个包络，其中要注意的是，所描述的是扭转振荡。

所述振动部分31-34的驱动端31和尤其振动驱动23可位于波腹41区域内。刀头22和尤其振动部分31-34的输出端32连同切削刀刃25或者刀片插件可位于另一波腹43区域内。

图4表示一个相对于节点42对称分布的波腹。其可以采取这样的设计，但不是必须如此。哪里为振动节点、哪里为振动波腹取决于刀具的具体机械设计。换言之，在所述振动部分的长度上波长λ不是必须恒定的，而是可以根据所述振动部分沿轴向长度变化的特性而改变，如每单位长度的质量、局部刚度及类似特性。各个比例关系都可进行计算或数字模拟或还可能根据经验进行确定。该设计还可相应地设为：这些波腹其中之一要比其中其他的波腹明确更接近节点。

图4展示了基波振荡的关系图。此外，还可以考虑让刀具20以更高的模式(谐波振荡、其它共振、...)进行运作。还可以在驱动端31和输出端32之间沿横坐标29设置两个或多个节点。但是，至少将刀头22、优选以及振动驱动器23定位在振荡波腹区域内，即各与节点间距约λ/4，对于优化扭转振动的振幅常常也是合用的。

所述的驱动端31和/或输出端32或中间区域33、34及紧固区34相对于振荡节点或振荡波腹的位置定位的陈述可以理解成，针对各局部相关节点或波腹，可带有最大为共振波长λ的±20％或±10％或±5％的容差。

由于我们又常常希望设备架构小，所以可将所述振动部分的长度L设为大约小于λ/2，约0.4λ＜L＜0，5λ。驱动和输出则仍可设为波腹附近，从而处在足够大的振幅范围内，这样便可减小整体尺寸确保一定的振幅。

当考虑共振时，它可以被定义和看作是空转(刀具未作用于工件上)或者带负载(有预期的力冲击作用于刀头上)的情况。

当有目的地使用共振作用时，振动频率作为一方面、刀具机械设计作为另一方面，这二者是互相依赖的、相互协调的。此外，所述机床的控制装置适合于通过能量发送装置17向工件提供合适的频率。它还可以设计成，使机床产生一个某种/随意种类的交变磁场，以在刀具的能量接收装置24中实现电感效应。所述用于压电致动器23、41运作的实际电压就频率和幅值则可以是在刀具20内由其自身通过一个设在那里的适当的电路来形成。

图3中再次示意展示了所述能量接收装置23。它可以成环形，且完全围住刀具。图中示意指示的还有机床侧的能量发送装置17。在旋转轴29方向上，它可以通过薄间隙与能量接收装置24间隔开。它可以成环段状，并且能量接收装置24的线圈只与该环周围某特定区域相对，而其他区域则留空，这样换刀器还可咬合。所述能量发送装置17产生交变磁场，该磁场穿过能量接收装置24线圈并于其处产生感应电压。所述能量发送装置17相对于机床固定安装。

图5通过一个穿所述振动部分的驱动端31、与振动轴29相垂直的截面的平面图，示意性展示了所述振动驱动23在驱动端31上的一种可能的设计。41a和41b为与旋转轴29非同心而设的振动驱动器，其中这里其可以采用压电元件。其振动轴垂直于支撑面51，对应图中所示箭头52。它一端固定于支撑面上并且在那里可以通过螺栓连接预应力加固。

这些压电元件41的另一端(不紧贴支撑面51的一端)可以自由地摆动或者可以紧贴有一个配重块42a、42b。这些配重块可以根据需要设计成更大或更小规模。图中显示的是配有单独配重块42a，42b。但是，它们也可以轴向向后(远离工件、朝向机床)相互连接，从而又具有了一个刚性重结构。所述配重块42a和42b形成了一个浮动桥台，由于惯性的缘故这种结构尤其对高频及其有效。

图5显示了两个压电元件41a，41b。然而，也可以选择设置更多个(3、4、5、6或更多)压电元件。此外，从能量接收装置24输出进行电力供给的电导线在图中并未画出。

图6展示了所述刀具的一些具体实施例，图6A为侧视图和图6B为截面透视图。图中，21显示一个HSK联轴器。24为能量接收装置，其设计成电感线圈形式并且与一个静止固定于机床上对应的能量发送装置17轴向间隔相对而设。图中，刀头22被显示成，它装备有多个刀片插件25。它们可被固定在适当的紧固区域。所述刀头具有向下蘑菇状形状，其直径向下递增。61代表动平衡环，通过其可将目的材料去除以平衡刀具。

图6所示实施例表明，所述紧固区域34的位置不是对称地分布在驱动端31和输出端32之间，而是更靠近驱动端。如先前所述，这取决于振动部分各区域的尺寸和设计。

图6B表明了一种实施例，其中振动驱动器23包括四个分布在圆周上的压电元件对应所述振动部分的驱动部分中的四个风扇。62表示可供应冷却剂或润滑剂的流体管道。

在所示实施例中，能量接收装置24的线圈具有最大直径。然而，也可以设成刀头22和切削刀刃25一起构成最大直径。如上所述，该实施例可以以这样一种方式装备：使得刀头和机床接口之间的直径变小。

所述刀头的直径(在工件上的有效直径)为大于20毫米，也可以大于25或大于30毫米。它可以小于150毫米或小于100毫米。

所述刀具的转速可以高于500转每分钟或者高于1000转每分钟或者高于2000转每分钟。它可以低于30000转每分钟或者低于24000转每分钟或者低于20000转每分钟。

所述扭转振动的振动频率可以高于5kHz或高于10kHz或高于15kHz或高于20kHz。它可以低于100kHz或低于80kHz或低于60kHz。

一种工件加工方法包括提供具有在工件上有效直径＞20mm的刀具，绕其旋转轴转动该刀具，激励该刀具进行旋转或扭转振动，和相对工件进刀等步骤。其相关参数可以为如上文所述。

如未明确说明，本说明书中所给出的有关现有技术或本发明的特征应还可彼此相互结合，只要这种结合在技术上是可行的。对方法步骤的描述还应被理解为是对执行这些步骤的设备机构的描述，同样对特定设备和部件的描述也应当理解为是对由这些设备和部件所实施的方法步骤的描述。

Claims (19)

1.一种刀具(20)包括：机器侧的机器接口(21)其用于将所述刀具与机床(1)连接用以绕旋转轴(29)旋转驱动(27)该刀具和相对工件送进(26)该刀具，

工件侧的刀头(22)其带有一个或多个用于加工工件的切削刃，其中所述刀头的直径大于20毫米，和所述刀具切削刃可以设置成使得它们在垂直于所述旋转轴的平面内移动，

振动单元(23)其适于使所述刀头进行绕所述旋转轴的旋转振动(28)，

能量接收装置(24)用于接收无线供给的能量并将电能输送给所述振动单元。

2.一种根据权利要求1所述的刀具，其特征在于：所述能量接收装置(24)具有一个可被磁场穿过的线圈，其直接或间接地与所述振动单元中的一个或多个振动驱动器(23)相连接。

3.一种根据权利要求2所述的刀具，其特征在于：所述线圈为环形且与所述旋转轴(29)同心而设，并且其适于与一个在所述旋转轴方向上相对而设的静止线圈协同作用。

4.一种根据前述权利要求之一所述的刀具，其进给方向(26)垂直于所述转动轴(29)。

5.一种根据前述权利要求之一所述的刀具，其中所述刀头在所述工件上的有效部分具有大于15毫米或大于20毫米或大于25毫米的直径，和/或小于150毫米或小于100毫米或小于80毫米的直径。

6.一种根据一个或多个前述权利要求所述的刀具，其中所述振动单元(23)包括一个或多个压电元件(41)。

7.一种根据一个或多个前述权利要求所述的刀具，其包括一个细长的、沿着所述旋转轴(29)延伸的振动部分(31-34)，其包括：

(i)设在驱动端(31)的所述振动单元(23)，

(ii)设在输出端(32)的所述刀头(22)，和

(iii)在这两端之间的一个中间区域(33，34)，

其中所述中间区域(33，34)与所述机器接口(21)机械固定连接。

8.一种根据权利要求7所述的刀具，其中所述中间区域和机器接口的连接包括一个管样结构(35)，

(i)其环绕所述驱动端(31)，

(ii)其一端固定于所述中间区域(33，34)，和

(iii)其另一端连接所述机器接口(21)。

9.一种根据权利要求7或8所述的刀具，其中所述驱动端包括一个或多个与所述旋转轴非同心而设的、平移式振动的振动驱动器(41，42)，其振动轴在圆周方向上指向所述旋转轴(29)。

10.一种根据权利要求6和9所述的刀具，其中压电元件(41)的一端与所述驱动端(31)上的一个支撑面相连接，其另一端空闲设置或与配重块(42)相连接。

11.一种根据权利要求7至10中的一个或多个权利要求所述的刀具，其尺寸和运作这样设置，以使得：

(i)所述振动频率等于所述振动部分(31-34)的一个扭转共振频率或其倍数，

(ii)所述驱动端和/或所述输出端位于一个绕振荡波腹(42)为中心、距离为所述共振波长的±20％或±10％或±5％的范围内。

12.一种根据权利要求7至11中的一个或多个权利要求所述的刀具，其尺寸和运作这样设置，以使得：

(i)所述振动频率是所述振动部分的一个扭转共振频率或其倍数，

(ii)所述中间区域、尤其其用以连接的紧固区域位于一个绕振荡节点(41，43)为中心、距离其为所述共振波长的±20％或±10％或±5％的范围内。

13.一种根据一个或多个前述权利要求所述的刀具，其中所述刀具外周的圆周方向上的振动幅度大于0.5微米或大于1微米或大于2微米。

14.一种根据一个或多个前述权利要求所述的刀具，其中所述振动频率大于5kHz或大于10kHz或大于15kHz或小于100kHz或小于80kHz或小于60kHz。

15.一种根据前述权利要求之一所述的刀具，其特征在于：所述刀具的转数高于500转每分钟或高于1000转每分钟或高于2000转每分钟或低于30000转每分钟或低于24000转每分钟或低于20000转每分钟。

16.一种根据前述权利要求之一所述的刀具，其特征在于：该刀具在所述刀头(22)处包括一个或多个可单独附接的刀片插件(25)。

17.一种根据一个或多个前述权利要求所述的刀具，其特征在于：所述机器接口(21)包括一个标准化的连接件，尤其一个斜锥型或HSK连接器。

18.一种机床(1)包括：机架(10)，其上所设的工件台(11)用于固持工件(2)，设在该机架上的刀具主轴(12)用于接合根据一个或多个前述权利要求所述的刀具(20)，能量发送装置(17)用于无线传输能量至该刀具的能量接收装置(24)，以及控制装置(16)其适合于运作所述装配有该刀具的机器、尤其所述主轴和所述能量发送装置。

19.一种工件加工方法，包括以下步骤：

提供具有在工件上的有效直径＞20mm的刀具，

绕其旋转轴旋转该刀具，

激励该刀具进行旋转振动，和

相对工件进刀。