CN105531057A - 用于在刀具上产生旋转超声振动的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在刀具上产生旋转超声振动的装置(1)，该装置包括：第一部分(11)，其设计用于与围绕旋转轴线(2)旋转的机床主轴旋转固定地连接；第二部分(12)，其设计用于与刀具旋转固定地连接；爪式联接器(10)，其与两个部分(11，12)相互旋转固定地连接，且具有至少一个第一侧面(5)在第一部分上和至少一个第二侧面(7)在第二部分(12)上的形状配合，第二侧面(7)与第一侧面(5)相对；以及至少一个压电振荡元件(8)，其设置在爪式联接器(10)的两个侧面(5，7)之间以用于产生旋转超声振动。

Description

用于在刀具上产生旋转超声振动的装置
本发明涉及一种用于在刀具上产生旋转超声振动的装置。具体地，在旋转刀具上利用该装置在旋转方向上产生超声振动。
在不同的技术领域中，高性能的材料(例如像耐热镍基合金、钛或铬-钴合金，或者纤维增强塑料)被日益广泛地使用。然而，高性能材料不但对操作期间出现的负荷，而且对机加工操作带来巨大阻力。在这种背景下开发了混合机加工装置，其中切屑的去除通过叠加超声振动来支持。
例如DE102008052326A1示出了使用压电剪切振荡器以用于产生用于机加工目的的旋转超声振动。这里超声振动在刀具的旋转方向上起作用。然而，压电剪切振荡器仅能产生非常小的振荡幅度，同时出现不希望的力流。
发明内容
本发明的目的是指出一种用于在刀具上产生旋转超声振动的装置，该装置允许在刀具的旋转方向上的刀具超声振动，同时具有成本有效的设计，且表现出低维护操作。
该目的通过独立权利要求的特征实现。从属权利要求涉及本发明的有益改进。
因此，该目的通过用于在刀具上产生旋转超声振动的装置实现。该装置包括第一部分。所述第一部分设计用于装置与机床主轴的旋转固定连接。所述主轴围绕旋转轴线旋转。此外，该装置包括第二部分。第二部分设计用于装置与刀具的旋转固定连接。这两个部分(即，装置的第一部分和第二部分)经由爪式联接器以旋转固定方式彼此连接。所述爪式联接器设计为第一部分和第二部分的整体构件。爪式联接器以形状配合的方式连接这两个部分。所述形状配合包括至少一个第一斜面在第一部分上和至少一个第二斜面在第二部分上。所述两个斜面彼此相对，使得围绕旋转轴线的转矩可从第一部分传递到第二部分。此外，该装置包括至少一个压电振荡元件。压电振荡元件定位在爪式联接器的两个侧面之间。当施加电压至压电振荡元件时，所述元件将膨胀或收缩。由此可产生围绕旋转轴线的旋转超声振动。借助于根据本发明的装置，一方面转矩从机床的旋转轴线传递到刀具，且另一方面所述旋转运动同时与超声振动叠加。
根据本发明，因为刀具的旋转运动与超声振动叠加，故可以减少机加工期间的切削力。这通过借助超声振动中断切削操作来完成。与无超声振动的传统加工过程相比，这导致更有利的切屑形成。此外，根据本发明的装置允许对传统上不能切削的材料或切削起来不经济的材料进行切削。由于切削力减小且出现减小的摩擦，故刀具磨损减小。同时旋转超声振动允许工件上非常好的表面粗糙度和小的毛刺形成。特别地，减小的刀具磨损允许刀具良好的尺寸稳定性。
优选地，第一部分包括在旋转轴线方向上延伸的多个第一卡爪。相应地，第二部分包括在旋转轴线方向上延伸的多个第二卡爪。每个第一卡爪包括两个第一侧面。每个第二卡爪包括两个第二侧面。第一卡爪和第二卡爪在爪式联接器上彼此咬合，以便转矩在多个侧面上且因此在尽可能大的区域上从第一部分传递到第二部分。对于本领域技术人员显而易见的是，必须有至少一个第一侧面和第二侧面以用于传递转矩。在一个有利的构造中提供了具有相应的许多侧面的多个卡爪。因此，压电振荡元件优选在所有侧面或多个侧面之间使用。单个压电振荡元件然后设置在第一侧面和第二侧面之间。
优选地设置为，至少一个压电振荡元件是厚度振荡器，即，纵向或横向振荡器。根据本发明，压电振荡元件设置在爪式联接器的第一侧面和第二侧面之间。因此有可能使用简单的压电振荡元件，其在施加电压后将增加或减小其厚度。此处压电振荡元件优选地设置为使其在与周向方向相切的方向上改变它们的厚度以用于产生旋转超声振动。此处周向方向限定为围绕主轴的旋转轴线。因此，根据本发明不需要使用剪切振荡器。
当使用多个卡爪和多个压电振荡元件时，压电振荡元件优选地围绕旋转轴线同心地设置。压电振荡元件优选地设置得离旋转轴线尽可能远以施加尽可能大的转矩。
优选地，所有使用的压电振荡元件关于它们的极性和接触设置，使得在产生旋转超声振动期间，可在相同方向上作用。因此压电振荡元件不会相互干扰。
优选地，设置为使装置的两个部分经由至少一个张力元件互相连接。所述张力元件优选地在旋转轴线方向上延伸。特别地，张力元件设置为与旋转轴线同轴。该两个部分优选地借助于张力元件螺纹连接在一起。
此外，优选地设置为使该至少一个压电振荡元件同时邻接在第一侧面上和第二侧面上。因此，在侧面和该至少一个压电振荡元件之间不存在间隙。
此外，优选地设置为使第一侧面和第二侧面相对于旋转轴线为倾斜的。此处限定侧面的相应表面法线相对于旋转轴线倾斜达角度α。所述角度α特别地为45°至89°，特别优选地为60°至85°。此外，优选地设置为使表面法线定向为与周向方向相切。
此外，优选地设置为使相应的相对侧面彼此平行地定向。作为备选，设置为使相应的相对侧面彼此不平行，即，其表面法线围绕角度χ且设置在两个相对侧面之间压电振荡元件是楔形的。在这种情况下，相对的侧面相对于旋转轴线不是倾斜达相同的角度α。
该至少一个压电振荡元件可以经由侧面的倾斜在爪式联接器中预加载。这在使用张力元件时尤其可能。优选地，该至少一个压电振荡元件上的预负荷可以被设置为可变的。
优选地，至少一个侧面用作该至少一个压电元件的电极。当使用纵向振荡器时，第一部分和/或第二部分尤其可以被用作(多个)电极。作为备选或另外地，可在压电振荡元件和卡爪之间引入电极。
当使用被设计成横向振荡器的压电振荡元件时，优选地将电极安装在压电振荡元件的自由正面上。
当使用额外的电极时，优选地使卡爪相对于压电振荡器是电绝缘的。这优选地利用陶瓷圆盘来实现。
优选地提供控制单元以用于施加电压到该至少一个压电振荡元件。借助于该控制单元，该装置优选地在其共振频率下操作，以便获得尽可能高的振荡幅度。当使用多个压电振荡元件时，优选地将它们设置和控制使得它们交替地收缩和膨胀。
第一部分设计用于装置与机床主轴的旋转固定连接。该连接优选地经由陡锥形或中空柄状椎形建立。第二部分和刀具之间的连接优选地经由弹簧卡头或收缩卡盘建立。
本发明还包括机床，特别是铣床。该机床包括如上面刚描述的装置中的一者。此处第一部分与机床的旋转主轴旋转固定地连接。
现在参考附图详细描述本发明的实施例，其中
图1示出了根据一个实施例的本发明的装置的侧视图；和
图2示出了根据图1的实施例的本发明的装置的轴向剖面。
图1和图2示出了用于在刀具上产生旋转超声振动的装置1的两个视图。
装置1包括第一部分11、第二部分12和多个压电振荡元件8。压电振荡元件8设计为纵向或横向的振荡器。此外，装置1包括控制单元18以用于控制压电振荡元件8。控制单元18以纯粹图解的方式示出。
第一部分11具有主轴连接15，其以纯粹图解的方式示出。第一部分11可经由所述主轴连接15与机床的旋转主轴旋转固定地连接。所述主轴围绕旋转轴线2旋转。因此，装置1和相关联的刀具也围绕旋转轴线2旋转。
第二部分12具有刀具连接16，其以纯粹图解的方式示出。第二部分12经由所述刀具连接16与刀具(特别是铣床)旋转固定地连接。
根据旋转轴线2限定周向方向3。
爪式联接器10在两个部分11、12上形成。第一部分11包括多个第一卡爪4。第一侧面5分别限定在每个第一卡爪4的两侧。第二部分12包括多个第二卡爪6。第二侧面7分别限定在每个第二卡爪6的两侧。卡爪4、6彼此咬合，以便围绕旋转轴线2的转矩经由侧面5、7从第一部分11传递到第二部分12。
压电振荡元件8中的一个相应地设置在第一侧面5和第二侧面7之间。取决于压电振荡元件8的设计，所述元件包括相应的电极和绝缘体。
通过经由控制单元18施加电压到压电振荡元件8，压电振荡元件8将改变它们的厚度。由此可将超声振动传递到第二部分12，且因此传递到刀具。所述超声振动定向在周向方向3上。超声振动由此叠加到由主轴产生的旋转运动。
第一侧面5和第二侧面7的表面法线17相对于旋转轴线2倾斜达角度α。直接相对的侧面5、7相互平行地定向。装置1进一步包括张力元件13。所述张力元件13在旋转轴线2的方向上延伸。两个部分11、12经由张力元件13螺纹连接在一起。同时张力元件13经由倾斜的侧面5、7将预负荷施加在压电振荡元件8上。
第一部分11中设有前侧凹穴14，所述凹穴接纳张力元件13的头部。第二部分12包括相应的螺纹以用于容纳张力元件13。
压电振荡元件8分别包括两个相对的支撑表面9。所述支撑表面9分别直接地接触第一侧面5和第二侧面7。
该实施例示出刀具的旋转运动可与借助于装置1的旋转超声振动叠加。这特别用于超声辅助的铣削。使用的超声振荡元件8是厚度振荡器，即，纵向或横向振荡器。根据本发明，在旋转轴线2的方向上不会产生平移振动。也不需要压电剪切效果。平移振动具有使工件的表面质量在机加工过程中变差的缺点。压电剪切效果具有可能只有小振幅和相应的小的加工力的缺点，因为完整的加工力用作压电陶瓷上的剪切力。这对于压电元件将是不期望的负荷。根据本发明，压电振荡元件8作用在压力方向，并且可因此传递显著更高的力，由此利用所说明的装置1使得超声辅助铣削中非常高的材料去除率成为可能。
参考标号列表
1装置
2旋转轴线
3周向方向
4第一卡爪
5第一侧面
6第二卡爪
7第二侧面
8压电振荡元件
9支撑表面
10爪式联接器
11第一部分
12第二部分
13张力元件
14前侧凹穴
15主轴连接
16刀具连接
17表面法线
18控制单元。

Claims (14)

1.用于在刀具上产生旋转超声振动的装置(1)，包括
-第一部分(11)，其设计用于所述装置(1)与围绕旋转轴线(2)旋转的机床主轴的旋转固定连接，
-第二部分(12)，其设计用于所述装置(1)与刀具的旋转固定连接，
-爪式联接器(10)，其与所述两个部分(11，12)相互旋转固定地连接，且具有至少一个第一侧面(5)在所述第一部分(11)上和至少一个第二侧面(7)在所述第二部分(12)上的形状配合，所述第二侧面(7)与所述第一侧面(5)相对，以及
-至少一个压电振荡元件(8)，其设置在所述爪式联接器(10)的所述两个侧面(5，7)之间以用于产生围绕所述旋转轴线(2)的旋转超声振动。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述至少一个压电振荡元件(8)是纵向或横向振荡器。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个压电振荡元件(8)设置为在与周向方向(3)相切的方向上改变其厚度以用于产生所述超声振动，其中所述周向方向(3)围绕所述旋转轴线(2)限定。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所有使用的压电振荡元件(8)关于它们的极性和接触设置，以便在产生所述旋转超声振动期间在相同的方向上起作用。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述两个部分(11，12)经由至少一个张力元件(13)互相连接。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述张力元件(13)在所述旋转轴线(2)的方向上延伸。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个压电振荡元件(8)同时邻接在所述第一侧面(5)上和所述第二侧面(7)上。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一侧面和第二侧面(5，7)的相应表面法线相对于所述旋转轴线(2)倾斜达角度α。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述角度α在45°和89°之间，优选地在60°和85°之间。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一侧面(5)与相对的第二侧面(7)平行地定向。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于控制单元(18)，所述控制单元(18)用于施加电压至所述至少一个压电振荡元件(8)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一部分(11)包括在所述旋转轴线(2)的方向上延伸的多个第一卡爪(4)，且所述第二部分(12)包括在所述旋转轴线(2)的方向上延伸的多个第二卡爪(6)，其中所述第一卡爪和第二卡爪(4，6)彼此交替地咬合。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述压电振荡元件(8)相应地设置在第一卡爪(4)和第二卡爪(6)之间。
14.包括前述装置(1)中的一者的机床，优选为铣床，其中所述第一部分(11)与所述机床的旋转主轴旋转固定地连接。
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