CN114401807A - 用于切削加工工件的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于切削加工工件（1）的方法，其中，在加工步骤中借助钻孔‑沉孔工具（2）对工件（1）进行钻孔加工并且紧接着对工件（1）中用钻孔加工获得的钻孔进行沉孔加工，其中，在加工过程中，钻孔‑沉孔工具（2）在轴向旋转的情况下经受相对工件（1）的延伸至沉孔最终位置（SE）的轴向的进给运动，并且其中，轴向的进给运动与轴向振动叠加。建议，随着达到轴向的进给运动的预定的频率下降位置（SF），通过钻孔‑沉孔工具（1）使轴向振动的频率（f）下降到最终加工频率（fC），并且加工过程利用作为轴向振动的最大频率（f）的最终加工频率（fC）延续至达到沉孔最终位置（SE）。
Description
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的用于切削加工工件的方法和一种按照权利要求11的前序部分所述的用于切削加工工件的设备。
背景技术
所述的用于利用钻孔加工和紧接着的沉孔加工进行切削加工的方法用组合式钻孔-沉孔工具执行，所述组合式钻孔-沉孔工具具有用于钻孔加工的工具区段和带有沉孔级结构的工具区段。钻孔-沉孔工具经历了延伸至沉孔最终位置的轴向的进给运动。沉孔最终位置对应钻孔-沉孔工具的轴向位置，在该轴向位置中，沉孔级结构用为沉孔所设的深度嵌接到工件中。
在已知的用于切削加工的方法中（本发明以所述方法为出发点），钻孔-沉孔工具的轴向的进给运动与轴向振动叠加，以便分断伴随工件的钻孔加工不断堆积的切屑。轴向振动的振幅在达到沉孔最终位置之前在钻孔-沉孔工具的旋转延续的情况下减小或取消。由于振幅的减小或取消，促成了工件中通过沉孔加工所产生的表面的平整。
但在公知的方法中，仍然存在的挑战是，伴随钻孔加工和沉孔加工，可能出现钻孔-沉孔工具的不期望的轴向的颤振。由于所述轴向的颤振，除了钻孔-沉孔工具的高负荷外，也在通过沉孔加工产生的表面处生成了颤振痕。
发明内容
本发明所要解决的问题是，说明一种用于用钻孔加工和紧接着的沉孔加工来切削加工工件的方法，用该方法进一步改进了所获得的钻孔和沉孔的尺寸稳定性。
上述问题在一种按照权利要求1的前序部分所述的方法中通过权利要求1的特征部分的特征解决。
重要的是这样的基本考虑，即，随着轴向的进给运动与轴向振动的叠加，除了断屑的作用外，也可以达到对钻孔-沉孔工具的不期望的轴向颤振的抑制。按照建议已知，轴向振动在频率下降的情况下尤其导致了颤振痕的去除和尺寸稳定性的提高。
详细地建议，随着达到轴向的进给运动的预定的频率下降位置，通过钻孔-沉孔工具使轴向振动的频率下降到最终加工频率并且伴随作为轴向振动的最大频率的最终加工频率继续加工过程直至达到沉孔最终位置。
在按照权利要求2所述的一种特别优选的设计方案中，随着达到频率下降位置，轴向振动的振幅保持相同或提高并且以相同的或提高的振幅继续所述加工过程直至达到沉孔加工最终位置。因此进一步改进了轴向振动对尺寸稳定性的正面的影响。
按照权利要求3和4所述的进一步优选的设计方案涉及到频率下降位置的定义。在按照权利要求5和6所述的同样优选的设计方案中，进一步定义了最终加工频率。
按照权利要求7至10所述的另外的设计方案涉及到工件的更为详细的设计方案。在按照权利要求8在层复合材料处实施加工过程时，通过按照建议的方法尽可能避免层的脱层。特别有利的是此外在根据按照权利要求10所述的一种设计方案的具有塑料材料的工件中、特别是在塑料材料中的沉孔加工时的按照建议的方法，因为可以减少塑料材料撕开和碎裂的倾向。
按照权利要求11，由此获得加工持续时间的和按照建议的方法的结果的进一步优化，即，在钻孔加工中，根据钻孔-沉孔工具的轴向的位置来设定轴向的进给运动的进给速度。
按照权利要求12所述的另一种具有独立意义的教导，要求保护一种用于切削加工工件的设备本身，其中，该设备设置用于执行按照建议的方法。所述设备具有用于使钻孔-沉孔工具轴向旋转的旋转驱动器和用于提供钻孔-沉孔工具相对工件的轴向的进给运动的进给驱动器以及用于操控进给驱动器的控制装置。允许参考所有针对按照建议的方法的实施方案。
根据按权利要求13所述的设备的一种优选的设计方案，可以基于储存在所述设备的控制装置的存储器中的程序指令来执行按照建议的方法。
附图说明
接下来借助示出了仅一个实施例的附图更为详细地阐释本发明。附图中：
图1根据按照建议的方法在a）钻孔加工的第一区段中、b）钻孔加工的第二区段中和c）沉孔加工中示意性示出了钻孔-沉孔工具和工件；
图2根据按照建议的方法示出了与轴向的振动叠加的情况下的、图1的轴向的进给运动；
图3在a）轴向颤振时和b）在与轴向振动叠加的情况下的轴向的进给运动时示意性示出了钻孔-沉孔工具到工件的材料中的嵌接；并且
图4示出了用于执行按照建议的方法的一种按照建议的设备。
具体实施方式
本发明涉及一种用于切削加工工件1的方法，其中，在加工过程中借助钻孔-沉孔工具2进行工件1的钻孔加工和紧接着对在工件1中的用钻孔加工获得的钻孔的沉孔加工。
工件1指的是在加工过程的范畴内有待加工的元件和特别是有待加工的构件或半成品。在工件1中，在钻孔加工中优选产生了柱筒形的钻孔。对于钻孔加工在时间上紧接着用于在钻孔处产生沉孔的沉孔加工，其中，沉孔被加工成钻孔在工件1的表面的至少一个表面处的成型的、优选锥形的拓宽部。
钻孔-沉孔工具2具有用于钻孔加工的工具区段3和用于工件1的沉孔加工的工具区段4。用于钻孔加工的工具区段3在此并且优选构造成近似柱筒形的螺纹钻头。用于沉孔加工的工具区段4被成型并且在此和优选构造成带有锥形的钻孔区段的沉孔级结构。用于沉孔加工的工具区段4同样构造成螺旋钻头，其中，钻孔-沉孔工具2的螺旋形的刀具从工具区段3延伸到工具区段4中。
钻孔-沉孔工具2在加工过程中处于轴向的旋转。术语“轴向”和“径向”相应地涉及到钻孔-沉孔工具2的旋转轴线R，该旋转轴线在此与钻孔-沉孔工具2的螺旋形的刀具绕之延伸的轴线一致。钻孔-沉孔工具2经受轴向的进给运动并且沿着旋转轴线R朝工件1的方向运动。如在图1a）中所示，随着钻孔加工的开始，用于钻孔加工的工具区段3先与工件1嵌接。在图1b）所示的在钻孔加工中的轴向的进给运动延续的情况下，在此并且优选在工件1中产生了设计成贯通钻孔的钻孔。
在此并且优选在唯一一个轴向的进给运动中并且在钻孔加工和沉孔加工之间和期间钻孔-沉孔工具2没有从工件1运动出来的情况下紧接着钻孔加工地实施沉孔加工。如图1c）中所示，在沉孔加工中，工具区段4用沉孔级结构与工件1嵌接。轴向的进给运动延续至沉孔最终位置SE，在此处结束轴向的进给运动。钻孔-沉孔工具2在达到沉孔最终位置SE之后没有继续沿轴向朝着工件1的方向运动。在达到沉孔最终位置SE之后，钻孔-沉孔工具2更确切地说能够被从工件1中所产生的钻孔和沉孔中拉出。在一种设计方案中，钻孔-沉孔工具2的拉出在时间上直接紧接着达到沉孔最终位置的情况来执行。在此并且在另一种设计方案中，钻孔-沉孔工具2的拉出在钻孔-沉孔工具2在预定的保持时间内保持在沉孔最终位置SE之后执行。用加工过程获得的沉孔，在此并且优选如钻孔那样，围绕钻孔-沉孔工具2的旋转轴线R近似旋转对称。
沉孔最终位置SE对应钻孔-沉孔工具2的轴向的位置，在该位置中，用于沉孔加工的工具区段4以针对沉孔所设的深度嵌接到工件1中。沉孔最终位置SE优选借助针对到钻孔中的导入所设的元件的几何形状进行预定，例如借助铆钉的铆钉头的几何形状进行预定。例如规定，设置用于进行导入的元件平面地与工件1的表面封闭或者下沉至所述表面下的预定的深度或者以预定的高度从所述表面突出。
轴向的进给运动在加工过程期间、优选在整个加工过程期间，与轴向振动叠加。钻孔-沉孔工具2因此在加工过程期间经历了沿轴向的进给方向的运动，该运动由非周期性的、优选至少部分恒定不变的轴向的进给速度V和来自轴向振动的周期性的、轴向的运动组成。轴向振动优选近似正弦形，但此时也可以考虑轴向振动的其它的周期性的设计方案。
现在重要的是，随着达到轴向的进给运动的预定的频率下降位置SF，通过钻孔-沉孔工具2使轴向振动的频率f下降到最终加工频率fC，并且加工过程利用作为轴向振动的最大的频率f的最终加工频率fC延续至达到沉孔最终位置SE。
从预定的频率下降位置SF起直至沉孔最终位置SE，轴向的进给运动在此与具有频率f的轴向的振动叠加，该频率随着相比于在下降之前所使用的频率f而减少。频率f从预定的频率下降位置SF起直至沉孔最终位置SE可以发生变化，但最多为最终加工频率fC。在此并且在一种优选的设计方案中，频率f从预定的频率下降位置SF起直至沉孔最终位置SE是恒定不变的并且保持等于最终加工频率fC。
图2示出了在与轴向振动叠加的情况下钻孔-沉孔工具2的轴向的进给运动。钻孔-沉孔工具2的轴向的位置S在此和非周期性的轴向的进给速度V和轴向振动的频率f一起在时间t内示出。
钻孔-沉孔工具2先在加工过程开始之前沿轴向运动到工件1上。从时间点t1起，随着达到加工开始位置SA（从该加工开始位置起，钻孔-沉孔工具2嵌接到工件1中），开始了加工过程和图1a）中所示的钻孔加工。钻孔加工在此具有两个钻孔加工区段A和B，它们在下文中还将进一步阐释。在钻孔加工区段A和B中，使用不同的非周期性的轴向的进给速度VA、VB和不同的频率fA、fB，其中，在时间点t2和位置SB处终止钻孔加工区段A并且开始钻孔加工区段B。
现在决定性的是，随着在轴向的进给运动的时间点t3上达到预定的频率下降位置Sf，通过钻孔-沉孔工具2使轴向振动的频率f下降到最终加工频率fC。在当前，频率f从在之前的钻孔加工区段B中使用频率fB下降到最终加工频率fC。所述加工过程利用作为轴向振动的最大的频率f的最终加工频率fC延续至在时间点t4上达到沉孔最终位置SE。在此并且优选使频率f随着达到预定的频率下降位置Sf直至达到沉孔最终位置SE均保持恒定不变并且等于最终加工频率fC。因此，沉孔加工的至少一部分和在此至少沉孔的表面的产生，均用相比之前的加工有所下降的频率f实施。
随着达到沉孔最终位置SE，钻孔-沉孔工具2在预定的保持时间直至时间点t5均保持没有轴向的进给运动。紧接着钻孔-沉孔工具2从工件1运动出来。
通过将频率f至少在沉孔加工的一部分的范围内并且在此在产生沉孔的表面期间限制在最终加工频率fC，可以改进表面质量。图3为了阐释而示意性地示出了钻孔-沉孔工具2到工件1的材料中的嵌接。在图3a）中示出了轴向颤振的效果。在嵌接期间施加在钻孔-沉孔工具2的刀具上的转矩促成了钻孔-沉孔工具2的轴向的伸展，因为所述转矩倾向于刀具的螺旋形的“展开（Abwickeln）”。钻孔-沉孔工具2的刚度对抗这个效果。由作用到钻孔-沉孔工具2上的轴向的力的相互作用，生成了钻孔-沉孔工具2的长度沿轴向的振荡（Schwingung）。图3a）示出了钻孔的底部的表面的沿着围绕旋转轴线R的柱筒面的走向。通过钻孔-沉孔工具2的长度的振荡，在表面中产生了周期性的隆起。用虚线阐明，哪个表面伴随钻孔-沉孔工具2的下一次旋转通过切削加工产生。根据表面中的周期性的隆起的相移和钻孔-沉孔工具2的轴向振荡，产生了工具的轴向颤振。这种效果也可以在伴随沉孔产生的表面中以所谓的颤振痕的形式识别到。
图3b）示出了在与带有下降的频率f的轴向振动叠加的情况下轴向的进给运动时的加工。通过在进给运动中强迫的带有较小的频率的轴向振动，随钻孔-沉孔工具2的旋转去除所述颤振痕。
在按照建议的方法的一种优选的设计方案中，随着达到频率下降位置SF，轴向振动的振幅保持相同或提高。加工过程以相同的或提高的振幅延续至达到沉孔最终位置SE。为此进一步改进了颤振痕的去除。
在下一种优选的设计方案中，这样定义频率下降位置SF，使得在开始沉孔加工之前达到频率下降位置SF。因此轴向振动的频率f正好在沉孔加工中进行适应，该频率对沉孔的表面而言是决定性的。
然而在一种备选的设计方案中，也可以在沉孔加工期间达到频率下降位置SF，因而至少针对沉孔加工的开始存在带有高频率f的轴向振动以有效断屑。
在另一种同样优选的设计方案中，这样来定义频率下降位置SF，使得在钻孔加工结束后达到频率下降位置SF。因此直至钻孔加工的结束，为有效断屑而使用振动的较高的频率f。
在一种完全特别优选的设计方案中，这样来定义频率下降位置SF，使得在钻孔加工结束后和沉孔加工开始前达到所述频率下降位置。若用钻孔加工将贯通钻孔加工到工件1中，那么钻孔加工可以在开始沉孔加工之前就已经以如下方式结束，即，在用于沉孔加工的工具区段8与工件1嵌接之前，用于钻孔加工的工具区段6就已经从工件1出来。
为了结束沉孔加工，与通常钻孔加工时随轴向振动所使用的频率fA、fB相比更小的最终加工频率fC被证实时有利的。因此在另一种同样优选的设计方案中，最终加工频率fC小于所有在加工过程中在达到预定的频率下降位置SF之前轴向振动的所使用的频率fA、fB。最终加工频率fC优选最多是轴向振动的在达到预定的频率下降位置SF之前在加工过程中所使用的最小频率fA、fB的70%、进一步优选最多30%、特别是最多10%。
在一种特别优选的设计方案中，最终加工频率fC小于钻孔-沉孔工具的轴向颤振的基本频率。用轴向振动可以相应地对抗所述轴向颤振。除了轴向颤振外，同样可能出现钻孔-沉孔工具2的径向的振荡，该振荡导致了钻孔和沉孔与理想的旋转对称的形状的偏差。最终加工频率fC相应地可以借助钻孔-沉孔工具2的径向振荡的基本频率加以预定，其中，最终加工频率fC小于径向振荡的基本频率。
由此得出按照建议的方法的另一种优选的设计方案，即，作为工件1加工飞机结构构件。飞机结构构件例如涉及飞机的机身部分、机翼部分或尾翼部分，它们尤其设计成轻型构件。优选规定了飞机结构构件的铆接，其中，实施加工过程以将铆钉带入到飞机结构构件中。在一种特别优选的设计方案中，用按照建议的方法在加工过程之后借助在加工过程中产生的钻孔和沉孔执行工件的铆接。
在一种特别有利的设计方案中，在工件1的层复合材料处实施加工过程。轴向的进给运动在此可以几乎垂直于层复合材料的层的平面延伸并且可以用所述加工过程来加工多个层。优选的层复合材料具有由钛材料和塑料材料构成的层。
此外，加工过程通常可以在工件的钛材料处实施，其中，工件的一部分或整个工件由钛材料设计而成。钛材料在此指的是钛和带有主合金元素钛的合金以及钛复合材料。
若在工件的塑料材料处实施加工过程、优选沉孔加工，那么可以通过按照建议的方法有效避免塑料材料的撕开和碎裂。工件的一部分或整个工件可以由塑料材料设计而成。塑料材料的优选的例子是纤维增强的塑料和特别是碳纤维增强的塑料。
图1相应地示出了工件1，该工件由层复合材料形成。工件具有由碳纤维增强的塑料制成的第一层5和钛制成的第二层6。钻孔加工穿过第一层10和第二层12，在沉孔加工中则在由碳纤维增强的塑料制成的第一层10中产生沉孔。
按照一种特别优选的设计方案，在钻孔加工中，根据钻孔-沉孔工具2的轴向位置设定轴向的进给运动的进给速度V，其中，进给速度V优选根据工件1的用钻孔加工进行加工的材料来设定。在当前，钻孔加工具有两个钻孔加工区段A和B，其中，在钻孔加工区段A中，将钻孔加工到第一层10中并且在钻孔加工区段B中将钻孔加工到第二层12中。在钻孔加工区段A和B中规定了不同的非周期性的轴向的进给速度VA、VB，其中，由碳纤维增强的塑料制成的第一层10以较高的轴向的进给速度VA来加工。同样可以为轴向振动使用不同的频率fA、fB，它们分别与工件的用钻孔加工进行加工的材料相适应。钻孔加工的结果因此可以在加工持续时间减少的同时得到改进。在另一种设计方案中，针对沉孔加工又设定了轴向的进给速度VC，在此并且优选设定到比在之前的钻孔加工中更高的轴向的进给速度VC。
按照另一种具有独立意义的教导，要求保护一种用于切削加工工件的设备本身。图4为此示出了所述设备的一种设计方案，其设置用于借助钻孔-沉孔工具2执行加工过程，该加工过程带有工件1的钻孔加工和紧接着的对工件1中用钻孔加工所获得的钻孔的沉孔加工。
所述设备具有用于轴向旋转钻孔-沉孔工具2的旋转驱动器7。在此并且优选地设有一种以能转动的方式支承的工具主轴8，该工具主轴容纳钻孔-沉孔工具2并且被旋转马达9驱动。工具主轴8和钻孔-沉孔工具2在操控旋转驱动器7时共同地围绕旋转轴线R旋转。所述设备具有用于提供钻孔-沉孔工具2相对工件1的轴向的进给运动的进给驱动器10。进给驱动器10具有进给马达11并且设置用于，将旋转驱动器7与工具主轴8和钻孔-沉孔工具2一起共同地沿着轴向移动。所述设备具有用于操控进给驱动器10的控制装置12。在此并且优选的是控制装置同样设置用于操控旋转驱动器7。
重要的是，按照建议的设备设置用于执行按照建议的方法。控制装置尤其可以设置用于，提供轴向的进给运动和与轴向振动的叠加。在一种特别优选的设计方案中，轴向振动也通过借助控制装置12操控进给驱动器10来执行。允许参考针对按照建议的方法的所有的实施方案。
在另一种优选的设计方案中，控制装置12具有带有程序指令的存储器13和至少一个用于运行程序指令的处理器14。在存储器13中在此储存有程序指令，程序指令允许执行按照建议的方法。存储器13和程序指令设置用于，共同地和处理器14一起促使控制装置12操控进给驱动器10以借助按照建议的设备执行按照建议的方法。
Claims (13)
1.用于切削加工工件（1）的方法，其中，在加工步骤中借助钻孔-沉孔工具（2）来对所述工件（1）进行钻孔加工并且紧接着对所述工件（1）中用钻孔加工获得的钻孔进行沉孔加工，其中，在所述加工过程中，所述钻孔-沉孔工具（2）在轴向旋转的情况下经受相对所述工件（1）的延伸至沉孔最终位置（SE）的轴向的进给运动，并且其中，所述轴向的进给运动与轴向振动叠加，其特征在于，随着达到所述轴向的进给运动的预定的频率下降位置（SF），通过所述钻孔-沉孔工具（1）使所述轴向振动的频率（f）下降到最终加工频率（fC），并且所述加工过程利用作为所述轴向振动的最大频率（f）的最终加工频率（fC）延续至达到所述沉孔最终位置（SE）。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，随着达到所述频率下降位置（SF），所述轴向振动的振幅保持不变或提高，并且所述加工过程以相同的或提高的振幅延续至达到所述沉孔最终位置（SE）。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，这样来定义所述频率下降位置（SF），使得该频率下降位置（SF）在所述沉孔加工开始之前达到，或者所述频率下降位置（SF）在所述沉孔加工期间达到。
4.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，这样来定义所述频率下降位置（SF），使得所述频率下降位置（SF）在结束所述钻孔加工之后达到。
5.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述最终加工频率（fC）小于所述轴向振动的所有在所述加工过程中在达到预定的所述频率下降位置（SF）之前所使用的频率（fA、fB）。
6.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述最终加工频率（fC）小于所述钻孔-沉孔工具（2）的轴向颤振的基本频率，和/或所述最终加工频率（fC）小于所述钻孔-沉孔工具（2）的径向振荡的基本频率。
7.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，作为工件（1）加工飞机结构构件，优选的是，实施所述加工过程以将铆钉带入到飞机结构构件中。
8.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述工件（1）的层复合材料处实施所述加工过程。
9.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述工件（1）的钛材料处实施所述加工过程，优选的是，钛材料形成了所述工件（1）的层复合材料的至少一个层（6）。
10.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述工件（1）的塑料材料处实施所述加工过程、优选沉孔加工，优选的是，塑料材料形成了所述工件（1）的层复合材料的至少一个层（5）。
11.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述钻孔加工中，根据所述钻孔-沉孔工具（2）的轴向的位置设定所述轴向的进给运动的进给速度（V），优选的是，根据所述工件（1）的用所述钻孔加工进行加工的材料来设定所述进给速度（V）。
12.用于切削加工工件（1）的设备，在该设备中，在加工过程中借助钻孔-沉孔工具（2）实施对所述工件（1）的钻孔加工并且紧接着实施对所述工件（1）中用钻孔加工获得的钻孔的沉孔加工，其中，所述设备具有用于使所述钻孔-沉孔工具（2）轴向旋转的旋转驱动器（7）和用于提供所述钻孔-沉孔工具（2）相对工件（1）的轴向的进给运动的进给驱动器（10），并且其中，所述设备具有用于操控所述进给驱动器（10）的控制装置（12），其特征在于，所述设备设置用于执行按照前述权利要求中任一项所述的方法。
13.按照权利要求12所述的设备，其特征在于，所述控制装置（12）具有带有程序指令的存储器（13）和至少一个用于实施所述程序指令的处理器（14），并且所述存储器（13）和程序指令设置用于，与所述处理器（14）一起促使所述控制装置（12）操控所述进给驱动器（10）以借助所述设备执行按照前述权利要求中任一项所述的方法。
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