DE102010048638B4 - Machine tool, workpiece machining process - Google Patents
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Abstract
Werkzeugmaschine (10) mit einem Werkzeug (7) mit einer definierten Schneide (71) zur Werkstückbearbeitung mit einer Schneidbewegung (74) des Werkzeugs (7) relativ zum Werkstück (6), und einer Schnellkupplung (5) zum Kuppeln des Werkzeugs (7) mit der Werkzeugmaschine (10); wobei das Werkzeug (7) ein Bohrer, ein Fräser, ein Hobel oder ein Drehmeißel ist und die Maschine einen Antrieb (3b) für das Werkzeug (7) zum Hervorrufen der Schneidbewegung des Werkzeugs aufweist, gekennzeichnet durch eine Vibrationseinheit (11) zum Erzeugen einer Vibrationsbewegung (75) zwischen Werkzeug (7) und Werkstück (6), wobei die Schnellkupplung (5) zwischen Vibrationseinheit (11) und Werkzeug (7) liegt.Machine tool (10) having a tool (7) with a defined cutting edge (71) for workpiece machining with a cutting movement (74) of the tool (7) relative to the workpiece (6), and a quick coupling (5) for coupling the tool (7) with the machine tool (10); wherein the tool (7) is a drill, a milling cutter, a planer or a turning tool and the machine has a drive (3b) for the tool (7) for causing the cutting movement of the tool, characterized by a vibration unit (11) for generating a Vibratory movement (75) between the tool (7) and the workpiece (6), wherein the quick coupling (5) between the vibration unit (11) and tool (7).
Description
Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Werkstückbearbeitungsverfahren.The invention relates to a machine tool according to the preamble of claim 1 and a workpiece machining method.
Es ist bekannt, Werkstücke mit Werkzeugen mit definierter Schneide spanabhebend zu bearbeiten. Die bekanntesten Verfahren sind hierbei das Bohren, das Drehen, das Fräsen und das Hobeln. Die zugehörigen Werkzeuge haben eine oder einige deutlich definierte, klar beschreibbare Schneidkanten. Durch eine Relativbewegung zwischen Werkzeug, insbesondere Schneidkante desselben, und Werkstück (Schneidbewegung) wird die spanabhebende Bearbeitung bewirkt. Sie erfolgt mit einer gewissen Abtragsleistung unter einem gewissen Werkzeugverschleiß und hinterlässt Oberflächen mit in gewissen Grenzen vorhersehbaren Eigenschaften. Beim Bohren wird in der Regel das Werkzeug bewegt, beim Drehen das Werkstück. Beim Fräsen dreht sich in der Regel das Fräswerkzeug, während es oder das Werkstück selbst verfahren wird. Beim Hobeln können das Werkzeug oder das Werkstück verfahren werden.It is known to machine workpieces with tools with a defined cutting edge. The best known methods here are drilling, turning, milling and planing. The associated tools have one or several clearly defined, clearly writable cutting edges. By a relative movement between the tool, in particular the cutting edge thereof, and the workpiece (cutting movement), the machining is effected. It is done with a certain removal rate under a certain tool wear and leaves surfaces with predictable properties within certain limits. When drilling, the tool is usually moved, while turning the workpiece. When milling usually rotates the milling tool, while it or the workpiece itself is moved. When planing the tool or the workpiece can be moved.
Es ist weiterhin bekannt, Werkstücke mittels vibrierender Werkzeuge ohne definierte Schneide zu bearbeiten. Die vibrierenden Werkzeuge sind rau, arbeiten schleifend und vibrieren vergleichsweise hochfrequent (Vibrationsbewegung), beispielsweise mit Frequenzen über 5 kHz oder über 10 kHz oder über 20 kHz. Wegen der hohen Vibrationsfrequenzen, die jenseits des menschlichen Gehörs liegen können, werden die Bearbeitung häufig als Ultraschallbearbeitung und die Maschine als Ultraschallmaschine bezeichnet. Die Vibration des Werkzeugs kann eine translatorische oder eine rotatorische Vibration sein. Das Werkzeug kann flächenparallel am Werkstück entlangfahren und dann quasi feilend Material abtragen. Es kann aber auch stoßend auf das Werkstück einwirken.It is also known to process workpieces by means of vibrating tools without a defined cutting edge. The vibrating tools are rough, work abrasive and vibrate relatively high frequency (vibrational motion), for example at frequencies above 5 kHz or above 10 kHz or above 20 kHz. Because of the high vibration frequencies, which can be beyond the human ear, the processing is often referred to as ultrasonic processing and the machine as an ultrasonic machine. The vibration of the tool may be a translational or a rotational vibration. The tool can move parallel to the surface of the workpiece and then quasi filing material ablate. But it can also act impacting on the workpiece.
Ein Nachteil der bekannten Bearbeitungsverfahren mit Werkzeugen mit definierter Schneide ist es, dass bei bestimmten Bearbeitungssituationen, insbesondere bei bestimmten Werkstückmaterialien, die Abtragsleistung relativ gering oder der Werkzeugverschleiß relativ hoch oder die Oberflächengüte des bearbeiteten Werkstücks relativ schlecht ist. Es zeigte sich, dass das Ausbrechen der Späne bei der Bearbeitung mit herkömmlichen Werkzeugen mit definierter Schneide vergleichsweise raue und aufgerissene Oberflächen hinterlässt, die mechanisch nicht optimal widerstandsfähig und anfällig gegenüber Umwelteinflüssen (Korrosion, Rost) sind.A disadvantage of the known machining methods with tools with a defined cutting edge is that in certain machining situations, in particular for certain workpiece materials, the removal rate is relatively low or the tool wear is relatively high or the surface quality of the machined workpiece is relatively poor. It has been shown that the chip breakage during machining with conventional tools with a defined cutting edge leaves comparatively rough and torn surfaces that are not mechanically resistant and are prone to environmental influences (corrosion, rust).
Die
Die
Die
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Werkzeugmaschine und ein Werkstückbearbeitungsverfahren anzugeben, die in bestimmten Bearbeitungssituationen eine verbesserte Abtragsleistung und/oder geringeren Werkzeugverschleiß und/oder verbesserte Oberflächengüten, insbesondere glattere und verdichtetere Oberflächen bzw. Oberflächen mit relativ hoher Druckeigenspannung am Werkstück ergeben.The object of the invention is to specify a machine tool and a workpiece machining method, which result in improved machining performance in an improved removal rate and / or lower tool wear and / or improved surface qualities, especially smoother and more compact surfaces or surfaces with relatively high compressive residual stress on the workpiece.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Abhängige Patentansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.This object is achieved with the features of the independent claims. Dependent claims are directed to preferred embodiments of the invention.
Eine Werkzeugmaschine hat ein Schneidwerkzeug zur Werkstückbearbeitung mit einer Schneidbewegung des Werkzeugs relativ zum Werkstück und eine Vibrationseinheit zum Erzeugen einer Vibrationsbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Bei einem Werkstückbearbeitungsverfahren werden relativ zwischen einem Schneidwerkzeug und einem Werkstück eine Schneidbewegung und gleichzeitig oder abwechselnd dazu eine Vibrationsbewegung hervorgerufen.A machine tool has a cutting tool for workpiece machining with a cutting movement of the tool relative to the workpiece and a vibration unit for generating a vibrating movement between the tool and the workpiece. In a workpiece machining method, a cutting motion is caused relatively between a cutting tool and a workpiece, and at the same time or alternately, causes a vibratory motion.
Die Kombination von schneidender und vibrierender Bearbeitung hat den Vorteil, dass das Herauslösen der Späne aus dem Werkstück mit der definierten Schneide des Werkzeugs mit variablen Relativbewegungen zwischen Werkstück und Schneidkante erfolgt. Das Herauslösen der Späne geschieht dadurch weniger reißend, sondern verstärkt schneidend. Dadurch entstehen weniger raue Oberflächen, und die Werkstückoberfläche hat nach der Bearbeitung eine relativ hohe Druckeigenspannung und ist nach der Bearbeitung weniger zerrissen und gefurcht, was im Hinblick auf Härte und Widerstandsfähigkeit der Oberfläche gegenüber Umwelteinflüssen und mechanischer Beanspruchung wünschenswert ist.The combination of cutting and vibrating machining has the advantage that the removal of the chips from the workpiece with the defined cutting edge of the tool with variable relative movements between the workpiece and the cutting edge. The dissolution of the chips happens thereby less tearing, but increasingly cutting. This results in less rough surfaces, and the workpiece surface has a relatively high compressive residual stress after processing and is less torn and scored after processing, which is desirable in terms of hardness and surface resistance to environmental and mechanical stress.
Die Vibrationseinheit befindet sich vorzugsweise nahe am Werkzeug. Sie kann einen oder mehrere Piezo-Aktoren oder elektromagnetische Aktoren aufweisen. Die Vibrationsfrequenz kann über 5 kHz, über 10 kHz, über 20 kHz oder über 40 kHz liegen. Die Werkzeugmaschine kann eine Bohrmaschine, eine Fräsmaschine, eine Drehmaschine, eine Hobelmaschine oder Ähnliches sein. Die Richtung der Vibrationsbewegung kann parallel und/oder rechtwinklig zur Schneidbewegung des Werkzeugs sein oder einen winkel dazwischen haben. Sie kann parallel zur lokalen momentanen Werkstückoberfläche sein oder einen bestimmten Winkel relativ dazu größer 0° haben. Sie kann rechtwinklig zur Werkstückoberfläche sein.The vibration unit is preferably located close to the tool. It can have one or more piezo actuators or electromagnetic actuators. The vibration frequency can be over 5 kHz, over 10 kHz, over 20 kHz or over 40 kHz. The machine tool may be a drill, a milling machine, a lathe, a Be planing machine or similar. The direction of the vibratory motion may be parallel and / or perpendicular to the cutting motion of the tool or at an angle therebetween. It can be parallel to the local instantaneous workpiece surface or have a certain angle greater than 0 ° relative thereto. It can be perpendicular to the workpiece surface.
Das Werkzeug kann auf die mögliche Vibrationsbewegung hin angepasst sein, etwa indem bestimmte Flächen oder Kanten desselben aufgeraut, gezahnt oder sonst wie gegenüber herkömmlichen Werkzeugen modifiziert sind. Die Modifikation kann so sein, dass das Werkzeug bestimmte Resonanzfrequenzen hat oder vermeidet.The tool may be adapted to the possible vibratory motion, such as by roughening, serrating or otherwise modifying certain surfaces or edges thereof, as compared to conventional tools. The modification may be such that the tool has or avoids certain resonant frequencies.
Die Vibrationseinheit kann Teil eines schnellwechselbaren (automatisch wechselbaren) Werkzeugs sein und dann durch geeignete Einrichtungen Energie empfangen. Beispielsweise kann eine drahtlose (induktive) Energieübertragung vorgesehen sein.The vibration unit can be part of a quick-change (automatically changeable) tool and then receive energy through suitable means. For example, a wireless (inductive) energy transmission can be provided.
Eine Steuerung/Regelung kann die Schneidbewegung und die Vibrationsbewegung steuern bzw. regeln.A controller may control the cutting motion and the vibratory motion.
Es kann Sensorik zur Ermittlung von Prozessparametern vorgesehen sein, wobei die Prozessparameter zur Steuerung zurückgeführt werden können. Die Steuerungen von Schneidbewegung und Vibrationsbewegung können unabhängig voneinander oder verschränkt miteinander folgen. Die eine kann nach Maßgabe von Ansteuer- oder Messparametern der anderen gesteuert bzw. geregelt werden.It can be provided for the determination of process parameters sensor, the process parameters can be returned to the controller. The controls of cutting motion and vibratory motion may follow each other independently or interleaved with each other. The one can be controlled or regulated in accordance with driving or measuring parameters of the other.
Schneidbewegung und Vibrationsbewegung können gleichzeitig miteinander oder wahlweise unabhängig voneinander jeweils einzeln eingesteuert werden.Cutting movement and vibration movement can be controlled simultaneously with each other or alternatively independently of each other.
Nachfolgend werden Bezug nehmend auf die Zeichnung einzelne Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es zeigen:Hereinafter, with reference to the drawings, individual embodiments of the invention will be described. Show it:
Weiterhin ist mindestens ein Antrieb
Das Werkzeug
Es ist eine Vibrationseinheit
In der gezeigten Ausführungsform ist die Vibrationseinheit
Eine lineare Vibration kann Richtungskomponenten parallel und/oder senkrecht zur lokalen Werkstückebene haben. Im Falle einer Bohrmaschine kann die Vibration längs der Bohrerachse erfolgen. Im Falle einer Bohrmaschine kann die Vibration längs der Bohrerachse erfolgen. Bei einer Drehmaschine kann der Drehmeißel in Vibration versetzt werden. Bei einer Fräse kann das Fräswerkzeug oder das Werkstück in Vibration versetzt werden.A linear vibration may have directional components parallel and / or perpendicular to the local workpiece plane. In the case of a drill, the vibration can take place along the drill axis. In the case of a drill, the vibration can take place along the drill axis. In a lathe, the lathe tool can be vibrated. With a milling cutter, the milling tool or the workpiece can be vibrated.
Eine Drehvibration kann um eine in der Maschine schon vorhandene Drehachse herum erfolgen und durch eine geeignet angebrachte und angesteuerte Vibrationseinheit eingebracht werden. Sie kann allgemein in die schon mit der Drehbewegung beaufschlagte Komponente der Maschine (z. B. bei einer Bohrmaschine Bohrfutter bzw. Bohrer) eingeleitet werden. Sie kann aber auch – um die gleiche Achse herum – allgemein in das jeweilige Gegenüber der mit der Drehbewegung beaufschlagten Komponente eingeleitet werden (im Falle einer Bohrmaschine also in den Werkstücktisch bzw. in das Werkstück). Bei einer Drehmaschine kann das Drehfutter mit einer Drehvibration um die Drehachse herum beaufschlagt sein. Bei einer Fräsmaschine kann das Fräswerkzeug mit einer Drehvibration um seine Drehachse herum beaufschlagt sein.A rotational vibration can take place around an axis of rotation which is already present in the machine and can be introduced by means of a suitably mounted and actuated vibration unit. It can generally be introduced into the component of the machine which has already been subjected to the rotational movement (eg drill chuck or drill). But it can also - around the same axis - generally introduced into the respective opposite of the component acted upon by the rotational movement (in the case of a drill so in the workpiece table or in the workpiece). In a lathe, the lathe chuck may be subjected to a rotational vibration about the axis of rotation. In a milling machine, the milling tool can be acted upon by a rotary vibration around its axis of rotation.
Mehrere Vibrationen, und insbesondere Drehvibration und lineare Vibration, können gleichzeitig und sich überlagernd über mehrere Vibrationseinheiten eingebracht werden. Wenn mehrere Vibrationseinheiten vorgesehen sind, können sie teils am Werkstück bzw. am Werkstücktisch und teils am Werkzeug bzw. an der Werkzeughalterung angreifen.Multiple vibrations, and in particular rotational vibration and linear vibration, can be introduced simultaneously and superimposed over a plurality of vibration units. If several vibration units are provided, they can partly attack on the workpiece or on the workpiece table and partly on the tool or on the tool holder.
Eine Vibrationseinheit kann ein oder mehrere Vibratoren, z. B. Piezoelemente, aufweisen. Sie können gleiche oder unterschiedliche Signale empfangen. Der Unterschied kann ein Phasenversatz sein oder eine Invertierung.A vibration unit may include one or more vibrators, e.g. B. piezo elements having. You can receive the same or different signals. The difference can be a phase offset or an inversion.
Die Vibrationsfrequenz kann über 5 kHz oder über 10 kHz oder über 20 kHz oder über 40 kHz liegen. Vibrationseinheit
Die Werkzeugmaschine
Daneben kann eine nicht gezeigte Ausgabeeinheit für Bedienpersonal vorhanden sein.
Bei der Vibrationseinheit
In
Es ist ein weiterer Regler
Grundsätzlich können Vibrationsbewegung und Schneidbewegung gleichzeitig eingesteuert werden oder abwechselnd eingesteuert werden. Die Steuerungen der einzelnen Bewegungen können auf Steuerungs- bzw. Regelungsebene unabhängig voneinander nach Maßgabe jeweiliger individueller Vorgaben erfolgen, oder sie kann verschränkt erfolgen, indem beispielsweise Ausgabesignale
Es kann aber auch eine vergleichsweise einfache Steuerung vorgesehen sein, die gegebenenfalls auch völlig ohne Rückführung die Schneidbewegung und die Vibrationsbewegung einfach nach Maßgabe von Vorgabewerten steuert, wobei aber natürlich die Vorgabewerte in Bezug aufeinander ermittelt worden sein können.However, it may also be provided a comparatively simple control, which controls the cutting movement and the vibratory movement, if necessary, also completely without feedback in accordance with default values, but of course the default values with respect to each other may have been determined.
Es können eine oder mehrere Vibrationseinheiten
Es sei darauf verwiesen, dass
Die Sensorik in der Werkzeugmaschine
Die Vibrationseinheit
Der Vorteil der Ausführungsform der
Das Werkzeug kann im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugen auf die auch vibrierende Bewegung hin ausgelegt sein. Beispielsweise können bestimmte Flächen oder Kanten des Werkzeugs aufgeraut oder in bestimmter Weise im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugen modifiziert sein. Insbesondere kann beispielsweise die Spanfläche eines Werkzeugs oder die Schneidkante eines Werkzeugs oder die Freifläche eines Werkzeugs aufgeraut oder gezahnt sein, zumindest bereichsweise, um die Wirksamkeit der Vibrationsbewegung in gewünschter Weise einstellen zu können. Das Werkzeug kann auch so gestaltet sein, dass im Hinblick auf die gewünschte Vibrationsanregung bestimmte Resonanzfrequenzen des Werkzeugs gegeben oder in bestimmten Frequenzbereichen vermieden sind. Es kann eine vorgegebene Verstimmung (Unterschied) zwischen Resonanzfrequenz des Werkzeugs und Anregungsfrequenz der Vibration vorliegen, die gesteuert sein und ggf. auch regelungstechnisch gehalten werden kann. Die Werkzeuggestaltung kann durch gezielte Materialhinzufügungen oder Materialwegnahmen am Werkzeug erfolgen.The tool can be designed to vibrate as compared to conventional tools. For example, certain surfaces or edges of the tool may be roughened or modified in certain ways as compared to conventional tools. In particular, for example, the rake face of a tool or the cutting edge of a tool or the flank of a tool can be roughened or toothed, at least in some areas, in order to be able to set the effectiveness of the vibratory motion in the desired manner. The tool can also be designed so that in view of the desired vibration excitation certain resonance frequencies of the tool are given or avoided in certain frequency ranges. There may be a predetermined detuning (difference) between the resonant frequency of the tool and the excitation frequency of the vibration, which can be controlled and, if necessary, can also be controlled. The tool design can be done by targeted material additions or material removal on the tool.
Merkmale, die in dieser Beschreibung zum Stand der Technik oder zur Erfindung dargestellt sind, sollen auch dann miteinander kombinierbar sein, wenn dies nicht ausdrücklich gesagt ist, soweit die Kombination technisch möglich ist. Beschreibungen zu Verfahrensschritten sollen auch als Beschreibung von diese Schritte implementierenden Einrichtungen verstanden werden, und Beschreibungen zu bestimmten Einrichtungen und Komponenten sollen auch als Beschreibung von von diesen Einrichtungen und Komponenten implementierten Verfahrensschritten verstanden werden.Features that are shown in this description of the prior art or the invention, should also be combined with each other, if not expressly stated, as far as the combination is technically possible. Descriptions of method steps will also be understood as describing devices implementing these steps, and descriptions of particular devices and components shall also be understood as describing method steps implemented by those devices and components.
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