DE60129458T2

DE60129458T2 - Verfahren und vorrichtung zur schwingungsdämpfung in einem schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE60129458T2
Application number: DE60129458T
Authority: DE
Inventors: Mikael Lundblad
Original assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 2000-12-08
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2021-12-05
Also published as: KR100844095B1; US20050262975A1; ATE367234T1; CN1236884C; US20020083805A1; CN1478006A; JP2004515371A; SE517878C2; WO2002045891A1; SE0004540D0; KR20030061836A; EP1339516B1; SE0004540L; US20040240955A1; US7647853B2; EP1339516A1; DE60129458D1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Dämpfungskraft einer Schwingungsdämpfungsvorrichtung mittels einer Steuervorrichtung, wobei die Schwingungsdämpfungsvorrichtung in Verbindung mit einem metallischen Werkzeug für die spanabhebende Metallbearbeitung und zur Dämpfung von Rückkopplungsschwingungen in diesem angeordnet werden soll, einschließlich

– des Nachweises der Schwingungsbewegung des Werkzeuges mittels einer zu der Steuervorrichtung gehörenden Sensorvorrichtung,
– Identifizierung der Frequenz, Amplitude und Phase der Schwingungsbewegung mittels der Steuervorrichtung,
– Ansteuern der Schwingungsdämpfungsvorrichtung mittels der Steuervorrichtung, so daß die Dämpfungsvorrichtung eine mechanische Dämpfungskraft mit im wesentlichen derselben Frequenz wie die Schwingungsbewegung des mechanischen Aufbaus abgibt.

Sie betrifft auch ein solches Schwingungsdämpfungsgerät und einen solchen mechanischen Aufbau.
Hintergrund
Metallische Werkzeuge für die spanabhebende Bearbeitung können Schwingungen ausgesetzt werden, welche durch Kräfte oder regenerierende Schwingungen (Vibrationen) induziert werden; siehe „Metal Cutting Theory and Practice" (Theorie und Praxis beim Metallschneiden) von Stephenson und Agapiou; Veröffentlichung Marcel Dekker Inc.; ISBN:0-8247-9579-2. Gemäß diesem Dokument werden von Kräften induzierte Schwingungen von vorübergehenden Schneidkräften erzeugt, während regenerierende Schwingungen auftreten, weil der dynamische Schneidprozeß eine geschlossene Schleife bildet. Die vorliegende Patentanmeldung bezieht sich nur auf regenerierende Schwingungen (überhaupt selbst-induzierte oder rückgekoppelte Oszillationen oder Schwingungen genannt).
Die Schwingungsdämpfung in Werkzeugen für die spanabhebende Bearbeitung erreichte man früher durch reine mechanische Dämpfung, wobei der Schaft mit einem Hohlraum ausgebildet wurde, in welchem eine entgegengesetzt schwingende Masse, aus zum Beispiel Schwermetall, aufgebracht war. Dabei wird das Gewicht und der Einbauort der Masse abgestimmt, um ein Dämpfen von Schwingungen in einem gewissen Frequenzbereich vorzusehen. Der Hohlraum wird dann mit einer viskosen Flüssigkeit gefüllt, zum Beispiel Öl und wird eingestöpselt. Diese Technik arbeitet aber nur in solchen Fallen einigermaßen, bei denen der Überstand des Schaftes von einer Befestigungsvorrichtung etwa 4–10 mal länger ist als seinr Durchmesser. Zusätzlich zu dieser Beschränkung hat das reine mechanische Dämpfen einen offensichtlichen Nachteil insofern, als der Frequenzbereich, innerhalb dessen die Dämpfung arbeitet, sehr begrenzt ist. Ein zusätzlicher Nachteil besteht in der auf die Festigkeit bezogenen Schwächung, welche der in dem Schaft gebildeten Hohlraum verursacht.
Man hat in ganz anderen Bereichen der Technologie die Entwicklung wirksamerer, anpassungsfähigerer Dämpfungstechniken begonnen, die auf der Verwendung von – unter anderen Dingen – Piezoelementen basierten. Ein Piezoelement besteht aus einem Material, sehr oft einer Art Keramik, welches bei Kompression oder Dehnung in einer gewissen Richtung – der Polarisationsrichtung – in derselben Richtung ein elektrisches Feld erzeugt. Das Piezoelement hat gewöhnlich die Gestalt einer rechteckigen Platte mit einer Polarisationsrichtung, welche zu der Hauptachse der Platte parallel ist. Durch Verbinden des Piezoelementes mit einer elektrischen Schaltung, einschließlich eines Steuermoduls, und Komprimieren oder Dehnen des Piezoelementes in der Polarisationsrichtung wird ein elektrischer Strom erzeugt und fließt in der Schaltung, wobei in dem Steuermodul eingeschlossene Widerstandskomponenten nach der bekannten Physik Wärme erzeugen. Hierbei wird Schwingungsenergie in thermische Energie umgewandelt, wodurch eine passive Dämpfung erhalten wird, nicht aber eine Dämpfungswirkung auf die Schwingungen. Ferner können durch Ausbilden des Steuermoduls mit einer geeigneten Kombination von Widerstands- und reaktiven Komponenten, sogenannte Shunts bzw. Nebenschlußstromkreise, ausgewählte Frequenzen dazu gebracht werden, mit besonderer Wirksamkeit gedämpft zu werden. In vorteilhafter Weise sind diese Frequenzen, die sogenannten „Eigenfrequenzen" der exponierten „Eigenbetriebsarten" des Objektes, welche die vorzugsweise erregten sind.
Umgekehrt kann ein Piezoelement von einer elektrischen Spannung komprimiert oder gedehnt werden, welche an das Piezoelement angelegt wird, während der dasselbe als Steuer- oder Betriebsvorrichtung (Aktuator bzw. Stellglied) verwendet werden kann. In diesem Zusammenhang kann dieses für die aktive Schwingungssteuerung dadurch verwendet werden, daß man die Polarität der angelegten elektrischen Spannung in solcher Weise auswählt, daß die mechanische Beanspruchung der Betriebsvorrichtung in der entgegengesetzten Richtung wie eine äußere, mechanische Beanspruchung bearbeitet, wobei die Entstehung von Schwingungen durch die Tatsache unterdrückt wird, daß eine andere kinetische Energie, zum Beispiel die Rotationsenergie, daran gehindert wird, in Schwingungsenergie umgewandelt zu werden. Hierbei findet die Synchronisation der angelegten elektrischen Spannung bezüglich der äußeren mechanischen Beanspruchung, deren Wirkung entgegengewirkt werden soll, durch ein Rückkopplungssignal aus einem empfindlichen Deformationssensor statt, der von einem Steuermittel in der Form einer logischen Steuerschaltung versorgt wird, zum Beispiel einem programmierbaren Mikroprozessor, in welchem das Signal verarbeitet wird, um die an die Betriebsvorrichtung angelegte elektrische Spannung zu steuern. Die Steuerfunktion, d.h. das Verhältnis zwischen dem Eingangssignal aus dem Sensor und der Ausgangsspannung kann in diesem Zusammenhang sehr komplex gemacht werden. Zum Beispiel ist ein selbstlernendes System für die Anpassung an sich verändernde Bedingungen möglich. Der Sensor kann aus einer separaten, auf Deformation empfindlichen Vorrichtung bestehen, zum Beispiel einem zweiten Piezoelement, oder gemeinsam mit der Betriebsvorrichtung.
Beispiele praktischer Anwendungen und derzeitige Entwicklungsbereiche für die Verwendung von Piezoelementen zwecks Schwingungsdämpfung sind beschrieben in Mechanical Engineering, November 1995, Seiten 76–81. Somit sind Skier für das alpine Skilaufen (K2 Vier Ski, K2 Corp., USA) mit Piezoelementen zwecks Unterdrückung unerwünschter Schwingungen entwickelt worden, die anderweitig den Kontakt mit dem Boden verringern und dadurch die Aussichten des Skifahrers für ein stabiles und gesteuertes Skilaufen reduzieren. Ferner werden Anwendungen erwähnt, wie zum Beispiel erhöhte Flügelstabilität von Flugzeugen, verbesserter Komfort in Kraftfahrzeugen, Schwingungsunterdrückungen bei Rotorblättern und Wellen von Helikoptern, Schwingungssteuerung von Prozeßplattformen für flexible Herstellung und erhöhte Genauigkeit militärischer Waffen. In Informationsdokumenten aus Active Control eXperts (ACX) Inc., USA (Hersteller von Piezoelementen) wird auch die Schwingungssteuerung von Snowboards erwähnt.
Ein Verfahren der in der Einleitung beschriebenen Art sowie ein solcher Schwingungsdämpfer bzw. ein solcher mechanischer Aufbau ist aus SE-A-9900441-8 bekannt.
Diese Art von Schwingungsdämpfer ist nicht für kraftinduzierte Schwingungen geeignet, sondern nur für regenerierende, d.h. Rückkopplungsschwingungen, die zum Beispiel während der mechanischen Bearbeitung in einem Werkzeug auftreten, wenn eine kleine Störung eine mechanische Rückkopplung in dem Werkzeug gibt. Eine solche mechanische Rückkopplung kann eine erhöhte Schwingungsbewegung verursachen und dadurch eine unerwünscht ungleichmäßige Oberfläche des bearbeiteten Rohlings und reduzierte Laufleistung des Werkzeuges.
In der SE-A-9900441-8 ist nicht ausdrücklich erwähnt, wie die Dämpfungskraft an den mechanischen Aufbau angelegt werden sollte. Der bislang bekannte Weg, eine Schwingungsbewegung zu löschen bzw. zu dämpfen, bestand jedoch darin, eine Gegenkraft in Phase mit der Schwingungsbewegung vorzugeben. Dieses Verfahren arbeitet, solange niedrige Frequenzen in Rede stehen. Bei höheren Frequenzen, d.h. von etwa 500 Hz an, ist es schwierig, ohne Phasenirrtümer eine Gegenkraft aufzubringen. Wenn ein Phasenfehler auftritt, gibt es das Risiko, daß die Schwingungsbewegung und die Dämpfungskraft im Ungleichgewicht enden und einander teilweise dadurch verstärken, was seinerseits dazu führen kann, daß die Schwingungsbewegung nicht in dem gewünschten Maß gelöscht wird. Deshalb vermutet man für die Arbeit eines solchen Schwingungsdämpfens, daß die entgegengerichtete Kraft zu einem großen Maß an Genauigkeit mit der Schwingungsbewegung in Phase ist.
Andere piezoelektrische Dämpfungseinrichtungen sind in den SE-A-9803605-6 , SE-A-98036606-4 , SE-A-9803607-2 , US-A-4,849,668 , DE-A-199 25 193 , EP-A-0,196,502 , US-A-5,485,053 und JP-A-63180401 beschrieben.
Während der spanabhebenden Bearbeitung, wie zum Beispiel dem Drehen oder Bohren, treten nicht selten Probleme mit Schwingungen auf, insbesondere in Fällen, bei welchen die Länge des Schaftes oder Werkzeuges außerhalb der Befestigungsvorrichtung – ein sogenannter Überstand – mindestens dreimal größer ist als sein Durchmesser. Eine Schwingungsart ist die Biegeschwingung, wobei der Schaft hin- und hergekrümmt bzw. auf- und abgekrümmt ist und Biegedeformationen unterworfen ist. Diese Erscheinung bildet ein gemeinsames Problem zum Beispiel während des Rohrens, insbesondere des Innenbohrens, bei welchem der Schaft in der Form einer Bohrstange bzw. eines Bohrbalkens lang sein muß, um den Bereich in dem Werkstück zu erreichen, der bearbeitet werden soll, während gleichzeitig der Durchmesser der Stange bzw. des Balkens oder der Leiste durch das Maß der Bohrung begrenzt ist, in welcher die Bearbeitung ausgeführt wird. Während solcher Bohr-, Dreh- und Frästätigkeiten, bei denen der Abstand zu dem Werkstück groß ist, werden Extender bzw. Verlängerer verwendet, die häufig Biegeschwingungen erzeugen, die nicht nur zu einer beeinträchtigten Maßgenauigkeit und Unregelmäßigkeiten in dem Werkstück führen, sondern auch zu einer verkürzten Laufzeit des Werkzeuges und seinen Schneideinsätzen oder Bearbeitungselementen.
Zusammenfassung der Erfindung
Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung der Steuerung einer Schwingungsdämpfungsvorrichtung für Schneidwerkzeuge mit einer regenerierenden Schwingungsbewegung.
Dieser wird durch ein Verfahren bzw. einen Schwingungsdämpfer gemäß der in dem einleitenden Teil beschriebenen Art erreicht, wobei die Steuervorrichtung angeordnet ist, um eine Dämpfungskraft zu erzeugen, welche der Geschwindigkeit des Schneidwerkzeuges entgegengerichtet ist. Dies bedeutet, daß die Dämpfungskraft dem Werkzeug eine Deformation gibt, die in der entgegengesetzten Richtung zu der der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkzeuges gerichtet ist.
Auf diese Weise erhält man eine Dämpfung der regenerierenden Bewegung ohne das Risiko, daß die Schwingungen in einem Ungleichgewicht enden und dadurch mehr Energie in die Schwingungsbewegung geben ohne irgendein großes Bedürfnis nach Genauigkeit, und zwar im Hinblick auf die Phasenverschiebung der eingeführten Dämpfungskraft, d.h. die Dämpfungskraft sollte konstant der Geschwindigkeit widerstehen, und um einen maximalen Dämpfungseffekt zu erhalten, wird die ganze Zeit über eine maximale Dämpfungskraft eingeführt. Sie ist jedoch von geringerer Bedeutung bei einer Maximalkraft an den Endpunkten der Schwingungsbewegung, weil die Geschwindigkeit dort niedrig ist. Deshalb ist es wichtig, daß der Dämpfungseffekt größer ist als der Beitrag aus dem Schneidprozeß, so das die regenerierende Schwingung herausgedämpft wird und mittels des mechanischen Aufbaus, zum Beispiel eines Drehschaftes oder einer Bohrstange, ein gleichmäßiger Schneidprozeß erhalten wird.
Vorzugsweise ist die Steuervorrichtung angeordnet, um in Bezug auf die Schwingbewegung die Dämpfungskraft um 60°–120°, alternativ 240°–300°, außer Phase einzuführen. In zweckmäßiger Weise ist die Steuervorrichtung angeordnet, um in Bezug auf die Schwingungsbewegung die Dämpfungskraft um 70°–110°, alternativ 250°–290°, außer Phase einzuführen. Vorzugsweise ist die Steuervorrichtung angeordnet, um in Bezug auf die Schwingbewegung die Dämpfungskraft um 80°–100°, alternativ 260°–280°, außer Phase einzuführen. Auf diese Weise wird eine schnellere Dämpfung der Schwingungsbewegung erhalten. Die besten Ergebnisse erzielt man, wenn die Steuervorrichtung angeordnet ist, um in Bezug auf die Schwingbewegung die Dämpfungskraft um 90°, alternativ 270°, außer Phase einzuführen.
Vorzugsweise ist die Steuervorrichtung angeordnet, um die Schwingungsdämpfungsvorrichtung so zu betätigen bzw. anzusteuern, daß dieselbe eine Kraft abgibt, welche der Geschwindigkeit der Schwingbewegung entgegengerichtet ist. Man sollte eine gleichgerichtete Kraft vorgeben, wenn dieselbe in Bezug auf die Schwingungsbewegung zwischen 60° und 120° außer Phase eingeführt wird, während eine entgegengerichtete Kraft in Bezug auf die Schwingbewegung zwischen 240° und 300° außer Phase eingeführt werden sollte.
Vorzugsweise ist die Steuervorrichtung angeordnet, um eine Dämpfungskraft aus dem Bereich von 50–1500 Hz abzugeben.
In zweckmäßiger Weise ist mindestens ein piezoelektrisches Element in der Schwingungsdämpfungsvorrichtung eingeschlossen. Alternativ kann die Schwingungsdämpfungsvorrichtung ein hydraulischer oder pneumatischer Zylinder oder eine elektromagnetische Vorrichtung sein.
Vorzugsweise weist der mechanische Aufbau ein Werkzeug für die spanabhebende Bearbeitung auf.
Zusammenfassung der Figuren
Im folgenden wird die Erfindung näher beschrieben, wobei auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, bei denen ist:
1 eine schematische Seitenansicht eines langen, schmalen Körpers in der Form eines Werkzeugschaftes während der Biegedeformation bei Schwingung (erste Resonanzfrequenz).
2 ein Schaubild unter Darstellung des Biegemomentes in dem Körper.
3 eine Seitenansicht eines geschnittenen Endabschnittes des Körpers in Verbindung mit einem Befestigungsende, um die Beanspruchung in dem Körper während der Biegedeformation proportional zur Dehnung zu veranschaulichen.
4 eine transparente perspektivische Ansicht eines Werkzeugschaftes.
5 eine perspektivische Ansicht eines Stabextenders bzw. Stabverlängerers für Fräswerkzeuge, die mit einem kreisförmigen Querschnitt gebildet sind.
6–8 perspektivische Ansichten von Werkzeugschäften mit einem quadratischen Querschnitt und bei unterschiedlichen alternativen Ausführungsformen.
9 eine perspektivische Ansicht eines Werkzeuges für die aktive Schwingungsdämpfung, welches in einem Träger angebracht ist.
10 eine analoge perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform für die passive Schwingungsdämpfung.
11 schematisch die Dämpfung einer Schwingungsbewegung mittels einer Gegenkraft in Phase mit der Schwingung.
12–13 eine Darstellung der schematischen Dämpfung einer Schwingungsbewegung gemäß der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung
In 1 ist ein langer schmaler Körper in der Form eines Balkens, einer Leiste oder eines Schaftes 1 eines Werkzeuges veranschaulicht, der vorgesehen ist, um während des Drehens oder Fräsens einen oder mehrere Einsätze festzuklemmen. Der Körper 1 hat ein Befestigungsende 2 und ein freies, äußeres Ende 3. Der Körper hat eine äußere Oberfläche 4, die aus einer Hülloberfläche bestehen kann, wenn der Körper zylindrisch ist. Dieselbe kann auch eine Vielzahl von ebenen Oberflächen einschließen, wenn der Körper eine polygonale, z.B. quadratische Querschnittsgestalt hat. Der Körper 1 kann eine beliebige Querschnittsform haben, am gewöhnlichsten ist aber die kreisförmige oder quadratische. In 1 bezeichnet die Bezugszahl 5 ein Teil, in welchem der Körper 1 befestigt ist, der sich auskragend von dem Befestigungsteil erstreckt. In 1 ist der Körper 1 in einem Zustand gezeigt, wenn derselbe in einer ersten streckt. In 1 ist der Körper 1 in einem Zustand gezeigt, wenn derselbe in einer ersten Biege- „Eigenbetriebsart" deformiert wurde.
Ferner ist in 2 eine Kurve gezeigt, die veranschaulicht, wie das Biegemoment M_b in diesem Fall längs des Körpers variiert. Wie man in dem Schaubild sieht, tritt an oder nahe dem Befestigungsende 2 ein maximales Biegemoment und somit eine maximale Dehnung auf. Dasselbe gilt für alle nachrangigen Betriebsarten, die normalerweise während Biegeschwingungen von Werkzeugen für die spanabhebende Bearbeitung energiemäßig vorherrschen.
In 3 ist ein Abschnitt des Körpers 1 gezeigt, der in dem Bereich des Befestigungsendes durch Biegen deformiert ist. In diesem Zusammenhang wird dargestellt, wie die Dehnung bei der Biegedeformation in Querschnittsrichtung des Körpers variiert (die Dehnung ist aus Darstellungsgründen stark übertrieben). Wie man in der Figur sieht, werden maximale Dehnungen an der Hülloberfläche oder äußeren Oberfläche 4 des Körpers erhalten.
In 4 ist eine Grundgestaltung einer Stange bzw. eines Balkens oder eines Schaftes 1 schematisch gezeigt, bei welchem zwei plattförmige, rechteckige Piezoelemente 8 auf gegenüberliegenden ebenen Längsflächen 4 des Schaftes befestigt, der mit einem quadratischen Querschnitt gebildet ist. Die Piezoelemente 8 befinden sich in dem Bereich nahe des Befestigungsendes 2 des Schaftes. An dem äußeren Ende 3 desselben hat der Schaft ein Bearbeitungselement in der Form eines Schneideinsatzes 9. Somit sind die Piezoelemente 8 in einem Bereich angeordnet, in welchem die maximale Dehnung während der Biegedeformation auftritt. Obwohl dieser Einbauort bevorzugt ist, sind auch andere Einbauorte möglich. Ferner sind die Piezoelemente 8 so ausgerichtet, daß ihre Hauptflächen im wesentlichen parallel zu den ebenen Oberflächen 4 des Balkens oder Schaftes 1 sind und die Hauptachsen im wesentlichen zur Längserstreckung des Schaftes oder Balkens 1 parallel sind, bei welchem die Piezoelemente 8 bei einer Biegeschwingung deformiert werden, während die rechteckige Form erhalten wird.
In 5 ist eine Ausführungsform gezeigt, gemäß welcher der Körper 1 aus einem Balkenextender bzw. Balkenverlängerer besteht, der für ein Fräswerkzeug mit einem kreisförmigen Querschnitt gedacht ist. In diesem Fall ist ein spanbildendes Bearbeitungselement 9 in der Form einer Schneidkante neben einer Spantasche 10 an dem freien Ende 3 des Balkenextenders gebildet. Ein Piezoelement 8 ist auf der Hülloberfläche 4 des Balkenextenders in einem Bereich nahe dem Befestigungsende 2 angebracht. Die Hauptachse des Piezoelementes ist parallel zu der Längserstreckung des Balkenextenders. Bei dieser Ausrichtung wirkt folglich das Piezoelement 8 auch hier äußerst wirksam für das Dämpfen der Biegeschwingung.
Für das gleichzeitige Dämpfen von Biegungs- und Torsionsschwingungen ist der Schaft des Werkzeuges mit Vorteil mit einer Vielzahl von Piezoelementen gebildet, von denen einige so ausgerichtet sind, daß ihre langen Seiten im wesentlichen zur Längserstreckung des Schaftes parallel sind, während andere unter einem Winkel von etwa 45° ausgerichtet sind. Alternativ haben ein oder mehrere Piezoelemente andere Ausrichtungen zwischen diesen Ausrichtungen.
Piezoelemente sind gewöhnlich zerbrechlich, insbesondere solche der Keramikart. Deshalb sollten dieselben in schwieriger Umgebung eine gewisse Schutzform haben, um eine akzeptable Lebensdauer zu erreichen.
In den 6–8 sind Werkzeugschäfte mit quadratischem Querschnitt gezeigt, wobei das Piezoelement 8 auf alternative Arten angebracht und geschützt ist. In allen Fällen sind die Piezoelemente in einem Bereich nahe des Befestigungsteils 5 angeordnet (dasselbe kann aus einer herkömmlichen Klemmeinheit bestehen, in welcher das Werkzeug lösbar angebracht ist).
In 6 ist das Piezoelement 8 in einer Senkung 11 befestigt und vorteilhaft durch eine Schutzschicht abgedeckt, zum Beispiel vom Epoxityp.
In 7 wird angenommen, daß das Piezoelement in der Senkung 11 befestigt und von einem steifen Deckel 12 abgedeckt ist.
In 8 ist das Piezoelement 8 auf der Außenseite des Schaftes angebracht, zum Beispiel angeklebt. Diese Alternativen sollten nur als Beispiele angesehen werden, wobei die in den 6 und 7 bevorzugt sind. Es versteht sich, daß derselbe Schutztyp für die Piezoelemente von der Querschnittsgestalt des Werkzeugschaftes unabhängig ist.
Die Piezoelemente wirken mit Mitteln für die elektrische Steuerung oder Führung derselben zusammen. In den 9 und 10 sind Beispiele gezeigt, wie das Werkzeug 1 mit einer solchen Steuereinrichtung gebildet. In diesen Fällen ist das Werkzeug in einem Träger 13 angebracht. In 10 ist ein Steuermittel für die Dämpfung in der Form eines Steuermoduls 14 gezeigt, welches nahe dem Befestigungsende 2 gebildet ist, und eine elektrischen Verbindung 15, über welche ein oder mehrere Piezoelemente 8 mit dem Steuermodul 14 für eine getrennte oder gemeinsame Steuerung eines entsprechenden Piezoelementes verbunden sind. Dieses Modul 14 weist mindestens elektrische Widerstandskomponenten auf. Vorzugsweise weist das Steuermodul 14 auch einen oder mehrere Shunts (bzw. Nebenschlußstromkreise) auf, bei welchen ausgewählte Frequenzen besonders wirksam gedämpft werden können.
9 veranschaulicht ein Steuermittel für das aktive Dämpfen in der Form einer freistehenden logischen Steuerschaltung 16, zum Beispiel eines programmierbaren Mikroprozessors, für die getrennte oder gemeinsame Steuerung von (über die schematisch veranschaulichte elektrische Verbindung 15) Spannungen, welche an die Piezoelemente 8 gelegt sind. In der Praxis kann die Verbindung 15 Kollektorbeschläge oder dergleichen aufweisen.
Auch wenn die Piezoelemente 8 bei der in 10 veranschaulichten Ausführungsform für das aktive Dämpfen gleichzeitig sowohl als Betriebsvorrichtungen als auch Sensoren arbeiten, ist es möglich, dieselben zwei Funktionen durch getrennte Betriebsvorrichtungen und Sensoren zu realisieren, bei welchen die Sensoren nicht aus Piezoelementen bestehen müssen. Obwohl der beispielhaft angenommene Einbauort des Steuermoduls 14 bzw. der logischen Steuerschaltung 16 bevorzugt ist, können auch andere Einbauorte möglich sein. Zum Beispiel ist es wie bei der logischen Steuerschaltung 16 möglich, das Steuermodul 14 von dem Werkzeug freistehend auszubilden. Der Vorteil, das Steuermodul 14 in der Nachbarschaft des Befestigungsendes anzuordnen, besteht darin, daß das Modul einfach wird, um die Piezoelemente zu verbinden, während dasselbe bei einer freistehenden Position leichter gegen schädliche mechanische Effekte zu schützen ist.
Durch die Verwendung von Piezoelementen als Schwingungsdämpfer erhält man ein robustes Werkzeug für die spanabhebende Bearbeitung mit einer Möglichkeit einer aktiven Dämpfung von Biegeschwingungen über einen weiten Frequenzbereich. Ferner wird ein Werkzeug vorgesehen, welches auf der einen Seite eine längere Lebensdauer für das Werkzeug selbst sowie seine Schneid- oder Bearbeitungselemente hat und auf der anderen Seite eine bessere Qualität der Oberfläche des bearbeiteten Werkstückes vorsieht. Zusätzlich wird eine verbesserte Arbeitumgebung dadurch erhalten, daß das hochfrequente Geräusch im Vergleich zu früher bekannten Werkzeugen reduziert wird.
11 zeigt schematisch, wie das Dämpfen einer unerwünschten Schwingungsbewegung in einem mechanischen Aufbau allgemein zustande kommt. Eine Kraft 20, die in Gegenrichtung zu und in Phase mit der Schwingungsbewegung 22 liegt, löscht dieselbe schnell. Hierdurch wird jedoch im Hinblick auf die Phasenfehlerfreiheit eine sehr große Genauigkeit gefordert. Wenn ein Phasenfehler auftritt, wird die entgegengerichtete Kraft teilweise in die Richtung der Bewegung gebracht, was dazu führt, daß die Schwingungsbewegung nicht in dem gewünschten Maß gelöscht wird.
12 zeigt schematisch die Dämpfung der Schwingungsbewegung des mechanischen Aufbaus gemäß der Erfindung.
Der Sensor fühlt die Schwingungsbewegung ab. Das Signal wird zu der Steuervorrichtung übertragen, welche das Signal verarbeitet und die Phase der Schwingungsbewegung durch Definieren des positiven bzw. negativen Nulldurchgangs bestimmt. Die Steuervorrichtung berechnet auch die Amplitude und die Frequenz der Schwingung.
Die Steuervorrichtung schickt dann ein Steuersignal zu dem Schwingungsdämpfer (Aktuator bzw. Stellglied) aus, der eine Kraft erzeugt, welche der Geschwindigkeit des Werkzeuges entgegengerichtet ist. Die Phase wird ein Viertel – alternativ drei Viertel – einer Wellenlänge bezüglich der Schwingungsbewegung verschoben.
In 13 ist gezeigt, wie eine abnehmende Gegenkraft bei abnehmender Schwingungsamplitude eingeführt wird, um eine neue Entstehung von Schwingungen zu vermeiden, und dadurch leichter zu steuern ist.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Dämpfungskraft einer Schwingungsdämpfungsvorrichtung mittels einer Steuervorrichtung, wobei die Schwingungsdämpfungsvorrichtung in Verbindung mit einem metallischen Werkzeug für die spanabhebende Metallbearbeitung und zur Dämpfung von Rückkopplungsschwingungen in diesem angeordnet werden soll, einschließlich – des Nachweises der Schwingungsbewegung des Werkzeuges mittels einer zu der Steuervorrichtung gehörenden Sensorvorrichtung, – Identifizierung der Phase der Schwingungsbewegung mittels der Steuervorrichtung – Ansteuern der Schwingungsdämpfungsvorrichtung mittels der Steuervorrichtung, so daß die Dämpfungsvorrichtung eine mechanische Dämpfungskraft mit im wesentlichen derselben Frequenz abgibt wie die Schwingungsbewegung des Werkzeuges dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung angeordnet ist, um eine Dämpfungskraft zu erzeugen, welche der Geschwindigkeit des Werkzeuges entgegengerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung angeordnet ist, um in Bezug auf die Schwingbewegung die Dämpfungskraft um 60°–120°, alternativ 240°–300°, außer Phase einzuführen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung angeordnet ist, um in Bezug auf die Schwingbewegung die Dämpfungskraft um 70°–110°, alternativ 250°–290°, außer Phase einzuführen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung angeordnet ist, um in Bezug auf die Schwingbewegung die Dämpfungskraft um 80°–100°, alternativ 260°–280°, außer Phase einzuführen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung angeordnet ist, um in Bezug auf die Schwingbewegung die Dämpfungskraft um 90°, alternativ 270°, außer Phase einzuführen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Steuervorrichtung angeordnet ist, um die Schwingungsdämpfungsvorrichtung so zu betätigen, daß dieselbe eine Kraft abgibt, welche der Geschwindigkeit der Schwingbewegung entgegengerichtet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung angeordnet ist, um eine Dämpfungskraft im Bereich von 50–1500 Hz abzugeben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein piezoelektrisches Element in der Schwingungsdämpfungsvorrichtung eingeschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, wobei mindestens ein hydraulischer oder pneumatischer Zylinder in der Schwingungsdämpfungsvorrichtung eingeschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, wobei mindestens eine elektromagnetische Vorrichtung in der Schwingungsdämpfungsvorrichtung eingeschlossen ist.
Schwingungsdämpfer mit einer Schwingungsdämpfungsvorrichtung, die in Verbindung mit einem metallischen Werkzeug für die spanabhebende Bearbeitung von Metallen angeordnet werden soll, einer Steuervorrichtung, welche der Schwingungsdämpfungsvorrichtung zugeordnet ist, um eine Dämpfungskraft der Schwingungsdämpfungsvorrichtung zu steuern, und einer Sensorvorrichtung, welche der Steuervorrichtung zugeordnet und angeordnet ist, um die Schwingung des Werkzeuges zu erfassen, wobei die Steuervorrichtung angeordnet ist, um die Amplitude, Frequenz und Phase der Schwingung zu identifizieren und die Schwingungsdämpfungsvorrichtung zu betätigen, so daß dieselbe eine mechanische Dämpfungsschwingung mit im Wesentlichen derselben Frequenz wie die Schwingung des Werkzeuges abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung angeordnet ist, um eine Dämpfungskraft zu erzeugen, welche der Geschwindigkeit des Werkzeuges entgegengerichtet ist.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 11, wobei die Steuervorrichtung angeordnet ist, um die Dämpfungskraft in Bezug auf die Schwingungsbewegung um 60°–120° außer Phase, alternativ um 240°–300°, einzuführen.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 11, wobei die Steuervorrichtung angeordnet ist, um die Dämpfungskraft in Bezug auf die Schwingungsbewegung um 70°–110°, alternativ 250°–290°, außer Phase einzuführen.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 11, wobei die Steuervorrichtung angeordnet ist, um die Dämpfungskraft in Bezug auf die Schwingungsbewegung um 80°–100°, alternativ 260°–280°, außer Phase einzuführen.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 11, wobei die Steuervorrichtung angeordnet ist, um die Dämpfungskraft in Bezug auf die Schwingungsbewegung um 90°, alternativ 270°, außer Phase einzuführen.
Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 11–15, wobei die Steuervorrichtung angeordnet ist, um die Schwingungsdämpfungsvorrichtungen so zu betätigen, daß dieselben eine Kraft abgeben, welche der Geschwindigkeit der Schwingungsbewegung entgegengerichtet ist.
Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 11–16, wobei die Steuervorrichtung angeordnet ist, um eine Dämpfungskraft im Bereich von 50–1500 Hz abzugeben.
Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 11–17, wobei die Schwingungsdämpfungsvorrichtung mindestens ein piezoelektrisches Element aufweist.
Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 11–17, wobei die Schwingungsdämpfungsvorrichtung mindestens einen hydraulischen oder pneumatischen Zylinder aufweist.
Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 11–17, wobei die Schwingungsdämpfungsvorrichtung mindestens eine elektromagnetische Vorrichtung aufweist.
Metallwerkzeug mit einem Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 11–20.