JP2015532220A - 工作物の機械加工方法、供給回路、供給系統、工具アクチュエータ、工具一式 - Google Patents

工作物の機械加工方法、供給回路、供給系統、工具アクチュエータ、工具一式 Download PDF

Info

Publication number
JP2015532220A
JP2015532220A JP2015537277A JP2015537277A JP2015532220A JP 2015532220 A JP2015532220 A JP 2015532220A JP 2015537277 A JP2015537277 A JP 2015537277A JP 2015537277 A JP2015537277 A JP 2015537277A JP 2015532220 A JP2015532220 A JP 2015532220A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
tool
vibration
actuator
workpiece
supply circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2015537277A
Other languages
English (en)
Inventor
ケテラー,イェンス
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sauer Ultrasonic GmbH
Original Assignee
Sauer Ultrasonic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=49474400&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=JP2015532220(A) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Sauer Ultrasonic GmbH filed Critical Sauer Ultrasonic GmbH
Publication of JP2015532220A publication Critical patent/JP2015532220A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B29/00Holders for non-rotary cutting tools; Boring bars or boring heads; Accessories for tool holders
    • B23B29/04Tool holders for a single cutting tool
    • B23B29/12Special arrangements on tool holders
    • B23B29/125Vibratory toolholders
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B35/00Methods for boring or drilling, or for working essentially requiring the use of boring or drilling machines; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/0009Energy-transferring means or control lines for movable machine parts; Control panels or boxes; Control parts
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/25Movable or adjustable work or tool supports
    • B23Q1/26Movable or adjustable work or tool supports characterised by constructional features relating to the co-operation of relatively movable members; Means for preventing relative movement of such members
    • B23Q1/34Relative movement obtained by use of deformable elements, e.g. piezoelectric, magnetostrictive, elastic or thermally-dilatable elements
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q5/00Driving or feeding mechanisms; Control arrangements therefor
    • B23Q5/02Driving main working members
    • B23Q5/027Driving main working members reciprocating members
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/032Reciprocating, oscillating or vibrating motors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B2260/00Details of constructional elements
    • B23B2260/108Piezoelectric elements
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T408/00Cutting by use of rotating axially moving tool
    • Y10T408/03Processes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T408/00Cutting by use of rotating axially moving tool
    • Y10T408/23Cutting by use of rotating axially moving tool including means to cause Tool to progressively vibrate toward work
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T409/00Gear cutting, milling, or planing
    • Y10T409/30Milling
    • Y10T409/303752Process
    • Y10T409/303808Process including infeeding
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T409/00Gear cutting, milling, or planing
    • Y10T409/30Milling
    • Y10T409/306664Milling including means to infeed rotary cutter toward work
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T82/00Turning
    • Y10T82/10Process of turning
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T82/00Turning
    • Y10T82/25Lathe
    • Y10T82/2531Carriage feed

Abstract

【解決手段】切断工具が工作物に対して案内され、振動が重畳される、工作物の機械加工方法において、その振幅は少なくとも5μmである。振動する工具の圧電アクチュエータ用の供給回路は、電圧出力において、直流成分および交流成分を有する電圧を発生させる。振動する工具の圧電アクチュエータ用の供給系統は、一次コイルに連結された二次コイルに接続される、上述の供給回路を有する。【選択図】図4

Description

本発明は、独立請求項のプリアンブル部分それぞれによる、工作物の機械加工方法、供給回路、供給系統、工具アクチュエータ、および工具一式に関する。かかる方法は、DE102010048638A1によって知られている。
DE102010048638A1に記載されている方法の場合、比較的高周波数の振動が工具に重畳される(「超音波」)。工具は、フライス、ドリル、または旋削工具であり得る。
DE102010048638A1 US2006/0229004 EP1137511B1 EP1762305A2 WO2008/118479 DE102010048636A1
しかしながら、一部の材料、および工作物機械加工プロセスの他の限界条件の場合、高い振動周波数および比較的小さい振動振幅は、工具の所望の結果に関して特に有効ではないことが示されている。
同様の技術は、US2006/0229004、EP1137511B1、EP1762305A2、WO2008/118479、DE102010048636A1に見出すことができる。
本発明の目的は、振動する工具を用いて効率的な工作物の機械加工を可能にする、工作物の機械加工方法ならびに工具またはそのアクチュエータを示すことである。さらに、その供給回路が示される。
これらの目的は独立請求項の特徴によって達成される。従属請求項は本発明の好ましい実施形態を対象としている。
工具が工作物に対する作業移動を行い、工具に対して振動が重畳される、切断工具を用いた工作物の機械加工方法において、振動は、少なくとも5μm、好ましくは少なくとも10、15、または20μmの振幅を有する。
それに加えて、またはその代わりに、振動は、振動系統の機械的共振周波数に対して少なくとも10%、好ましくは少なくとも20%または30%離調される、動作周波数を有する。動作周波数は、500Hzもしくは800Hzであり得る下限、および/または1600Hzもしくは1200Hzであり得る上限を有する範囲内にある。
工具は、ドリル、フライス、または旋削工具であり、振動は並進振動である。ドリルおよびフライスの場合、振動軸は工具軸に対して軸方向で平行であり、旋削工具の場合、回転する工作物の径方向に平行である。
引用される従来技術と比較して、言及される動作周波数は比較的低い。約1kHzの範囲内にある。逆に振幅は比較的大きい。その上限は、30μmまたは50μmまたは100μmである。上述した値を有して、重畳された振動移動は工作物に対して、また特に様々な機械加工の状況において残っている工作物表面に対して、従来技術においてこれまで一般に使用されていた振動の場合よりもはるかに強い影響を有する。特に、表面は、既知の機械加工方法の場合よりも亀裂が少なく、即ちより平滑に見える。
振動する工具のアクチュエータ用の供給回路は、電圧出力において、直流成分および交流成分を有する出力電圧を発生させる、電圧発生器を有する。
電圧発生器は、交流を受け取ることができ、入力に対して直列に接続されたコンデンサC1と、上述した直列接続に対して並列の半波整流器とを有することができる。入力電圧は、配線なしで誘導的に供給される交流電圧とすることができる。
振動する工具のアクチュエータは、機械側の第1の機械的接続と、工具またはそれに対する第2の機械的接続と、第1の接続と工具または第2の接続との間の電気振動駆動部と、供給回路と、供給回路と振動駆動部との間の電気接続とを有する。振動駆動部は、並進振動を発生させることができ、圧電駆動部を有してもよい。
アクチュエータの電気機械的変換器が圧電素子である場合、圧電素子が極性成分であって、ドライバ電圧の逆入力が多量である場合、それらの入力が圧電素子の劣化または破壊に結び付く恐れがあることを考慮しなければならない。したがって、可能であれば、印加電圧の1つの極性のみで圧電素子を動作させること、またはいずれにしても、振幅(量)ができるだけ低いまま(もしくはゼロ)であるような形で、2つの可能な極性のうち一方を制御するのが有利である。
大きい振動振幅の場合のために、交流電圧の比較的高い振幅が望ましい。この接続において、圧電素子に対する損傷またはさらにはその破壊を回避するために、交流成分が所望の振動にしたがって直流成分の周辺で発振する、ドライバ電圧を発生させる。選択された寸法(交流振幅と比較した直流成分)に応じて、圧電素子の極性の反転を低減または回避することができる。
アクチュエータは、実際の工具ヘッド(例えば、ドリル)と工作機械の駆動構成要素との間に位置させることができる。機械は、例えばHSKなどにしたがって、機械に対する機械的接続が標準化されるような形で、標準化された工具を使用するCNC機械である。工具ヘッド自体に対する第2の機械的接続/コネクタも備えることができ、あるいは工具を、解除可能もしくは解除不能な形で、アクチュエータ自体に事実上しっかりと接続することができる。
アクチュエータに対する供給系統は、上述したような回路を備えることができる。この回路のAC入力は、誘導的に、即ち結果的には、一次コイルに磁気的に連結される二次コイルによって、供給することができる。その結果、供給回路が工具自体に設けられ、工具の作業移動(例えば、ドリルの回転)にしたがって工具とともに移動する。
以下、本発明の個々の実施形態について図面を参照して記載する。
所望の振動の機械的性質について説明する図である。 供給回路の回路図である。 電気信号を示す図である。 機械内の工具を示す概略図である。 工具を示す図である。
以下の記載において、同じ参照番号は同じ構成要素を表すものとする。特徴は、それらの組み合わせが技術的に不可能または不合理でない限り、明示的に説明されていなくても、互いに組み合わせ可能と見なされるものとする。方法および方法ステップの説明は、それぞれの方法または方法ステップを実施するためのデバイスの説明としても理解されるものとし、その逆も同様である。
図1は、所望の機械的発振の性質を概略的かつ定性的に示す。図1aは、中立位置(中央位置)の周辺の振動を示す。ドリルの例では、振動はドリル軸に沿った並進である。図示されているのは、正弦状の機械的発振である。しかしながら、発振が正弦状とは別の形態をとることが望ましい場合があり、またはそれが自動的に生じる場合がある。機械的発振は、中立位置の周辺の作業振幅Aaを有する。この場合、極値は+Aaおよび−Aaによって記述される。振幅Aaは、少なくとも5μm、少なくとも10μm、または少なくとも20μmであり得る。その上限は30または50または100μmであり得る。
従来技術においてこれまで考慮されてこなかった、比較的高い振幅が存在する。しかしながら、本発明者らの調査によって、材料および他の動作パラメータ(回転速度、所望の表面品質、作業速度、コストなど)に応じて、以前は好まれていた比較的低い振幅以外の、特にそれよりも高い振幅が、有利な工作物の機械加工には好都合であり得ることが示されている。それに相応して、記載される動作周波数faは比較的低い。かかる振動する工具は、ドリルの場合、現在の工作物表面に対してますます圧縮力をもって作用するので、このことによって、工具が工作物の機械加工を丁度終了したときに、所望の表面がもたらされることになる。
旋削工具の場合、並進振動の振動軸は、工作物の回転軸に関して径方向の移動成分を有する可能性があるので、ここではやはり、旋削工具は(現在の)工作物表面に対して垂直に、並進方向で振動する。
フライスは、その回転軸に沿って、またはそれに対して直角に、かつ工作物表面に対して垂直に振動させることができる。
図1aは、周期的な機械的振動11のサイクル持続時間Pを示す。その逆数の値は、動作周波数faとも呼ばれる発振周波数に相当する。一般に、動作周波数は、5kHzまたは3kHzまたは2kHzまたは1.5kHzの上限を有する範囲内にある。それは、200Hzまたは500Hzまたは800Hzの下限を有する範囲内にある。それは1kHz±10%である。
従来技術に比べて比較的低いかかる周波数は、高い機械加工速度が望ましいとき、工作物を有利に機械加工するのに良好に適していることが判明している。また、低い動作周波数の利点は、例えば送り速度にしたがって調節可能になるように、共振周波数から十分に離れているという事実にある。周波数誤差の場合の望ましくない周波数シフトと同様に、周波数調節が変更された場合の所望の周波数シフトは、振幅に対して小さい影響しか有さない。言及した比較的低い周波数および/または比較的高い振幅は、とくに粗面化プロセスが行われるべきとき、即ち高い切断能力が望ましいときに有利に選択される。
その限りにおいて、工作物における工具の送りにしたがって振動周波数をガイドするステップは、結果として、作業方法の一部である。
図1bは周波数条件を示す。図示されているのは、発振するように励起される工具の周波数応答特性12、即ち、励起周波数fに依存する機械的発振振幅Aである。曲線12は、13において、共振に、即ち固有発振成分を有する励起に相当する最大値を有する。従来技術に共通のものとは異なり、励起された振動の振動振幅Aaができるだけ高いことが望ましい場合であっても、共振周波数f0外で工具を励起するのが好ましく、これは通常、共振周波数での励起に結び付くが、それは周波数応答特性にしたがって、振幅が比較的大きいためである。
しかしながら、この明白な方策に反して、本発明によれば、一般に、工作物が振動する工具によって機械加工されるとき、機械加工工具の励起周波数faは共振周波数外の値であるように選択することができる。寸法決めは、動作周波数faが、振動系統の機械的共振周波数に対して少なくとも10%、好ましくは少なくとも20%または少なくとも30%離調されるようなものである。特に、共振周波数f0よりも小さいものであり得る。
振動する工具の共振周波数は、f0=2kHz周辺の範囲で見出すことができる場合が多い。それに比べて、動作周波数faは、500Hzもしくは800Hzの下限を有する、かつ/または1600Hzもしくは1200Hzの上限を有する範囲内で設定することができる。図1bに、下限f1およびf2が示され、それぞれ発生した振幅A1およびA2の閾値は、これらの下限に相当する。
共振周波数f0に対して動作周波数faが離調される理由は、共振のステップアップ外で、工作物に作用する振幅は、ドライバ周波数の周波数離調からの誤差に対する感度がより低いという事実にある。共振周波数f0の近くでは、特性曲線は比較的急なので、小さい周波数誤差が比較的大きい振幅誤差に結び付き、その結果、工作物の機械加工における予見不能な条件に結び付く。
それに比べて、振幅Aの周波数応答特性はそれほど急ではないので、共振周波数f0から離れた条件は、周波数誤差に関してそれほど重要ではない。共振周波数から離れる同じ周波数誤差により、共振周波数に近いこの誤差のみよりも小さい振幅誤差が引き起こされる。
ドリルまたはフライスの回転速度は、10,000回転/分もしくは15,000回転/分である下限、および/または30,000回転/分もしくは25,000回転/分であり得る上限を有する範囲内である。
図2は、振動駆動部のエネルギー供給回路を示す。圧電素子であるか、またはそれを備えることができる。図4では、43によって表される。図2の回路図では、そのコンデンサとしての電気的効果にしたがって、それぞれ最下部に示される。
エネルギー供給は無線であるものと仮定している。振動に加えて、工具は従来の作業移動も、例えばドリルの場合は軸を中心とした回転をもたらす。すり接触によって不動部品から可動部品へのエネルギー移動をもたらすことは、既知の技術であった。しかしながら、摩耗に関してこれは不利である。
摩耗を許容することができない場合、一次コイルが1つまたは複数の二次コイルに磁気的に連結される、無線エネルギー移動が選択される。一次コイルには交流電圧が供給され、その結果、二次コイル(1つもしくは複数)内で交流電圧を誘導する交番磁界が発生する。一次コイルは不動であることが意図されるが、二次コイルは工具一式と併せて備えられ、それにしっかりと取り付けることができる。
図2aは、一次コイル22に接続される不動の交流電源21を示す。これらの構成要素は不動である。さらに、工具と共に移動する2つの二次コイル24aおよび24bが設けられる。特に、工具が回転駆動されるとそれらが回転する。二次コイルのうち一方24bは全波整流器25を供給し、その整流出力はコンデンサ26を用いて平滑化される。このように、脈動する直流電圧が出現する。他方の二次コイル24aは、コンデンサ26で整流され平滑化された出力電圧と直列に接続される、交流電圧を発生させる。このように、直流電圧が出現し、それに対して別個の交流電圧が重畳される。次に、43によって指定されコンデンサとして表される圧電アクチュエータに適用される。
しかしながら、この回路の場合、二次コイル24aおよび24bが遡及的に相互に影響し合い、それによって不定の条件が生じ得るというリスクがある。その限りにおいて、特に、エネルギー供給は誘導的に行われないが、従来のやり方でピックアップすることができる場合、図2aの回路を用いることができる。
図2bは、無線エネルギー移動のための別の回路を示す。不動の交流電源21と一次コイル22との間に、直列コンデンサ23をDCブロックとして設けることができる。それは大きな寸法を有し、1mF超または3mF超の容量を有することができる。二次側において、2つの回路部の直列接続を供給する二次コイル24cが設けられる。一方の回路部は、半波整流器として使用される従来のダイオード28である。他方の回路部は、コンデンサ27であるかまたはそれを備える。ダイオード28または第1の回路部に対して並列に、抵抗器29を設けることができる。ダイオードまたは第1の回路部において、ピエゾアクチュエータ43に対する供給電圧をピックアップすることができる。
半波整流器28は、二次コイルにおける交流電圧およびダイオードの順方向閾値未満の電圧の半波を遮断するので、通過させることが可能になっていた部分はゼロ付近で対称ではなくなる。したがって、直流成分を含む。キャパシタンスとして作用する圧電駆動部43は、一方では、交流電圧の一部を依然として通過させることが可能な交流電流インピーダンスとして作用するが、他方では、整流器28で出力電圧も平滑化するので、ほぼ正弦波状の電圧が整流器に、また圧電駆動部43自体にも印加される。
半波整流器28が、単に逆電圧極性を阻害しないだけではなく、順方向では、ダイオードの順電圧を下回る電圧量が、寸法に応じて圧電素子43自体のインピーダンスによって補償されるという事実は、このインピーダンスが、1/(jωc)にしたがって有限の交流インピーダンスとして作用するという理由による。適切な寸法決めの場合、合計電圧が出現する可能性があり、その最小値はゼロであり、ダイオード28の順方向でのその最大値は、交流電圧振幅の2倍にほぼ相当する。
図3は、ダイオード28または第2の回路部における電圧の可能な時間曲線を示す。時間曲線31は、ほぼ正弦波状である。時間曲線の対称性によって、直流成分Udcは、交流成分Uacの最大値と最小値のほぼ中間にある。実線はゼロ線を常に上回る行程を示す。破線31’はゼロ線に達する行程を示す。この行程はまた、ゼロ線の下まで下降し、次に圧電素子の極反転に結び付く場合がある。それらは、反転電圧が量に関して特定の閾値を下回っている限り、重要ではない。このことは、重畳された直流成分Udcによって確保される。
図2bの回路の利点は、単純な構造を有していること、また、直流電圧Udcおよび交流電圧Uacの両方を発生させるのに必要なのが二次側ピックアップのみであるため、図2aの回路に見られたような相互作用が生じ得ないことである。
二次コイル(1つもしくは複数)は、好ましくは、工具の回転軸に対して回転対称である。動作中の工具の回転は、コイルにあふれるフローの変化を発生させないか、またはわずかな変化しか発生させないので、回転速度は、二次誘導電圧に対して何ら影響しないか、またはわずかな影響しか有さない。より正確に言えば、二次電圧の周波数および振幅は、その結果、工具の回転速度が影響を及ぼすことなく、一次側における電気値の適切な制御によって調節可能になる。
しかしながら、所望であれば、工具の回転がコイルにあふれる磁束に影響を及ぼすような形で、二次コイルを配列することもでき、その結果、工具の回転が二次電圧に影響を及ぼす。
直流電圧成分Udcは、交流成分の振幅Uacの少なくとも半分である。好ましくは、Uacの±4%またはUacの±1%振幅に等しい。
振動する工具のアクチュエータに対する供給系統は、上述したような供給回路28、29、上述したような1つまたは複数の二次コイル、一次コイル22、および交流電圧源21を有する。上述したコンデンサ23も備えることができる。コンデンサ23は、コンデンサ27の値の少なくとも100倍の値を有することができる。後者は、次いで、その値が圧電駆動部43の等価容量の少なくとも4倍であるようにして寸法決めすることができる。また、等価容量の2倍もしくは少なくとも3倍、および/または場合によっては最大10倍もしくは最大20倍であることもできる。一次コイルは、回転する機械のスピンドル付近に設けることができる。しかしながら、一般に不動である。
図4は、工具のためのアクチュエータ40を概略的に示す。それは機械側接続部44を有し、それによって、アクチュエータを工作機械の回転するスピンドル45に連結することができる。接続は、規格に、例えばHSKに対応する場合がある。さらに、工具が取り付けられる、または工具を取り付けることができる、工具側接続部42が設けられる。図示されているのは、工具10をねじ41によって適所で締結することができる、一実施形態である。工具側接続部42自体は、同じタイプのものまたは異なるタイプのものに交換することができ、即ち、アクチュエータから解放可能であってアクチュエータに接続可能である。したがって、異なる接続部を備えた工具を使用することができる。
43は、圧電駆動部として設計することができる振動駆動部を表す。それは、機械側接続部44と工具側接続部42との間で有効である。47は、図2の回路における二次コイル24を表す。それは、アクチュエータの周面の全体に配列することができる。48は、図2の22に相当する一次コイルを表す。48aは、機械の不動部品で一次コイルを保持するための保持手段を表す。
供給回路20はアクチュエータの適切な場所で収容される。不均衡を回避するために、周面の周りに分布させて備えることができ、または釣り合い重りを用いて均衡させる。47は、ねじ41によって適所で締結することができる工具10を伴ったアクチュエータの回転軸である。スピンドル45も軸47を中心にして回転する。49は工作物を表す。46は工作物テーブルを表す。二次コイル24は供給回路20に電気的に接続され、それが次いで、駆動部43に電気的に接続される。
アクチュエータの機械系統および電気系統は、アクチュエータが機械加工方法に関して上述した量を発生させるような形で設計される。特に、圧電駆動部43および電気系統は、所望のサイズの振動振幅が生じるような形で設計される。振動周波数は、上述したように、好ましくは一次側の励起周波数を調節することによって調節される。
工具一式は、上述したようなアクチュエータ40および工具10を備える。工具10は、アクチュエータ40に適切に取り付けられる。図4には、ねじ41を用いた接続が示されている。工具は、工作物の振動機械加工専用の工具、例えば図示されるような、工具側の研削アタッチメントを備えた中空の円筒状構造体とすることができ、または事実上従来の工具とすることができる。アクチュエータ40における工具10の固着は、特殊化または標準化することができる。工具は、好ましくはドリルもしくはフライス、または旋削工具である。
上記に、軸に沿った並進振動について記載してきた。上述したのと同じ考察が、ドリルまたはフライスの、それらの回転軸を中心にした回転振動にも有効である。回転振動については、上述したような周波数の示唆がやはり有効である。振幅データは、工具のそれぞれの最大切断半径におけるデータである。回転振動については、アクチュエータ40および特に振動駆動部を、図4に示されるものとは異なるように構築することができる。しかしながら、圧電アクチュエータも設けられることがある。供給回路は同じであり得る。
図5は、工作物機械加工のための工具51を示す。機械加工は、比較的延性の材料、特に金属材料、例えばアルミニウムおよびその合金の工作物における、場合によっては以前に別の方法で機械加工された表面を、圧密成形する(突き固める、「パッティング・ダウン」)ことである。工具は、記載したような構造を有してもよい、振動アクチュエータ40に接続されるか、またはそれに接続することができる。振動は、工作物表面に垂直な移動成分を有する。それは、上述した限界条件(振動周波数、振幅)にしたがって、工作物表面に垂直な並進振動であり得る。
工具51は、刃またはブレードを何ら有さない、工作物に面する表面52を有する。それは、比較的平滑である。それは、工作物に向かう方向で軸53を中心にして回転対称である。特定の範囲では、半径Rを有する球体の表面のセクターとして設計することができ、後方(図4では上方、機械に向かう方向)で、アクチュエータ40に向かって適切な取付け範囲へと移行することができ、またはアクチュエータに一貫して取り付けることができる。球体の半径は、0.5mmもしくは1mmもしくは2mmの下限、および/または20mmもしくは10mmもしくは5mmの上限を有する範囲内にある。表面52はまた、特定の範囲(図示なし)では平面であることができ、端において適切な面取りを有することができる。
機械加工プロセスの間、工具は振動し、それと係合されている工作物の表面全体にわたって、機械構成要素を用いて案内される。軸53を中心にして回転することなく動作させることができる。その結果、振動および案内移動が唯一の移動である。
一般に、機械は、記載された量を調節し、工程を実施する制御系統を有する。それはプログラムに応じて動作することができ、また場合によっては、センサ信号にしたがって、閉ループ制御方式または開ループ制御方式で動作することもできる。

Claims (16)

  1. 切断工具を用いて工作物を機械加工する方法であって、前記工具は前記工作物に対して作業移動を行い、前記工具に対して振動が重畳される、工作物の機械加工方法において、
    前記振動が、少なくとも5μm、好ましくは少なくとも10、15、または20μmの振幅を有することを特徴とする工作物の機械加工方法。
  2. 切断工具を用いて工作物を機械加工する方法であって、前記工具は前記工作物に対して作業移動を行い、前記工具に対して振動が重畳される、好ましくは請求項1に記載の工作物の機械加工方法において、
    前記振動が、500Hzもしくは800Hzであり得る下限、および/または1600Hzもしくは1200Hzであり得る上限を有する範囲内の動作周波数を有し、前記動作周波数が、振動系統の機械的共振周波数に対して少なくとも10%、好ましくは少なくとも20%または30%離調されることを特徴とする工作物の機械加工方法。
  3. 請求項1または2に記載の工作物の機械加工方法において、前記工具が、ドリル、フライス、または旋削工具であり、前記振動が並進振動であり、前記ドリルおよび前記フライスの場合、振動軸が工具軸に対して軸方向で平行であり、前記振動が並進振動および/または回転振動であり、前記旋削工具の場合、振動軸が回転する工作物の径方向に平行であることを特徴とする工作物の機械加工方法。
  4. 交流入力(21)と、
    前記交流入力とコンデンサ(C1)との接続部にある第1の回路部と、
    前記交流入力および前記第1の回路部の直列接続に対して並列である半波整流器(D1)を有する第2の回路部と、
    電圧出力としての前記第2の回路部に沿った電圧のための電圧ピックアップ(22)とを備えることを特徴とする振動する工具のアクチュエータ用の供給回路(28)。
  5. 請求項4に記載の供給回路において、前記半波整流器に対して並列である抵抗器(R1)を備えることを特徴とする供給回路。
  6. 交流入力(21)と、
    前記交流入力に接続されると共に電圧出力(22)を有し、前記電圧出力において電圧を発生させるため、直流成分(Udc)および交流成分(Uac)を有するように設計された電圧発生器とを備えることを特徴とする振動する工具のアクチュエータ用の供給回路(20)。
  7. 請求項4から6の何れか一項に記載の供給回路において、前記交流入力に接続される二次コイル(L2、47)を備えることを特徴とする供給回路。
  8. 請求項4から7のいずれか一項以上に記載の供給回路において、前記電圧出力における電圧が、
    直流電圧成分(Udc)、
    および/または、
    振幅が好ましくは前記直流成分(Udc)の最大二倍またはそれと同等±8%もしくは±2%である交流成分(Uac)を有することを特徴とする供給回路。
  9. 請求項7に記載の供給回路(28、29)と、
    前記二次コイルに磁気的に連結された一次コイル(L1)と、
    前記一次コイルに対して並列の交流電流源(U)および第3のコンデンサ(C3)から成る直列接続部とを備えることを特徴とする振動する工具のアクチュエータ用の供給系統。
  10. 請求項9に記載の供給系統において、C3>100*C1およびC1>4*C2が保たれ、C2が振動駆動部の有効容量であり、ならびに/または、1/2<L1/L2<2であって、好ましくはL1=L2±10%が保たれ得るようにしたことを特徴とする供給系統。
  11. 機械側部の第1の機械的接続(44)と、
    工具(10)または後者のための第2の機械的接続(42)と、
    前記第1の接続と前記工具または前記第2の接続との間の電気振動駆動部(43)と、
    請求項4から8のいずれか一項以上に記載の供給回路(28、29)と、
    前記供給回路と前記振動駆動部との間の電気接続(49)とを備えることを特徴とする振動する工具のアクチュエータ(48)。
  12. 請求項11に記載のアクチュエータにおいて、
    請求項7に記載の供給回路と、
    前記二次コイル(L2)が周りに配置される回転軸とを備え、
    前記第1の接続が規格化された接続、特にHSK接続であり得ることを特徴とするアクチュエータ。
  13. 請求項11または12に記載のアクチュエータにおいて、前記振動駆動部が並進振動を発生させ、圧電駆動部を備えることができることを特徴とするアクチュエータ。
  14. 請求項11から13のいずれか一項以上に記載のアクチュエータにおいて、少なくとも10μm、好ましくは少なくとも15μmまたは20μmの機械的振動振幅(A)を発生させるように設計することができ、供給電圧の電気的周波数(fa)が、アクチュエータおよび工具から成るシステムの機械的共振周波数に対して、共振周波数(f0)の少なくとも20%、好ましくは少なくとも30%離調されることを特徴とするアクチュエータ。
  15. 請求項11から14のいずれか一項以上に記載のアクチュエータ(40)と、
    特にドリル(10)またはフライスまたは旋削工具である、前記アクチュエータに接続される工具(10、51)とを備えることを特徴とする工具一式。
  16. 好ましくは請求項11から14のいずれか一項以上に記載のアクチュエータ(48)、または前記アクチュエータの取付けエリアと、
    動作中は前記工作物に面し、ブレードを有さず、丸み付けられるかまたは面取りされた縁部を有する表面(52)とを備えることを特徴とする工具。
JP2015537277A 2012-10-22 2013-10-18 工作物の機械加工方法、供給回路、供給系統、工具アクチュエータ、工具一式 Pending JP2015532220A (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012219254.9 2012-10-22
DE201210219254 DE102012219254B4 (de) 2012-10-22 2012-10-22 Versorgungsschaltung, Versorgungssystem, Werkzeugaktor, Werkzeug
PCT/EP2013/071861 WO2014064009A1 (de) 2012-10-22 2013-10-18 Verfahren zur werkstückbearbeitung, versorgungsschaltung, versorgungssystem, werkzeugaktor, werkzeugaufbau

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2015532220A true JP2015532220A (ja) 2015-11-09

Family

ID=49474400

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015537277A Pending JP2015532220A (ja) 2012-10-22 2013-10-18 工作物の機械加工方法、供給回路、供給系統、工具アクチュエータ、工具一式

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9908209B2 (ja)
JP (1) JP2015532220A (ja)
CN (1) CN104755202A (ja)
DE (1) DE102012219254B4 (ja)
WO (1) WO2014064009A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7126013B1 (ja) * 2021-04-26 2022-08-25 Dmg森精機株式会社 工作機械用装置および工作機械

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013210199A1 (de) 2013-05-31 2014-12-04 Sauer Ultrasonic Gmbh Werkzeug
EP3225355B1 (en) * 2014-11-26 2019-09-11 Mitsubishi Electric Corporation Numerical control apparatus
DE102015218030A1 (de) 2015-09-18 2017-03-23 Sauer Gmbh Kopplungssystem zur Verwendung an einer Spindelvorrichtung einer Werkzeugmaschine
EP3272429B1 (en) 2016-05-24 2024-04-10 Dr. Hielscher GmbH Device for generating an oscillatory motion
DE102016211740B4 (de) * 2016-06-29 2018-01-11 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Ultraschallbohren
DE102016214498A1 (de) * 2016-08-05 2018-02-08 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Werkzeughalteeinrichtung und Verfahren zum Bohren
US10864580B2 (en) 2018-01-23 2020-12-15 Quantum Impact, LLC Method and apparatus for machining a workpiece
GB201812133D0 (en) * 2018-07-25 2018-09-05 Black & Decker Inc Power toll and accessory system
DE102019209191A1 (de) * 2019-06-25 2020-12-31 Sauer Gmbh Verfahren und vorrichtung zum steuern einer ultraschall-werkzeugeinheit für die spanende bearbeitung an einer werkzeugmaschine

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6299062A (ja) * 1985-10-25 1987-05-08 Pilot Pen Co Ltd:The 振動加工方法
JP2000246524A (ja) * 1999-02-24 2000-09-12 Akimichi Koide 微細形状加工装置
JP2010194614A (ja) * 2007-07-13 2010-09-09 Kazumasa Onishi 焼嵌め式超音波工具ホルダ

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3608648A (en) 1970-05-25 1971-09-28 Branson Instr Sonically actuated shaft with coolant jacket
DE3069915D1 (en) * 1979-12-13 1985-02-14 Japan Res Dev Corp Production of short metal fibers
JP3116418B2 (ja) * 1991-05-21 2000-12-11 株式会社安川電機 無接触給電装置
DE19640280C2 (de) 1996-09-30 1999-04-22 Samson Ag Werkzeugkopf für das spanende Feinbearbeiten einer Fläche eines Werkstückes während einer Drehbewegung des Werkzeugkopfes oder des Werkstückes
US6161990A (en) 1998-11-12 2000-12-19 Kennametal Inc. Cutting insert with improved flank surface roughness and method of making the same
JP3754881B2 (ja) * 1999-09-27 2006-03-15 キヤノン株式会社 切削加工方法及び切削加工装置及び工具保持装置
JP3671805B2 (ja) * 2000-03-13 2005-07-13 スズキ株式会社 振動計測装置及び方法
JP3689622B2 (ja) 2000-09-04 2005-08-31 キヤノン株式会社 切削加工方法
JP3479688B2 (ja) 2001-03-02 2003-12-15 独立行政法人産業技術総合研究所 難削材切削工具
JP2002301601A (ja) 2001-04-05 2002-10-15 Canon Inc 加工装置および加工方法
WO2006109366A1 (en) 2005-04-11 2006-10-19 Kazumasa Ohnishi Cutting or grinding machine
US7508116B2 (en) 2005-09-07 2009-03-24 Panasonic Corporation Method and apparatus for vibration machining with two independent axes
US7788998B2 (en) * 2006-03-13 2010-09-07 Panasonic Corporation Precision machining system and methods
US7687975B2 (en) 2007-03-27 2010-03-30 Panasonic Corporation Vibration assisted machining system with stacked actuators
DE102010048638B4 (de) 2010-07-16 2017-10-05 Sauer Ultrasonic Gmbh Werkzeugmaschine, Werkstückbearbeitungsverfahren
CN101966596B (zh) * 2010-08-13 2012-06-20 北京航空航天大学 一种大长径比变截面细长轴超声椭圆振动车削加工方法
DE102010048636B4 (de) 2010-10-15 2017-11-16 Sauer Ultrasonic Gmbh Werkzeugmaschine und Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Werkzeug
CN102189272B (zh) * 2011-04-21 2012-10-24 宁波大学 高频响非圆切削装置及其控制方法
CN102717115B (zh) * 2012-06-14 2014-05-14 北京航空航天大学 一种弱刚度零件高速断续超声振动切削加工方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6299062A (ja) * 1985-10-25 1987-05-08 Pilot Pen Co Ltd:The 振動加工方法
JP2000246524A (ja) * 1999-02-24 2000-09-12 Akimichi Koide 微細形状加工装置
JP2010194614A (ja) * 2007-07-13 2010-09-09 Kazumasa Onishi 焼嵌め式超音波工具ホルダ

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7126013B1 (ja) * 2021-04-26 2022-08-25 Dmg森精機株式会社 工作機械用装置および工作機械
JP2022168357A (ja) * 2021-04-26 2022-11-08 Dmg森精機株式会社 工作機械用装置および工作機械

Also Published As

Publication number Publication date
US20150273638A1 (en) 2015-10-01
WO2014064009A1 (de) 2014-05-01
DE102012219254A1 (de) 2014-04-24
CN104755202A (zh) 2015-07-01
US9908209B2 (en) 2018-03-06
DE102012219254B4 (de) 2015-01-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2015532220A (ja) 工作物の機械加工方法、供給回路、供給系統、工具アクチュエータ、工具一式
RU2661136C2 (ru) Инструмент, станок и способ механической обработки заготовки
JP5308599B1 (ja) 加工装置
RU2702640C2 (ru) Устройство для генерирования ультразвукового колебания в инструменте и для измерения параметров колебания
US9707655B2 (en) Machine tool, workpiece machining method and use in a machine tool or in a workpiece machining method
JP4842936B2 (ja) 振動ヘッドを有するツール
US20120045976A1 (en) Handheld electric machine tool
CN103052457A (zh) 机床及工件加工方法
JP2007245325A (ja) 超音波研磨装置及びこれに用いる砥石
JP2017104936A (ja) 振動スピンドル
JP2010194614A (ja) 焼嵌め式超音波工具ホルダ
JP2019155346A (ja) 超音波発振回路
JP2018192467A (ja) ランジュバン型超音波振動子とその支持方法とその超音波応用加工法
JP2007313630A (ja) 制振テーブル
JP6821187B2 (ja) ランジュバン型超音波振動子の支持構造体
JP7311098B2 (ja) 振動切削装置、振動装置および切削方法
JP2006198758A (ja) 超音波振動テーブル
KR20220035139A (ko) 공작 기계 상의 가공 공정을 위한 초음파 공구 유닛 제어 방법 및 디바이스
JP2020518427A (ja) 2つのソノトロードを備える超音波工具及びその動作方法
JP2002192453A (ja) 磁気援用加工方法およびその装置
Li et al. Optimization of a universal matchbox on an ultrasonic vibrating system
JP2009045725A (ja) 焼嵌め式超音波工具ホルダ
JP2017196723A (ja) 振動加工装置及び振動加工方法
JP2018126815A (ja) スピンドル及びホーニング盤
JP2005177894A (ja) 磁気研磨方法および磁気研磨装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20150717

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160524

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160526

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20160818

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20161024

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161111

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20170509

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170911

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20170911

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20171013

A912 Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912

Effective date: 20171222

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20190121