SE535054C2 - Fräsverktyg för skärande bearbetning med dämpningsorgan anordnande i verktygskroppen - Google Patents

Abstract

Ett fräsverktyg (1) för roterande skärande bearbetning, innefattar enverktygskropp (10) med en rotationsaXel, ett flertal skärlägen (20) avpassadeför att emotta ett respektive skär (21) anordnade i en ena ände avverktygskroppen. Vidare innefattar verktyget (1) ett flertal inutiverktygskroppen anordnade dämpningsorgan (30), vilka hämmardriftinducerade vibrationer i verktyget, vari nämnda dämpningsorgan äranordnade parallellt med och radiellt förskjutna frän nämnda rotationsaxel och i anslutning till nämnda ena ände. (Fig. 1)

Description

25 30 535 054 2 material som motverkar operationsinducerade vibrationer i verktyget. Ett problem med denna prior art är att dämpningen blir begränsad till en specifik frekvens eller intervall av frekvenser och att därnpldoppen stäms mot en specifik egenfrekvens hos verktygssystemet. Vidare l begränsas däinpkroppens storlek och utsträckning, på grund av den centrala placeringen, av hänsynstaganden till verktygets stabilitet och hållfasthet.

Detta på grund av att den centralt placerade dämparen innebär att en relativt stor del av den lastbärande massan i verktyget avlägsnas.

Det eftersöks därför ett dämpat verktyg som löser ovan nämnda problem.

SAMMANFATTNING Enligt en aspekt avser föreliggande uppfinning ett dämpat roterande verktyg för skärande bearbetning.

Enligt en ytterligare aspekt avser föreliggande uppfinning ett fräsverktyg med förbättrad dämpning.

En generell utfóringsforrn av föreliggande uppfinning innefattar ett fifäsverktyg 1 för roterande skärande bearbetning, vilket innefattar en verktygskropp 10 med en rotationsaxel, ett flertal skärlägen 20 avpassade för att emotta ett respektive skär anordnade i en ena ände av verktygskroppen. Vidare innefattar verktyget 1 ett flertal inuti verktygskroppen anordnade dämpningsorgan 30, vilka hämmar driftinducerade vibrationer i verktyget, vari nämnda dämpningsorgan 30 ar anordnade radiellt förskjutna från rotationsaxeln och i anslutning till nämnda ena ände.

Fördelar med uppfinningen innefattar: - förbättrad dämpning av verktyget vid roterande skärande bearbetning, - integrering av dämpare i flera olika verktygsgeometrier, - anpassningsbar dämpning. 10 15 20 25 30 535 054 KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA FIG. l visar två vyer av en utföringsforrn av ett dämpat verktyg enligt föreliggande uppfinning; FIG. 2 visar en perspektivvy av en utiöringsforrn av föreliggande uppfinning; FIG. 3 visar en sprängskiss av utföringsformen i Fig. 2; FIG. 4 visar en snittvy av utföringsformen i Fig.2; FIG. 5 visar en sprängskiss av ytterligare utföringsform av ett dämpat verktyg enligt föreliggande uppfinning; FIG. 6 visar en perspektiwy av en ytterligare utföringsform av ett verktyg enligt föreliggande uppfinning; FIG. 7 visare en sprängskiss av utföringsformen i FIG. 6; FIG. 8 visar en jämförelse mellan föreliggande uppfinning och känd teknik.

Fig. 9 visar ytterligare en jämförelse mellan föreliggande uppfinning och känd teknik.

DETALJERAD BESKRIVNING Genomgående i ritningarna kommer samma hänvisningsbeteckningar att användas för motsvarande eller liknande element.

Generellt innefattar föreliggande uppfmning ett roterande verktyg för skärande bearbetning av exempelvis metaller och metall-legeringar.

Verktyget är försett med ett flertal integrerade dämpningsorgan anordnade i en radiell uppsättning för att minska vibrationer i både torsionsled och radiell led i verktyget. Med roterande bearbetning avses situationer där det skärande verktyget ges en roterande huvudrörelse relativt sin egen rotationsaxel samtidigt som arbetsstycket eller verktyget utför en râtlinjig eller roterande matningsrörelse. Verktyg som omfattas av föreliggande uppfinning innefattar ett eller flera av fräsar t.ex. valsfräsar, hörnfräsar, ändfräsar, pinnfräsar, och spiralfräsar och liknande. 10 15 20 25 30 535 054 Enligt en utföringsforrn. med hänvisning till FIG. 1, innefattar uppfinningen ett fräsverktyg 1 för roterande skärande bearbetning. Verktyget 1 består av en verktygskropp 10 som har en utsträckning längs med sin rotationsaxel (indikerad av den streck-prickade linjen i den övre delen av figuren).

Verktyget l kan också innefatta diverse förlângningsdetaljer (ej visade) anordnade seriellt längs med rotationsaxeln fór att medge djupare instick i ett arbetsstycke. Vidare innefattar verktyget 1 ett flertal skärlägen 20 avpassade för att emotta ett respektive skär anordnade i en ena ände av verktygskroppen 10. I FIG. 1 visas fyra skärlägen 20 med skär, men det är även möjligt att ha färre eller fler skärlägen 20 anordnade i verktygskroppen 10. Typiskt innefattar ett verktyg enligt uppfinningen tre eller flera skärlägen. Slutligen innefattar verktyget 1 ett flertal inuti verktygskroppen 10 anordnade dämpningsorgan 30 som hämmar driftinducerade vibrationer i verktyget. Dessa dämpningsorgan 30 är anordnade radiellt förskjutna från verktygets l rotationsaxel och i anslutning till tidigare nämnda ena ände.

Dämpningsorganen 30 anordnas lämpligen, men inte nödvändigtvis, parallellt med verktygets 1 rotationsaxel. Vid avvikelse från en parallell placering skall en vinkel mellan dämpningsorganen och verktygets rotationsaxel inte överstiga 10 grader. I FIG. l visas fyra sådana dämpningsorgan 30, dock är det lika möjligt att anordna fler eller färre dämpningsorgan 30.

En av fördelarna med att använda ett flertal radiellt förskjutna dämpningselement jämfört med ett centralt placerat dämpningselement är att det blir möjligt att kompensera vibrationer över ett större frekvensområde. Även andra fördelar finns. Denna fördel och några övriga kommer att diskuteras närmare i samband med ett specifikt exempel nedan.

För att användningen av dämpare inte skall äventyra verktygskroppens strukturella stabilitet, begränsas volymen [och massan) hos de individuella dämpningsorganen av verktygets totala volym [och massa). Detta medför att användandet av en centralt placerad dämpare sätter en snävare begränsning 10 15 20 25 30 535 054 på hur stor dämpningsmassa som kan appliceras i verktyget än om flera radiellt förskjutna dämpare används. Som ett exempel kan nämnas att för en hömfräs (diameter 60mm) med en ungefärlig massa av 1.5 kg är det möjligt att inkludera 6 radiellt förskjutna dämpningsorgan med en sammanlagd massa av 222 gram, medan en centralt placerad dämpare endast medger 190 grams dämpande massa. (Exemplet innefattar samma typ av dämpningsorgan i båda fräsverktygen). Därmed är det möjligt att genom att använda en pluralitet av dämpelement få en total svängande dämpande massa som överstiger en centralt belägen dämpande massa.

För vissa typer av verktygslösningar är det på grund av konstruktionen omöjligt att integrera ett centralt placerat dämpelement. Ett sådant fall illustreras av fräsverktyget i US 6595727 som har en centralt anordnad låsskruv som är ihålig för att tillgodose tillförsel av kyl- och Smörjmedel till skären. Ett annat likartat fall är fräsverktyg för så kaHad rampning, se US 6,945,740. Inget av dessa verktyg kan dämpas enligt principen med ett centralt placerat dämpelement, men med föreliggande uppfirming kan verktygen enkelt dämpas och därmed erhålla bättre skärprestanda.

En ytterligare fördel med föreliggande uppfinning är att vibrationer genererade av torsionssvängningar kan dämpas effektivare då dämpelement anordnas radiellt förskjutna från centrumaxeln. Utöver detta erhålls ett vidare spektrum av frekvenser där dämpsystemet kan verka och på så vis motverka uppkomst av vibrationer altemativt motarbeta/ reducera uppkomna vibrationstendenser. Vidare är det möjligt att såväl använda ett flertal identiska dämpningselement i verktyget, som att använda diversifierade dämpningselement inom samma verktyg. Diversifieringen kan åstadkommas genom att tilldela dämpningselementen olika massor, dämpningsverkan eller strukturell uppbyggnad. Det är även möjligt med en kombination av ovan nämnda typer av diversifiering.

Enligt en specifik utföringsfonn av uppfinningen är dämpningselementen 30 anordnade i urtag i verktygskroppens ena ände, se FIG. 2 och FIG. 3. Vart 10 15 20 25 30 535 054 6 och ett av dessa urtag är orienterade med sin längdaxel parallellt med verktygets rotationsaxel och utsträcker sig från verktygets skärande ände.

Urtagen (och därmed dämpningselementen) kan vara anordnade symmetrisk eller asymrnetriskt med avseende på rotationsaxeln.

Enligt en föredragen utföringsforrn överensstämmer antalet dämpningsorgan med antalet skärlägen i verktygskroppen och antar samma symmetri relativt rotationsaxeln som skärlägena. Med andra ord, vart och ett av flertalet dämpningsorgan är anordnade i överensstämmelse med och i närheten av ett respektive skärläge. Detta medger att dämpningen sker i nära anslutning till den punkt där vibrationen induceras i verktyget, d.v.s. där skäret gör ingrepp i arbetsstycket. I detta fall kommer därmed typiskt både antalet skärlägen och antalet dämpningsorgan att uppgå till tre eller flera.

I den visade utföringsformen i FIG. 3 visas det dämpade verktyget I i isärmonterat skick, där dämpningselementen är avlágsnade från respektive urtag. I figuren visas även täckbrickor som används för att förhindra att dämpningselementen eller insatserna av misstag faller ur verktyget. I denna utföringsform utgörs samtliga dämpningselement av likartade element, men kan också bestå av element vilka är avstämda för olika dämpningsfrekvenser eller frekvensintervall, med andra ord så kan de olika dämpningselementen ha olika dämpningsverkan I FIG. 4 visas utföringsformen från FIG. 2 i genomskärning för att visa dämpningselementens orientering inuti verktyget l. I den visade utföringsformen fästs täekbrickoma medelst gängingrepp i verktygskroppen 10, men det inses att även andra typer av infästningar kan användas.

Som tidigare nämnts, är inte samtliga dämpningselement 30 i verktyget 1 nödvändigtvis likadana. Detta åskådliggör i sprängskissen i FIG. 5, där två varianter av dämpningselement 30 visas. Den ena varianten utgörs av en huvudsakligen cylindrisk insats med ett spiralforrnat spår på dämpningsorganets utsida för att medge cirkulation av kylmedia i verktyget 10 15 20 25 30 535 054 7 1. Den andra varianten utgörs av ett flertal på varandra staplade sfäriska dämpningselement, åtskilda av distansorgan. Dessa två varianter utgör endast exempel, även likartade lösningar kan tillämpas Enligt en ytterligare fördragen utföringsform, med hänvisning till FIG. 6 och FIG. 7, innefattar verktyget 1 ett lock ll vilket vid montering tillsammans med verktygskroppen 10 täcker över dämpningsorganens och dess urtag i verktygets skärande ände. Detta lock innefattar en yttersta uppsättning av skärlägen 20 för emottagande av skär och är avpassat att samverka med verktygskroppen 10 för att bilda verktyget 1. Locket 11 kan fästas med skruv eller andra likvärda ingreppsorgan i verktygskroppen 10. FIG. 6 visar ett verktyg I med locket 1 l monterat och FIG. 7 visar ett verktyg 1 med lock ll i omonterat tillstånd.

En specifik fördel med denna utföringsform med ett lock som tillhandahåller den första skärraden i verktyget, är att dämpelement kan placeras långt fram i verktygskroppen utan att för den del mynna ut i änden av verktyget.

Detta är särskilt fördelaktigt i samband med fräsverktyg för rampning.

Som visas i FIG. 6 och FIG. 7, kan verktyget 1 innefatta skärlägen 20 anordnade på verktygets 1 mantelyta. Skär monterade i dessa skärlägen kommer att samverka med i änden anordnade skär för att medge en längre skärande egg t.ex. en valsfräs.

Enligt vad som tidigare nämnts är det fördelaktigt att antalet därnpningselement överrensstännner med antalet skärlägen anordnade i verktygets ena ände. Detta är dock inte nödvändigt, även utiöringsformer där antalet dämpningselement skiljer sig från antalet skärlägen är möjliga.

Merparten av de visade utföringsfonnerna rör fräsverktyg, i synnerhet valsfräsar.

Med fördel är nämnda dämpningsorgan (och motsvarande urtag) rotationssymmetriska. Detta är dock en rent tillverkningsteknisk 10 15 20 25 30 535 054 8 anpassning, samma princip kan tillämpas på dämpningsorgan och urtag med en annan geometri. Vidare så har huvudsakligen cylindriska urtag visats, men det är också en rent tillverkningsteknisk anpassning. Vid utformningen av dämpningsorgan i verktyg, i synnerhet långa verktyg är det fördelaktigt att koncentrera den dämpande verkan i nära anslutning till var vibrationema är som störst. Detta innebär i de allra flesta fall, och i synnerhet för långa verktyg, i den skärande änden av verktyget och med fördel i nära anslutning till de skärande eggarna d.v.s. på ett så stort avstånd från rotationsaxeln som möjligt. Det skulle därför även vara fördelaktigt med koniska dämpningsorgan och urtag, där konens bottenyta är placerad i nära anslutning till den skärande änden av verktyget.

Ett ytterligare hänsynstagande är förekomsten av kylkanaler i verktyget. I enlighet med föreliggande uppfinning är dämpningsorganen och deras urtag anpassade för att samverka med åtminstone en del av de kylkanaler som finns i verktyget. Detta innebär att dämpningsorganen själva är anpassade för att medge viss cirkulation av kylvätska, samt att urtagen är anpassade att kommunicera med verktygets kylkanaler.

Dämpningselementen i föreliggande uppfinning avser särskilt sådana som tidigare visats i WO 2008/002145 men även andra typer av dämpelement är möjliga. Exempel kan vara dämpelement i form av viskoelastiska kroppar av olika utformning t.ex. sfärer, cylindriska solider, cirkel eller ringformiga plattor, eller kombinationer därav. Även olika typer av dämpelement med mekanisk och /eller fluidmekaniskt verkningssätt kan användas.

Som tidigare nämnts är ett problem med att använda en enda centralt placerad dämpare att dämpningstörmågan hos verktyget blir väldigt läst till en specifik frekvens och medför att dämpkroppen måste stämmas eller ”tunas” till en specifik dämpningsfrekvens hos verktygssystemet. Att "tuna" en dämpare för ett verktyg monterat i en specifik maskin går ofta bra men problemen uppstår när man byter maskin och egenfrekvensema hos maskinsystemet förändras. Fördelen med att använda flera dämpare, enligt 10 15 20 25 30 535 054 9 föreliggande uppfinning, som är stärnda vid olika frekvenser är att systemet kan dämpas över ett bredare frekvensspektra. Detta åskådliggörs tydligt i nedan följande simuleringsresultat, med hänvisning till FIG.8.

FIG. 8 visar resultaten från tre olika simuleringar där 200 olika överföringsfunktioner har slumpats ut med en dominant resonansfrekvens mellan 3000-3300 Hz. För enkelhetens skull visas endast en av dessa överföringsfunktioner i figurema. Den översta bilden visar resultatet för ett känt odämpat verktyg. Den mittersta bilden visar resultatet från samma slumpmässiga överföringsfunktioner men med en känd dämpare som anpassats eller ”tunats” till ett medelvärde av frekvensspannet dvs. 3150 Hz men med en slumpmässig spridning på 15%. Den understa bilden visar resultatet, enligt en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning, från samma slumpmässiga överföringsfiinktioner men med fem dämpare anpassade eller ”tunade” till frekvenser mellan 2300-4000 Hz med en individuell spridning på 15%. Vidare har den sammanlagda massan hos de fem dämpama varit densamma som den enda dämparen. Bilden visar tydligt en klar sänkning av överföringsfiinktionernas (”receptance”) toppamplituder hos multipeldämparen enligt uppfinningen jämfört med kända enkeldämparen eller det kända odärnpade systemet.

För att visa effekten av dämpade system så har en slumpmässig överföringsfunlction valts ut och använts för att beräkna stabilitetsgränsema för ett representativt verktyg, se FIG. 9. Genom att välja en kombination av axiellt skärdjup och spindelvarvtal som ligger under kurvan i figuren så undviks stabilitetsproblem. Om man istället väljer en kombination som ligger ovanför kurvan så kommer vibrationsnivåerna att eskalera okontrollerat.

Resultatet visar tydligt att multipeldämparen (MD) medför att det kritiska skärdjupet kan ökas flerfaldigt både jämfört med det odåmpade (OD) och enkeldämpade (ED) systemet. Därmed medför föreliggande uppfirming att det är möjligt att avverka mer material per tidsenhet i arbetsstycket, vilket medför en effektivare process. 10 15 535 054 10 Som ovan beskrivits så. är det med föreliggande uppfinning möjligt att kombinera flera olika dämpelement i ett och samma fräsverktyg för att åstadkomma en diversifiering i dâmpningsverkan hos verktyget. Det är dock även möjligt att anordna flera likadana, men individuellt anpassningsbara dämpelement i ett fråsverktyg. Med anpassningsbart avses dämpelement som inte är låsta till ett specifikt dämpningsorriråde, utan kan anpassas eller ”tunas” under drift eller åtminstone vid montering i frâsverktyget.

Föreliggande uppfinning är särskilt lämplig, men ej begränsad till, verktyg för bearbetning av titan och titanlegeringar eller materialgrupper som ställer liknande krav på berabetningsprocessen.

Det inses av fackmannen att olika modifieringar och ändringar kan göras av den föreliggande uppfinningen utan att avvika från dess omfattning, som definieras av de bifogade patentkraven.

Claims (19)

10 15 20 25 30 535 054 ll PATENTKRAV

1. Fräsverktyg (1) för roterande skärande bearbetning, nämnda fråsverktyg innefattande en verktygskropp (10) med en rotationsaxel, samt ett flertal skärlägen (20) avpassade för att emotta ett respektive skär (21) anordnade i en ena ände av verktygskroppen (10), kännetecknat av -ett flertal inuti verktygskroppen (10) anordnade dämpningsorgan (30), vilka hämmar driftinducerade vibrationer i verktyget (1), vari nämnda dämpningsorgan (30) ar anordnade radiellt förskjutna från nänmda rotationsaxel, ijärmade från skärlägena (20), och i anslutning till nämnda ena ände.

2. Verktyget enligt krav 1, kännetecknat av att nämnda verktygskropp innefattar ett flertal urtag i vilka vart och ett av respektive nämnda därnpningsorgan (30) år anordnade.

3. Verktyg enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att nämnda flertal skärlägen är anordnade i ett gemensamt plan i en ena ände av verktyget (1) och i anslutning till verktygets mantelyta fór avverkning av material i anslutning till denna.

4. Verktyget enligt krav 2, kännetecknat av att nämnda flertal dämpningsorgan (30) är anordnade symmetriskt med avseende på verktygets rotationsaxel.

5. Verktyget enligt krav 2, kännetecknat av att nämnda flertal dämpningsorgan (30) är assymetriskt anordnade med avseende på verktygets rotationsaxel.

6. Verktyget enligt något av krav 1-5, kännctecknat av att antalet dämpningsorgan (30) överrensstämmer med antalet av nämnda flertal skärlägen (20). 10 15 20 25 30 535 054 12

7. Verktyget enligt något av krav 1-6, kännetecknat av att antalet dämpningsorgan (30) och/eller antalet skårlågen (20) respektive uppgår till minst tre.

8. Verktyget enligt krav 4, kännetecknat av att vart och ett av nänmda dämpningsorgan (30) är anordnat närliggande ett respektive av nänmda flertal skärlägen (20) för emottagande av verktygsskär (21).

9. Verktyget enligt något av ovanstående krav, kännetecknat av att vart och ett av nämnda dâmpningsorgan (30) är likadana.

10. Verktyget enligt något av krav 1-6, kännetecknat av att nämnda flertal dämpningsorgan (30) utgörs av individuellt anpassade dämpningsorgan fór att medge ett brett frekvensdärnpningsorriråde.

11. Verktyget enligt krav 10, kännetecknat av att minst ett av nämnda flertal dâmpningsorgan år anpassningsbart.

12. Verktyget enligt krav 2, kännetecknat av att nämnda urtag utmynnar i verktygets ände.

13. Verktyget enligt krav 2, kännetecknar. av att nâirmda urtag är anordnade att helt inneslutas i verktygskroppen med hjälp av ett lock (11) anordnat i nänmda ena ände av verktyget.

14. Verktyget enligt något av ovanstående krav, kännetecknat av att nämnda urtag är rotationssymrnetriska.

15. Verktyget enligt krav 14, kännetecknat av att nämnda urtag är koniskt avsmalnande relativt nämnda ena ände. 10 535 054 13

16. Verktyget enligt något av ovanstående krav, kännetecknat av att verktyget (1) innefattar ett flertal kylkanaler anordnade att kommunicera och samverka med nämnda urtag.

17. Verktyget enligt krav 1, kännetecknat av att nämnda verktyg är särskilt avsett för fräsbearbeming av titan och legeringar därav.

18. Verktyg enligt krav 1, kännetecknat av att nämnda verktyg är en valsfräs.

19. Verktyg enligt något av ovanstående krav, kännctccknat av att nämnda dåmpningsorgan (30) är anordnade parallellt med nämnda rotationsaxel.