TWI380876B - 用於超音波輔助式迴轉機械加工的工具單元 - Google Patents

Description

用於超音波輔助式迴轉機械加工的工具單元 發明領域

本發明係有關依據申請專利範圍第1項之序文的一種工具單元，係用於一工件之超音波輔助旋轉加工，以及一種包含這種工具單元和一工具主軸的組件。

發明背景

在脆性或難於加工的材料，例如陶瓷，玻璃或硬金屬的旋轉加工中，切削工具可能會受到高至使其遭受過早磨損的負載。為了延長該工具的壽命，已知的實施係使超音波振盪運動與旋轉的工具運動相疊加，從而將超音波振盪各自傳送至該工具或該工件。這造成加工運動的改變，雖然超音波振盪對材料移除上具有一有利影響。

適用於這種組合式加工的工具組件可以從德國專利第DE-A1-41 03 569號(與美國專利第US-A-5,144,771號一致)以及歐洲專利第EP-A1-591 104號(與美國專利第US-A-5,361,543號一致)的參考內容得知。這些習知組件遭受的缺點是其等不能被固持在現有的工具主軸內，因此工具機(machine tool)必須特別設計以供使用這種工具組件。因此不可能或者也難於在相同的工具機內使用其他工具，例如專門用於旋轉機械加工操作的工具。尤其，該習知工具組件並不適於以一簡單方式修整一現存的機器，例如一圓形磨床，而使得超音波輔助加工操作亦有可能。此外，該習 知技藝的工具組件體積相對較大，且因此而不適於在該工具主軸之高轉速下使用。

發明概要

本發明的一個目的係提供一種介紹中所述類型之工具單元，其可以固持在一工具主軸內且容易更換，而且其設計係盡可能地緊湊。

這將會由申請專利範圍第1、18或19項中所界定的一工具單元來實現。更多的申請專利範圍指出較佳實施例以及一具有一工具主軸的組件。

圖式簡單說明

本發明將會透過一較佳的例示性實施例並借助參考圖式在下文中加以說明，其中：第1圖所示為本發明之固持在一工具主軸中的工具單元之截面側視圖；第2圖所示為第1圖之工具單元的工具之側視圖；第3圖所示為第1圖之工具單元和工具主軸的組件之後透視圖；第4圖所示為第1圖之組件的前透視圖；以及第5圖所示為本發明之工具單元的一第二實施例之截面側視圖。

較佳實施例之詳細說明

第1圖所示的工具單元20被插入工具主軸10的定位件(retainer)11內，且設計成一可換工具組件。工具單元20包含一固定座(holder)21，其內配置一包含至少一個用於產生和傳送超音波振盪的電聲換能器(electroacoustic transducer)22之轉換器23，而且一工具30被結合至轉換器23。

在第1圖的實例中，固定座21為一套筒形式，且至少可部分地插入工具主軸10的定位件11內。轉換器23在固定座21內的兩個支撐位置24a和24b被鎖定，該等支撐位置的位置對應於所產生的超音波振盪之各自的波節。支撐位置24a和24b係由各自的環狀肩部(annular shoulders)構成。視想要的應用而定，可能會提供多於兩個的支撐位置。

舉例而言，將電振盪轉換成機械振盪的換能器22可以為壓電或磁致伸縮類型。為此，為壓電或磁致伸縮材料的的一圓盤或者複數個圓盤被配置在轉換器23之凸出的端部26之內部。換能器22被選定成在較低和較高的頻率範圍內，特別是高於50kHz，可較佳地進行運轉。一般地，具有較高頻率的換能器22之應用容許工具單元20之一更緊湊的設計。

固定座21包含至少一個配合該工具主軸上所使用的界面之連結裝置27，以便與工具主軸10形成可拆卸式連結。在依據第1圖的實例中，固定座21包含至少一個鎖定位置27以及至少一個位於工具主軸10頭部處的跨孔(cross hole)28。一對鎖定位置27起作用的螺釘(圖中未示)可以穿過該跨孔，以將工具單元20固定在定位件11內。這種鎖定螺旋連結也可能包含複數個鎖定位置27以及對應的跨孔28。

如果一中空錐柄(hollow shank taper)被用作一界面，則固定座21設有一對應的圓錐形外表面，以形成該連結裝置。如果一界面在一工具透過一可拆卸式膠結及/或收縮配合連結來固持的情況下被使用，則連結裝置27被對應地用於在該工具主軸內容置和固持工具單元20。另一適當的界面為螺紋連結，其中工具主軸10的定位件11設有一內螺紋，而固定座21具有一對應的外螺紋。

工具30結合至轉換器23的前端，從而使該工具發生振動，其在該情況下也被稱為音極(sonotrode)。工具30係由鈦，鋁或者硬化鋼，例如CPM製成。

又如第2圖所示，工具30包含一第一圓柱形工具部31，其緊接一具有較小直徑的第二工具部32。與要被加工的工件發生接觸的工具本體33位於工具30的末端。工具30的形狀可能被選定為使其提供一放大的振幅，且由換能器22所產生的超音波振盪被放大到所需程度。在典型的應用中，該工具末端的振盪之振幅包含在0至大約20微米的範圍內。與第2圖所示相比，音極30也可能具有另一形狀，例如一圓錐形或僅僅為圓柱形。亦可以想到的是在轉換器23與音極30之間插入一所謂的升壓器(booster)，以進一步放大該振幅。

第一工具部31之端面設有一具有一軸向居中表面35的連結構件34以及一緊隨其後的螺紋部36，其接合於轉換器23之孔內。如第2圖所示，居中表面35為圓柱形；然而，其可以被不同地加以設計，例如呈圓錐形。第一工具部31的端面被設計成一徑向居中表面37。居中表面35和37確保工具30當結合至轉換器23時在軸向和徑向上位於中心處，並因此而無偏心率地進行旋轉。

工具本體33係依據要進行的加工操作來設計。就研磨操作而言，該工具本體為一研磨本體形式，可能會選擇性地設有一金剛石或CBN塗層。第二工具部32可能會與研磨本體33製成一件式並直接塗上研磨過的表層(abrasive coating)。研磨本體33也有可能作為一分離的構件來提供，其係藉一可拆卸式連結，例如螺旋、收縮、夾持，焊接及/或膠結而被容置於第二工具部32內。

尤其如第2圖所示，工具30設有一具有一流入開口40的徑向孔39，其與一在該工具末端具有一流出開口42的軸向孔41相通。孔39和41形成一通道，一為液體形式的冷卻劑可以被引導穿過該通道。這使得可以透過工具30和流出開口42來噴射一冷卻劑以供冷卻及/或潤滑之用，從而延長工具30的壽命以及工件被加工的表面之品質。

亦如第3圖和第4圖所示，工具主軸10包含一固定部12，結合主軸定位件11的心軸13在該固定部內旋轉，且一鐘形構件(bell)45透過一鎖定套筒46或藉螺旋鎖定而被固定在該固定部的外部。鐘形構件45圍起心軸13的前部，並設有冷卻劑配件47和孔48，冷卻劑透過其等可以被供應給流入開口40。固定孔48與可旋轉的工具30間設有密封裝置49，例如為曲徑軸封(labyrinth seal)形式。

如果工具單元20專門供用於幹式加工，則工具30當然可能會被設計成沒有開口40，42和通道39，41。

工具單元20具有一緊湊構造，其總長L＝L1＋L2，其中L1表示位於主軸定位件11內的部分之長度，L2為從工具主軸10凸出的部分之長度，且因此而相互獨立。典型地，工具單元20被設計成使L2小於100mm，且小於50mm為佳，而L1小於150mm，且小於100mm為佳。該緊湊構造甚至容許在高轉速下使用工具單元20，特別是轉速每分鐘超過60,000轉。為了獲得這些轉速，工具主軸10對應地設計成，舉例而言，一高頻主軸或者一連接驅動馬達的主軸。如果換能器22為壓電類型，則滑環(slip rings)50被連結至所裝設的一產生器。滑環50被連接至工具主軸10的心軸13，且電力透過該心軸供應給換能器22。用於滑環50的材料被選擇成適合從工具主軸10獲得的轉速。

如果換能器22為磁致伸縮類型，則如第5圖所示設有至少一個勵磁線圈(excitation coil)51，其中與第1圖相同的構件係以相同的參考符號來標示。勵磁線圈51適配在工具主軸10的固定部12內，並用於藉磁感應向換能器22非接觸地供應能量。亦可以想到的是使勵磁線圈51適配在鐘形構件45內。

在此所述的工具單元30，舉例而言，可應用於供精密加工用的工具機內，例如磨床，尤其是圓形磨床，或者銑床。視工具30的配置而定，工具單元20也可能會用於其他加工操作，例如鑽削、車削、鉸孔、搪磨、清理毛口，等等中之超音波輔助加工。其中，工具單元20適用於加工脆性或難於加工的材料一例如陶瓷、由CBN(立方氮化硼)製成的材料、由PCD(聚晶金剛石)製成的材料、金屬陶瓷、硬金屬，等等，－及/或用於加工傳統材料，例如鋼質材料、非鐵金屬、燒結料、合成材料，等等。

除了先前所述之外，本發明之工具單元提供以下優點：－該工具單元設計成一可換單元，且可以被用在與其他工具相同的機器主軸上。同樣地，具有先前僅用於旋轉加工之存在的工具機可以被修整成供額外的超音波輔助加工之用。

－該工具單元具有一緊湊設計。其可以設計成甚至可能以每分鐘超過60,000轉的轉速進行加工操作，且具有大於50kHz的頻率之振盪可能會疊加於工件的軸向和徑向加工。

10．．．工具主軸

11．．．定位件

12．．．固定部

13．．．心軸

20．．．工具單元

21．．．固定座

22．．．電聲換能器

23．．．轉換器

26．．．轉換器23之凸出的端部

27．．．連結裝置/鎖定位置

28．．．跨孔

30．．．工具

31．．．第一工具部

32．．．第二工具部

33．．．工具本體

34．．．連結構件

35．．．軸向居中表面

36．．．螺紋部

37．．．徑向居中表面

39．．．徑向孔

40．．．流入開口

41．．．軸向孔

42．．．流出開口

45．．．鐘形構件

46．．．鎖定套筒

47．．．冷卻劑配件

48．．．孔

49．．．密封裝置

50．．．滑環

51．．．勵磁線圈

24a,24b．．．支撐位置

第1圖所示為本發明之固持在一工具主軸中的工具單元之截面側視圖；第2圖所示為第1圖之工具單元的工具之側視圖；第3圖所示為第1圖之工具單元和工具主軸的組件之後透視圖；第4圖所示為第1圖之組件的前透視圖；以及第5圖所示為本發明之工具單元的一第二實施例之截面側視圖。

10．．．工具主軸

11．．．定位件

12．．．固定部

13．．．心軸

20．．．工具單元

21．．．固定座

22．．．電聲換能器

23．．．轉換器

26．．．轉換器23之凸出的端部

27．．．連結裝置/鎖定位置

28．．．跨孔

30．．．工具

34．．．連結構件

39．．．徑向孔

41．．．軸向孔

45．．．鐘形構件

46．．．鎖定套筒

47．．．冷卻劑配件

48．．．孔

49．．．密封裝置

50．．．滑環

24a，24b．．．支撐位置

Claims (19)

1. 一種工具單元，係用於一工件之超音波輔助旋轉加工，包含：一用於產生和傳送超音波振盪的轉換器，該轉換器包含至少一電聲換能器；一耦合至該轉換器的工具；以及一具有該換能器之該轉換器被配置在其中的固定座，該固定座係至少可部分地插入一工具主軸之定位件內且可透過一可拆卸式連結件與其連結，該工具單元係適於允許每分鐘超過60,000轉之速度的轉動。
2. 如申請專利範圍第1項之工具單元，更包含至少一個鎖定位置或一螺紋或兩者皆有，以供形成該可拆卸式連結。
3. 如申請專利範圍第1項之工具單元，更包含一圓錐形外表面或一圓柱形外表面或兩者皆有，以供形成該可拆卸式連結。
4. 如申請專利範圍第1項之工具單元，其中該工具單元自該工具主軸凸出的長度小於50mm。
5. 如申請專利範圍第1項之工具單元，其中該工具包含至少一側向流入開口以及至少一位於該工具頭部的流出開口，該等二開口透過一通道相連。
6. 如申請專利範圍第1項之工具單元，其中該工具為一鈦、鋼，或者鋁製的音極形式。
7. 如申請專利範圍第1項之工具單元，其中該工具為一研磨或銑削工具。
8. 如申請專利範圍第1項之工具單元，其中該工具包含一係藉一可拆卸式連結而緊固並供以加工一工件的工具本體。
9. 如申請專利範圍第1項之工具單元，其中該換能器為一壓電或磁致伸縮換能器。
10. 如申請專利範圍第1項之工具單元，其中該換能器可以一至少為50 kHz的頻率運轉。
11. 如申請專利範圍第1項之工具單元，其中該固定座包含數個環狀肩部以構成該等支撐位置。
12. 如申請專利範圍第1項之工具單元，其中該固定座係設計成一套筒。
13. 如申請專利範圍第1項之工具單元，更包含一鐘形構件以為該工具供應一冷卻劑。
14. 一種組件，包含依據申請專利範圍第1項之一工具單元，和一設有一預定界面以供固持該工具單元及至少另一工具之工具主軸。
15. 如申請專利範圍第14項之組件，更包含數個可以連結至一產生器以供該換能器之電力供應的滑環。
16. 如申請專利範圍第14項之組件，更包含至少一勵磁線圈以供該換能器之電力供應。
17. 一種組件，包含一用於一工件之超音波輔助旋轉加工的工具單元，和一設有一預定界面以供固持該工具單元及至少另一工具之工具主軸，該工具單元包含一用於產生和傳送超音波振盪的轉換器，該轉換器包含至少一電聲換能器； 一耦合至該轉換器的工具；以及一具有該換能器之該轉換器被配置在其中的固定座，該固定座係至少可部分地插入一工具主軸之定位件內且可透過一可拆卸式連結件與其連結，其中該組件係為該工具主軸之每分鐘超過60,000轉的轉速而設計。
18. 一種工具單元，係用於一工件之超音波輔助旋轉加工，包含：一用於產生和傳送超音波振盪的轉換器，該轉換器包含至少一電聲換能器；一耦合至該轉換器的工具；以及一固定座，具有該換能器之該轉換器被定位在該固定座中之至少兩支撐位置處，該等支撐位置界定出所產生的超音波振盪之波節，該固定座係至少可部分地插入一工具主軸之定位件內且可透過一可拆卸式連結件與其連結。
19. 一種工具單元，係用於一工件之超音波輔助旋轉加工，包含：一用於產生和傳送超音波振盪的轉換器，該轉換器包含至少一電聲換能器；一耦合至該轉換器的工具；以及一固定座，具有該換能器之該轉換器被配置在該固定座中，且該固定座係至少可部分地插入一工具主軸之定位件內，因此會從該工具主軸凸出一小於100mm的一長度，該固定座可透過一可拆卸式連結件與該工具主軸連結。