机床和工件的加工方法以及机床或工件在加工方法中的使用的制作方法

机床和工件的加工方法以及机床或工件在加工方法中的使用的制作方法
【专利摘要】一种刀具加工工件的方法，其中刀具作用于工件上，并且在它们之间引发一个切削运动。除此以外，还以这样的方式在刀具和工件间引发一个与切削运动相叠加的相对的第一振动运动：该第一振动运动的一个或多个特征值和该切削运动的一个或多个特征值相互参照进行调整。此外还可以这样的方式来引起该叠加的振动运动：形成可分辨的工件表面区域。
【专利说明】机床和工件的加工方法以及机床或工件在加工方法中的使
用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种如独立权利要求前述部分所述的机床和工件加工方法。
【背景技术】
[0002]用带有定义型切削刀的刀具对工件进行切割加工己为人所知。这其中最常见的工艺有钻削、车削、铣削和刨削。其使用的刀具具有一个或几个被明确定义的、可清晰描述的切削刃。此类切割加工是通过刀具，尤其是其切削刃，和工件间的相对运动(切削运动)来实现的。它在一定的刀具损耗下以一定的材料去除率进行加工，并且加工出的工件表面具有在一定范围内可预见的特征。对于钻削，原理上是移动刀具并同时转动加工工件。对于铣削，原理上是在铣刀旋转的时候使工件移动，或者是铣刀旋转的同时且自身移动。对于刨削，可以使刀具或工件进行移动。
[0003]此外还为人所知的有，利用不带有定义切削刀的振动型刀具去加工工件。此类振动刀具粗糙，做打磨式工作并且以较高频率振动(振动运动)，例如以大于5千赫或大于10千赫或大于20千赫频率振动。由于这样的高振动频率，其能超越人类听觉范围的缘故，所以此类加工处理通常称为超声波加工，而此类设备称为超声波机床。此类刀具的振动可以为一个平移式或一个旋转式振动。该刀具可以表面平行工件滑动，而后以类似锉削的方式去除材料。但它也可以以捶击的方式作用于工件(垂直于它表面)。
[0004]这些使用带定义型切削刀的刀具的现有加工方法的一个缺点是，在一定加工环境下，尤其是对某些工件材料，材料去除率相对较低或者刀具磨损较严重或者加工工件表面质量相对较差。研究显示，用带有定义型切削刀刀具的传统工艺加工，其排屑会造成加工表面相对较粗并有划横，其机械上达不到理想的抵抗性易受环境影响(腐蚀，生锈)。
[0005]另一个缺点就是，所加工成的工件表面在其细微结构上往往很难完全满足工件使用规格，以致要么就这样勉强使用要么就必须返工。

【发明内容】

[0006]本发明的任务是提供一种机床和一种工件加工方法，其实现了所期望的精细构造一加工工件表面。
[0007]这些任务是通过独立权利要求中的特征得以解决的。从属权利要求旨向本发明的优选实施例。
[0008]一种用刀具加工工件的方法，其以这样的方式在刀具工件二者间相对地引起一个切削运动和与之叠加的一个第一振动运动:该第一振动运动的一个或多个特征值是按照该切削运动的一个或多个特征值而设置调整的。相反地，同样也可以按照该第一振动运动的一个或多个特征值的大小来调整该切削运动的一个或多个特征值。在工件加工期间，该振动运动的特征值和/或该切削运动的特征值是可变的。
[0009]一种，尤其如上所述的用刀具加工工件的方法，其以这样的方式在它们两者间相对地引起一个切削运动和与之相叠的一个第一振动运动:以致形成可分辨工件表面区域。该第一振动运动可按照该刀具的位置和优选地还按照加工工件描述数据来进行控制。
[0010]一种，尤其如上所述的用刀具加工工件的方法，其以如此方式在它们两者间相对引起一个切削运动和与之叠加的一个第一振动运动:以致所加工出的表面跟一个不带第一振动运动的加工处理相比有所不同。
[0011]该技术可运用相匹配的刀具，尤其是那些其刀刃具有在第一振动运动振幅范围内的结构的刀具。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]下面将参照附图对发明的个别实施例进行说明。
[0013]图1示意性展示了一台机床的视图。
[0014]图2示意性展示了该机床的控制。
[0015]图3示意性展示了 一个刀具。
[0016]图4示意性说明方向。
[0017]图5视图用于配套规定运动参数。
[0018]图6视图用于生产可区别表面区域。
[0019]图7展示了匹配的刀具。
【具体实施方式】
[0020]第一实施例
[0021]一台机床具有一个切削刀具，其用于通过该刀具相对于工件的一个切削运动进行工件加工；和一个振动单元，其用于在刀具与工件之间生成一个振动运动。一种工件加工方法，其在一个切削刀具和一个工件间引发一个相对切削运动并且同时或交替地额外引发一个相对振动运动。
[0022]这样将切削加工和振动加工相结合的优点是:借由刀具的定义切削刀通过工件和刀刃间的相对振动运动将切屑从该工件排出。这样的排屑因而追求的不是速度而是效果。由此较不会形成表面粗糙，并且工件表面在加工后具有一个相对较高的残余压应力以及加工后较少有划伤和纹理，就加工表面的硬度和抵抗环境的能力以及机械应力而言这些都正式我们所希望的。
[0023]该振动单元优选地位于刀具附近。它可包含一个或多个压电致动器或电磁致动器。振动频率可为大于5千赫,大于10千赫,大于20千赫或大于40千赫。该机床可是一台钻床、一台铣床、一台车床、一台刨床或诸如此类。该振动运动的方向可以是平行和/或正交于刀具切削运动，或者与其具有一夹角。它可以是平行于工件局部瞬时平面或者与其相对成某一大于0°的角度。它可以是正交于工件加工表面。
[0024]该刀具可适应于如上所说的可能的振动运动，例如其中该刀具的某些面或刀刃被粗化，锯齿化或者其他的如相对于传统刀具进行了改装。所说的改装可以是使该刀具具有或者避免一定的谐振频率。
[0025]该振动单元可以是一个可快速更换的(自动更换式)刀具的一部分，其次通过适当的装置接收能量。例如，可以是一种无线(电感式)电力传输。[0026]一个控制/调节转置可控制或调节该切削运动和振动运动。
[0027]可提供有用于测定工艺流程参数的传感系统，其中这些工艺参数可被反馈用于控制。对切削运动和振动运动的控制可相互独立或者相互交叉进行。其中一个可以根据其中另一个的控制或测量参数大小而被控制或调节。
[0028]切削运动和振动运动可以相互同时或者有选择地相互独立地各个单独进行控制。
[0029]图1不意性地展不了一台机床10,它包括一个机器框架I。在作业时,一方面,工件7和另一方面，刀具6:二者通过不同的中间物被固定于机器框架I上。可以提供有多个定位轴2a，2b用于静态调整刀具的和/或工件的平移和/或旋转位置。在机器框架I和刀具台4之间可提供定位轴2a，和/或在机架I和刀具7之间提供定位轴2b。
[0030]此外，为该切削刀具或者工件台或者工件夹固装置提供至少一个驱动器3a，3h。一般来说，该驱动器可以是电动的，和可以包括一个机械增速或减速装置。所述刀具可以是一个铣刀，尤其是端铣刀，在工件加工中其在电驱动下进行旋转运动。在钻具的情况下，例如驱动器3h可为一个带有齿轮的电动发动机，其使钻7或钻头卡盘进行旋转。在车床的情况下，驱动器3a可为一个带齿轮的电动发动机，其使车刀卡盘进行旋转。通常，一个驱动器3a可置于在机架I和工件6之间，和/或一个驱动器3h可置于机架I和刀具7之间。
[0031]刀具7可以通过一个快速离合装置5，5a和/或通过一个刀具接口 5h进行更换，以便该刀具能快速地且必要时还能自动地被更换。所说快速离合装置5，5a可以为一个普通的锥形离合器，其带有刀具侧锥体5a和对应的机器侧套口或类似物。刀具接口 5h可以直接安于原刀具上并含有刀柄套口，以及可以含有一个夹钳或者类似物。工件6可以置于工件台4上，而后被夹固于此。
[0032]提供有一个振动单元11，其除刀具7和工件6间的常规切削运动外又相对在它们之间额外引起一个振动运动。图1中示意显示了一个实施例，其中振动单元11位于快速离合器5a的机架侧一端上。然而，振动单元11也可置于动力流中的其他位置。该振动单元还可位于较近刀具，例如快速离合5刀具一侧，其中然后在振动单元11和刀具之间还安有所说的其他刀具接口 5h。该振动单元11还可以位于工件台4附近，例如在工件台4和驱动器3a之间或者在调节控制元件2a旁或者机器框架I上。
[0033]在所展示的实施例中，振动单元11被设计用作振动驱动刀具7。所述振动可以是一个线性振动或一个旋转振动。
[0034]一个线性振动可以具有平行和/或垂直于工件局部平面的方向分量。钻床时，该振动可沿钻轴进行。车床时，可让车刀进行振动。当为铣削时，可让铣削刀具或工件进行振动。
[0035]一个旋转振动可以绕一个该机器中现存的旋转轴进行，并由一个被适当安装和驱动的振动单元来实现。一般情况下，可以在本就从事旋转运动的机器部件上(例如钻床的钻头卡盘或钻头)发起该旋转振动。但也常还可-绕同样的轴-在与从事旋转运动的部件相对的一部件上(钻床时，即工件台或工件上)发起它。车床时，可让车刀卡盘绕旋转轴做旋转振动。统床时，可让统刀绕它的转轴做一个旋转振动。
[0036]可以通过多个振动单元同时并叠加地引起多个振动，且尤其是旋转振动和线性振动。如果提供有多个振动单元时，它们可以一部分分配给工件或工件台，一部分给刀具或刀架。[0037]—个振动单元可包括一个或多个振动器，如压电元件。它们可以接收相同或不同的信号。其差异可为一个相位差或反相。
[0038]振动频率可设为大于5千赫或大于10千赫或大于20千赫或大于40千赫。振动单元11和驱动器3a，3h可以同时工作或各个单独交替地工作。对这两种(联合、交替)运行模式都可配置控制。
[0039]通常，机床10可包含有用于检测工艺参数的传感系统14。该传感系统可包括分布在该机床上的一个或多个传感器。通过导线160检测信号被反馈给控制/调节装置12并且在那里被记录下来和/或被输出和/或允许用它来控制各种机器组件。该控制装置12具有连接到该机器各个组件的控制导线15，即尤其连接到驱动器3a，3h、定位轴2a，2b和到振动单元11。
[0040]此外，也可提供有图中未画出的针对操作人员的输出单元。13表示一个数据存储器(如半导体和/或磁盘)，其一方面，存有例如该工件的一个加工程序；而另一方面，还存有有关所说切削运动、有关所说振动运动或有关其相关性的控制参数特征值，尤其是有关切削运动和振动运动的输入参数或者检测/测量参数的特征值(以表格或公式形式)。该控制装置可具有对此存储器的访问权，以及可以访问那里的二维或多维表格用于由输入量确定作用变量。
[0041]通过振动单元11可对个别参数进行调整/控制，尤其是振动频率、振动幅度、控制信号的波形、振动的方向及诸如此类。单个或多个参数可以被调节，即根据探测反馈的值进行校正。
[0042]图2示意显示一个控制装置的调节技术部分。12代表图1中的调节器。程序技术部分并未画出，但其同样可存在。它可存储有一个加工程序，其控制各个机器组件和分别提供用于控制和调节的控制参数及额定值。控制装置12可以是数字化装配的，还可以在连接到作业端的接口处含有图中未画出的数模转换器。根据具体操作状况，控制装置12以及调节装置12可分别接收设定值，这些设定值例如取自一存储器13或是由所述的控制程序决定。
[0043]图2中，控制装置12示意显示由两部分组成，即一个是调节器21用于刀具7的常规驱动器3h，例如钻头的电动机。就此方面实际作业端由框3h表示。14a表示与该常规切削运动相关的传感系统，其通过导线16a被反馈。
[0044]还提供有另一个调节器22，其控制及调节本发明中的振动运动。它通过导线15b将信号传送给实际作业端，尤其是给振动单元11。14b表示用于测量振动具体数值的传感系统，其可通过导线16b被反馈。
[0045]原理上，振动运动和切削运动可以同时或交替地被控制。各个运动的控制可以按照各自单独指标在控制或调节面上相对独立地进行，或者它们可以交错进行，例如其中提供给常规切削运动驱动器的输出信号15a也输入给振动驱动器的调节器22(导线23)和/或相反地，将给振动驱动器11的输出信号15b还传给切削驱动器的调节器21 (导线24)。同样地，当设有反馈时，信号16a，16b的反馈也可以“交叉”进行，即其中振动驱动器的调节器22接收有关该切削运动的处理信号(导线16a)和/或相反地，用于切削运动的调节器21接收有关该振动运动的处理信号(导线16b)。各个参数的结合和交错可以根据公式或借助于表格来实现，这些公式表格是己恰当存储并被提前读取出来。[0046]然而，也可以采用一种相对简单的控制，需要时其也可以完全无反馈的、简单按照设定值控制该切削运动和振动运动，但当然其中这些设定值是可以相互参照着被确定。
[0047]可提供一个或多个振动单元11。例如，可以在刀具7附近提供一个第一振动单元11，和在工件6或工件台4附近提供一个第二振动单元11。它们可以设计成可被单独控制/调节或可互相参考地进行控制/调节，类似于以上参考图2对有关切削运动控制21和振动运动控制22所作出的解释。还可以设计一个单独的振动单元11用于沿多个轴振动，其中每个轴可以相互独立的被控制。
[0048]应该指出的是，图2仅显示出了整个控制装置的一部分。常规组件(如定位轴，换刀器)的控制部分并未画出，但其同样也可以存在。控制装置12可以为一个按照相应要求所配置的过程控制计算机的一部分。
[0049]机床10中的传感系统可以包含一个或多个下列传感器，这当中“传感器”一词在此也可附带包含较复杂的评估机器:在振动单元11的频率范围内的、用于测量振幅或振幅变化的传感器；用于测量一所述驱动器尤其是振动驱动器11上的电压和/或电流的、必要时还用于测量每个驱动器上电压和电流间相位差和必要时所述每个值(电流，电压，相位)的变化的传感器；用于测量切削加工的进给速度的传感器。也可包含其他的传感器。
[0050]图3示意性地显示了一个可快速更换的刀具单元30的一个实施例。该刀具单元包括所述的原始刀具7，例如一个端纟先刀。除此以外，它还包括所述振动单元11。它还进一步包括一个电力供应31，和一个离合连接件5a以使该刀具单元30可与机床相连接。该离合连接件5a可以为一个普通的锥形离合器或者类似装置。在振动单元11和刀具7之间可以提供有刀具接口 5h，其允许刀具7进行更换.[0051]该振动单元11可以是一个机电运行的振动单元或一个压电运行振动单元。这两种情况下，该单元都须要电力。该电力可以通过一个传统的电源连接来提供，当使用自旋式刀具时，该电源连接则必然会发生缠绕打结，因而其可能必须安排设计的相对繁琐些。该电力供应也可以无线的方式来实现，例如电感式，其中该刀具单元内含有例如一个感应线圈32 个箭头33所示的外部磁场相对于该线圈发生着变化。该线圈32可位于如一个与旋转的刀具的旋转轴相垂直的平面内，并且被一个以一定频率自身变化的外磁场所穿过。但也还可以设计成，让该线圈处在一个静态的外磁场中，但由于刀具的旋转运动而造成通过该线圈面的磁场变化。这样形成一个感应交流电压，其可直接提供给致动器。但也可以给其他的(未画出的)电动或电子元器件去进行电压成形。
[0052]图3的实施例的优点在于，一个如此构造的刀具单元30可以相对比较容易地应用在一个传统的机床10上。尤其是，该单元无须有电接点。当然为确保满意的电感耦合效果，则可能需要本地生成一个适当的磁场。
[0053]图4a示意显示了一个视图来说明在刀具7为统刀的情况下的方向参数。该图示意地展示了一个在工件表面上由左向右工作的端铣刀(箭头74)。其按照箭头42逆时针绕轴43旋转。71为该端铣刀的刀刃。此外，铣刀7和工件6之间的相对切削运动是沿箭头74的方向(X方向)展开。振动运动可与该切削运动方向成正交，如垂直于图平面(y方向)。但振动方向还可以是其他的不同于所示的方向，如沿X方向或沿z方向或可倾斜于这些方向。
[0054]图4b示意显示了一个视图以说明当刀具7为钻头的情况下的方向参数。它示意显示了一个插入到工件6内的钻头7。71表示钻头的刀刃。在传统操作中，钻7绕其轴线73旋转，如箭头74所示。刀刃71上的每个点则做一个圆形的切削运动，如箭头74所示。根据本发明，由箭头74所表示的切削运动可与一个振动运动75相叠加，或者运动75、74相互交替地进行。图4b展示了一个实施例，其中振动运动沿箭头75进行，即钻轴73的方向上(Z方向)。该振动运动75不平行于该切割运动方向74。它可以与该切削运动方向约成直角，或尤其在钻轴的方向上。在所示的实施例中，该振动运动不平行于钻头刀口下的工件局部表面。实际上它是浅浅地撞入该表面。
[0055]与传统的刀具相比较，该刀具可以是为做所说的振动的运动而设计的。例如，刀具的某些面或刃可以是粗化的，或者与常规刀具相比较其按某种方式经过了改造。尤其是，例如刀具的前刀面或刀具的刀刃或刀具的后刀面可以至少局部为粗糙或带齿的，以便于按所期望的方式调节该振动运动的效果。该刀具也可以被塑成，按照期望的振动激发而使其具备一定的共振频率或使其在某频率范围内避开一定的共振频率。刀具共振频率和振动激发频率可存在一个预先给定的失调量(差)，该量为可控的且若调节技术上需要时还可以被保存。该刀具的成形可以通过在刀具上进行的有目的的材料添加或材料去除来实现。
[0056]以上所描述的本发明的特征可以总结和列举如下:
[0057]1.一种机床I其含有:刀具7，其带有定义型切削刀71，并用于通过所述刀具7相对于工件6的切削运动74来加工工件；和振动单元11，其用于在刀具7和工件6之间产生振动运动75。
[0058]2.所述振动单元11还适应于使所述刀具7或所述工件台6做振动运动75。
[0059]3.其中所述振动单元11适应于产生一个沿一个方向上的振荡型振动75，其中所述方向为平行或垂直于所述切削运动74的方向或与该切削运动的方向成一定夹角。
[0060]4.其中所述刀具7为钻具、铣刀、尤其是端铣刀、刨刀或车刀。
[0061]5.其中所述刀具7为端铣刀或钻具，并且所述振动单元11适应于在一个平行或垂直于它们转轴73的方向75上或与该轴成一定夹角的方向上来振动所述端统刀及所述钻具7。
[0062]6.所述的机床，其含有多个相互相关或相互独立的可控的振动单元11。
[0063]7.其中所述振动单元11包括电磁或压电式驱动器，并优选地以大于5KHz或大于IOKHz或大于20KHz的振动频率工作。
[0064]8.所述的机床，其含有控制装置12，其用于控制所述切削运动74和控制所述振动运动75。
[0065]9.所述的机床，其包含:装置21，其用于根据一个或多个所述振动运动75的可调参数值或计算参数值的大小来控制一个或多个所述切削运动74的可调参数，和/或装置22，其用于根据一个或多个所述切削运动的可调参数值或计算参数值的大小来控制一个或多个所述振动运动75的可调参数。
[0066]10.所述的机床，其包含:一个或多个传感器14，其用于检测一个或多个与所述切削运动74有关的和/或与所述振动运动75有关的参数，尤其是检测一个或多个所述致动器上的振动的振幅和/或电压和/或电流，和/或所述振动单元11的机械振动、电压和电流中二者间的相位差，和/或所述切削加工的进给速度77。
[0067]11.所述的机床，其中所述控制装置12可使所述切削运动74和所述振动运动75同时进行或对同一所述刀具单独分别进行。
[0068]12.其中所述刀具7包括一个至少部分粗糙的前刀面或后刀面或刀刃。
[0069]13.其中所述刀具7为可更换的，且所述振动单元11位于所述可更换的刀具内，其中所述振动单元11优选地包含用于无线接收能量的装置31-35。
[0070]14.一种工件加工方法，其包括:在带有定义型切削刀的刀具和工件之间开展相对的切削运动和振动运动，其中所述切削运动和所述振动运动既可同时又可单独分别进行。
[0071]15.其中沿一个平动轴和/或绕一个旋转轴来进行该振动。
[0072]第二实施例
[0073]一种借助刀具来加工工件的方法，其以这样方式在刀具和工件之间相对引发一个切削运动和一个与之叠加的第一振动运动:按照该切削运动的一个或多个特征值调整该第一振动运动的一个或多个特征值。
[0074]该切削运动的特征值以及该振动运动的特征值在工件加工过程中至少可以是间歇性恒定的，但也可是可变的。
[0075]—种尤其是如上所述的用刀具加工工件方法，其以这样的方式相对在刀具和工件间引发一个切削运动和一个与之叠加的第一振动运动:该振动运动致使可分辨的工件表面区域和/或精细结构化的工件表面。可以按照刀具位置和优选地还按照描述被加工工件的数据来控制所说的第一振动运动。
[0076]一种尤其是如上所述的用刀具加工工件方法，其以这样的方式相对在刀具和工件间引发一个切削运动和一个与之叠加的第一振动运动:所加工出的工件表面跟不带第一振动运动的加工工艺相比有所不同。
[0077]该叠加的第一振动运动可以在一维范围内延伸或二维内(例如在与工件瞬时表面平行的平面内)或者整个三维内。
[0078]该振动运动可以进行调制。该调制可以根据切削运动的量和/或工件规格和/或根据加工进程和/或根据外部物理量如时间或外部输入来进行。
[0079]可以使用一个匹配的刀具，尤其是一个具有一个或多个被几何定义的切削刀且它的切削刀(们)与该振动运动幅度相匹配的刀具，尤其如此:一个切削刀域具有一个结构，其尺寸在该第一振动运动振幅范围内。所说的切削刀域的结构例如可以如此:一个切削刃具有一个符合以上提所说尺寸的长度。对于一个刀具来说，一个原本连续的切削刃还可以被一个或多个断点分成多个段，然后其中这些断点部分的长度和/或这些刀刃段的长度和/或段与段间距符合以上所说的尺寸。这些断点自身又可以成为切削刃，如此以致形成一个带有阶式切削刃的刀具。
[0080]只要技术上无冲突的话，第一实施例的特征可通过以上同样以及以下所描述的各方面得到进一步扩展，它们可以相互组合。
[0081]当提及刀具和工件间的运动，这是指二者间的相对运动，并非一定意味着这两部件实际上都(相对机器框架为参考系)运动。这可以被单独定义。
[0082]图5举例展示了振动运动的一个或多个参数和切削运动的一个或多个参数互相参照进行设置调整的一种可能性。图5a为布局示意图/透视图，而图5h为加工后所加工出的工件表面的一个俯视不意图。假设该机床为一车床，从而刀具7为一个带有切削刃71的车刀。工件6沿箭头52方向绕轴59转动，该轴在z方向上延伸。该车刀自身沿箭头53方向线性向前移动。因而理论上在工件表面上形成一条由螺旋线51所代表的螺旋轨道作为刀具7在工件上的切削运动。
[0083]所述切削运动中的前移运动53是与一个振动运动54相叠加的。在所示实施例中，它为一平行于前移运动53的线性振动运动。该车刀沿方向54 (平行于53和轴59和z轴)振动，其中它由例如一个相应的驱动器驱动振动。在其品质(平移式或旋转式)和方向(箭头54)之外，该车刀的振动还以频率、幅度、及必要时还有该振动运动的波形为特征。这些参数中的一个或多个可以参照切削运动的一个或多个参数来确定。同样刀具的特征值可以用于规定该振动运动的一个或多个特征值大小。
[0084]因此，例如，所述第一振动运动的频率fv和工件的转动频率fs满足公式fv=(n+kl)*fs,其中η是一个整数，kl是介于O和I之间的一个偏移量。例如当n=100和kl=0.5时，则工件每转发生100.5下振动，以至于在圆周方向上出现后转中的振动偏转最小值与前转中的振动偏转最大值一致。然后当前移速度vs (按箭头53切削运动)和刀口长度Is也规定为适当大小，则加工成的工件表面上会形成一定图案。图5h显示一个这样例子。
[0085]在图5h中，点画线51a，51b，51c...表示图5a中所示螺旋线的各圈。应该指出的是，这些结构当然不是在工件表面上能被看到的，而只是理想走向的标记，其按所示的方法实际上是不可见的。线55a，55b，55c，...表示一个叠加运动，其通过一方面，切削运动(箭头52，53)和另外一方面，振动运动(箭头54)相叠加而形成。同样线55a也是理想走向的理想复制。但事实表明，最大和最小相邻轨迹55间具有一固定相位差Λ，以至于例如可以形成如由线56a, 56b, 56c...所表不的宏观结构。
[0086]图5c示意显示了一个振动的刀具实际可以在工件表面所加工出来的结构。其中，51和55同样表示宏观螺旋轨道以及刀具的振动轨道。71’在两个位置上表示了刀具7的刀刃71的长度。就此，线71’可单独理解为示意性指示在加工过程中某个特定时刻的刀刃位置。该刀刃加工出这样的纹路，其通过适当选择工作参数使得各转中的最大值和最小值重叠以至于可留下例如如图所示的岛58。通过这样的方法就形成了一个非偶然性的、带有图案的结构化的表面。
[0087]这些结构的大小以及绝对和相对位置一方面取决于该振动运动的各个参数，另一面取决于该切削运动的各个参数。这些不同的参数至少可以间歇性恒定满足一个或多个以下公式以及进行相应的选择或设定或调整:
[0088]fv=(nl+kl)*fs...(I)
[0089]av=k2*vs/fs=k2*ss...(2)
[0090]Is=k3*av=k4*ss...(3)
[0091]值fv是第一振动运动的振动频率；fs是转动部分的旋转频率(转数)；av是所说振动运动的振幅；该振动运动可垂直于旋转运动和垂直或平行于工件表面;VS是车刀的进给速度；SS是每转的进给量；ls是的刀刃71及刀刃分段71a，71h的长度；nl是一个整数；kl至k3为实际调整参数。随着kl在O和I之间取值，会引起一个在0°和360°之间的、对应图5a中Λ的相移。当Κ2=0.5时，各转的最大值中线刚好互相接触。当k4小于I时，车刀车出一条轨迹，其宽度相对窄于进给量ss，以至于工件材料保留原样未变。相反地当k4大于I时，没有材料被保留不变。总而言之，k4可以是一个下限为0.01或0.02或0.05或0.1或0.2或0.5，和/或上限为0.1或0.2或0.5或I或2的系数。
[0092]以上描述了一个实施例，其中振动运动54平行于工件平面。但也可有该叠加的振动运动54为垂直于工件平面的实施例。在图5a中其将体现为一个朝着旋转轴59然后再背离它的振动。于是，车刀7的刀刃71会在工件表面造成不同深度的纹路。通过这种方法通过适当的相位差Λ可以例如形成沟道，当Λ=0时这些沟道可平行于旋转轴59，并在Λ古0时这些沟道可倾斜于旋转轴。此外，切削刃的长度Is可以是大于每转的进给量ss。
[0093]当为铣削加工工件时，可以至少间歇性恒定如下根据一个或多个下列方程式来选取或设置或调整参数:
[0094]fv=vs/lw...(4)
[0095]Φ =k5* τι...(5)
[0096]值fv为第一振动运动的振动频率；vs为工件表面上刀刃的进给速度；lw为该振动在工件表面所绘图样的波形长度；Φ为相邻铣道上多对图样之间在刀刃进给方向上的相移；k5为一个系数，其可在-1到I之间取值。由此可以对一个在多条轨迹之上恒定的、相邻铣道间的相移进行调整，其也可为O。
[0097]当为钻削时，可以至少间歇恒定地如下根据一个或多个下列方程选取或设置或调整参数:
[0098]fv= (n2+k6) *fs...(6)
[0099]av=k7*vv/fs...(7)
[0100]ls=k8*av...(8)
[0101]值fv是第一振动运动的振动频率；fs是钻头的旋转频率(转数)；av是所说振动运动的振幅，该振动运动可定向为垂直于旋转运动和垂直或平行于工件加工表面；VV是钻沿钻轴方向的进给速度；ls是该钻扭转角侧刃旁的切削刀刃段71a，71h的长度；n2是一个整数；k6到k8是实际调整参数，其中
[0102]O ≤ k6、k7、k8〈L
[0103]当所说切削运动是一个在刀具表面上面前进的刀具的一个第二振动运动时，则可以至少间歇性恒定地按照一个或多个下列方程来选取或设置或调整参数:
[0104]fvl=k6*fv2...(9)
[0105]Φ2=1?7*...(10)
[0106]fvl=vs/lwl...(11)
[0107]fv2=vs/lw2...(12)
[0108]Iwl=k8*lw2...(13)
[0109]值fvl，fv2为该第一和第二振动运动的振动频率；Φ是所说两个振动间的一个可调相移量，当这两个振动具有相同频率或者具有一个成比例的频率关系时，该相移也可为
O。值vs是刀具在工件加工表面上的进给速度；lwl和1?2是第一和第二振动在工件表面所描绘图样的波长。k6为一个系数，其可是整数或整数的倒数。它还可以是分子分母不可约的有理数(如1/2，1/3，1/4，1/5，2/3，2/5，3/4，3/5，4/5)或其倒数，从而刀具在工件加工表面上形成相应的李萨如振荡合成图形。k8为一个系数，其可以是一个整数或整数的倒数。它也可以是分子分母不可约的有理数，如上所列。[0110]通常，第一振动运动的一个或多个特性值可以按照切削运动的一个或多个特性值大小来进行调整。反之亦然，也可将切削运动的一个或多个特性值按照第一振动运动的一个或多个特性值来进行调整。在上述公式(I)至(13)中，每个公式左侧的值可以根据右侧的值来确定然后设置。然而，这些公式还可以按右侧的一个值进行化简，以便进一步可以确定和设置这些值。
[0111]上述的这些实施方案是参考一个带有几何定义型切削刀的刀具(车刀，钻头，铣刀)进行描述。这些方案可以定性和定量地同样应用于带有非几何定义型切削刀的刀具，例如超声波刀具。
[0112]以上描述了对所采用的切削运动和第一振动运动的设定，以获得某种结构。但也可以要求去避免产生某结构，从而在此情况下设置切削和振动运动的参数。这可包括(类)随机及时间可调的设定和/或连续改变该切削和振动运动的一个或多个参数。在这一点上，可以将参数(例如，第一振动运动的振幅和/或频率，转数=刀具旋转频率，进给速度)保持或避开某取值范围。
[0113]可以提供控制或者调节装置，其确保保持上述运动参数。可以对一个或多个每次所设的参数提供相应的传感系统，以便可以对该参数进行反馈调节。然而也还可以运用精度控制，其在可设定的准确度条件下调整所需参数。
[0114]现在参考图6对一个实施例进行说明，其以如此的方式引起该振动运动，以致形成可分辨的加工表面区域。图6b中所示的是一工件6和刀具7的一个截面示意图。该刀具7可以为一个带有几何上不可被定义的切削刀的刀具，例如一个超声波刀具，利用其可以加工出复杂的几何结构。61代表刀具7通过一个未画出的机械装置进行的相对于工件6的进给。62表示绕一个垂直于图面的轴进行的一个旋转振动式切削运动。旋转振动62还可以用一个绕所述轴的常规旋转来代替。61和62合起来组成所述切削运动。
[0115]在它之上可以间歇性叠加另一个振动运动63，其例如可以是一个垂直于图面的平移振动。当刀具7处于工件表面的图中圆点区域64a内时,振动运动63被启动；而当该刀具处于工件表面区域64b内时，该振动运动被关闭。由此，在工件表面上出现不同的加工图样，其导致可分辨的工件表面区域。所说可分辨性是用肉眼就足能被识别的，或者它是通过借助仪器检验加工表面便可以得出的。
[0116]所说振动运动63到切削运动61，62的启动和关闭可以按照工件规格来实现。但也可以按照刀具其相对于它以前的或未来的相对位置或空间内抽象位置(定义了的空间范围，通过一坐标系中坐标的范围来定义)来实现。
[0117]区域64每个最小尺寸(图6中所画带状图形的宽度，另如需要指一个单独/隔离区域(“岛”)的最小直径)可以为第一振动运动63在工件表面上所成图像的波长的数倍，如至少5倍或至少10倍。
[0118]虽说图6实施例是参照一个带有非几何定义型切削刀的刀具进行描述的，但对于使用带有定义型切削刀的刀具(钻、车刀、铣刀。。。)的情况也可做同样的处理(启动、停止以及调制一个振动运动63)。
[0119]在另一个实施例中，可以这样引发一个与刀具切削运动叠加的、工件和工件间的相对第一振动运动，其以致所加工出的表面跟一个无第一振动运动的表面加工处理的相比有所不同。就此，该第一振动运动可以产生一个这样的效果:带有第一振动运动加工的工件表面光洁度比不带有的要好。跟不带有叠加的振动的加工处理相比，带有叠加的振动可以减小粗糙度。
[0120]通常，刀具的切削率相对可以不受该叠加的振动运动54，63的影响(变化〈20%或〈10%或〈5% )，所以该叠加的振动运动54，63更主要的是起构建表面结构作用，而较少的起去除材料的作用。
[0121]第一振动运动和切削运动可以由相同或不同的驱动器来引发。尤其是当该切削运动本身就是一个振动运动时，则可以使用同一驱动器。然后，可以通过与该切削运动和该振动运动相对应的电信号的叠加信号来控制一个振动驱动器。
[0122]当使用不同的驱动器时，它们可以，各相对于机器框架，两个都提供在刀具一侧或者两个都在工件一侧，或者它们可以分别作用于刀具和工件上。
[0123]所说第一振动运动可以具有一个平行于工件局部表面的运动分量，和/或一个垂直于工件局部表面的运动分量。该第一振动运动可以是一个平移振动或一个旋转振动。
[0124]所说切削运动可以包括刀具的相对于工件的一个第二振动运动和/或一个线性和/或旋转前进运动。该切削运动可以由一个进给运动和另一个运动尤其一个旋转运动组成。对于钻，所说进给运动是沿着钻轴进行的，所说的另一个运动是一个绕钻轴的转动。对于车削加工，所说进给运动可以是沿一个轴推进车刀，而所说另一个运动可以为绕一个轴转动工件。对于铣削，所说进给运动可以是刀具和工件间的一个相对平移推进，而所说另一个运动可以为绕一个轴的铣刀转动运动。
[0125]一般来说，所说第一振动运动可具有时变性，就此它可被理解为调制振荡。所说调制可以包括频率变化、振幅变化(特殊情况:开/关键控)、波形变化或第一振动运动相位变化。该调制可以按照从存储器13中所读取的或所测量的工件规格数据来进行，或者只按照刀具相对于工件的相对位置数据或者按照一定的测量的或其他如接收的过程参数例如切削运动的参数来进行。
[0126]按照尺寸规定可以一方面对各个运动(第一振动运动，切削运动)的参数，及另一方面对刀刃几何结构(尤其刀刃长度)进行选择和设置。可以用剩余自由度优化整个过程。
[0127]第一振动运动的振动频率可以大于100赫兹或大于1000赫兹或大于10000赫兹。第一振动运动的振幅可以大于I微米或大于2微米或大于5微米或大于10微米，和可以小于I毫米或小于500微米或小于200微米。
[0128]控制装置12可以控制及调节第二实施例中所描述的方法和工序。可以提供适当的传感系统用于信号反馈。从而，该控制装置还可提供用于调整所述运动参数的预先设定，其可以被它再次从例如存储器13中读取出来。
[0129]通常，可以使用适于加载所说的叠加的第一振动运动的刀具。图7展示了这方面的例子。需要指出的是，这些刀具被视为本发明的独立部分。
[0130]图7a展示了车刀7的一个实施例，其中刀刃71的长度Is小于每转的进给量ss。振动幅度av相对较小，尤其小于刀刃长度，但还是与其成一定可衡量的比例，例如:>2%或>5%，但〈50%或〈25%的刀口长度Is。
[0131]图7b展示了带有几何定义型切削刀的刀具(在所示例子中为一个车刀)，其刀刃71是断开的或分截的。该刀口 71分为段71a、71h、71c和71d，这些分段各可以作为开了刃的刀口，但它们例如到工件旋转轴59的距离却不尽相同。图中所示例子中，各刀刃分段到旋转轴59的距离交替地采用两个可能值中的一个。各刀刃分段71a，71h，71c，71d的长度Isa, lsb, lsc, Isd可以互相相同或者不同。它们可以各分别满足上述有关振动运动振幅或进给量的公式(3)给出的尺寸规定。但也可以让所有分段的总长度之和Is符合该尺寸规定。
[0132]一个相匹配的钻头在其一个或多个侧刃上可以含有一个或多个、需要时沿着该刃间隔排列的刀刃段71a。一个侧刃上的刃段71a可以轴向上与其他侧刃上的刃段位于不同的位置上。
[0133]本发明的主题还涉及一个其上带有计算机可读代码的数据载体，当在一台合适的、程序数字控制的机床中应用时，其使以上所描述的方法作为整体或所述个别方法步骤得以实现。该代码可以为可执行代码或数据代码或两者的混合体。
[0134]当未明确说明时，本说明书中用于描绘现有技术或用于描绘本发明的特征还应可以与其他特征相结合，只要此结合在技术上是可行的，还可以是这些不同实施例间的结合。对方法步骤的描述还应可以理解当作实施该步骤的装置的描述，对某装置和部件的描述还应可理解当作由该装置和部件所实施的方法步骤的描述。
【权利要求】
1.一种用刀具加工工件的方法，其中所述刀具作用于该工件上并且在它们二者之间引发有一个切削运动，其特征在于:以这样一种方式，在工件和刀具之间引发一个与所述切削运动相叠加的、相对的第一振动运动:所述第一振动运动的一个或多个特征值和所述切削运动的一个或多个特征值相互参照调整。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:在工件加工期间，所述切削运动的特征值和所述第一振动运动的特征值是可变的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于:对于车削加工: 该第一振动运动的振动频率fv和该工件的旋转频率fs满足公式fv=(n+kl)*fs,其中η是一个整数，kl是一个O和I之间的相位移量；和/或 振动幅度av和车刀的进给速度满足公式av=k2*vs/fs,其中k2是一个选定的实际系数；和/或 刀刃长度Is满足公式ls=k3*av，其中k3是一个选定的实际系数。
4.一种用刀具加工工件的方法，尤其根据前述权利要求1所述的用刀具加工工件的方法，其中所述刀具作用于所述工件上并且在它们两者间引发有一个切削运动，其特征在于:以这样一种方式，在工件和刀具之间引发一个与所述切削运动相叠加的、相对的第一振动运动:形成可分辨的工件表面区域。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于:在工件加工过程中，按照工具位置和优选地还按照描述被加工工件的数据来控制所述的第一振动运动。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于:按照工件的位置控制所述第一振动运动的振幅和/或其振动方向和/或其频率和/或其波形。
7.一种用刀具加工工件的方法`，尤其根据前述权利要求1所述的用刀具加工工件的方法，其中所述刀具作用于所述工件并且在这两者间引发有一个切削运动， 其特征在于: 以这样一种方式，在工件和刀具之间引发一个与所述切削运动相叠加的、相对的第一振动运动:所加工出的表面跟一个无第一振动运动的加工的相比有所不同。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于:跟所述切削运动的相比，所述第一振动运动只轻微地，尤其以小于20%、优选小于10%或小于5%，改变材料去除量。
9.根据前述权利要求1或4或7所述的方法，其特征在于:所述切削运动和所述第一振动运动是由同一驱动器或不同的驱动器引发的。
10.根据前述权利要求1或4或7所述的方法，其特征在于:所述切削运动和所述第一振动运动是由不同的驱动器引发的，这些驱动器两个都驱动该刀具或两个都驱动该工件，或者其中一个驱动该刀具而另一个驱动该工件。
11.根据前述权利要求1或4或7所述的方法，其特征在于:所述第一振动运动具有一个平行于工件局部表面的运动分量，和/或具有一个垂直于工件局部表面的运动分量。
12.根据前述权利要求1或4或7所述的方法，其特征在于:所述切削运动包括一个第二振动运动和/或工件的一个朝向刀具的线性和/或旋转式前进运动。
13.根据前述权利要求1或4或7所述的方法，其特征在于其具有一个或多个以下特征: 该第一振动运动包含一个平移式和/或一个旋转式振动；该第一振动运动在一维空间内或二维空间内或整个三维空间内延伸； 所述切削运动包含一个第二振动运动，其可包含一个平移式和/或旋转式振动，或者它包含一个前进式旋转； 所述切削运动包含一个沿一工件表面前进的进给运动； 所述第一振动运动的控制包含开/关键控或者模拟调制该第一振动运动的一个或多个特征值； 所述第一振动运动的控制是按照刀具在工件上的瞬时位置和/或按照与先前或以后的刀具位置相比，该刀具的瞬时相对位置来进行的； 所述刀具为一个带有定义型切削刀的刀具，或一个带有非定义型切削刀的刀具。
14.一种用于加工工件的机床，尤其用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法的机床，其包括: 机器框架； 位于机器框架之上的刀具接口； 位于机器框架之上的工件接口； 调节控制元件，其用于调整刀具和工件间相对位置； 驱动器，其用于制造一个刀具和工件间的切削运动；和 控制装置，其用于控制和/或调节该机床的部件， 其特征在于: 所述控制装置是用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。
15.一种刀具，其用于一种尤其根据权利要求14所述的机床上，和/或用于一种尤其根据权利要求1到13中任一项所述的工件加工方法中，该刀具的切削刀是与所说第一振动运动的振幅相匹配的，尤其是以如此的方式:一个切削刀域具有一个结构，其尺寸在第一振动运动的振幅范围内。
【文档编号】B23Q1/34GK103635275SQ201280028656
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年6月14日 优先权日:2011年6月15日
【发明者】阿克塞尔.黑森坎普尔 申请人:邵尔超声波有限责任公司