具有主轴轴杆的刀具驱动机及操作方法技术

本发明专利技术涉及一种用于去除切屑的加工的具有主轴轴杆(3)的刀具驱动机(1)，该刀具驱动机包括至少一个轴向电磁致动器和控制和/或调节装置(16)，该控制和/或调节装置用于操作该轴向致动器以纵向地且轴向地改变该主轴轴杆(3)的位置。该控制和/或调节装置(16)设计成控制该轴向致动器独立于进给运动并且与进给运动叠加使得该主轴(3)进行微振运动，以改变材料去除的切屑大小和切屑形式。至少一个轴向磁轴承(14)和/或线性电机设置为该轴向致动器的至少一部分。在第二方面，本申请提出了一种用于具有主轴轴杆(3)和轴向磁轴承(14)的上述刀具驱动机的操作方法。

Cutter driver with spindle and its operation method

【技术实现步骤摘要】
具有主轴轴杆的刀具驱动机及操作方法
技术介绍
本专利技术涉及一种具有主轴轴杆(spindelwelle)的刀具驱动机和一种用于工件的切屑成形加工的操作方法。微振切屑成形加工领域内的第一件作品始于20世纪50年代莫斯科鲍曼大学的Ptr.V.N.Poduraev。其主要原理之一是除了生成钻削的进给运动之外还生成轴向振动或振荡，以获得钻削切屑，该切屑具有可以容易地从切削区域去除的尽可能最小的尺寸。最初采用的是主轴被称为自激振荡主轴系统和受外部激励的振荡主轴系统的两个主轴系统。在自激振荡主轴系统的情况下，刀具的自然频率用来生成谐振并且因此用来打碎钻削切屑使其成为许多小块。振荡频率由主轴轴杆的质量弹簧系统确定，刀架包括钻削刀具。还使用例如用来生成并控制重叠振动的有源驱动的压电系统，例如参见德国专利文献DE102009027688A1。这些系统在钻削切屑的尽可能最小的尺寸(从几毫米低至几微米)下呈现出高达2kHz或者显著地更高的高振荡频率。这些系统特别适合钻削出小孔。德国专利文献DE10343682A1提出了一种具有机械轴承的刀具系统，机械轴承具有附加线性驱动机，附加线性驱动机包括可以按照频率ω在纵轴上生成微振运动的压电操作或磁操作的致动器。微振振荡的生成在轴向方向上对准，并且由除了已经存在的机械轴承和夹具之外提供的磁致动器实现，该磁致动器插入机械夹持系统中。德国专利文献DE10343682A1因此教导了一种具有机械轴承的中空柄锥形刀具夹持系统，其中致动器可追溯地安装在刀具插口中的主轴末端，并且既不会根据所使用的材料来提供振动频率或幅值的自适应调整的指示，也不会提供有源轴向磁轴承的自适应调整的指示。另外，该解决方案的缺点在于必须通过集电环或类似物引入生成振荡所需的能量，然而这并不容易。同时，可以通过例如在常见的冲击钻削机器中采用的已知的机械系统生成振动。冲击频率结合转速与每转的振荡次数确定，仅相当于每转振荡几次，由此可以实现较小的切屑形式和切屑大小。涉及振动振荡的被机械地驱动的有源生成应当提及法国MITIS公司所提供的技术，正如例如美国专利文献US20130051946A1所解释的。高频轴向振动可以通过相对复杂的机械传动机构叠加(überlagert)到主轴轴杆上。用于快速转动轴杆(诸如用于真空泵)的轴向和径向磁轴承的构造和使用已经存在很长一段时间。例如在于1993年4月27日出版的作者为GerhardSchweitzer和SpringerVerlagTaschenbuch的书籍“Magnetlager:Grundlagen,EigenschaftenundAnwendungenBerührungsfreier,ElektromagnetischerLager”(ISBN-13:978-3662084496)中示出了轴向和径向磁轴承的各种设计。特别是在深孔钻削领域，显示出了振动机械加工、特别是振动钻削和振动铣削的显著优点，其中，切屑可以几乎毫无残留地从钻孔去除，并且刀具工件的温度可以降低。特别是，这些方面在不使用润滑剂进行钻削(即，在干式钻削方法中)时并且对于其中具有材料基体的工件(诸如在航空工业中发现的复合材料工件)必须进行钻削的应用具有显著优点。当穿过复合材料和粘合材料钻削时，根据钻头处的材料，而产生不同大小的钻削切屑。当穿过工件钻削时，材料沿着入口孔和出口孔的外围被推动，形成了毛刺，其中，毛刺的高度和长度取决于进给率并且可以通过向钻削刀具施加振动而受到影响。以上方法的缺点在于控制振动的引入以及监测加工过程的能力较差，这些解决方案具有复杂的构造，浪费了空间，并且降低了钻削效率。另外，现有技术例如德国专利文献DE102005030724A1中已知存在具有磁轴承的轴杆和主轴，并且优选地在用于涡轮泵、压缩机等的高频转动驱动机的领域中使用。从德国专利文献DE202007010866U1和DE102006036004A1中已知具有磁轴承的钻削主轴轴杆，能够通过驱动机将主轴轴线、轴向进给与生成磁场的磁轴承的线圈完成轴向对准。磁轴承的驱动机用于刀具过程中的主轴的准静态对准，这不会影响在它本身中的切屑成形过程，仅仅会影响主轴轴线的对准。详细地，德国专利文献DE102006036004A涉及一种具有轴向和径向布置的磁轴承的刀具驱动机，其目的是能够通过驱动机实现磁轴承的轴向和径向的枢转移动，以控制材料加工。没有迹象表明在钻削期间通过叠加运动，特别是微振振荡，具有对这样的前向钻削驱动机的支撑。美国专利文献US8694133B2和US7587965B2中呈现了一种用于驱动刀具驱动机的驱动方法，该方法对进给的幅值进行调制，以实现改进的切削加工。在此教导的是提供了一种具有控制环路的控制方法，其中，使用了各种影响因子(诸如距离测量值、力测量值、加速度测量值、温度测量值、电流或功率测量值、图像处理或数字光位移传感器)来实现轴向方向上进给功率和振动频率的最优化。总体类型相同的专利文献DE3421973A1、DE102005051909C5、DE202007010866U1和AT513094B1涉及受到振动的刀具驱动机的结构设计，其中，使用超声波振动轴向致动器或径向可控的磁轴承来影响切屑成形加工的过程。基于上述现有技术，本专利技术的目的是提出一种用于优化的切屑成形加工的改进的方法。该目的是通过根据独立权利要求的主轴和操作方法实现的。本专利技术其他的有利实施例是从属权利要求的目的。
技术实现思路
在本专利技术的第一方面，提出了一种用于切屑成形加工的具有主轴的刀具驱动机，所述刀具驱动机包括至少一个电磁轴向致动器和控制和/或调节装置，所述控制和/或调节装置用于操作所述轴向致动器以沿着纵轴改变所述主轴轴杆的位置，其中，所述控制和/或调节装置设计成驱动所述轴向致动器生成所述主轴轴杆的微振运动，以影响被去除的材料的切屑大小和切屑形状，所述微振运动独立于进给运动并且与进给运动叠加。所述电磁轴向致动器可以通过所述控制和/或调节装置的可变驱动来生成所述主轴轴杆的轴向微振运动，以影响切屑形成，特别是生成容易去除的小尺寸切屑。可以按照这种方式实现所述主轴轴杆的轴向振动性振荡的适配(Adaption)，以保持适当的用于变化的切屑成形加工过程(Prozess)参数，诸如例如刀具的磨损、刀具和工件温度、各种类型的材料、复杂的工件结构(诸如复合材料)等等。可以通过用于驱动所述电磁轴向致动器所需电流的受控且可变的作用来实现这一点，电磁轴向致动器影响所述主轴轴杆的轴向位置。所述刀具驱动机包括控制和/或调节装置，所述控制和/或调节装置设计成生成所述微振运动并且能够控制及调节另外的任务(诸如例如所述刀具的进给、驱动电机控制)以及切屑成形加工的其他的过程参数。为此目的，所述驱动机还可以包括传感器和致动器，特别是所述主轴轴杆的驱动电机和用于指定所述工件相对于所述刀具的位置的工件致动器。主轴轴杆是具有集成的刀具接口的直接或间接被驱动的精确安装的轴杆。主轴轴杆是许多现代机床中的重要组件。根据本专利技术的所述轴向致动器设置为轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于切屑成形加工的具有主轴轴杆(3)的刀具驱动机(1)，所述刀具驱动机包括至少一个电磁轴向致动器和控制和/或调节装置(16)，所述控制和/或调节装置用于操作所述轴向致动器以沿着纵轴改变所述主轴轴杆(3)的位置，其中，所述控制和/或调节装置(16)设计成驱动所述轴向致动器生成所述主轴轴杆(3)的微振运动，所述微振运动独立于进给运动并且能够叠加在进给运动上，从而影响去除的材料的切屑大小和切屑形状，其中，至少一个轴向磁轴承(14)和/或至少一个线性电机设置为所述轴向致动器的至少一部分，其特征在于，所述控制和/或调节装置(16)还配置为调整所述主轴轴杆(3)的轴向微振运动，使所述微振运动独立于进给运动并且能够叠加在所述进给运动上，以影响钻削时所产生的去除的材料的切屑大小和切屑形状。/n

【技术特征摘要】
20150408 DE 102015105338.11.用于切屑成形加工的具有主轴轴杆(3)的刀具驱动机(1)，所述刀具驱动机包括至少一个电磁轴向致动器和控制和/或调节装置(16)，所述控制和/或调节装置用于操作所述轴向致动器以沿着纵轴改变所述主轴轴杆(3)的位置，其中，所述控制和/或调节装置(16)设计成驱动所述轴向致动器生成所述主轴轴杆(3)的微振运动，所述微振运动独立于进给运动并且能够叠加在进给运动上，从而影响去除的材料的切屑大小和切屑形状，其中，至少一个轴向磁轴承(14)和/或至少一个线性电机设置为所述轴向致动器的至少一部分，其特征在于，所述控制和/或调节装置(16)还配置为调整所述主轴轴杆(3)的轴向微振运动，使所述微振运动独立于进给运动并且能够叠加在所述进给运动上，以影响钻削时所产生的去除的材料的切屑大小和切屑形状。


2.根据权利要求1所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述主轴轴杆(3)的至少一个径向轴承为液体轴承和/或空气轴承。


3.根据权利要求1所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述主轴轴杆(3)的至少一个径向轴承是径向磁轴承(13a，13b)，所述径向磁轴承能够由所述控制和/或调节装置(16)驱动以生成径向移动。


4.根据权利要求3所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述控制和/或调节装置(16)配置成通过至少一个径向磁轴承(13a，13b)执行受控的径向主轴移动，使得能够对钻孔(40，42)的开口进行去毛刺和/或对钻削通道(46)进行径向延伸。


5.根据权利要求1所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，设置了两个或两个以上的轴向致动器以增加位移力。


6.根据权利要求1所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述控制和/或调节装置(16，60)包括存储单元(62)和/或函数生成单元(64)，并且设计成根据工件(4，52)的几何数据和/或物理数据、和/或间接测量或确定的处理变量、和/或控制输入变量来指定振荡曲线的设定点值。


7.根据权利要求6所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述控制和/或调节装置(16，60)配置成检测在工件表面的穿透量和/或不同材料边界层(44)的加工处理值，并调整微振运动的设定点值。


8.根据权利要求6所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述控制和/或调节装置(16，60)配置成调整微振运动的至少一部分运动的振荡曲线的设定点值和/或在加工过程中阻断或启动微振运动。


9.根据权利要求6所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述控制和/或调节装置(16，60)配置成通过轴向致动器借助于连续的设定点值过渡来改变移动指定的振荡曲线的设定点值。


10.根据权利要求1所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述控制和/或调节装置(16，60)配置成与进给控制装置和/或与转速控制装置交换数据。


11.根据权利要求1所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述控制和/或调节装置(16，60)配置成通过轴向致动器生成介于1Hz与1kHz之间的微振运动，其中，刀具转动频率与微振频率之比能够在0.5到5的范围内进行调节；和/或微振运动的幅值设定在0.0...

【专利技术属性】
技术研发人员：马库斯·迪尔舍，约翰尼斯·冯卢兹思，
申请(专利权)人：科控工业自动化德国有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE