专利名称：用于调制辅助式加工的刀具夹持器组件和方法
用于调制辅助式加工的刀具夹持器组件和方法相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2005年5月3日提交的美国临时申请60/677,437的权益，该临时申请的内容通过引用并入本文中。
背景技术：
本发明大体上涉及加工装备，且更具体地涉及一种刀具夹持器组件，其能够在加工工艺中提供对切削刀具的受控调制(例如强制移动)，从而以便产生具有纳米结晶的微观结构以及期望的尺寸和形状的切屑。
切削刀具技术的发展总体上涉及先进的材料和涂层、独特的几何形状及其组合的使用，以延长刀具寿命、减小切削阻力和减少加工排
放流。尽管通常没有在刀具与工件的界面之间形成分离或控制机械切屑尺寸的能力，但还是在有关切削刀具方面特别地引入断屑器的几何形状特征，以促进切屑断裂。在钻削期间还通过调制实现切屑断裂，其中钻头以轮转的方式轴向地移动。除实现切屑断裂以外，还已表明调制辅助式钻削改善了钻削性能并减小了对切削液的需求。例如，已表明具有最低限度润滑的调制辅助式深孔钻削(具有长度直径(L/D)比达20的孔纵横比)。这样的研究结果已扩展为表明调制能改善有关金属切削的润滑效能。这样的研究领域可延伸为通过对能量消耗和生态学具有正面影响的工艺控制和创新来提高加工性能并减少加工流出物。
除以上所述之外，当前工艺状态的加工实践未将调制视作期望参数。通常利用特别设计和组装成用于在加工工艺中应用调制的专用设备进行前述研究，并且相对于机械设计或工业应用中技术的资本成本存在着经济阻碍。因此，总体的加工工艺设计强调消除或降低通常与 对加工工艺的性能有害的不稳定性相联系的振动。
发明简述
本发明提供一种用于在加工工艺中有意地引起调制的刀具夹持 器组件和方法。4艮据本发明的优选方面，刀具夹持器组件可用于产生 具有納米微观结构的切屑的工艺，并且尤其可用于可受控地产生具有 期望的形状和尺寸的纳米结晶切屑的方法。
本发明的刀具夹持器组件构造为用于安装在加工设备上的刀具
台座中。刀具夹持器组件包括刀具夹持器本体，其构造为用于固定 在加工设备的刀具台座上；刀具夹持器，其安装在刀具夹持器本体上 并构造为以便将切削刀具固定到该刀具夹持器上，以及用于在刀具夹 持器上施加重叠调制以便使切削刀具相对于刀具夹持器本体并因此 相对于加工设备的刀具台座运动的装置。
本发明的刀具夹持器组件尤其适于在意图利用切削刀具加工坯 体以产生具有期望尺寸和形状的切屑的方法中使用。具体而言，刀具 夹持器组件适于在切削刀具上施加重叠调制以便使切削刀具相对于 被加工的坯体运动，并且在切削刀具与坯体之间的接触点处引起切削 刀具与坯体之间的瞬时和周期性的分离，其中切削刀具与坯体之间的 每次分离产生切屑。如此以来，切屑的形状和尺寸至少部分地由调制 周期决定，并且具体地由切削刀具与被力。工的坯体相接合的时间长度 决定。根据本发明的优选方面，坯体以如下的方式进行加工由于切 削加工以施加足够大的应变变形的方式进行，故产生基本上由纳米结 晶的微观结构所构成的切屑。坯体可由多种材料形成，包括金属、金 属合金、金属互化物和陶瓷材料。此外，坯体可具有基本上无纳米微 晶体的微观结构，并且甚至可具有单晶微观结构。由切削刀具产生的 切屑可呈微粒、条带、丝线、细丝和/或片晶形式。
以上述方式产生的切屑可(在有粉碎或无粉碎的情况下)固结以形 成产品，使得产品基本上为大致或完全由纳米微晶体构成、或者由纳米微晶体长成的颗粒构成的纳米结晶整体材料。作为备选，切屑可分 散在基体材料中，使得产品为作为加强材料的切屑分散在复合材料 中。
本发明的刀具夹持器组件的优选使用是基于如下判定在合适的 条件下通过加工可在材料中形成纳米结晶结构，以产生包括高应变率 的非常大的应变变形，诸如大约0.5至大约10的塑性应变和达到106 每秒的应变率。认作为能够产生合适的纳米结晶结构的加工工艺包括 切削和研磨技术。切削速度看起来不是决定因素，以致如果使用切削 刀具进行加工操作，则基本上可使用任何切削速度。因为用于切屑的 生产方法为其参数可精确控制的加工操作，故对于给定的材料可精确 地并且重复地获得用于切削的期望的纳米结晶微观结构。由本发明的 刀具夹持器组件提供的调制辅助能力还能够控制形成用于在各种应 用中使用的期望的目视尺寸和形状的纳米结晶切屑。此外，刀具夹持 器组件可用于由利用现有技术难于或不可能处理的材料产生纳米结 晶固体，例如不能通过多级变形工艺处理的非常硬的材料和不能通过 凝结法处理的合金。
鉴于以上所述，本发明的刀具夹持器组件发现在可控制的和低成 本的方法中的效用，以便对可在各种整体的和复合的产品中使用的切 屑和特定的纳米结晶固体进行合成。
本发明的其它目的和优点将通过以下的详细说明得到更好地理解。
图1示意性地表示根据本发明的实施例用切削刀具加工坯体以产 生切屑的工艺。
图2和图3是由本发明的调制辅助式加工技术所产生的纳米结晶 切屑的扫描图像。
图4表示用于在本发明的调制辅助式加工技术中使用的刀具夹持器组件。 发明详述
如以下将讨论的那样，本发明为一种刀具夹持器组件，鉴于表明 重叠调制对加工工艺的益处的研究，该刀具夹持器组件特别有用。具
体而言，共同转让的且共同待决的美国专利申请序列No.(代理档案 No,A6-2082)公开了在加工工艺期间给予切削刀具或工件的调制运动 可在刀具-切屑接触的邻近区域处产生刀具与材料之间的瞬时分离。才艮 据所施加调制的方向，在具有通过切削液改善切削性能和润滑效能的 间接益处的情况下，实现有效的切屑形成。在对切屑尺寸和形状相关 的切屑管理或工艺应用具有重要关联的情况下，有效的切削形成可用 来对加工切屑的尺寸进行控制。
在图4中示出了属于本发明范围的刀具夹持器组件10。组件10 适于在可能的成本效率方法中使用，以便通过将调制直接应用于切削 刀具12而在传统的和现有技术水平的加工工艺中引入调制和使调制 商业化。所示的刀具夹持器组件10能够在调制辅助式车削和钻削操 作中使用。因此，虽然切削刀具12表示为切削镶嵌件，^旦切削刀具 12可备选地为钻削刀具或切断刀具/切断车刀。刀具夹持器组件10还 可适用于各种其它的加工工艺，使得现有的和将来的机床和工艺可装 配或改型装配有在加工中施加调制的刀具夹持器组件10。切削刀具 12示出为通过刀具夹持器14而直接安装到线性滚珠花键轴16上，但 要理解的是刀具12可以是或者直接结合在线性滚珠花键轴16的设计 中，使得滚珠花键轴16为刀具夹持器14的整体构件。由滚珠花键轴 承18所支承的滚珠花键轴16组装到刀具夹持器本体20中，并且整 个组件安装在机床台座22上。刀具12可以常规的方式使用，但根据 本发明，刀具夹持器组件IO适于对刀具12局部地施加调制。为此， 刀具夹持器组件10包括在刀具夹持器本体20内并且联接到安装在滚 珠花键轴16上的滚珠花键轴承18上的线性促动器24,例如压电机械线性转换器、磁致伸缩线性促动器、线性驱动马达等。在刀具12通 过刀具台座22而旋转时促动器14对刀具12施加线性调制。轴承18 将平面外的力传递到刀具夹持器本体20，以防止在促动器14与滚珠 花键轴16的连接处的扭转或弯曲。
在所示的组件10中，轴向地调制刀具12。取决于机床设计，刀 具12可安装成平行于工件旋转轴线(例如外圆车削或钻削)或横向于工 件旋转轴线(例如切断、横向车削)。但是，这种相同的方式可延伸至 沿备选的刀具方向上的调制。另外，提出的发明可通过能够与旋转刀 具连接的促动机构的改装而在旋转刀具(例如加工中心、活钻)中实现。
根据加工操作期间所施加调制的方向，形成两种不同的有效情
形。在沿刀具进给方向施加调制的情况下，未切的切屑厚度在各调制 周期期间等于零(h-O)，有效地使得切屑断裂。在调制的峰-峰振幅大 于刀具进给速率并且适当地控制调制频率时，即调制频率和工件旋转 频率满足充分的条件时，出现上述情形。对于沿切削速度的方向所施 加的调制，在零切削速度处形成用于刀具与切屑界面之间分离的条 件，需要调制频率和振幅的乘积超过工件的局部切向速度。在所施加 调制的两种方向情况下，加工期间在刀具与工件界面处的分离提高润 滑的效能。但是，对于沿进给速度方向调制的情况，可控制切屑的形 成和形状。此外，在两种情况下，系统柔度的效果将决定用于在刀具 切屑界面处的分离条件的物理阀值。
压电机械和磁致伸缩的转换器/促动器技术在所考虑的车床加工 条件的范围内能够传递所需的调制力和频率响应。与在较低振幅(例如 大约0.005毫米)处具有较高频率范围(例如大约30kHz)的Terfenol-D 基磁致伸缩促动器相比，锆钛酸铅(PZT)基压电才几械转换器通常在具有 较高振幅能力(例如大约0.150毫米)的相对低的频率范围(例如大约 5kHz)内操作。通常，两种类型的技术都能够满足通常加工情形的必 要条件。但是，可预见到的是，具体的加工工艺或需要的调制方向或 会要求一种类型的促动器技术要优于另一种。对于在刀具进给速度方向上的调制，促动器(诸如压电转换器)振幅越大可能越合适，而在切 削速度方向上的调制则允许使用(诸如基于磁致伸缩的)较高频率的促 动器。但是，由于所述两种促动器技术不能承受所施加的扭转或弯曲 载荷，故刀具夹持器组件10示出为包括机械连结件(线性滚珠花4定轴
承18)，以消除促动器24上的这些载荷。除压电机械和磁致伸缩的促 动器以外，希望线性马达技术的继续开发提供施加运动控制的能力， 从而提供局部地调制切削刀具12的额外途径。
切削刀具12的局部调制消除由大的机械质量(例如刀具台座20) 的调制所引起的不希望有的惯性效应，并避免基型机床设计中的调制 所需的资本成本，以便向加工工业提供采用调制加工技术的节省成本 的途径。同样地，与各种其它机床构件(如机械滑道、驱动器、转台、 工作夹持机构等)的质量相比，刀具夹持器组件IO的显著优点是要调 制相对小的质量。通过将调制局部地施加于切削刀具12，避免由较大 的机械构件质量的惯性所引起的不希望有的动态力。此外，刀具夹持 器组件10在成本方面与基型机床设计中的调制所需的资本投资相比 明显较低，以便向制造工业提供将该技术应用到主流加工操作中的相 对便宜的途径。因此，新的或现有的机床和工艺可装配或改型装配有 用于调制辅助式加工的刀具夹持器组件10。
其它的技术可用于将调制能力结合到现有技术水平的机床系统 的基本设计中。这些包括线性驱动技术或高速机床滑动构件中的新近 进展。当前，机床中线性驱动的应用是对于速度、精度和可重复性的 日益增加的需求的结果。但是，重点没有放在开拓相关的内在调制能 力上。Etrema Products, Inc,(Ames, Iowa, USA)当前销售 一种车床力口工 应用中基于磁致伸缩促动器技术的主动加工系统(AMS)，以在转动的 同时产生桶状成形。该系统可潜在地修改成用于调制辅助式加工。但 是，该装置的尺寸限制了可能的机械应用。类似地，Polytec PI, Inc.(Physik Instrumente, Auburn, Massachusetts, USA)设计并销售用于 车床加工应用的定制快速刀具伺服滑动装置，以便将压电转换器技术用于提高的滑动速度或备选地用于伺服马达机构。尽管上述两种商业 刀具滑动系统可潜在地修改为在加工工艺期间施加调制，但它们受较 高的成本和定制设计必要条件的限制。
本发明特别优选的方面是刀具夹持器组件10在通过调制式加工
直接产生纳米结晶切屑的方法中使用的适用性。这样的纳米结晶切屑 可直接由包括金属、金属合金、金属互化物和陶瓷的松散材料制成。
组件10尤其被认为最适于在深孔钻削操作中使用，特别地适于在包
括不锈钢、沉淀硬化钢、钛、和钽材料的难于加工的金属和合金中使
用。利用组件IO加工的松散材料可具有基本无纳米晶体的微观结构。
加工条件选择为引起导致具有纳米结晶微观结构的切屑的产生的严
重塑性变形，同时调制的条件通过刀具夹持器组件10而重叠在加工
操作上，以控制纳米结晶切屑的尺寸和形状，从而提供切屑在长度上 从几纳米到几毫米的范围变动的能力。因为可控制形态、尺寸和形状 的纳米结晶切屑可通过本发明的调制加工工艺直"l妄产生，故消除了对 额外的二次粉碎步骤的需求。通过受控的调制，有可能产生具有包括 等轴微粒、条带、丝线、细丝和片晶的大小和形状的纳米结晶切屑。 因此，用语"切屑"在此用于包括可通过加工操作产生的大致任何形 状。
共同转让的美国专利No.6,706,324公开了基于加工中切削形成期 间高应变变形导致金属和合金中明显的晶粒细化和纳米结晶微观结 构形成的判定、用于大规模生产纳米结晶材料的加工技术。参考图1 可看到切屑的剪切面中出现的变形，图中示出为用楔形压头(刀具)加 工工件表面。通过大应变变形去除的材料即切屑在刀具的通常称作为 前刀面的表面上滑动。刀具的前刀面与工作面的法线之间的角度称为 前角(oc)。刺入工件的楔的边缘是切削刃。刀具与工件之间的干涉量 是未变形的切屑厚度的切口深度(t。)，而刀具与工件之间的相对速度是 切削速度(Vc)。当刀具切削刃垂直于切削速度并且切口宽度与切削刃 长度和t。相比很小时，平面应变变形的状态占有优势，这认为是用于加工的试验和理论研究的优选构造。
通过沿着称为剪切面的平面的集中剪切，观察到产生图1中的切
屑形成，其中在切屑形成期间施加剪切应变(Y)。该剪切应变可通过 以下的方程(l)估算
Y = cos oc / sin 4> cos 0J)-oc) (方一呈1)
其中剪切面角((J))是t。和te的已知函数。可利用如下方程预测有
效的Von Mises应变(5 ):
e"〃3)54 (方程2) 方程(l)示出通过使前角(oc )从大的正值变化为大的负值可使得剪 切应变(Y)在宽的范围内变化(见图1)。另外，刀具-切屑界面处的摩才察 还经由其对剪切面角(J)的作用影响剪切应变(Y )。
鉴于以上所述，并且如文献中所称，在合适的切削条件下可产生 在大约0.5到大约10的范围内的有效塑性应变以及高达每秒106的应 变率，以及可产生宽范围的剪切面温度。这些值的范围大致大于通常 的严重塑性变形工艺中可实现的范围。加工相同的切口深度(t。)、前角 (a )和切削速度(Ve)的几何参数以与锻造或挤压中的模具的作用相类 似的方式影响剪切变形。切屑中沿着剪切面(变形区)的有效塑性应变 可通过改变刀具前角以及更小程度地通过改变刀具与切屑之间的摩 擦而在大约0.5至大约10的范围内系统地变化。剪切面上的平均剪切 应力和法向应力可通过改变刀具几何参数连同诸如Ve和t。的工艺参 数一起而改变，尽管通过力的测量可获得这些应力值。最后，变形区 中的温度可通过改变切削速度而系统地改变。例如，通过以非常j氐的 速度(大约0.5毫米/s)切削，在获得非常大的应变变形的同时温度可保 持稍高于周围温度。作为备选，希望切屑中或会出现相变(例如马氏体、 熔化)的温度可通过将切削速度提高到较高值如大约lm/s至大约2m/s 而实现。还利用刀具涂层、刀具-切屑界面的低频调制和确保在刀具与 切屑之间的界面处总是存在润滑剂的润滑的组合表明了使沿着刀具-切屑界面的摩擦改变高达三倍的能力。切削操作中可将摩擦(以及上述讨论的其它参数和条件)控制到的程度在其它严重的塑性变形工艺中是不可能的。总之，变形区域中的温度、应力、应变、应变率和速度场可利用可用的机械模型很好地估算或通过直接测量获得。因此，在宽范围内即在当前可获得的其它严重塑性变形工艺中及超出其的范围内可系统地施加和改变非常大的应变变形条件。
通过以上所述，可理解的是，美国专利No.6,706,324提供了在广泛的材料组中并且与其它工艺相比以较低的成本生产纳米结晶结构的基础。尽管美国专利No.6,706,324公开了可通过二次粉碎(例如球化、磨损、喷射研磨等)产生具有期望形状和大小的切屑，但采用本发明的刀具夹持器组件10的调制技术可用于直接通过加工工艺产生期望形状和大小的切屑。具体而言，如果加工期间在刀具进给方向上通过刀具夹持器组件10应用合适的调制条件，则在调制的各周期中未切的切屑厚度等于零，从而有效地断裂切屑。如上所述，在调制的峰-峰的振幅大于刀具进给速率并且适当地控制调制频率时，即调制频率和工件旋转频率满足充分的条件时，出现上述情形。这样，通过加工将纳米结晶材料的生产与合适的调制技术相结合，可生产具有特定大小和形状的纳米结晶切屑。相比之下，二次粉碎工艺仅提供切屑有限的或者没有可控性的最终大小和形状。因此，经由根据本发明的调制辅助式加工的纳米结晶切屑的生产提供了在生产的过程控制和能力方面的显著优点。
如上述实例，图2和图3是在垂直的调制辅助式车削操作中通过O(零)度前角的刀具产生的6061-T6纳米结晶铝切屑的显微照片。切屑总体上具有大约75纳米的典型粒度的等轴晶粒。图2中的微粒在体积(大约6.25xl(TS毫米s)上大致相同，但是呈不同的形状，包括等轴的、针形和片晶状。图3中的微粒也是同样体积的颗粒(大约168.8x10—5毫米3),再次呈包括等轴的、针形和片晶状的不同形状。在外圓车削操作中利用直径大小不同的杆产生这些颗粒。工件旋转速度、切削深度以及调制频率与振幅基于用于调制辅助式加工工艺的数学模型而改变。由于加工期间实现的晶粒细化，故切屑具有大约150HV的 硬度，这比初始松散原料硬50%。这样的纳米结晶切屑可通过粉末冶 金(PM)工艺结合到构件或结构中，或用作金属和聚合基体复合物中的 重要成分。
纳米结晶切屑的调制辅助式加工可通过相同的基础途径从少量 的试验需求到大量的工业需求依比例决定。例如，在微粒形成的切屑 生产中，可通过提高的材料去除率以及设计成按比例地提高切屑生产 率的多边切削刀具的使用实现提高的生产率，该提高的材料去除率由 受动态响应限制的提高的调制频率补偿。
现在将参考圆柱形垂直车削操作更详细地描述用于本发明的调 制辅助式加工工艺的基础，其中切削刀具平行于被加工的工件轴线(与 旋转轴的轴线一致)移动，以便从工件的周边去除材料层。本领域技术 人员将理解的是，横向车断面和切断车削操作中的调制的应用以及其 它加工工艺(例如钻削、磨削、研磨等)将遵循类似的途径。
在本实例中，切削速度Ve根据以下方程式由工件直径和旋转速度 限定
vc=2nrfw
稳定状态中在给定时间t处的切削刀具的刀具位置Z。为
其中Vf是没有调制的情况下的进给速度(例如毫米/秒)，而t是时
间(以秒为单位)。在外圓车削期间刀具的轴向进给速度vf根据以下方
程式由进给速率a限定
vf=afw
其中Vf是在没有调制情况下的进给速度(例如毫米/分钟)，a是每 次回转的轴向进给速率(例如毫米/转)，而fw是工件旋转频率(转/秒)。 在任一时间t处的未切切屑厚度h是进给速率和所用刀具切削刃数量 的常数函数。对于具有"n"个切削刃的刀具，表达式为h(tha/『常数。尽管调制可以是时间的 一般函数，但在进给速度方向上的强迫二 次谐波调制被认为是用于本实例的方法，并且fm是以周/秒(Hz)为单位 的调制频率。在正弦调制"t)-AC0S口TTU)沿进给速度的方向应用于刀具
的第一实例中，刀具位置随时间周期性地改变，而未切的切屑厚度是 时间的函数。基于较早的报告，在任一时间t处，刀具位置是刀具的 瞬时位置Z(t)与刀具在前一周期中的相对位置Z(t-T)之间的差值(其中 t是由工件旋转所限定的一个周期的时间段)。于是，瞬时的未切切屑
厚度h限定为
h(t)-z^z(t)-z(t-T)
对于正弦调制，作为时间和刀具切削刃数量n的函数的未切切屑
厚度的一般形式为
h(t)-z^n + z(t〉-z(t-T/n)
h(t) = VfT/n + 2A{cosnfm(2t-T/nsin[n(fm/n)TJ}
h(t) = a/n + 2A[cos(2nfJ - n(Vn)/fw)Isin(n(fJn)/f』
其中fw是工件旋转速度(转/秒)，T是工件一转的时间段 =2TT/cow = 1/fw， n是切削刀具边缘的数量，Vf是没有调制的情况下的进
给速度(毫米/秒)，fm是以转/秒(Hz)为单位的调制频率r^"^转/秒)， A是调制的峰-峰振幅的一半(毫米)，而T是时间(秒)。
在各个调制周期中当未切的切屑厚度(h)达到h=0的值时，出现单 独颗粒的形成。数字地求解用于11=0的时间的值。通过未切切屑厚度 的函数关系，调制频率和切削刃数量与工件旋转频率的比率(fn;n)/fw 必须不为零或偶数，因为用于h(t)的表达式中的n的偶数倍得到 h(t)=VfT=Vf/fw的恒定值(这些情形将意味着调制对未切的切屑厚度、 每周期刀具位置的相对变化、以及随后的在时间t处的切削遵循与前 一周期t-T中的切削相同的路径未施加影响)。在圆柱形垂直车削的情 况下，切削刃的数量(n)是一(单点车削)，而用于零切屑厚度的充分条 件是调制的振幅2A大于或等于"a，，，并且比率fjfw必须为1/2的奇 数倍，其中"a"大于或等于Vf/fw。尽管这些条件是在邻近接触区域处形成刀具-切屑界面之间的分离的数学充分条件，但系统柔度的物理
效应(例如刀具刚度、工件刚度)将增加实现h=0和有效地断裂切屑所
需的振幅2A的实际大小。此外，要重点指出的是，实际值组中fn/fw
的比率取决于振幅2A的值、可导致单独的切屑颗粒的形成。
通过用于h = 0的时间值的数值解，有可能确定切屑形成频率和 绝对切屑长度的特征。切屑形成的这些基于时间的属性与调制振幅、 调制频率和工件旋转频率相关，但是独特的表达式不容易处理。然而， 通过h = 0的顺序时间值的数值解可确定在调制情况下的切削的持续 时间。通过调制辅助式加工的切屑控制可明显地影响加工切屑管理中 的材料处理或者在切屑的大小和/或形状相关的应用中起重要的作用。 通常，对于给定的切削条件组，切屑形成频率与调制频率和工件旋转 频率的比率成比例。于是，每工件回转周期断裂的切屑数量由下式给 定
fcB = fir/fw
其中，fcB是每工件回转断裂的切屑的频率(断裂/转)。通过降低工 件旋转速度或提高调制频率可减小切屑长度。由于调制不改变体积材 料去除的总速率，故每调制周期去除的体积可用于估计切屑的形状。
削速度估算。切屑的实际形状(和长度)是在调制期间刀具穿入的实际 通道距离与由于切削所引起的应变效果之间的复杂关系的结果。
L 2rrfwTCB
其中，TcB是用于一个调制周期的切削持续时间(h-O的数值解时 间值)，L是大致的切屑长度(毫米)，而fw是工件旋转频率(转/秒)。
切屑的实际长度将取决于由调制振幅和频率条件所引起的刀具 到工件中的穿入。重点指出的是，在数学模型中，可通过修改调制条 件直接控制切屑长度，并且在工件几何形状的极限范围内基本上可获 得任何的切屑长度。
在正弦调制z(t)=Acos(2nfmt)沿切削速度的方向应用于刀具的加工操作中，瞬时未切的切屑厚度11保持规定的刀具进给速度11=2。=￥{1=&= 规定常数的常数函数。尽管未切的切屑厚度不改变，但瞬时刀具位置 和切削速度Vc随时间周期性地改变。在稳定状态的条件下刀具相对工 件的相对周边位置由下式给定
c(t) = 2nrfwt
其中，r是工件的半径(例如毫米)。通过沿切削速度方向施加的调
制，在具有调制的情况下得到的切削速度(V^，毫米/秒)为
V咖- 2nrfw - 2nf, sin (2ttU) V加=v。 - 2nf, sin (2nfmt)
其中，Vc是在没有调制情况下的切削速度(毫米/秒)，fm是调制频 率(周期/秒，赫兹)，fw是工件旋转频率(转/秒，赫兹)，A是调制的峰-峰的振幅的一半(毫米)，而t是时间(秒)。
如果乘积fmA大于或等于Vc/2 7t (备选地fmA大于或等于fm)，则 瞬时切削速度vcm在调制的各周期期间为零或较小，以便在刀具-切屑
接触的邻近区域启动用于分离的必要条件。瞬时的分离通过允许润滑 剂穿透刀具-切屑界面的区域来在加工工艺期间增强润滑效能、以便改
善切削性能。fmA大于或等于Vc/2 7t的条件是在接触的邻近区域形成
刀具-切屑界面之间的分离的充分条件。但是，如调制沿进给速度的方
向情况一样，实现O或较小的切削速度Vem所需的fmA的大小稍大于
Vc/2tt，以补偿加工系统的柔性(例如刀具刚度、工件刚度等)。
采用包括大约0.150毫米/转的进给速率a和大约2500转/分钟的 工件旋转频率fw的典型外圆车削条件，没有调制的情况下的进给速度 Vf = 0.150毫米x 2500转/分钟/(60秒/分钟)=6.25毫米/秒。对于沿进 给速度方向施加的调制，有效地断裂切屑需要调制的振幅2A>a> 0.150毫米(h-0)。在相同的切削条件下，为了沿切削速度的方向施加 的调制变得有效，comA> Vf/2丌comA>大约0.97和2A=0.010毫米的 规定调制振幅必须与大约11.6kHz的频率fm —起出现，以启动用于 刀具与切屑接触之间的分离(Vcm为零或较小)。要重点指出的是，调制条件在方向上的相对差值和相对分量导致切屑的形成或分离。
鉴于以上所述，注意到本发明的刀具夹持器组件10可克服用于
调制辅助式加工的现有装备的各种缺点。通过利用诸如具有滚珠花键 轴承的磁致伸缩的或压电机械的促动器的促动器技术，刀具夹持器组
件IO提供机械界面，以便以使得切屑的大小和形状受控制的方式将
强迫的位移应用在切削刀具。线性滚珠花键轴承消除扭转载荷与促动 器之间的相互影响，以便在允许沿调制方向的接近无摩擦的运动的同 时承载平面外施加的载荷。由于调制局部地施加在切削刀具和直接支 承刀具的部件上，因而避免了由大的机械构件质量所引起的可能的不
希望有的动力效应。刀具夹持器组件10提供相对便宜的途径，以将
调制技术采用于诸如车削和钻削的主流加工工艺中，并避免在基型机 床设计或定制改型的机床构件中的调制所需的资本成本。现有的机械
刀具和工艺能通过刀具夹持器组件10改型，而其它备选的方式需要 明显较高的成本和定制设计的机床构件。刀具夹持器组件10还提供
通过允许更有效的润滑和改善加工性能而在加工中减少能量需求的 潜能。通过刀具-切屑界面局部分离增强润滑效能能够在潜在地有利影 响加工操作的生态学的情况下潜在地减少(例如水和/或化学基的)力口工 外排流。
尽管已根据特定的实施例说明了本发明，但显然的是本领域的技 术人员可采用其它的形式。因此，本发明的范围仅由所附权利要求限 定。
权利要求
1. 一种构造为用于安装在加工设备上的刀具台座中的刀具夹持器组件，所述刀具夹持器组件包括刀具夹持器本体，其构造为用于固定到所述加工设备的刀具台座上；刀具夹持器，其安装在所述刀具夹持器本体上并构造为用于将切削刀具固定到所述刀具夹持器上；和装置，所述装置用于在所述刀具夹持器上施加重叠调制以便使所述切削刀具相对于所述刀具夹持器本体并因此相对于所述加工设备的刀具台座运动。
2. 根据权利要求1所述的刀具夹持器组件，其特征在于，所述施 加装置是可操作的，以便使所述切削刀具相对于利用所述切削刀具进 行加工的坯体运动，并且在所述切削刀具与所述坯体之间的接触点处亏1起所述切削刀具与所述坯体之间的瞬时和周期性的分离。
3. 根据权利要求1所述的刀具夹持器组件，其特征在于，所述刀 具夹持器本体安装到所述刀具台座上以便与所述刀具台座一起绕它们的共同轴线旋转，并且由所述施加装置施加的重叠调制包括所述刀具的沿着所述刀具夹持器本体和所述刀具台座的共同轴线的运动。
4. 根据权利要求1所述的刀具夹持器组件，其特征在于，所述刀 具夹持器本体安装到所述刀具台座上以便与所述刀具台座具有共同的轴线，并且由所述施加装置施加的重叠调制包括所述刀具的平行于 所述刀具夹持器本体和所述刀具台座的共同轴线的运动。
5. 根据权利要求1所述的刀具夹持器组件，其特征在于，所述刀 具夹持器本体安装到所述刀具台座上以便与所述刀具台座具有共同的轴线，并且由所述施加装置施加的重叠调制包括所述刀具的横向于 所述刀具夹持器本体和所述刀具台座的共同轴线的运动。
6. 根据权利要求1所述的刀具夹持器组件，其特征在于，所述施加装置包括所述切削刀具安装于其上的轴；所述刀具夹持器本体中 的腔体，所述轴容纳在所述腔体中使得所述轴和所述腔体具有共同轴 线；滚珠花键轴承，其用于允许在所述轴与所述刀具夹持器本体之间 平行于所述共同轴线的运动；以及用于使所述轴相对于所述刀具夹持 器本体并且平行于所述共同轴线双向促动的装置。
7. —种加工坯体以产生切屑的方法，所述方法包括步骤 提供被构造为用于安装在加工设备上的刀具台座中的刀具夹持器组件，所述刀具夹持器组件包括刀具夹持器本体，其构造为用于 固定到所述加工设备的刀具台座上；以及刀具夹持器，其安装在所述 刀具夹持器本体上并且构造为用于将切削刀具固定到所述刀具夹持 器上；以及在所述刀具夹持器上施加重叠调制，以便使所述切削刀具相对于
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述施加步骤包括 使所述切削刀具相对于利用所述切削刀具进行加工的坯体运动，并且 在所述切削刀具与所述坯体之间的接触点处形成所述切削刀具与所 述坯体之间的瞬时和周期性的分离。
9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述刀具夹持器本 体与所述刀具台座一起绕它们的共同轴线旋转，并且所述重叠调制包 括所述刀具的沿着所述刀具夹持器本体和所述刀具台座的共同轴线 的运动。
10. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述刀具夹持器 本体安装到所述刀具台座上以便与所述刀具台座具有共同的轴线，并 且所述重叠调制包括所述刀具的平行于所述刀具夹持器本体和所述 刀具台座的共同轴线的运动。
11. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述刀具夹持器 本体安装到所述刀具台座上以便与所述刀具台座具有共同的轴线，并 且所述重叠调制包括所述刀具的横向于所述刀具夹持器本体和刀具台座的共同轴线的运动。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述重叠调制利 用轴施加，所述切削刀具安装在所述轴上，所述轴容纳在所述刀具夹持器本体中的腔体中使得所述轴和所述腔体具有共同轴线，滚珠花键:线的运动，并且所述轴相对于所述刀具夹持器本体并且平行于所述共 同轴线被双向促动。
全文摘要
一种用于在加工工艺中有意地引起调制的刀具夹持器组件(10)和方法。刀具夹持器组件构造为用于安装在加工设备上的刀具台座(22)中并包括刀具夹持器本体(20)，其构造为用于固定到加工设备的刀具台座上；刀具夹持器(14)，其安装在刀具夹持器本体上并构造为用于将切削刀具(12)固定于其上；装置(24)，其用于在刀具夹持器上施加重叠调制以便使切削刀具相对于刀具夹持器本体并因此相对于该刀具运动。刀具夹持器组件可在用于产生具有期望形状和尺寸的切屑的工艺中使用，且尤其是可用于可控地产生纳米结晶切屑的方法。
文档编号B23B29/12GK101484261SQ200780025230
公开日2009年7月15日 申请日期2007年1月11日 优先权日2006年5月3日
发明者J·B·曼, S·钱德拉塞卡, W·D·坎普顿 申请人:普渡研究基金会