专利名称：用于在切削机床上机加工工件的方法
技术领域：
本发明涉及在切削机床上机加工工件的方法，具体地涉及在工件中钻孔的方法， 其中工具被放置成相对于工件旋转且该工具以进给运动相对于工件移动，该工具在相对于 工件的进给运动的方向上执行振荡运动。
背景技术：
例如由DE 10 2005 002 460 Al 了解这样的方法。在工件的去屑机加工中，必须尤其重视碎屑的清除以及机加工的精度和速度。在 这种情况下，不仅在切削期间产生的长的碎屑导致关于处理的问题，而且在机加工期间也 产生不希望的效果。这些问题在产生碎屑的所有机加工操作中发生，例如尤其是在钻孔、铣削和车削 期间。因此采用各种措施来使产生的碎屑断裂，以便它们可以被更容易地清除。然而，由于 它们在关于快速的且准确的机加工方面是期望的，短的碎屑不仅提供处理的优点，而且提 供了好的表面状况。具体地，在深钻孔的制造中，产生的碎屑可以导致例如工具在钻孔中卡住，其可能 导致工具上的过度磨损，结果导致服务寿命的减小或甚至钻的断裂。另外，在这种情况下， 同样地，长的碎屑损害了机加工表面的质量，这是因为可能产生了槽。从DE 31 39 540 Al可知，为了解决这些问题，实践是在钻孔期间从钻孔循环地抽 出钻，且之后再次使它前进到钻孔中，为了从钻孔中清除产生的碎屑。抽回使得从碎屑中移 除钻，因此其使碎屑断裂，且，由于较短的碎屑长度，使得碎屑被更容易地取走。在再次前进 时，钻不得不返回与工件接合，其可能导致质量问题，在快速地前进的情况下，仍然具有钻 撞到钻孔的基部并且断裂的风险。在开始处提及的DE 10 2005 002 460A1中，为了避免这些问题，提出通过机械措
施将振荡运动叠加到持续的进给运动上，振荡运动的行程可以被设定且其在轴向方向上往 复地运动。由此意图是产生的碎屑在早期阶段断裂，以致于产生容易清除的短碎屑并在机 加工时引起较少的问题。已知的钻孔器具因此设置有振荡器外壳，该外壳的轴承衬套经由滚动元件与振荡 器的轴承衬套合作。由于有两个轴承衬套，所以将振荡运动机械地叠加到持续的进给运动 上，该进给运动本身没有被改变，振荡运动的振荡行程可以通过轴承衬套彼此相互的倾斜 度的改变而被设定在特定的范围内。在这种情况下的该布置使得在钻的分别两个完整的旋转期间执行完整的振荡行 程。由此，振荡的频率总是与钻的旋转速度的一半一样大。在钻的每一旋转0.02mm的进给 运动的情形中，振荡行程可以被设定成低于0. 02mm的值。在这种钻孔机构的情形下，除了其复杂的并且因此成本昂贵的且易受影响的结构 之外，不利的是振荡行程的手动设定困难且是耗费时间的，并且因此是较不灵活的。另外， 由于旋转速度和振荡频率之间的固定的预先限定的关系和在每种情形下振荡行程必须在机加工操作之前被固定地设定的事实，已知的钻孔机构不能满足所有要求。这具体地应用 于在机加工将在碎屑不容易被移除的材料的工件上执行时。因此需要在每种不同的机加工 任务的情形中特定地适应被使用的钻孔机构。从DE 10 2006 015 038 Al和DE 197 28 268 Al可知，在用工具加工旋转的工件
时，将过程参数设定成基值和使过程参数在这一基值附近变化。这些已知的方法不能对付与长的碎屑和其的分别的移除相关的问题。
发明内容
鉴于上述，本发明的目的是以这样的一种方式改善在开始处所提及的方法，使得 它可靠地工作且可以容易地适合于不同的机加工任务。在开始处提及的方法的情况下，根据本发明，这种目的已实现，在于可设定的振荡 分量被通过控制装置赋予给进给运动。这样，充分地实现了潜含于本发明中的目的。这是因为本申请的发明人已经认识到，振荡运动的机械叠加总是具有甚至用大的 结构资源应用不能被修正的相关的缺点。然而，根据发明人的认知，现代的机床的控制和 驱动系统出乎意料地使得振荡分量可以被赋予给进给运动本身，以便随时间平均地实现恒 定的进给量，而进给运动被使得以具有高的时间分辨率的可控的方式在这一平均值附近变 化。在本发明的情形中，“振荡运动”不应当被仅仅理解成规则的或均一的运动，尽管 这样的运动是优选的。然而其它形式的运动也是可以的，其中叠加的运动例如在进给方向 上具有不同于在与进给方向相反的“返回行程”中的随时间的变化和/或加速度特点或速 度特点。更确切地说，使用者能够自由地为振荡运动选择波形参数，因此也能够在机加工的 操作过程中改变这些参数的乘积。在这种方法的情形中，因此不需要任何额外的振荡机构或任何超常的另外的机加 工轴线，更确切地说，由在任何情形下设置的进给轴线来实现使用，控制装置引导的振荡分 量已经根据本发明赋予给进给轴线的进给运动。因此，还可以消除在振荡运动的机械叠加的情形中出现的进一步的问题。如在开 始处提及的，在机械叠加的情形中振荡行程在机加工任务期间可能不能被改变。由此，在深 孔的钻孔中机加工以长的进给运动开始，其被逐渐增加。结果，机械地预定的振荡行程或者 是在深孔钻孔的开始阶段太大以致于在返回行程期间钻从碎屑中出来，其削弱了工具的机 加工的质量和服务寿命，或者是振荡行程在结束阶段太小，以致于返回行程不足以使碎屑 变薄至它以限定的方式断裂的程度。由于使用新方法，振荡行程现在在机加工操作期间优化地适合于进给运动。同时， 还可以将任何波形通过控制装置赋予给进给运动的振荡分量。接下来，具体地正弦波形在 这种情形中是优选的。或者说，可以在任何时间以自由的且灵活的方式改变振荡分量的所有参数，使得 振荡分量可以适应性地匹配机加工操作的现有轮廓。这样，可以在所有的可想到的机加工 任务的情形中第一时间可靠地防止进给速率变成零或负的。或者说，工具在整个机加工操 作期间保持与碎屑接触。
可以用单个进给轴线进行进给运动的这样的变化的事实不是被期待的。然而申请 人的试验表明，通过现有的可利用的驱动系统以可再生产的方式使进给轴线的这样复杂的 运动次序是可以的。因此，例如可以在申请人的机床上实施新的方法，其的机床被装配有西 门子840D型控制系统和来自Siemodrive 611D产品范围的驱动系统。
出乎意料地，在这种情形中发现，与没有叠加振荡运动的控制系统相比，在工具的 相同的服务寿命和相同的机加工质量的情况下可以使平均的进给速率增加。在一系列的试 验中，甚至可以几乎使得在深钻孔中的平均进给速率翻倍。现代的机床的反馈控制器和致动器，和控制软件，允许振荡分量的波形具有连续 的特点，即没有在机械叠加的情形中不可避免的急动运动分量，其中它们对工具的服务寿 命和机加工质量产生负面作用。根据申请人的试验，为此目的所需要的电机电流的快速高 分辨率的控制和电机电流的快速变化可以以持续的方式实现，而没有超过被观察到的负载 限制。虽然原则上可以在工具或工件的自动进给被影响的那些数字控制的钻孔和铣削 机构上执行新的方法，但是如果在工具被夹紧到工作主轴和工件被夹紧到装置中的CNC控 制的机床上执行所述方法，不过在至少进给运动的方向上以程序控制的方式使得工作主轴 和装置被彼此相对地运动是尤其优选的。在这种措施的情形中，优势在于现有的机床可以被更有效地用于深孔钻孔，这是 因为控制系统被编程使得新方法可以被执行。在这种情况下，优选振荡参数被独立于工具的旋转速度设定。在这种情况下有利的是新方法可以被灵活地适合于所有的机加工任务、所有参数 (例如振荡频率和振荡行程)，和振荡分量的波形是可自由地选择的且未被以不可变化的 方式与旋转速度耦合。然而相反地工具的进给量和旋转速度可以由此在机加工的过程中被 自由地改变，且这没有对强制碎屑的断裂产生负面作用。本发明的另外的实施例可以在从属权利要求中发现。尤其优选的是，如果钻孔被钻到工件中且如果振荡分量(a(t))的振荡行程(k)有 赖于工具的进给量(f)设定。基于上述提及的现有技术，这不再是期望的，在对优选地深钻孔进行钻孔的方法 中钻的进给量可以被用于以适应性的方式设定振荡行程。这时，可以解决从钻孔移除碎屑 (更重要地是对于深孔的钻孔)的问题，并且产生的钻孔因此显示好的表面质量。通过描述和附图来公开进一步的优点。应当理解，在不背离本发明的范围的情况下，在下述中仍然将被说明的特征和上 文提及的特征不仅可以用于分别地陈述的组合中，而且还可以用于其它的组合或单独地使用。
本发明的实施例在附图中被显示出且在随后的描述中进行了更全面地说明。在附 图中图1显示新的方法在其上被执行的机床的示意图；图2显示用于图1的机床的进给轴线的位置反馈控制回路的方块图；和
图3显示在顶部被示出的所得到的进给速率V(t)随时间的变化和在底部被示出 的进给运动s(t)随时间的变化的以任意单位的示意图。
具体实施例方式机床被在图1中示意性地显示出，该机床被用参考标记10表示，且在本实施例中是CNC控制的垂直运动的立柱式机床。车床工具10具有工件台11，该工件台11具有使待机加工的工件14夹紧到其中的 装置12。还被设置的是主轴头15，其中以可旋转地驱动的方式安装了工作主轴16，该工作 主轴16以已知的方式在其下端面17处承载工具18，该工具18在这个情况下是钻孔工具。主轴头和装置是以实质上同样已知的方式在三坐标空间中可以彼此相对地移动。 为此目的，在显示的实施例中，主轴头被安装到导轨19上，它可以沿着导轨19在进给轴线 的方向上执行进给运动，该进给轴线在这种情形下是ζ轴线。这种进给运动是由电机21来 实现的，该电机21以实质上已知的方式驱动滚珠螺杆22，该滚珠螺杆22沿着导轨19移动 主轴头15。当通过工作主轴16使得工具18以旋转速度η旋转时，如由箭头22所显示的，且 被沿着ζ轴线相对于工件14以进给速率s (t)移动时，由此可以在工件14中制造钻孔。为此目的，电机21经由在图2中被显示为方块图的位置反馈控制回路23来进行 控制。位置反馈控制回路23包括内反馈控制回路、电流反馈控制器24，该电流反馈控制 器24在其输入时将来自电机21的电流实际值25与通过旋转速度反馈控制器27供给的电 流设定点26进行比较。旋转速度反馈控制器27在其输入时将由被连接至电机21的解码 器29供给的旋转速度实际值28与由位置反馈控制器32供给的旋转速度设定点31进行比较。位置反馈控制器32在其输入时将由解码器29供给的位置实际值33与由控制系 统35供给的位置设定点34进行比较。控制系统35依赖于机加工的任务和电流机加工状态计算各个下一位置设定点 s (t)，该位置设定点通过主轴头15的运动由工具18来假设。为此目的，经由反馈控制器 24、27和32对电机21进行相应地控制。如果以恒定的进给速率s (t)执行线性运动，那么依赖时间的位置设定点Sf(t)被 按照下述进行计算Sf(t) = f*n/60*t，其中f =工具的每一旋转的进给量η =每一分钟工具的旋转速度t=以秒计的时间在进给量为f = 0. 018mm/每转和旋转速度为η = 8000/分的情况下，产生了例如 2. 4mm/秒的恒定的进给速率Vf = f*n/60。为了实现强制碎屑断裂，另外地除了恒定的进给运动Sf(t)之外赋予给进给运动 s(t) 一振荡分量a (t)，该振荡分量被设定使得例如对于工具的每一 X旋转一旦所获得的进 给速率V(t)假定是大于或等于零的最小值。所获得的进给运动s (t)那么被获得为
s(t) = Sf(t)-a(t)，且a (t) = k*sin ((2 n nt) / (60X))，其中，n/(60X)是振荡频率fa，和k是常数，k的最大值由f和X来定义。可通过 适当的选择X来影响碎屑的长度。如果在机加工的过程中进给量f被改变，那么k适应性 地匹配新的机加工条件，振荡频率fa也能够通过X的变化被改变，不依赖于旋转速度n。在这种情况下，由k确定的工具的振荡行程在任何情况下不会比在没有叠加振荡 分量的情况下实现的进给量大。之后确保工具不会与碎屑分离。在时间上是平均的情况中，这一振荡分量a(t)因此不是在整个进给量上起作用， 而是它导致进给运动被再次周期性地加速和减速。由申请人进行的试验表明控制系统和驱 动系统(也就是具体地位置反馈控制回路23和电机21)满足这些要求，即便在持续不变的 操作中。例如，如果进给量周期性地变成零，那么可以应用至振荡分量的进给速率Va是Va = Vf*sin((2Jint)/(60X))和，因此V (t) = Vf-Va = Vf* (1-sin ((2 n nt) / (60X)))因此，进给速率V(t)在零和最大值2*Vf之间正弦地波动。在时间上是平均的情况下，以Vf持续地实现进给量。如在图3中在顶部原理地显示的是所获得的进给速率V(t)随时间的变化和在底 部显示所获得的进给量s(t)随时间的变化。可知，进给速率V(t)周期性地变成非常低或甚至零，其导致没有进给量或几乎没 有进给量被实现，且因此碎屑周期性地变薄，其因此变成波纹状的，这导致强制碎屑断裂。由申请人的试验表明，振荡频率fa达到70Hz和振荡行程k为0. 02mm可以被实现， 旋转速度n和进给量f能够不依赖于它们在宽的范围内被改变。之后对于X = 2至5，以稳定的方式实现了产生的碎屑断裂。因为振荡a(t)的激 励位于小的信号范围内，所以对滚珠螺杆22的动态要求也位于可允许的范围内。由于使用这种方法，可以在可靠的碎屑断裂的情况下机加工甚至不容易切削的材 料(也就是来自该材料的碎屑不容易被移除)或产生长碎屑的材料。此处对于f和n描述的值应当理解成仅是示例性的，在更高或更低的进给速率和 工具旋转速度的情况下，该新方法也以所需要的可靠性和长期的稳定性工作。
权利要求
一种用于在切削机床上机加工工件(14)的方法，其中使得工具(18)相对于所述工件(14)旋转(20)和相对于所述工件(14)以进给运动(s(t))移动所述工具(18)，所述工具(18)在相对于所述工件(14)的所述进给运动(s(t))的方向(z)上执行振荡运动，其特征在于，可设定的振荡分量(a(t))通过控制装置被赋予给所述进给运动(s(t))。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述振荡分量(a(t))的振荡行程(k)依 赖于所述工具(18)的进给量(f)而设定。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述振荡分量(a(t))的振荡频率 (ff)和/或振荡行程(k)被独立于所述工具(18)的旋转速度(n)设定。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述振荡分量(a(t))被设定 使得所述进给运动(s(t))总是保持大于零或等于零。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，预先限定的连续的波形，优选 地是正弦波形，通过使用控制装置被赋予给所述进给运动(s(t))的振荡分量(a(t))。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述振荡分量(a(t))适应性 地匹配所述机加工的现有轮廓。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法在CNC控制的机床 (10)上被执行，其中所述工具(18)被夹紧到工作主轴(17)中和所述工件(14)被夹紧到装 置(12)中，所述工作主轴(17)和所述装置(12)至少在所述进给运动(s(t))的方向(z) 上以程序控制的方式彼此相对地移动。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，钻孔被钻到工件(14)中，且所 述振荡分量(a(t))的振荡行程(k)依赖于所述工具(18)的进给量(f)被设定。
全文摘要
在工件(14)的移除碎屑的机加工的方法，尤其是用于在工件(14)中钻孔的情形中，其中工具(18)被使得相对于工件(14)旋转(20)和工具(18)被以进给运动相对于工件(14)移动，工具(18)在相对于工件(14)的进给运动的方向(z)上执行振荡运动，可设定的振荡分量通过控制装置被赋予给进给运动。
文档编号B23Q5/027GK101861224SQ200880114036
公开日2010年10月13日 申请日期2008年9月23日 优先权日2007年10月30日
发明者克劳斯·艾普勒, 德克·普斯特 申请人:巨浪有限公司