具有工件收纳部和补偿质量的振动装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种设备（1）和方法。该设备（1）包括用于收纳待机械加工的工件（28）的工件收纳部（2）。至少一个振动装置（9）连接至所述工件收纳部（2），所述振动装置（9）使所述工件收纳部（2）发生振动，所述工件收纳部（2）的振动具有比超声波的频率低的频率。所述振动装置（9）具有振动体（8），在相反方向上振动的补偿质量（7）与该振动体（8）相关联。
【专利说明】具有工件收纳部和补偿质量的振动装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种具有用于收纳待机械加工的工件的工件收纳部的设备，其中至少一个振动装置连接至该工件收纳部，并且所述振动装置使所述工件收纳部发生振动，其中所述工件容纳部的振动具有比超声波的频率低的频率。本发明还涉及一种用于机械加工工件的方法，其中使所述工件发生振动，并且所述工件的振动频率比超声波的频率低。
【背景技术】
[0002]从现有技术已知各种用于混合加工和/或超声波辅助加工的设备和方法。这些设备和方法通常包括使刀具在超声波的范围内发生振动，其中优选使用刀具的自然频率作为振动频率，以便发起期望的共振来获得支撑作用，特别是对于工件的切屑去除加工来说尤其如此。
[0003]例如从公报“Modeling of material removal rate in rotaryultrasonic machin-1ng: designed experiments，，by P.Hu, J.M.Zhang, Z.J.Pei and Clyde Treadwell, published in Journal of Materials ProcessingTechnologyl29, 2002，339-344 (材料处理技术期刊(129，2002，339 — 344)中公布的P.Hu, J.M.Zhang, Z.J.Pei和Clyde Treadwell的“旋转超声波加工中的材料去除速率的建模:设计实验”)”已知在超声波范围内激发的刀具。此外,从T.Tawakoli, B.Azarhoushang和 N.Jandaghi 在期刊 “Wissenschaft&Forschung (科学与研究)2010，28-33 中公开的公报“Entwicklung eines neuartigen Ultraschallsystems zur Realisierung fIexiblerultraschallunterstiitzter Zerspanung (用于实现柔性超声波辅助切屑的新颖超声波系统的发展)”已知在超声波范围内借助于共振器激发工件而使工件产生振动的各种方式。
[0004]此外，已经从现有技术例如从US7, 802, 355B2已知用于浇铸浙青等不同类型的振动台。
[0005]在EP0323518A1中示出了一种包括板的框架，该板包括工件收纳部，该板通过压电元件连接至框架。通过单独地致动压电元件可以在该板中并因而在工件中产生水平、竖直或旋转的振动。对于所产生的振动来说提供的频率不大于1500Hz。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种用于工件的机械加工的方法和设备，所述方法和设备能够通过和/或借助于工件本身的振动运动对工件进行各种机械加工过程。与经常希望产生共振的已知振动装置不同，在根据本发明的设备中避免共振(因为共振会对设备造成损坏)，这样避免共振允许自由选择频率，而不会冒损坏的危险。
[0007]根据本发明，所述目的通过具有振动体的振动装置实现，在相反方向上振动的补偿质量与该振动体相关联。通过在所述振动装置的振动体的相反方向上振动的所述补偿质量，能够实现动量的解耦，从而可以利用任何期望频率对工件进行加工，而不管工件收纳部和/或整个设备的自然频率如何。[0008]在根据本发明的设备中，所述工件收纳部通过振动装置产生振动，所述振动装置具有比超声波的频率低的频率。根据本发明的该设备可以用于各种目的。
[0009]首先，被收纳在所述工件收纳部中的工件可以通过相应地致动所述振动装置而经受螺旋或次摆线加工。
[0010]此外，所述设备还可以用来进行混合加工，例如对保持在所述工件收纳部中的工件进行振动辅助机械加工。在本发明的上下文中，机械加工具体是指通过几何形状限定或非几何形状限定的刀片进行的任何切屑去除加工(例如“切屑”)。这主要包括车削、钻削、铣削和摩擦以及磨削、珩磨、研磨和抛光。
[0011]如将频率选择得足够低，则所述设备当然可以用来借助于所述振动装置将布置在所述工件收纳部中的工件定位。
[0012]具体地说，与已知设备(然而，在已知设备中，在超声波范围内激发刀具)类似，所述设备可以用来支持难以加工的材料的机械加工，这些材料例如主要有诸如陶瓷、玻璃之类的硬和/或易碎材料、诸如氮化硅或氧化硅之类的各种硅材料，以及硬化钢等。对于各种应用，已经发现，使所述工件收纳部的振动频率低于10kHz，优选低于5kHz，特别地低于1kHz，特别优选在500Hz和50Hz之间是有利的。
[0013]为了补偿所述振动体的惯性力，所述补偿质量可以与所述振动体的质量一样。在这种情况下，所述补偿质量以与所述振动体相同的频率和相同的加速度但是以相反的运动方向振动。如果所述振动体和所述补偿质量不具有相等质量，则可以通过调节加速度来获得补偿惯性的作用。如果所述补偿质量具有比所述振动体低的质量，则对于动量补偿来说所述补偿质量以与所述振动体相同的频率但比所述振动体更高的幅度振动是有利的。根据这一点，所述补偿质量以与所述振动体相同的频率振动，但是经受更高的加速度，因而在具有相同频率的同时覆盖更大距离。
[0014]由于构造情况，已经发现，所述补偿质量和所述振动体的振动幅度之间的比在
[I]: [5]and[5]: [I]之间，基本为[I]: [I]时是特别有利的。
[0015]为了以简单可靠的方式使所述工件收纳部获得在期望频率范围内的振动，对于所述振动装置来说有利的是具有至少一个压电元件。
[0016]为了以简单方式使所述振动体在平面内实现任何期望类型的振动，例如使所述振动体实现旋转、对角等形状的振动运动，对于使所述振动体在平面内运动来说提供至少两个运动方向优选彼此垂直布置的压电元件是有利的。对于其中可以通过所述压电元件实现期望幅度的所述设备的结构简单设计来说，有利的是将至少两个压电元件关联至所述振动体以使所述振动体的每个运动都在一定方向上。这里，一方面，所述压电元件可以以简单方式支撑在围绕所述振动装置的壳体的外侧，另一方面，所述压电元件可以支撑在所述振动体的优选基本居中布置的支撑凸起上。
[0017]为了在简单调节方面实现惯性动量的期望解耦，有利的是基本相同类型和数量的压电元件接合所述补偿质量和所述振动体。
[0018]为了实现所述振动装置的期望动量解耦，有利的是设置控制和/或调节装置来控制和/或调节与所述振动体相关联的压电元件和与所述补偿质量相关联的压电元件的相反运动。这里，有利的是将距离和/或加速度传感器与所述振动体和所述补偿质量相关联，其中所测量的值作为实际值供应给所述控制和/或调节装置。[0019]为了将所述振动体和所述补偿质量的振动运动过程中的摩擦损失保持得尽可能地低，有利的是将所述振动体和/或所述补偿质量支撑在至少一个空气轴承上。
[0020]为了以希望方式接收引入到所述工件和/或所述工件收纳部中的扭矩，有利的是设置板状工件收纳部，该板状工件收纳部优选由空气轴承支撑在基体的盖板上。这样，也被称为加工台的所述板状工件收纳部被直接支撑在相邻的盖板上，因而没有可能使影响所述工件收纳部的力倾斜的任何杠杆点。
[0021]为了进一步减少由于运动力引起的力矩，有利的是将所述板状工件收纳部牢固地连接至对置板，其中补偿质量布置在该板状工件收纳部和该对置板之间。
[0022]关于所述设备在工件机械加工中的使用，有利的是将所述设备布置在定位设备上，以便以各种取向将所述工件收纳部对齐。这里，特别有利的是所述定位设备的高达五个轴是可调节的，这是由于这允许以任何想到的方向实现所述工件收纳部的任何期望取向。
[0023]如果所述振动装置的至少一个振动方向从优选为铣刀的切屑去除刀具的运动方向偏离，则可以例如在仅仅一个平面上移动所述设备，同时相对于所述刀具运动的振动偏离方向导致相对于所述刀具的空间改变。
[0024]测试表明，特别有利的是设置用于切屑去除加工的优选为铣刀的刀具，该刀具由冷却液体冷却。这里，已经发现，由于被收纳在所述工件收纳部中或所述工件收纳部上的工件的振动，显著地提高了包含切屑的冷却液体的冲洗性能，因此明显更有效地将已经从所述工件去除的材料排出。主要结合板状陶瓷材料进行这些测试。
[0025]开始提到类型的方法的特征在于，为了产生所述振动引入的动量被主动地解耦，以避免所述工件和机床的共振，其中所述工件的振动频率优选低于10kHz，优选低于5kHz，特别地低于1kHz，特别优选在500Hz和50Hz之间。结合根据本发明的方法获得的有利效果已经结合相应的设备进行了讨论，因此可以对其进行参照以避免重复描述。
[0026]如果所述补偿质量具有比所述振动体低的质量，则所述补偿质量有利地以与所述振动体相同的频率但比所述振动体更高的幅度振动以便进行动量解耦。在这种情况下，动量解耦有利地以主动方式进行调节，如已经结合根据本发明的设备所描述的那样。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]下面将通过附图中所示的优选示例性实施方式更详细地说明本发明，然而本发明不限于这些示例性实施方式。在各幅附图中:
[0028]图1示出了具有工件收纳部的设备的立体图；
[0029]图2示出了根据图1的设备的立体图，其中工件收纳部被移除，盖板也被移除；
[0030]图3示出了根据图2的立体图，其中壳体的侧壁部分敞开；
[0031]图4示出了根据图1至图3的设备的立体剖视图；
[0032]图5示出了用于调节动量解耦的调节电路的示意图；
[0033]图6示出了布置有根据本发明的设备的定位设备的示意图；
[0034]图7示出了根据本发明的设备的另选设置的示意图；
[0035]图8a至8d示出了收纳在所述设备上并通过铣削设备加工的工件的示意性侧视图；以及
[0036]图9示出了根据图8a的细节XIII的示意性细节图。【具体实施方式】
[0037]图1中示意性地示出了具有工件收纳部2的设备1，从该图1可以看出，设备I具有上盖板3和下盖板4,圆周壳体5容纳在该上盖板3和下盖板4之间。
[0038]补偿质量7被收纳在上盖板3和下盖板4之间，并且位于壳体5内，如在图2中能够看到的。设置补偿质量7是为了主动地解耦由振动体8 (参见图4)引起的惯性动量，以便特别地避免具有用于加工固定在设备I上的工件28 (参见封装8a至8d)的刀具27’的机床(参见图8a至8d中的铣床27)中的共振。
[0039]振动体8和补偿质量7都是容纳在壳体5内的振动装置9的部件，都是为了使工件收纳部2发生振动而设置的。为此，图1中所示的工件收纳部2通过能够在图4中看到的优选圆筒状的连接元件2’牢固地连接至振动体8。
[0040]作为致动器，振动装置9包括能够在图3中最佳地看到的杆状压电元件10、10’。在优选基本正方形的壳体5的任一侧都设置有两个杆状压电兀件10、10’。
[0041]在这一点上,压电元件10使振动体8 (包括工件收纳部2)按照希望地发生振动，同时布置在压电元件10的上方的压电元件10’使补偿质量7发生振动。另一方面，压电元件10、10’均由壳体5支撑，壳体5为此具有位于角部的附近的凹部5’。另一方面，压电元件10、10’分别由振动体8和补偿质量7的基本居中地布置的支撑凸起8’和7’支撑。
[0042]布置在纵向侧的两个压电元件10和/或10’以如下方式相互连接，即:使得这两个压电元件10和/或10’由控制和/或调节装置11 (参见图5)在相反方向上致动。为此，在布置在壳体5和支撑凸起V或8，之间的每个杆状压电元件10、10’中组合两个压电叠层。这种压电叠层在商业上可以获得并例如在汽车工业中用于致动喷嘴。由两个压电叠层构成的这种压电元件10、10’可以致使产生幅度高达+/ - 60 μ m优选+/ - 20 μ m的振动。在每个相对侧，也设置了两个压电元件10、10’，这两个压电元件以与布置振动体8和/或补偿质量7的相对侧的压电元件10、10’相同的方式致动。然而，基本相对垂直地布置的压电元件10、10’被独立地致动，从而振动体8和/或补偿质量7可以进行任何期望的运动，例如对角运动或圆形运动。
[0043]为了形成空气轴承12，在振动体的支撑板11中设置间隙11’，该间隙11’容纳平面滑动轴承元件12’，该平面滑动轴承元件12’优选由碳材料制成。补偿质量7的横截面被设计成基本为I形，因此在两个凸缘之间、连接腹板13上方和下方的区域中形成了收纳袋14’，该收纳袋14’也容纳用于形成空气轴承12的平面滑动轴承元件12’。具有大约2至6巴的压力的加压空气通过图中未详细示出的空气供应线路供送到收纳袋11’和/或14’内，从而允许振动体8和补偿质量7基本无摩擦地振动。
[0044]在由连接元件2’限定的居中定位的间隙中，加压空气可以从空气轴承12的间隙11’、14’供送和排出。另外，在该间隙内还可以设置用于在z方向上导致振动的另一个致动器，从而通过所述设备，通过基本平行于盖板3、4布置的压电元件10、10’不仅能够在X和y方向上进行诸如对角、圆形、正弦振动等任何期望振动，而且还能够在正交于该平面的方向上获得工件收纳部2在z方向上的附近振动。因而，考虑到围绕z方向的旋转，振动装置9提供了四个自由度。
[0045]如在图4的剖视图中进一步可以看到，下盖板4、基板11、壳体5和上盖板3通过拧入为此设置的开口 16中的未示出的螺钉而连接至彼此。另外，工件收纳部的下部2’通过拧入收纳开口 17内的螺钉(未示出)连接至振动体8和工件收纳部2。
[0046]图5主要示出了与设备I关联的控制和/或调节装置15，该控制和/或调节装置15用于致动发生器15’，该发生器15’向压电元件10、10’供应适当的电脉冲，从而使振动装置9以期望频率和期望幅度发生振动。在由总共32个压电叠层构成的总共16个压电元件当中，成组的八个压电叠层总是以相同方式(对于任一方向总有四个)被致动，即容纳在设置于纵向侧的两个压电元件10、10’和布置在相对侧的压电元件10、10’中的八个压电叠层。
[0047]由补偿质量7和振动体8覆盖的距离和它们的加速度然后由诸如距离传感器15’’(参见图4)之类的传感器接收，并且所测量的距离和/或所测量的加速度通过线路15’，，传送到控制器15，以便将调节电路闭合并因而获得主动控制的动量解耦，以可靠地避免一定的共振。操作单元18连接至控制和/或调节单元15，从而允许操作员输入期望的振动频率、幅度、方向。机床27的数字控制器19 (NC单元)也连接至控制和/或调节单元15。
[0048]图6是五轴定位设备20的示意图，在该五轴定位设备20上定位有包括工件收纳部2的设备I。由于允许调节定位设备的五个轴21，可以对收纳在工件收纳部2上的工件进行复杂3D轮廓的机械加工。
[0049]图7示出了设备I的另选示例性实施方式。这里设置了基体22，该基体22优选包括具有底表面23’的壳体23，在该壳体23上可以附装盖板24。也被称为加工台的板状工件收纳部2通过空气轴承12支撑在盖板24上。为此，空气轴承元件12’布置在盖板24和工件收纳部2之间。另外，密封元件25布置在工件收纳部2与盖板24之间，以便防止空气轴承12被冷却润滑脂和切屑侵入。
[0050]相对于振动体8在相反方向上振动以便进行动量解f禹的补偿质量7容纳在基体23中。振动体8具有基板26，该基板26通过优选圆筒状的连接元件2’连接至板状工件收纳部，该板状工件收纳部因而也是振动体8的一部分。如已经结合根据图1至5的示例性实施方式详细描述的一样，振动体8以及补偿质量7也连接至振动装置9，即在相反方向上振动的压电元件10、10’接合振动体8和补偿质量7。
[0051]图8a至8d示出了设备I的不同用途，其中该设备被包含在基础坐标系(x、y、z)中。振动装置9本身具有相对坐标系(x’、y’、z’)，致动器在该相对坐标系中振动。如图8a至8d中所示，设备I因而可以相对于基础坐标系以倾斜方式布置成角度ξ, η，ζ。振动运动因而在相对坐标系的方向上进行，而机床27的刀具27’可以在基础坐标系中的任何期望方向29上运动，优选沿着任何一个坐标主轴运动。角度方位允许相对于基础坐标系以任何构造确定振动运动的方向。如图8b中所示，固定在工件收纳部2上的工件28可以通过角度装置30而再次沿着基础坐标系的取向定位。
[0052]已经发现，在对由例如硬化钢、陶瓷材料等制成的硬板28进行切屑去除加工过程中使冷却液体31 (参见图9)振动是特别有利的，该冷却液体31被供送到待加工区域中以冷却诸如铣床27之类的机床的刀具27’。由于冷却液体31的振动，由刀具27’去除的切屑被相当地更高效地排出。为此，冷却液体31通常通过形成在刀具27’中的冷却通道32供送到待加工区域。因为提高了冲洗性能，这将导致可以改善切削参数，以便相当大地缩短加工时间，并因而充分地降低生产成本。
【权利要求】
1.一种具有工件收纳部(2)的设备(1)，该工件收纳部(2)用于收纳待机械加工的工件(28 )，其中至少一个振动装置(9 )连接至所述工件收纳部(2 )，所述振动装置(9 )使所述工件收纳部(2)发生振动，其中所述工件收纳部(2)的振动具有比超声波的频率低的频率，其特征在于，所述振动装置(9)具有振动体(8)，在相反方向上振动的补偿质量(7)与该振动体(8)相关联。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述工件收纳部(2)的振动频率低于10kHz，优选低于5kHz，特别地低于1kHz，特别优选在500Hz和50Hz之间。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述补偿质量(7)以与所述振动体(8)相同的频率但比所述振动体(8)高的幅度进行振动。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述振动装置(9)具有至少一个压电元件(10，10’)。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，为了使所述振动体(8)在平面内运动，设置具有优选彼此垂直地布置的运动方向的至少两个压电元件(10 )。
6.根据权利要求4或5所述的设备，其特征在于，基本相同类型和数量的压电元件(10 ’)接合所述补偿质量(7 )和所述振动体(8 )。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的设备，其特征在于，设置控制和/或调节装置(11)来控制和/或调节与所述振动体(8)相关联的压电元件(10)和与所述补偿质量(7)相关联的压电元件(10’)的相反运动。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，距离和/或加速度传感器与所述振动体(8)和所述补偿质量(7)相关联，其中所测量的值作为实际值供应给所述控制和/或调节装置(11)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其特征在于，所述振动体(8)和/或所述补偿质量(7 )被支撑在至少一个空气轴承(12 )上。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备，其特征在于，设置板状工件收纳部(2)，该板状工件收纳部(2)优选由空气轴承(12)支撑在基体的盖板(24)上。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述板状工件收纳部(2)被牢固地连接至对置板(26)，其中所述补偿质量(7)布置在该板状工件收纳部(2)和该对置板之间。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备(I)布置在定位设备(20)上。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述定位设备(20)的高达五个轴是可调节的。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的设备，其特征在于，所述振动装置(9)的至少一个振动方向(X’、y ’、z ’)从切屑去除刀具(27’)优选从铣刀的运动方向(29)偏离。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的设备，其特征在于，设置用于切屑去除加工的优选为铣刀的刀具(27’)，该刀具(27’)由冷却液体(31)和/或冷却润滑脂冷却。
16.一种用于机械加工工件(28)的方法，其中使所述工件(28)发生振动，并且所述工件(28)的振动频率低于超声波的频率，其特征在于，由所述振动引入到所述工件(28)中的动量被主动地解率禹。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述工件(28)的振动频率低于10kHz，优选低于5kHz，特别地低 于1kHz，特别优选在500Hz和50Hz之间。
【文档编号】B24B1/04GK103547412SQ201280023898
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年5月18日 优先权日:2011年5月18日
【发明者】弗里德里希·布莱谢尔, 约翰内斯·贝恩赖特 申请人:维也纳技术大学