專利名稱：具有軸向振動的鉆床頭的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及安裝有軸向顫振(振動)的振蕩器的鉆床頭。
技術(shù)背景
鉆床具有產(chǎn)生長切屑的缺點，因為他們很難快速地移動遠離工作區(qū)，所以在鉆孔操作中存在各種問題，從而會使產(chǎn)生的孔的表面質(zhì)量變差。
該缺點的一個補救措施是通過改變這些切屑的厚度以及重復中斷切削操作來使這些切屑折斷。這可以通過施加具有使切屑折斷的振幅以及頻率的軸向振動到切削刀具上來實現(xiàn)，該切削刀具一般是鉆頭，該軸向振動使進給速度(穿透材料的速度)循環(huán)地改變。
同時，在鉆孔操作中，其只是對某些時間段內(nèi)的(例如當在多層材料上鉆時)振動工具或者實時改變顫振的振幅和/或頻率(例如以便對切削過程作出反應以及修改以適合要鉆孔的材料)是有益的。因此需要具有一種能夠被控制的設備，其具有足夠快速的反應性，以及確定從一種材料到另一種材料的通路的能力。
許多在鉆孔時使用軸向顫振的設備已經(jīng)被提出。例如，在文獻EP 994 758中描述的設備中有提及。后者描述了一種在刀架與它的驅(qū)動固定架之間的連接器，用這種方式使刀架懸掛到固定架上，會產(chǎn)生自保持的軸向顫振，因此刀具穿透工件的速度在平均速度附近循環(huán)地改變，當然該平均速度非零。
另一文獻DE 103 43 682中公開了一種銑或者鉆孔刀具，其中依靠安放在刀架中、無線連接到電源的壓電傳動裝置或者勵磁器使旋轉(zhuǎn)刀具經(jīng)受往復軸向運動。該系統(tǒng)進行遙控。該刀具意圖用于以很高(超聲)頻率以及很低振幅的軸向振動對合成材料進行機械加工。
另一文獻US2008/041604中公開了一種具有顫振頭的刀具，其中旋轉(zhuǎn)刀具經(jīng)受頻率必須等于刀具的固有頻率的非常高的頻率的顫振，因此產(chǎn)生的顫振使刀具在軸向上共振。文獻US2008/041604中描述的解決方案中的致動器完全合并到設備的軸向移動部分中，在振幅足夠高以便折斷切屑時不能產(chǎn)生移動以及靜態(tài)或者低頻的載荷。另外，因為他們涉及使用共振，所以獲得的顫振的特性在很大程度上取決于載荷，也就是說取決于在機械加工操作期間所遇到的穿透力。
關(guān)于在鉆孔期間通過疊加軸向顫振到正在前進的刀具進給運動上來折斷切屑，眾所周知的設備都不具有通用機器所需要的所有性質(zhì)，也就是說，重型設備能夠產(chǎn)生足夠振幅的顫振來折斷切屑，以及能夠進行修改以適合不同的鉆孔程序，尤其考慮在一個或者相同操作中鉆孔通過的各種不同材料。例如，眾所周知，EP 994758以及US2008/041604中描述的設備所產(chǎn)生的顫振對載荷敏感，其意思是說他們?nèi)Q于切削直徑以及條件(刀具，切削參數(shù)，等等)。還有眾所周知，壓電致動器是脆性的，除了壓縮載荷之外不能承受其它應力。發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明的主題是具有軸向顫振的振蕩器的鉆床頭，包括固定架，用于連接鉆床頭與驅(qū)動固定架繞軸旋轉(zhuǎn)的電動機，該固定架具有與電動機的旋轉(zhuǎn)軸重合的縱向軸； 刀架；可彈性變形懸掛裝置，用于將刀架懸掛到固定架上，其能夠傳遞扭轉(zhuǎn)力矩；以及導向裝置，沿該固定架的縱向軸在固定架中為刀架導向，包括插入在固定架與刀架之間的、在上述軸線方向上往復運動(顫振)的受控振蕩器。
優(yōu)選地，顫振振蕩器(也稱為致動器)是管狀的壓電式，通過它的一個端部擠壓在刀架固定架上，而根據(jù)本發(fā)明的鉆床頭包括管狀振蕩器內(nèi)產(chǎn)生的、在固定架與刀架之間的滑動樞軸；分別由它的端部安裝到固定架以及刀架上的高抗扭剛度的軸向彈性外套筒；以及刀架經(jīng)由其軸向壓在振蕩器的端部上的、確定軸向剛度以及低抗彎剛度的環(huán)狀墊片。
套筒與墊片用于在振蕩器上建立預載荷。與外套筒的自由長度以及它在軸向方向的彈性有關(guān)的振蕩器與墊片的組合長度允許調(diào)節(jié)振蕩器上的預載荷。軸向為剛性的環(huán)狀墊片允許將振蕩器發(fā)出的振動傳遞到刀架，同時它的抗彎柔性保護振蕩器克服由鉆孔過程以及滑動樞軸中可能有的任何竄動所引起的彎曲力矩的突然變化。
在該示例的另一實施例中，由連接在固定架與刀架之間的導軌(仿形軸或者花鍵軸上的直線球軸承)執(zhí)行固定架與刀架之間的扭矩的傳遞，以便于只有外套筒具有將預載荷施加到振蕩器上的功能。
該套筒的結(jié)構(gòu)可以是具有高導熱性的壁部分與促進消耗由振蕩器的升溫導致的熱量的切口的合成。
在另一實施例中，鉆床頭包括固定架與刀架之間的、管狀振蕩器內(nèi)的滑動樞軸；分別由它的端部安裝到固定架以及刀架上的、具有能夠傳遞徑向荷載的平行安裝的至少一個平面元件的高抗扭剛度的軸向彈性外套筒，其安裝在固定架與刀架之間；以及刀架經(jīng)由其軸向壓在振蕩器的端部上的、確定軸向剛度的環(huán)狀墊片。
如在前一實施例中，與外套筒的自由長度以及它的軸向方向的彈性有關(guān)的振蕩器與墊片的組合長度允許調(diào)節(jié)振蕩器上的預載荷。由外套筒以及上述柔性元件兩者保護壓電振蕩器抵抗扭轉(zhuǎn)力矩，其一起減輕墊片對刀架與振蕩器扭轉(zhuǎn)隔離的需要；該措施使得對滑動樞軸連接有竄動時該連接不能對其作出反應的徑向荷載作出反應成為可能，即使該竄動很小。采用與第一個平行的、用于將刀架懸掛到固定架上因此也具有外套筒的另一平面元件也是可能的，該其他平面元件位于壓住墊片的區(qū)域，其具有經(jīng)由為該目的而提供的孔通過平面元件的退刀槽。當有共同存在的軸線方向上是柔性的兩個平面元件時，他們組成適合于小的軸向移動的導軌類型的軸向?qū)?，以及能夠?qū)较蚝奢d作出反應，在這種情況下， 例如由球和保持架組件提供的管狀致動器內(nèi)的滑動樞軸連接不再是絕對必不可少的。在裝配階段期間將彈性導向元件放置到適當位置之前，如此連接(滑動樞軸)的存在仍然使元件(刀架3以及固定架幻較容易地根據(jù)設定的同軸度公差準確地定位。如果僅僅由彈性導向元件提供軸向?qū)?，而放棄滑動樞軸連接，則在裝配期間不得不將刀架3相對于固定架2 準確地定位。
優(yōu)選地使用電磁式發(fā)送接收系統(tǒng)(旋轉(zhuǎn)變壓器)的非接觸電源傳輸。然而，也能夠使用經(jīng)由滑環(huán)組件的接觸連接。
在本發(fā)明實施例的一個特定的選擇形式中，振蕩器可以合并能夠在機械加工期間指示鉆頭軸向施加在工件上的力的傳感器。該傳感器可以例如使用正壓電效應借助于幾層壓電材料直接測量該載荷，或者可以間接測量例如致動器的變形(例如變形測量計)，在這種情況下，需要對信號進行處理以便確定鉆孔載荷。因此，收集關(guān)于該力的變化的數(shù)據(jù)以及使用它來控制致動器或者甚至控制機器使用的切削參數(shù)的使用(即時切削速度，進給速度)是可能的。具體地，鉆孔操作中涉及的軸向力的瞬時值的這個指示是變化的，其由信號處理單元解釋，以便使用軟件中包括的、在數(shù)據(jù)處理單元(例如計算機)上運行的模塊更改鉆孔參數(shù)。一般地，壓電傳感器致動器上的該軸向載荷的變化能夠解釋為在要鉆孔的給定組件中從一種材料到另一種材料的通路。經(jīng)由該檢測，處理單元能夠根據(jù)檢測力矩更改從一種材料到另一種材料的通路的鉆孔參數(shù)，因此能夠參考存儲的鉆孔程序使操作最優(yōu)化。
從以下給出的本發(fā)明的一個實施例的描述中，本發(fā)明的其他特征以及優(yōu)點變得很明顯。


將參考附圖進行描述，其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的設備的剖面示意圖，
圖2是根據(jù)本發(fā)明的設備的第一實施例的軸向剖面圖，
圖3是圖2的組件的爆炸圖，
圖4是根據(jù)本發(fā)明的設備的第二實施例的軸向剖面圖，
圖5是圖4中描寫的設備的爆炸圖。
具體實施方式
在圖1中，描寫成1的鉆床頭包括固定架2以及用于保持鉆頭4與固定架2的旋轉(zhuǎn)軸5同軸的刀架3。
經(jīng)由它的端部2a，將固定架連接到示意地描述以及其旋轉(zhuǎn)軸與軸5同軸的驅(qū)動電動機M，該軸5也是固定架2的縱向軸。
刀架3通過墊圈6安裝到固定架2上，該墊圈6具有在固定架與刀架之間傳遞扭轉(zhuǎn)的性質(zhì)以及在軸5的方向上可彈性變形。在文件EP 994 758中描述了如此墊圈的一個示例。該墊圈6由外圍螺釘6a安裝到固定架2上，而刀架3通過中間螺釘6b安裝到墊圈 6上。刀架3具有用固定架的軸承7的軸向滑動來導向的中間部分3a。
固定架2是空心的，它的中間凹孔2b中容納壓電致動器8，施加到其上的可變電壓所產(chǎn)生的顫振指示沿軸5的方向。在它的上部分加處將該致動器的上端安裝到固定架上，其中在預加載他們的外殼中容納壓電元件。將它的下部分本身安裝到刀架的中間部分 3a上。使用縱向聯(lián)軸節(jié)9執(zhí)行該安裝，該聯(lián)軸節(jié)9具有對彎曲應力作出反應的性質(zhì)(由于軸承7的竄動以及不完美性，其必須存在)，同時允許傳遞往復移動。該構(gòu)件9使致動器的振動端8a與樞軸10連接，其依靠兩個推力球軸承Ila以及l(fā)ib將樞軸平動楔入刀架的中間部分3a中，如果墊圈6破裂，則推力球軸承Ila以及l(fā)ib允許致動器8與刀架3扭轉(zhuǎn)不連接。
控制壓電致動器的電源用符號12表示。取決于環(huán)境，這可以是不接觸類型(旋轉(zhuǎn)變壓器加集成電子學)或者接觸類型(基于滑動接觸的滑環(huán)組件類型)。
使用致動器的有源元件部分作為它所受到的軸向載荷的傳感器是有益的。在圖中，從該傳感器的輸出用13表示。取決于與供應電源給致動器8—致的環(huán)境，它將是不接觸或者接觸類型。發(fā)出的信號直接送到處理單元14，處理單元14從輸出端15發(fā)出取決于輸入信號的致動器控制信號。實際上，眾所周知，輸入信號指示施加到致動器上的軸向載荷； 因此表示在機械加工期間刀具穿透工件的阻力，以及表示加工材料的性質(zhì)。例如，在多層工件情況下，該信號的變化與接合面交叉相對應，其會導致不僅根據(jù)致動器的控制(經(jīng)由到致動器或者其電源供應的源的傳遞路徑15a)，而且還根據(jù)驅(qū)動刀具旋轉(zhuǎn)的電動機M(經(jīng)由來源于單元14的輸出端15的另一傳遞路徑15b)以及根據(jù)鉆頭穿透工件的速度來改變鉆孔操作怎樣進行，例如，這取決于存儲在處理單元14的內(nèi)存中的設定值。正如在致動器控制下的情況，使用將信號從旋轉(zhuǎn)傳感器傳遞到安裝的處理單元以及在需要的地方為傳感器提供電源的任何適當?shù)难b置(轉(zhuǎn)發(fā)器等等)，將從傳感器的輸出優(yōu)選地處理成非接觸。順便提及，在刀架內(nèi)提供所有或者部分信號處理單元不會造成背離本發(fā)明的范圍。
圖2以及3使用相同的附圖標記再次描寫已經(jīng)描述過的大部分元件。將固定架2 連接到機床元件M上，例如，如果工件繞軸5旋轉(zhuǎn)，則該機床元件M可以是從電動機或者安裝組件伸出的旋轉(zhuǎn)軸。固定架2經(jīng)由提供刀架3在固定架2中的軸向?qū)?滑動樞軸)的球和保持架組件或者直線球軸承20接受刀架3的柄3a。該導向在致動器8內(nèi)提供，在這種情況下，致動器8是管式的，沒有預加載(原有的壓電材料)。這里的軸向載荷測量裝置 (載荷傳感器)以沿致動器8的外部電源發(fā)動機延伸的應變儀21為代表。
該實施例與圖1的圖之間的本質(zhì)區(qū)別在于連接刀架3到固定架2的裝置，其兩者都能傳遞來于鉆孔操作的扭矩以及軸向顫振，同時保護致動器8克服會削弱它的操作的扭轉(zhuǎn)或者彎曲力。
這里的這些裝置都包括外套筒22，它的一端螺紋連接到固定架2上，而它的另一端通過螺釘23連接到刀架3上。該套筒具有扭轉(zhuǎn)剛度非常大而在軸線方向上相對較柔性的性質(zhì)，具有設定的軸向剛度。為此，將它沿圓周方向切出大量的槽對，這使得它在軸向上更有彈性，同時保持它的抗扭剛度。用如此方式確定槽的數(shù)量以及尺寸，以便提供計劃要實現(xiàn)施加到致動器8上的預載荷的軸向彈性特性。然而，例如通過相對于載荷具有很大的軸向剛度，該特性必須與振動能量一致，以便不消耗太多的該能量。槽中可以充填高導熱性的材料，以便消耗致動器操作時所放出的熱。套筒22首先用于將刀架懸掛到固定架上，其次用于將由切削力引起的扭轉(zhuǎn)力矩從一個傳遞到其他，同時實現(xiàn)致動器需要的必要的預載荷。假如執(zhí)行所有這些功能，則除了上文描述之外的其它幾何形狀也能夠用于套筒22。因此，該套筒可以包括另外連續(xù)的內(nèi)外凹槽，從外觀上看其為具有確定軸向剛度的波紋管。
連接裝置還包括插入以及限制在致動器8的一端與刀架3之間的環(huán)狀墊片25。選擇該墊片25的材料以及幾何形狀，以便維持由致動器8產(chǎn)生的軸向顫振的傳輸，同時使切削力引起的彎曲應力最小化，其能夠經(jīng)由滑動樞軸連接傳遞，該滑動樞軸連接不得不具有適用某種功能的間隙，它整體來說尺寸較小。只要考慮該墊片25的幾何形狀，就應該注意到，在平行以及垂直于軸5的多個平面內(nèi)具有切口，其按允許微量移動的萬向聯(lián)軸節(jié)的方式限定連結(jié)在一起的該墊片的兩部分，微量移動為小振幅地移動，并具有保護壓電致動器的彎曲柔軟性。
應該注意，在這種解決方案中，刀架3具有通過它的、沿它的軸向進行的孔道C，因此提供用于冷卻以及/或者潤滑切削區(qū)的任何冷卻劑以及潤滑劑的通路。這些冷卻劑也可以服務于改善致動器的熱量的消耗。也可以在周圍組件中設置各種密封裝置以及隔板，以便使該冷卻劑與致動器接觸，從而造成強制冷卻。圖4以及5中描寫的實施例非常類似于剛才描述的實施例。區(qū)別在于連接固定架與刀架的裝置中存在第一附加元件。該元件沈類似于圖1中的元件6，由于與套筒22 — 起，它用于將刀架3懸掛到固定架2上，因而增加了刀具的刀架的相對端處的連接的徑向剛度，因此有助于避免滑動樞軸連接中的竄動所允許的側(cè)面微量移動。即使當存在的元件沈有助于此，也繼續(xù)由套筒22提供扭矩的傳遞。應該注意，存在類似于元件沈的第二元件或者墊圈27，其具有凹孔27a，屬于環(huán)形圈25的退刀槽2 經(jīng)由其穿過墊圈壓在刀架3上。分開墊片25中的退刀槽的空心具有足夠大的尺寸，以便超過由墊片25傳遞到刀架3的致動器8的振動的振幅，以便防止墊片25 與墊圈27 —直接觸。墊圈27由外面的螺釘23剛性安裝到套筒22與刀架3上，以及以適當?shù)姆椒?專用的螺釘27b)安裝到固定架2的轉(zhuǎn)軸上。墊圈27的任務同樣是增加刀具的刀架端處的徑向剛度，以便與組件沈一起產(chǎn)生適合于小振幅移動的柔性導向的導軌連接。套筒22的軸向剛度取決于強加于致動器8上的預載荷。在使用螺釘23連接之前，該載荷事實上與面向墊片25以及套筒22的刀架表面與該套筒的自由端之間沿軸5的位置之差相對應。之前組裝的上述兩表面的該位置差組成固定架間隙，其需要通過組件的設計以及精確制造來確定。使用螺釘23的緊固將使套筒22彈性拉伸，結(jié)果，將導致致動器 8/墊片25組合壓縮(固定架間隙的大小以及套筒22的軸向剛度確定的量)。本發(fā)明使得用簡單的方法解決折斷鉆孔刀具的切屑的問題以及自動控制該折斷， 以及一般來說，自動控制操作參數(shù)以檢測要處理的材料的性質(zhì)成為可能，尤其在壓電致動器的情況下使用相同的有源構(gòu)件使這些成為可能。
權(quán)利要求
1.一種具有軸向顫振的振蕩器的鉆床頭(1)，包括固定架0)，固定架(2)用于將鉆床頭與電動機相連，電動機驅(qū)動固定架繞軸旋轉(zhuǎn)，固定架( 具有縱向軸(5)，縱向軸(5) 與電動機的旋轉(zhuǎn)軸重合；刀架(3)；可彈性變形懸掛裝置，懸掛裝置用于懸掛刀架(3)到固定架(2)上，并允許刀架軸向運動；以及導向裝置，用于沿固定架的縱向軸(5)導向固定架(2)上的刀架(3)，導向裝置包括受控振蕩器(8)，受控振蕩器(8)在上述縱向軸(5)的方向上往復運動，受控振蕩器(8)插入固定架O)與刀架C3)之間，其特征在于，軸向往復運動的振蕩器(8)是管狀的，且為沒有預載荷的壓電式振蕩器，振蕩器通過它的一個端部擠壓在固定架( 上；其中鉆床頭(1)還包括有設置在固定架O)與刀架C3)之間的滑動樞軸 (20)，滑動樞軸(20)位于振蕩器(8)內(nèi)；高抗扭剛度的軸向彈性外套筒(22)，外套筒(22) 分別通過它的端部安裝到固定架( 和刀架C3)上；以及確定軸向剛度和低抗彎剛度的環(huán)狀墊片(25)，刀架C3)通過環(huán)狀墊片0 軸向擠壓在振蕩器(8)的一端上，以便降低對振蕩器(8)不利的壓力，同時允許傳遞軸向運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的鉆床頭，其特征在于，外套筒0 與環(huán)狀墊片0 組成向振蕩器(8)施加軸向預載荷的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的具有軸向顫振的振蕩器的鉆床頭(1)，其特征在于，包括設置在固定架⑵與刀架⑶之間的導軌(20)，導軌OO)位于振蕩器⑶內(nèi)，允許在刀架(3) 與固定架( 之間傳輸扭轉(zhuǎn)力矩；軸向彈性外套筒(22)，外套筒0 分別通過它的端部安裝到固定架( 和刀架C3)上；以及確定軸向剛度和低抗彎剛度的環(huán)狀墊片(25)，刀架(3) 通過環(huán)狀墊片05)軸向擠壓在振蕩器(8)的一端上，以便降低對振蕩器(8)有害的壓力， 同時允許傳遞軸向運動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的具有軸向顫振的振蕩器的鉆床頭(1)，其特征在于，包括設置在固定架( 和刀架C3)之間的滑動樞軸(20)，滑動樞軸OO)位于振蕩器(8)內(nèi)；高抗扭剛度的軸向彈性外套筒(22)，外套筒0 分別通過它的端部安裝到固定架( 和刀架(3)上，外套筒0 上設有至少一個平行安裝的能夠傳遞徑向荷載的平面元件(26，27)，平面元件(沈，27)安裝在固定架O)與刀架C3)之間；以及確定軸向剛度和低抗彎剛度的環(huán)狀墊片(25)，刀架C3)通過環(huán)狀墊片0 軸向擠壓在振蕩器(8)的一端上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的具有軸向顫振的振蕩器的鉆床頭(1)，其特征在于，包括高抗扭剛度的軸向彈性外套筒(22)，外套筒0 分別通過它的端部安裝到固定架( 和刀架 (3)上，外套筒0 上設有兩個平行安裝并能夠傳遞徑向荷載的平面元件06，27)，平面元件(沈，27)安裝在固定架( 與刀架C3)之間，從而形成具有柔性元件的軸向?qū)?；以及確定軸向剛度和低抗彎剛度的環(huán)狀墊片(25)，刀架C3)通過環(huán)狀墊片0 軸向擠壓在振蕩器 (8)的一端上，以便降低對振蕩器(8)有害的壓力，同時允許傳遞軸向運動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的鉆床頭，其特征在于，致動器(8)上設置有傳感器01)，傳感器用于感應機械加工期間由鉆頭軸向施加到工件上的力。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有軸向顫振振蕩器的鉆床頭(1)，包括固定架(2)，用于連接鉆床頭到使固定架繞軸旋轉(zhuǎn)的電動機，固定架(2)具有與電動機的旋轉(zhuǎn)軸重合的縱向軸(5)；刀架(3)；可彈性變形裝置(6)，用于保持刀架(3)到固定架(2)上；以及裝置(7)，用于為刀架(3)在固定架(2)中沿所述固定架的縱向軸(5)導向，其中鉆床頭的固定架包括位于固定架(2)與刀架(3)之間的在上述軸(5)的方向上往復運動的受控振蕩器(8)，刀架與振蕩器通過縱向聯(lián)軸節(jié)(9)連接，縱向聯(lián)軸節(jié)適合于衰減刀架(3)承受的沖擊，同時能夠傳輸往復運動。
文檔編號B23B37/00GK102548690SQ201080018987
公開日2012年7月4日 申請日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月28日
發(fā)明者G·莫拉魯, P·拉巴泰, P·貝隆 申請人:Arts公司, 歐洲宇航防務集團Eads法國公司