CN107127587A - 用于机床的加工单元和具有这种加工单元的机床 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于机床的加工单元(7),其包含承载体头底座(8),承载体头底座(8)在后侧上包括拖板,该拖板能够耦接到轴导轨(6)并且纵向可移位,其中主轴承载体头(10)被枢转地保持在承载体头底座(8)上,主轴承载体头(10)包括具有工具保持器(12)的主轴(11)。本发明的目的是提供加工单元(7),使用加工单元(7)能够增加机床的精度。根据本发明,承载体头底座(8)装备有阻尼单元(17)。根据独立的方面,本发明涉及包含根据本发明的加工单元的机床。
Description
技术领域
本发明涉及用于机床的加工单元,具体地涉及数控机床或具有主轴装置的数控机床,该主轴装置带有承载工具的工作主轴。
背景技术
在现有技术中,特别是通过工具切割,工件能够在机床或数控机床上被加工是已知的。例如,特别是具有承载工具的工作主轴的铣床、铣孔机/车床、万能铣床或加工中心是已知的。
必要时,这种类型的机床包含固定的或可移动的加工单元,该加工单元承载工作主轴并且可以例如被称为主轴拖板、主轴头或主轴座。例如,在EP1415758A1中描述了一般的加工单元以及主轴的驱动机构。
在通过这种机床进行工件的去毛刺加工期间,通常会要求在加工的工件的高表面质量下的高加工精度和在机床的高运行性能下的高生产率。
在本文中,一方面,通过减小停机时间,并且另一方面,通过增加在加工期间的加工效率,例如,通过在工件的加工期间的最大可能的材料去除率,机床的运行性能能够被实现,该最大可能的材料去除率能够通过在加工期间的较快进给和/或通过将切割工具较深地***工件中实现。然而,因为对于在加工期间的较大材料去除率发生工具的较大振荡,所以通过增加材料去除率而产生的生产率的期望增加通常从加工精度和可实现的表面质量中减去。
发明内容
鉴于上述问题,本发明的一个目的是提供机床上的工件的改进的去毛刺加工,使用该改进的去毛刺加工能够实现在可实现的高表面质量下的最大可能的加工精度和在高材料去除率下的最大可能的生产率。
为了实现上述目的,根据本发明,提出根据权利要求1所述的在机床上使用的加工单元。从属权利要求与优选示例性实施例相关。
本发明基于在工件的加工期间发生的阻尼振荡的发明性概念,使得在较高的材料去除率下,由于机床的加工单元上的振荡阻尼单元承载工作主轴并且相关的振荡在工件在较高的进给速率和/或工具到工件内的较深***下的加工期间衰减,以便增加机床的生产率和运行性能,显著增加的加工精度和改进的表面质量仍然能够被实现。
根据本发明,提出用于机床的加工单元,该加工单元具有承载体头底座和保持承载工具的工作主轴的主轴承载体头,其中加工单元装备有阻尼单元,其用于衰减在机床上的工件的加工期间发生的振荡。
为此,加工单元或特别是主轴承载体头或优选地是加工单元的承载体头底座可以装备有阻尼单元。引人注目的是,已经发现虽然整个承载体头底座被滑动地或可移位地安装,但是可能在这个承载体头底座处提供阻尼单元。
如果尽可能地接近主轴承载体头提供这个阻尼单元,则工件的加工精度能够被极大地提高。
根据有利的进一步发展,阻尼单元可以被安置在承载体头底座的外壳的外侧。
如果阻尼单元被安置在外壳的外侧上,则没有空间被占用在承载体头底座的外壳的内部空间中,该内部空间可以用于例如齿轮箱和/或马达或驱动器。
此外,阻尼单元因而易于到达,例如以便维修或附接或移除阻尼单元。特别是,可以以阻尼单元被安装在容易到达的位置的这种方式有利地将阻尼单元提供在外壳的外侧上。
根据有利的进一步发展,阻尼单元可以被提供为单独元件,可以以如上方式被安装或可以被结合和移除。
阻尼单元然后可以被附接到承载体头底座作为独立的整体,并且因此可以例如通过螺钉或其它紧固工具被容易地安装在其上,并且还可以从其卸下。通过这个实施例,阻尼单元可以基于待被加工的工件必需的阻尼而被适应或替换。
根据优选的进一步发展,主轴承载体头可以被支撑,以便围绕相对于拖板的位移方向倾斜地延伸的轴枢转,使得工具保持器可以在枢转期间从一个位置枢转到第二位置。
特别是在具有倾斜地延伸的枢转轴的这种配置中,阻尼单元可以以阻尼单元和主轴承载体头在枢转时不干扰或基本上不干扰彼此的这种方式被提供。
在这种情况下,阻尼单元可以例如被提供在承载体头底座的表面(承载体头底座的外壳)上,该表面以平行于枢转轴取向并且因而也倾斜地延伸,并且因此阻止主轴承载体头和阻尼单元在枢转期间的碰撞。
根据优选的进一步发展,阻尼单元可以确保单轴阻尼,并且特别地经配置以衰减主阻尼效应方向上的振荡。
如果具有其拖板的承载体头底座优选地在Z方向上可移位,则可以确保在Z轴方向上的阻尼。如果具有其拖板的承载体头底座优选地被可移位地安装在X或Z方向上,则可以确保在这些方向上的阻尼。
然而,因为振荡通常能够在所有方向上发生,所以优选的是一个或多个阻尼单元经配置,使得振荡能够在所有方向上衰减或至少振荡方向的主分量能够衰减。
出于这种目的,优选地,具有相应的单轴阻尼的多个阻尼单元可以被提供,其主阻尼效应方向(也可以称为主阻尼作用方向)在加工单元的不同方向上被取向。
根据优选的进一步发展,阻尼单元可以具有以下阻尼类型中的至少一个:粘弹性阻尼元件、压电阻尼元件、电动力阻尼元件和挤压膜阻尼元件。
通常,阻尼元件可以基于现有技术中已知的多种阻尼类型。然而,已经发现上述阻尼元件类型,即粘弹性阻尼元件、压电阻尼元件、电动力阻尼元件和挤压膜阻尼元件或其组合,确保最佳的阻尼性质和小安装尺寸。
例如,在粘弹性阻尼元件中,质量元件诸如金属件被安装在高度粘性或粘弹性的材料上或附接到其。
因此,在压电阻尼元件的情况下,压电材料被提供。例如,在振动的情况下,压电材料经受通过控制的电压,使得其膨胀或缩短,以便抵消振荡并且因此确保阻尼。例如,根据DE69924923T2,这种压电阻尼元件是已知的。
通过选择合适的压电材料和合适的应力,如在DE69924923T2中描述的用于滑雪板的这种压电阻尼元件能够被调整到振动频率,该振动频率通常在机床中出现。
在电动力阻尼元件中,一个或多个可控的线性致动器可以被提供,以便通过控制一个或多个线性致动器抵消振荡来抵消出现的振荡。
在挤压膜阻尼元件中,由于由振动引起的质量元件的运动和由于从第一腔室区域进入第二腔室区域的液体转移,例如,经由转移腔室区域或经由连接区域或管道,液体被加压或从第一腔室区域抽吸到第二腔室区域中,能够确保阻尼。例如,根据EP0164220A2,这种阻尼器是已知的。
根据优选的进一步发展,特别是基于挤压膜阻尼和/或基于节流阻尼,阻尼单元可以包含具有质量弹簧***的流体阻尼机构。
优选地,阻尼单元包括质量元件,该质量元件通过弹簧偏置并且被安装在导轨上,以便能够在主阻尼效应方向上振荡。
优选地,质量元件被安装在阻尼单元的密封流体的内部空间中,以便能够振荡,和/或内部空间的腔室区域至少部分地填充有液体,特别是油。
优选地,阻尼单元适于替换质量弹簧***的质量元件,以***或替换质量弹簧***的弹簧元件和/或改变流体阻尼机构的流体。
根据有利的进一步发展,阻尼单元可以具有包括腔室或内部空间的外壳,其中被支撑在弹簧元件上的质量元件以振荡方式被安装,其中在腔室(内部空间)中提供液体,该液体在振荡的情况下从在质量元件和腔室壁之间形成的第一腔室区域被转移或可转移到在质量元件和腔室壁之间形成的第二腔室区域中。
这种有利的进一步发展是这种先前描述的挤压膜阻尼元件的具体实施例。在这种情况下,质量元件可以被支撑在弹簧元件上,优选地以任何方式被悬接或附接到其。
弹簧元件总是使质量元件进入静止位置。当发生振动时,这个质量元件被偏转并且因此将液体从第一腔室(间隙或间隙状腔室区域)压入第二腔室(间隙或间隙状腔室区域),因为第一间隙或腔室区域和第二间隙或腔室区域的体积随着这种偏转而改变。
作为振动的结果,如果质量元件被偏转,使得腔室壁和质量元件之间的第一腔室区域的尺寸减小并且腔室壁和质量元件之间的第二腔室区域的尺寸增加,则第一腔室区域中容纳的液体通过第二腔室区域的体积的同步增加被压入第二腔室区域或被抽吸到第二腔室区域中。
在实施例中,腔室区域中的至少一个可以形成在在轴向方向上振荡的质量元件下面的阻尼外壳的内部空间的下侧上。可选地,腔室区域中的一个或多个可以形成在在轴向方向上振荡的质量元件上面的阻尼外壳的内部空间的上侧上。
在这种情况下,如上所述,内部空间可以至少部分地填充有液体,其中在部分填充内部的情况下,阻尼元件以质量元件的轴向振荡方向被竖直地或至少基本上竖直地取向(即,使得安置在下侧上的一个或多个腔室区域填充有液体,例如,在外壳的下侧的区域中或在内部空间的下侧上的平面形成的挤压膜间隙的情况下)的这种方式在加工单元上被取向。
在这种情况下,有利地,仅将小体积的液体填充到内部内是足够的,使得一个或多个下腔室区域或挤压膜间隙填充有液体,或仅内部空间的区域以安置在下侧上的一个或多个腔室区域或平面形成的挤压膜间隙覆有在外壳的下侧的区域中和/或在内部空间的下侧上的液体的这种方式被填充。
当质量元件振荡时,使用的油或液体能够从下腔室区域或下间隙被径向向外或径向向内挤压。作用于质量元件的振荡的阻尼基于这种物理效应(“挤压膜效应”),该物理效应还经由阻尼元件到加工单元的刚性紧固衰减在加工单元处的振荡。
如果内部空间完全填充有液体,则阻尼效应可以增加,使得上腔室区域或间隙和下腔室区域或间隙填充有液体,质量元件在上腔室区域或间隙和下腔室区域或间隙之间振荡,因为“挤压膜效应”然后在对应的腔室区域或间隙处的内部空间的上表面和下表面处发生移相,其中当液体在相对侧上被径向向内吸入时,液体在一侧上被径向向外推动,反之亦然。
在阻尼单元的质量元件的轴向振荡方向的水平或基本水平(或平斜)取向中(例如,用于衰减具有水平主分量的振动),内部空间优选地完全填充有液体,特别是油。
根据有利的进一步发展,腔室(内部空间)可以具有在其圆周方向上的圆柱形形状并且可以通过平面壁以上侧和下侧界定;质量元件可以具有在其圆周方向上的圆柱形形状并且也可以通过平面壁以上侧和下侧界定,其中转移腔室区域被安置在相对的圆周壁之间,并且上侧腔室区域或下侧腔室区域(第一腔室或挤压膜间隙、第二腔室或挤压膜间隙)分别被安置在相应的上侧平面壁和下侧平面壁之间,由于质量元件的振荡,腔室区域均具有可变的接收体积。
这种配置基本上提供在其俯视图中是圆柱形的圆柱形挤压膜阻尼器,其具有上侧可变腔室和下侧可变腔室以及安置在其间的具有圆柱形形状的转移腔室,该转移腔室在质量元件的圆柱形外壁和腔室的圆柱形内壁之间形成。
借助这种圆柱形配置,特别是在横截面方向上是圆形的圆柱形配置,一方面,简单的制造过程可以被选择,并且另一方面,阻尼单元中的质量分配也被补偿。
在这种情况下,阻尼单元基本上具有例如滚筒形式的圆柱形外壳,其中上侧和下侧以及圆柱形侧壁在圆周方向上横向延伸到该圆柱形外壳。
质量元件被提供在这个外壳中。这个质量元件可以由金属,特别是高密度金属制成。
选择的液体和质量元件的选择的质量也可以匹配这种机床中的预期振动频率。
质量元件优选地具有50kg和120kg之间的质量,有利地在75kg和150kg之间,特别是100kg(+/-5kg)。
根据有利的进一步发展,质量元件可以由至少一个弹簧元件和优选地使用多个弹簧元件支撑在上侧和下侧处。
因此,优选地,不仅一个弹簧元件从一侧作用于质量元件,而且质量元件通过至少一个弹簧元件被支撑在相对侧上,即在上侧或下侧上。质量元件因此被保持在至少两个弹簧元件之间。因此,可以使用弹簧元件、具有调整到预期的振动频率的预定弹簧常数的简单螺旋弹簧。这些弹簧元件因而被支撑在腔室(内部空间)的上侧和质量元件的上侧与质量元件的下侧或腔室(内部空间)的下侧之间。在这种情况下,与下侧相对的侧被称为上侧。上侧和下侧是在纵向方向上限定圆柱形侧壁的侧。优选地,腔室(内部空间)或阻尼单元的外壳的下侧因此形成支撑表面,阻尼单元可以附接到该支撑表面。
作为至少两个弹簧元件之间的质量元件的前述支撑的结果,可实现牢固安装。
根据有利的进一步发展,多个相对的弹簧元件可以沿圆周壁被提供,该圆周壁将质量元件支撑在上侧和下侧上。
因此,弹簧元件的对称安置是优选的,优选地在沿质量元件的圆周方向的等距离处。以此方式,质量元件可以特别牢固地被安装,特别是防止倾斜被牢固安装。
根据有利的进一步发展,弹簧元件可以被接收在质量元件的上侧壁或下侧壁上的接收孔中,并且可以被紧固到腔室(内部空间)的相应相对壁。
在这种情况下,例如,被接收在质量元件的上壁或下壁上的接收孔中的弹簧元件(例如,螺旋弹簧)的端部不必被固定地连接到质量元件。相反,该端部可以简单地被***这个孔中。
在弹簧元件的相应其它端部处,弹簧元件被优选固定地连接到腔室(内部空间)的内壁或突出到腔室(内部空间)的内壁内,用于安全地附接在腔室(内部空间)中,并且被保持在腔室壁中的相应位置处。
根据优选的进一步发展,可以提供在腔室(内部空间)的上侧和腔室的下侧之间延伸的纵向引导装置(导轨),使得质量元件被安装,以便其仅在纵向方向上振荡,特别是在导轨的方向上振荡。
为了使转移腔室区域在圆周方向上均匀,对应的纵向引导装置被提供,该纵向引导装置上的质量元件被引导在腔室(内部空间)的上侧和下侧之间。
因此,质量元件被安置在腔室(内部空间)中,使得其基本上(即,除了产生公差以外)仅在纵向方向上可移位,由此确保单轴阻尼。
根据有利的进一步发展,纵向引导装置可以由连杆形成,该连杆突出通过在质量元件的上侧壁和下侧壁之间延伸的开口。
因此,这些连杆被提供在腔室的上侧限制壁和腔室的下侧限制壁之间,并且突出通过质量元件(从其上侧到其下侧)。这确保特别安全的引导。
根据优选的进一步发展,连杆突出通过的开口可以沿质量元件的圆周在均匀距离处被提供。类似于优选地沿质量元件的圆周被提供的上述弹簧,平衡的质量分布和安全引导也可以通过关于开口的这种对称设计确保。
根据有利的进一步发展,弹簧元件可以邻近每个开口被提供。由于导轨和弹簧元件之间的这种紧邻,确保质量元件的特别安全的单轴支撑。
特别地,组合是优选的,其中弹簧元件和开口沿圆周被提供,其中弹簧或弹簧突出到其内的孔均邻近这种开口被提供在径向内侧或外侧上,特别是在关于开口的径向内侧上。
根据有利的进一步发展,外壳可以是温度控制的。因为腔室中的液体的粘度取决于温度,所以能够非常有利地控制外壳的温度并且因此也经由温度控制阻尼性质。
当液体的温度升高时,液体的粘度可以减小,并且因此可以提供与在液体的低温度下不同的粘度范围中的阻尼。
例如,温度控制能够与控制装置耦合,该控制装置测量出现的振荡频率并且使相应的阻尼特性适应于通过外壳的温度控制测量的振荡频率。例如,这种配置通过控制装置的适当管理被提供。
优选地,外壳的温度是可调整的。特别优选地,用于调整外壳的温度的温度控制器包括振动传感器,其振动传感器信号被供应到温度控制器,用于控制外壳的温度。
在这种情况下,温度也可以以受控方式改变,以便通过调整液体的相应要求的粘度有目的地控制期望的阻尼行为。
当使用振动传感器时,在特别有利的实施例中,还可能建立控制回路,其基于振动传感器的传感器信号控制挤压膜阻尼元件中的液体的调整的温度,以便间接地控制液体的粘度并且因此间接地控制振荡行为,以便以优化方式衰减出现的振荡。
根据有利的进一步发展,外壳可以具有安装在阻尼装置支架上的底表面,该阻尼装置支架被安装在承载体头底座的外壁上。
外壳的底表面通常是外壳的下侧。即,质量元件在纵向方向(即,关于底表面的竖直方向)上振荡。阻尼单元被安装在这个底表面上。特别地,质量元件的平移运动可以垂直于底表面。
根据本发明的优选的进一步发展,阻尼装置支架可以包括用于外壳的底座表面和用于紧固承载体头底座的紧固表面,底座表面垂直于承载体头底座的运动方向被取向并且紧固表面基本上平行于主轴承载体头的枢转轴被取向。
这确保阻尼装置水平地位于承载体头底座的倾斜外壳表面上。这个倾斜外壳表面优选地平行于枢转轴取向,使得阻尼单元和主轴承载体头在枢转期间彼此不碰撞。
根据一个独立的方面,本发明还提出具有根据先前方面中的至少一个的加工单元的机床。
根据一个独立的方面,本发明还提出机床,其包含在第一轴导轨上在第一方向上可移位的拖板,并且包含工件保持器、第二拖板以及根据先前方面中的一个的加工单元,该第二拖板在第二方向上在第二轴导轨上可移位并且包括在第三方向上延伸的轴导轨。
在本文中,加工单元或加工单元的纵向可移位拖板被安装在第二拖板的轴导轨上,其在Y方向上延伸。
还应当强调,阻尼单元的上述方面也可以独立于机床或独立于机床的加工单元被提供。
例如,阻尼单元被独立地提出,特别是基于挤压膜阻尼和/或基于节流阻尼,该阻尼单元包含具有质量弹簧***的流体阻尼机构。这个独立的方面可以与先前方面中的所有特征以及下面的示例性实施例组合。
特别地,提出的阻尼***不限于机床的机械运动学,而是可以普遍地用在所有***中,其中振动待被衰减(例如,在机器、机器组件、马达块、结构、建筑物、变速器、车辆主体等中)。
根据下面示出的实施例并结合附图,本发明的进一步优点和细节或示例性实施例将变得显而易见。
附图说明
在附图中:
图1示出根据现有技术已知的机床的示例性透视图;
图2示出图1中示出的机床的加工单元的内部工作的示例性示意图;
图3A示出根据本发明的示例性实施例的用于机床的加工单元的示例性示意性侧视图,其中阻尼单元被提供在该加工单元上;
图3B示出来自图3A的加工单元的示例性示意性侧视图,其中阻尼单元在加工单元的主轴承载体头的不同枢转位置处被提供在该加工单元上;以及
图4示出根据示例性实施例的阻尼单元的示例性视图。
具体实施方式
在下文中,参考附图详细描述本发明的示例或示例性实施例。附图中相同或类似的元件可以用相同的附图标记指代,但是有时候也具有不同的附图标记。
然而,应当注意,本发明绝不限制或局限于下面描述的示例性实施例及其特征,而是还包括示例性实施例的修改,特别是经由描述的示例的特征的修改或经由描述的示例的特征中的一个或多个的组合落入独立权利要求的范围内的那些。
图1示出根据现有技术已知的具有五个轴的机床100的示例,该五个轴包括三个线性可移位的轴和两个旋转轴。
机床100可以通过数字控制器(未示出)控制,特别是用于控制三个线性轴和两个旋转轴的移位运动,以便控制待加工的工件和加工工件并且保持在机床100的主轴上的工具之间的相对运动。
在本文中,通过示例的方式,在Y方向上水平延伸并且在机床100的框架1的侧部件1b(机床支架)上垂直延伸到其的一对第一轴导轨2和在X方向上水平延伸的第二轴导轨2被安置在机床100的框架1(机床框架)的下部件1a(机床床身)上,该下部件1a在侧视图中是例如L形。
工件保持器可以被提供在转台4a上,该转台4a被安置在Y轴(第一线性轴)的第一(Y轴)拖板4上,该第一拖板4在Y方向上在第一轴向导轨2上纵向可移位或可移位。
通过示例的方式,待加工的工件可以被保持或夹在可旋转驱动的旋转轴的转台4a上,工件可以通过旋转转台4a(优选地旋转至少360度或更多)而围绕竖直的旋转轴旋转,并且可以通过沿Y轴移位拖板4而在Y方向上被线性移位。
在X方向上横向地可滑动或可移位并且具有例如在高度方向上的连杆状配置的X轴(第二线性轴)的第二(X轴)拖板5被提供在第二轴导轨3上,以便保持竖直的Z轴(第三线性轴)的轴导轨6沿轴导轨6的整个高度。在第二拖板5的背靠第二轴导轨3的一侧上,沿竖直的Z方向延伸的第三轴导轨6因此通过示例的方式被提供。
此外,在图1中示出的机床100的高度方向(Z方向)上,加工单元7(铣头、主轴头或主轴座)被保持在竖直的Z轴的第三(Z轴)拖板9上或附接到其,该拖板9在Z方向上纵向可滑动或可移位。加工单元7包括例如承载体头底座8。承载体头底座8的后部件被安置在第三拖板9上,并且因此在机床的高度方向上在第三轴导轨6上竖直地可移位安装。
特别地,加工单元7因此可以例如通过在X方向并且横向于Y方向上水平移位拖板5而沿X轴线性移位,并且可以通过移位拖板9而沿Z轴线性竖直移位。
例如,在承载体头底座8的与第三拖板9相对的一侧上,主轴承载体头10(例如,枢转头)被保持,使得其可枢转地布置在其上,主轴承载体头10承载工作主轴11,工具保持器12被提供在工作主轴11上,对应的工具,例如用于配合夹在转台4a上的工件的切割工具、钻孔工具或铣削工具可以被接收在工作主轴11上。
主轴承载体头10例如关于Z轴倾斜地或关于第三轴导轨6倾斜地围绕倾斜的枢转轴S或第三拖板9的可移位方向被枢转地安装(也参见图3A和图3B),使得主轴承载体头10能够在具有主轴11的水平取向的主轴轴的图1中示出的第一位置和具有主轴11的竖直取向的主轴轴的第二位置之间枢转。
主轴11可以经由在主轴支撑头10中提供的齿轮箱驱动(例如,参见图2)。根据现有技术已知的机床的示例性加工单元7被示出在图2中的示例性示意图中。
例如,在承载体头底座8内,马达13被布置,以旋转地驱动轴14。轴14的旋转运动经由形成齿轮箱15的齿轮组被转移到在其前端处装备有工具保持器12(参见图1)的主轴11,以便旋转地驱动保持在工具保持器12上的工具。
关于承载体头底座8和主轴承载体头10之间的枢转轴的枢转机构和齿轮箱15的示例性结构,参考EP1415758A1。
图3A和图3B示意性示出来自图1和图2的加工单元7,根据本发明的承载体头底座8装备有阻尼单元17,阻尼单元17仅作为示例被安置在承载体头底座8的上侧上。
然而,本发明不限于阻尼单元17被安置或安装在承载体头底座8的上侧上的示例性实施例,而是一个或多个阻尼单元也可以被安置和/或安装在承载体头底座8和/或主轴承载体头10的其它点处。
此外,本发明不限于具有枢转轴或具有关于彼此可枢转的两个承载体部分的加工单元,但是可以延伸到各种支承主轴的加工单元或主轴或具有用于机床的承载工具的工作主轴的铣头。
在图3A和图3B中图示说明的情况下,阻尼元件17例如装备有独立的元件,该独立的元件被安置在加工单元7的外壳的外侧上。
然而,本发明不限于布置在外侧上的这种阻尼元件17,而是一个或多个阻尼元件17可以集成在加工单元7中并且可以特别是被安装在加工单元7或承载体头底座8和/或主轴承载体头10内。
此外,阻尼元件可以附加地或替代地也被安置在机床100的其它点处,例如在机床框架上、在机床床身上、在轴拖板上和/或在转台上或在工件夹紧装置上或邻近工件夹紧装置。
图3A和图3B的阻尼元件17包括例如具有示例性圆柱形圆周壁19的外壳18、示例性平面上侧壁20(盖部分)和示例性平面下侧壁21(底部部分)。在外壳18的内部,这些壁19、20、21形成示例性圆柱形内部空间22,其中可以提供振荡阻尼机构或阻尼元件。
外壳18的下侧壁21形成例如阻尼单元17的底座表面,并且被安装在例如示意性图示说明的阻尼装置支架23上。这个阻尼装置支架23例如是独立的元件并且可以例如由金属或塑料制成。
阻尼装置支架23包括例如紧固表面24,通过紧固表面24,阻尼装置支架23被紧固到支撑头底座8的外壳壁。此外,阻尼装置支架23包括例如底座表面25,经由底座表面25,外壳18的下侧壁21被紧固到阻尼装置支架23。
底座表面25和紧固表面24具有例如彼此成大约45度的角,因为特别是承载体头底座8的外壳的上侧上的对应的倾斜表面被同样地倾斜安置。
紧固表面24和承载体头底座8的外壳的上侧上的倾斜表面基本上平行于枢转轴S,该枢转轴以例如相对于Z轴大约45度的角倾斜地延伸(参见图1)。
Z轴和枢转轴S之间的角越尖锐,紧固表面24和底座表面25之间的角可越大。然而,两个角(紧固表面24和底座表面25之间的角和枢转轴S关于Z轴的角)总和为例如90度,使得阻尼单元17的下侧壁21是平坦的并且阻尼单元17是竖直的(其中在实施例中,在内部空间22中提供的质量元件30可以被保持,使得其可在例如竖直的Z方向上平移移动,参见图4)。
阻尼装置支架23并非是绝对必要的。替代地,阻尼单元的外壳18也可以直接地紧固到加工单元的外壳或承载体头底座8而没有这种阻尼装置支架23的中间元件,或可以安置在其内部中。
在图4中的截面视图中通过示例的方式示出根据非限制性实施例的示例性阻尼单元17。通过示例的方式,在当前示例性实施例中提出基于“挤压膜”的“阻尼单元”。
在当前示例性实施例中,阻尼单元17因此形成为(作为一个示例)挤压膜阻尼元件(其也被称为所谓的挤压膜阻尼器)。然而,替代地,任何已知的阻尼元件可以被用作阻尼单元。这种阻尼单元也可以包括粘弹性阻尼元件、电动力阻尼元件和/或压电阻尼元件或其组合。
在当前情况下,阻尼单元17的外壳18基本上包含示例性圆柱形圆周壁19以及盖或盖部分20和底部或底部部分21,该盖或盖部分20在纵向方向上从上方界定内部空间22并且形成上侧壁,该底部或底部部分21在纵向方向上从下方界定内部空间22并且形成下侧壁。
在图4中,仅通过示例的方式,提供外壳18的上盖20,其具有通过螺钉28或其它紧固工具密封地并且特别是不透液体地闭合内部空间22的中心板元件27。在此,板元件27的壁厚度可以选择,使得板元件27下形成的挤压膜阻尼的间隙可以基于挤压膜阻尼的期望的阻尼效应而被调整到期望的间隙宽度。通过以不同壁厚度的板元件替换板元件27能够获得不同的间隙宽度。一旦板元件27被移除,例如在内部空间22中的液体就能够被补充或替换。
在当前情况下,由两个圆柱形圆盘30a和30b形成的质量元件30通过示例的方式被安置。质量元件30的外圆周表面具有例如圆柱形形状,并且对应于例如外壳18的圆柱形内圆周表面的形状,该内圆周表面界定内部空间22(内部空间的外圆周壁)。
质量元件30分别通过上保持元件29和下保持元件29被保持在上侧和下侧上,或在上保持元件29和下保持元件29之间。例如,保持元件29均是圆盘形的。
例如,通过螺钉37被分别紧固到盖部分20和底部部分21的相应的连杆状引导元件38在盖部分20和底部部分21之间竖直地延伸。在外壳18的盖20和底部21上,提供通过示例的方式用作引导元件的连杆38,连杆被形成为独立的元件并且通过螺钉37或其它紧固工具连接到外壳的对应盖或底部。
这些连杆或引导元件38沿外壳18的外圆周表面在等间隔处被提供,并且突出通过分别在质量元件30中提供和在质量元件30的对应位置处提供的开口39。此外,引导元件38延伸通过在保持元件29中形成的开口44(例如,孔)。
在阻尼元件7的外壳18的内部空间22中,具有保持元件29的质量元件30因此被安装,使得其能够沿引导元件38自由地滑动。
质量元件30被保持在弹簧元件40、41之间,其中下弹簧元件40均支撑质量元件30,并且上弹簧元件41均压在质量元件30上。弹簧元件40和41均被保持或支撑在对应的开口43(例如,孔)中。因此,对于质量元件30,提供在竖直方向上可移位的平移弹簧悬挂装置。
对应的弹簧元件40、41例如形成为螺旋弹簧,相应的螺旋弹簧的一端被固定到盖或底部,并且螺旋弹簧的另一端被支撑在开口43或开口43的底座区域中,例如,而没有固定到其上。
相应的上侧弹簧元件40和下侧弹簧元件41在竖直方向上均被安置为彼此相对并且被安置为相对于彼此延伸,其中一对上弹簧元件40和下弹簧元件41分别平行于开口39和引导元件38安置。因此,在沿外壳18的圆周方向上,总是提供例如连杆38和一对弹簧元件40、41。
在上保持元件29的上侧壁31和板元件27的内表面之间,间隙Sp形成,从而形成用于接收流体的上挤压膜腔室部分35,并且在下保持元件29的下侧壁32和底部部分21的内表面之间,另一间隙Sp形成,从而形成用于接收流体的下挤压膜腔室区域36。
上挤压膜腔室区域35和下挤压膜腔室区域36均由在内部空间22中的剩余腔中形成的转移腔室区域34形成,用于接收流体。例如,在质量元件30的外圆周表面和外壳18的内圆周表面之间形成转移腔室区域34,其例如完全在外壳元件30的圆周方向上围绕质量元件30并且在当前示例中基本上具有恒定的横截面。
当在内部空间22中的工件的加工期间出现振动时,质量元件30在液体中沿引导元件38上下滑动地振荡。
间隙Sp的间隙区域或腔室区域35和36的体积变化,由此下间隙Sp增加,特别是当质量元件30向上移动时,并且腔室区域36的体积增加、上间隙Sp减小以及腔室区域35的体积减小,或由此上间隙Sp增加,特别是当质量元件30向下移动时,并且腔室区域35的体积增加、下间隙Sp减小以及腔室区域的体积减小。
例如,当图4中的质量元件30向上移动时,在至少内部空间22的下部分填充有液体的情况下(即,如果内部空间22仅部分填充有液体),下间隙或腔室区域36的腔室体积增加,并且位于转移腔室区域34中的液体被转移到间隙或通过间隙中出现的径向吸入流从转移腔室区域34吸入间隙内(参考在图4中的右底侧的右手详细视图)。
当质量元件30再次向下移动时,下间隙或腔室区域36的腔室体积减小,并且位于其中的液体转移到转移腔室区域34中或通过间隙中出现的径向压力流被推出转移腔室34(参考在图4中右底侧的右手详细视图)。
当内部空间22以及腔室区域34、35和36完全填充有液体并且质量元件30向下移动时,上间隙或腔室区域35的腔室体积增加,并且转移腔室区域34中的液体被转移到间隙或通过间隙中出现的径向吸入流被吸入间隙内(参考在图4中右底侧的右手详细视图)。当质量元件30再次向上移动时,上间隙或腔室区域35的腔室体积减小,并且位于其中的液体转移到转移腔室区域34中或通过间隙中出现的径向压力流被压入转移腔室34中(参考在图4中右底侧的右手详细视图)。
因此,由于间隙区域中出现的压力或吸入流,当阻尼元件7的内部区域22部分填充和完全填充有液体时,特别是当阻尼元件刚性地附接到加工单元时,发生也用作对整个加工单元的振荡阻尼的对质量元件30的振荡的阻尼效应。
因此,腔室区域中的至少一个可以形成在在轴向方向上振荡的质量元件下面的阻尼外壳的内部空间的下侧上。可选地,腔室区域中的一个或多个可以形成在在轴向方向上振荡的质量元件上面的阻尼外壳的内部空间的上侧上。
在这种情况下,如上所述,内部空间可以至少部分地填充有液体,其中在部分填充内部空间的情况下,阻尼元件以质量元件的轴向振荡方向被竖直地或至少基本上竖直地取向(即,特别是使得安置在下侧上的一个或多个腔室区域填充有液体,例如,在外壳的下侧的区域中或在内部空间的下侧上的平面形成的挤压膜间隙的情况下)的这种方式在加工单元上被取向。
在这种情况下,有利地,仅将小体积的液体填充到内部空间内是足够的,使得一个或多个下腔室区域或挤压膜间隙填充有液体,或仅内部空间的区域以安置在下侧上的一个或多个腔室区域或平面形成的挤压膜间隙覆有在外壳的下侧的区域中和/或在内部空间的下侧处的液体的这种方式被填充。
当质量元件振荡时,使用的油或液体可以从下腔室区域或下间隙被径向向外或径向向内挤压。作用于质量元件的振荡的阻尼基于这种物理效应(“挤压膜效应”),该物理效应还经由阻尼元件到机床的加工单元的刚性紧固衰减在加工单元处的振荡。
当内部空间完全填充有液体时,阻尼效应可以增加,使得上腔室区域或间隙和下腔室区域或间隙填充有液体,质量元件在上腔室区域或间隙和下腔室区域或间隙之间振荡,因为“挤压膜效应”然后在对应的腔室区域或间隙处的内部空间的上侧和下侧处发生移相,其中当液体在相对侧上被径向向内吸入时,液体在一侧上被径向向外推动,反之亦然。
由于阻尼单元的质量元件的轴向振荡方向的水平或基本水平(或平斜)取向(例如,用于衰减具有水平主分量的振荡),内部空间优选地完全填充有液体,特别是油。
质量元件优选地具有50kg和120kg之间的质量,有利地在75kg和150kg之间,特别是100kg(+/-5kg)。平均间隙宽度特别优选地小于10mm,或优选地小于5mm,并且特别地基本上为1mm。
在具有装配有如上所述的示例性设计的挤压膜阻尼单元的加工单元的机床上的试验中,可以看出在将挤压膜阻尼单元附接到加工单元之后加工工件的情况下,同时材料去除率增加高达500%时,相同的表面质量可以在加工的工件表面中被实现,如在没有阻尼单元的机床上加工一样。
选择的液体,特别优选的是油以及选择的质量元件的质量可以配合在这种机床中的预期振动频率。
在当前示例中,外壳18例如是温度控制的。因为腔室中的液体的粘度取决于温度,所以温度控制外壳18并且因此也经由温度控制阻尼性质是非常有利的。因此,可以确保液体的温度能够保持恒定,使得粘度并且因此在工件的加工期间的振荡阻尼行为不随时间而改变,因为液体特别是油的温度依赖性粘度保持不变。
当液体的温度升高时,液体的粘度可以减小,并且因此可以提供与在液体的低温度下不同的粘度范围中的阻尼。
例如,温度控制能够与控制装置耦合,该控制装置测量出现的振荡频率并且使相应的阻尼特性适应于经由外壳的温度控制测量的振荡频率。例如,这种配置通过控制装置的适当管理被提供。
在这种情况下,温度也可以以受控方式改变,以便通过调整至液体的相应要求的粘度有目的地控制期望的阻尼行为。
当使用振动传感器时,在特别有利的实施例中,还可能建立控制回路,其基于振动传感器的传感器信号控制挤压膜阻尼元件中的液体的调整的温度,以便间接地控制液体的粘度并且因此间接地控制振荡行为,以便以优化方式衰减出现的振荡。
此外,可能改变使用的弹簧的类型(特别是关于弹簧常数)和/或数量并且调整阻尼单元到待衰减的频率范围。通过改变使用的多达100个弹簧的弹簧数量,在试验中可以看出在阻尼器的恒定振荡质量下的振荡的衰减频率范围能够仅通过改变使用的弹簧的数量被调整在3Hz和100Hz之间。
振荡阻尼行为可以通过调整弹簧的类型和/或数量、挤压膜阻尼安置的平均间隙宽度,并且通过选择液体或其粘度以及通过借助温度控制调整或改变粘度(可能基于具有振动传感器的控制回路连接到温度控制)被最佳地调整。
本发明不限于挤压膜阻尼的实施。相反,也可以使用不同的阻尼元件,并且特别是具有质量弹簧***的其它类型的流体阻尼机构(例如,具有基于挤压膜的质量弹簧***的流体阻尼机构、具有基于节流的质量弹簧***的流体阻尼机构)。质量弹簧***通常提供偏置的可振荡质量允许具有高功率密度的特别紧凑的设计的优点。
在具有质量弹簧***的流体阻尼机构的情况下,具有模块化原理的阻尼行为可以通过经由材料选择或使用的材料的密度适当地可选择质量元件的质量(出于这种目的,由于不同的密度而在不同的质量下的相同尺寸和形状的多个质量元件可以在阻尼元件中被提供和交换)、通过可变的使用的弹簧的类型并且特别是数量以适于待衰减的振荡的频率范围、通过可调整的间隙或液体腔室的间隙高度(例如,通过上板元件27和/或保持元件29的调整或交换)、通过根据粘度选择使用的液体和/或通过经由控制阻尼单元或腔室壁的温度可调整或可微调液体的粘度而被简单的可变调整。
此外,可以使用多个阻尼元件,每个阻尼元件关于使用的质量元件的质量。使用的间隙高度、使用的弹簧(关于类型和/或数量)、使用的液体和/或待设置的温度控制的阻尼元件的温度具有不同的组成,以便能够同时衰减机床的机械***或待阻尼的加工单元的多个本征频率。
然而,多个阻尼元件的使用可以不仅用于衰减多个频率范围或不同的频率,而且还可以在阻尼元件在弹簧质量***的不同振荡方向上被安置在加工单元上时衰减不同的振荡方向。借助弹簧质量***的导轨(例如,引导元件38),水平取向的振荡阻尼也是可能的或水平振荡能够被衰减。
此外,当多个阻尼元件被使用时,单个阻尼元件的质量可以被减小,使得多个阻尼元件均可以更紧凑,并且单个阻尼元件的安装体积可以被减小,使得可能有利地实现将阻尼器简单和节省空间地附接或集成到机床或加工单元或到其内。
这还允许甚至在较小质量的质量元件下也提供节省空间的阻尼元件(例如,优选地在20kg和30kg之间,或在10kg和50kg之间),其可以用于较小的机床(所谓的小机床),以便振荡衰减,或如果使用多个阻尼元件,其也可以用于较大的机床(所谓的大机床)。
总之,本发明允许提供机床上的工件的改进的去毛刺加工,使用该改进的去毛刺加工能够实现在可实现的高表面质量下的最大可能的加工精度和在高材料去除率下的最大可能的生产率。
特别地,可能有利地衰减在工件的加工期间出现的振荡,使得在较高的材料去除率下,由于机床的加工单元上的振荡阻尼单元承载工作主轴并且相关的振荡在工件在较高的进给速率和/或工具到工件内的较深***下的加工期间衰减,以便增加机床的生产率和运行性能,显著增加的加工精度和改进的表面质量仍然能够被实现。
Claims (26)
1.一种用于机床的加工单元(7),包含:
承载体头底座(8);以及
主轴承载体头(10),其保持承载工具的工作主轴(11),
其特征在于:
所述加工单元(7)装备有阻尼单元(17),所述阻尼单元(17)用于衰减在所述机床上的工件的加工期间出现的振荡。
2.根据权利要求1所述的加工单元(7),其特征在于:
所述承载体头底座(8)装备有所述阻尼单元(17)和/或所述主轴承载体头(10)装备有所述阻尼单元(17)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的加工单元(7),其特征在于:
所述阻尼单元(17)被安置在所述承载体头底座(8)的外壳(18)的外侧上和/或在所述主轴承载体头(10)的所述外壳(18)的外侧上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的加工单元(7),其特征在于:
所述阻尼单元(17)被提供为能够被安装或卸下的独立的元件。
5.根据前述权利要求中任一项所述的加工单元(7),其特征在于:
所述阻尼单元(17)提供单轴阻尼并且特别地经配置以衰减在主阻尼效应方向上的振荡。
6.根据前述权利要求中任一项所述的加工单元(7),其特征在于:
提供具有相应的单轴阻尼的多个阻尼单元(17),所述多个阻尼单元(17)的所述主阻尼效应方向在所述加工单元(7)的不同方向上取向。
7.根据前述权利要求中任一项所述的加工单元(7),其特征在于:
所述阻尼单元(17)包括以下阻尼类型中的至少一个:粘弹性阻尼元件、压电阻尼元件、电动力阻尼元件和挤压膜阻尼元件。
8.根据前述权利要求中任一项所述的加工单元(7),其特征在于:
特别是基于挤压膜阻尼和/或基于节流阻尼,所述阻尼单元(17)包含具有质量弹簧***的流体阻尼机构。
9.根据前述权利要求中任一项所述的加工单元(7),其特征在于:
所述阻尼单元(17)包括质量元件(30),所述质量元件(30)通过弹簧(40、41)偏置并且被安装在导轨(38)上,以便能够在主阻尼效应方向上振荡。
10.根据前述权利要求中任一项所述的加工单元(7),其特征在于:
所述质量元件(30)被安装在所述阻尼单元(17)的流体密封的内部空间(22)中,以便能够振荡,且所述内部空间(22)的腔室区域(34、35、36)至少部分地填充有液体,特别是油。
11.根据前述权利要求中任一项所述的加工单元(7),其特征在于:
所述阻尼单元(17)适于替换所述质量弹簧***的质量元件(30),以***、移除或替换所述质量弹簧***的弹簧元件和/或改变所述流体阻尼机构的流体。
12.根据前述权利要求中任一项所述的加工单元(7),其特征在于:
所述阻尼单元(17)包含外壳(18),所述外壳(18)包括内部空间(22),其中被支撑在弹簧元件(40、41)上的质量元件(30)以振荡方式被安装,其中在所述腔室(22)中提供液体,当所述质量元件(30)振荡时,所述液体可从在所述质量元件(30)和腔室壁之间形成的第一腔室区域(35)转移到在所述质量元件(30)和腔室壁之间形成的第二腔室区域(36)中。
13.根据权利要求12所述的加工单元(7),其特征在于:
所述内部空间(22)具有在其圆周方向上的圆柱形形状并且通过平面壁(20、21)以上侧和下侧界定;
所述质量元件(30)具有在其圆周方向上的圆柱形形状并且通过平面壁(31、32)以上侧和下侧界定;
其中转移腔室区域(37)被安置在相对的圆周壁之间,并且上侧腔室区域或下侧腔室区域(35、36)被安置在相应的上侧平面壁和下侧平面壁(20、31;21、32)之间,由于所述质量元件的振荡,所述腔室区域均具有可变的接收体积。
14.根据权利要求12或13所述的加工单元(7),其特征在于:
所述质量元件(30)通过至少一个弹簧元件(40、41)在所述上侧和所述下侧处被支撑。
15.根据权利要求12到14中任一项所述的加工单元(7),其特征在于:
多个相对的弹簧元件(40、41)沿所述圆周壁提供,将所述质量元件支撑在所述上侧和所述下侧上。
16.根据权利要求12到15中任一项所述的加工单元(7),其特征在于:
所述至少一个弹簧元件(40、41)被接收在所述质量元件(30)的上侧壁或下侧壁上的接收孔(43)中并且被紧固到所述内部空间(22)的相应的相对壁。
17.根据权利要求12到16中任一项所述的加工单元(7),其特征在于:
提供在所述内部空间(22)的上侧和所述内部空间(22)的下侧之间延伸的导轨(38),使得所述质量元件被安装,以便能够在所述导轨的方向上以引导方式振荡。
18.根据权利要求12到17中任一项所述的加工单元(7),其特征在于:
所述导轨(38)由连杆形成,所述连杆突出通过在所述质量元件(30)的上侧表面和下侧表面之间延伸的开口(39)。
19.根据权利要求18所述的加工单元(7),其特征在于:
所述连杆(38)突出通过的所述开口(39)沿所述质量元件(30)的圆周在等间隔处被提供。
20.根据权利要求18或19所述的加工单元(7),其特征在于:
弹簧元件(40、41)邻近每个开口(39)被提供。
21.根据权利要求20所述的加工单元(7),其特征在于:
所述外壳(18)是温度控制的。
22.根据权利要求21所述的加工单元(7),其特征在于:
所述外壳(18)的温度是可调整的。
23.根据权利要求22所述的加工单元(7),其特征在于:
用于调整所述外壳(18)的温度的温度控制器包括振动传感器,所述振动传感器的振动传感器信号被供应到所述温度控制器,以便控制所述外壳(18)的温度。
24.根据前述权利要求中任一项所述的加工单元(7),其特征在于:
所述外壳(17)包括安装在阻尼装置支架(23)上的底表面,所述阻尼装置支架(23)被安装在所述加工单元(7)的外壁上。
25.根据权利要求24所述的加工单元(7),其特征在于:
所述阻尼装置支架(23)包括用于所述外壳(18)的底座表面(25)和用于紧固到所述承载体头底座(8)的紧固表面(24),所述底座表面(25)垂直于所述承载体头底座(8)的运动方向取向并且所述紧固表面基本上平行于所述主轴承载体头的枢转轴(S)取向。
26.一种包含根据前述权利要求中任一项所述的加工单元(7)的机床。
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