DE102011114958A1

DE102011114958A1 - Werkzeughalter mit außen angebrachtem dynamischem Absorber

Info

Publication number: DE102011114958A1
Application number: DE102011114958A
Authority: DE
Inventors: Ruy Frota De Souza Filho
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2011-10-05
Publication date: 2012-04-26
Also published as: US20120099940A1; BRPI1106013A2; KR20120041121A; CN102452016A; US8734070B2; CN102452016B; JP2012086358A

Abstract

Ein Werkzeughalter enthält einen Körperabschnitt mit einer äußeren Oberfläche und einen an der äußeren Oberfläche des Körperabschnitts angebrachten dynamischen Absorber. Der dynamische Absorber enthält ein starres Stützelement, ein Deckelement und eine Absorbermasse, die in einem durch das starre Stützelement und das Deckelement gebildeten Hohlraum angeordnet ist. Ein erstes elastisches Stützelement ist zwischen dem starren Stützelement und der Absorbermasse angeordnet, und ein zweites elastisches Stützelement ist zwischen dem Deckelement und der Absorbermasse angeordnet. Der dynamische Absorber wird durch Bewegen des Deckelements in Bezug auf das starre Stützelement abgestimmt. Ein Verfahren zum Unterdrücken von Schwingungen des Werkzeughalters umfasst das Anbringen des dynamischen Absorbers außen an der äußeren Oberfläche des Werkzeughalters.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Während eines Metallschneidvorgangs kann jegliche Schwingung zwischen einem Schneidwerkzeug und einem Werkstück zu unerwünschten Schneidleistungen wie etwa einer schlechten Oberflächenbeschaffenheit und nicht maßhaltig fertig gestellten Werkstücken führen. Ferner kann eine solche Schwingung verursachen, dass das Schneidwerkzeug oder die zugehörige Werkzeugmaschine beschädigt wird.
Um diese Schwingung zu verringern, kann die Schneidgeschwindigkeit abgesenkt werden. Jedoch verringert dieser Lösungsweg die Zerspanungsraten und beeinflusst dadurch die Produktivität negativ.
Ein weiterer Lösungsweg ist, innen eine Absorbermasse in einem Hohlraum des Schafts anzubringen. In einem Entwurf umschreibt eine elastische Unterstützung jedes Ende der Absorbermasse, um die Absorbermasse in dem Hohlraum aufzuhängen. In Nachbarschaft der elastischen Unterstützung ist eine Druckplatte angeordnet, die längs der Längsachse beweglich ist, um jede elastische Unterstützung an der Absorbermasse anzupressen. Um die bewegliche Druckplatte längs der Längsachse zu verlagern, um die Position der Absorbermasse zu verschieben, um die Steifigkeit der elastischen Unterstützung und dadurch das dynamische Verhalten des Werkzeughalters zu verändern, wird eine Stellschraube verwendet.
Obwohl das Positionieren einer Absorbermasse in dem Hohlraum des Schafts Schwingungen unterdrückt, verringert die Anforderung, die Absorbermasse in dem Hohlraum des Schafts anzubringen, unerwünscht die Gesamtsteifigkeit des Werkzeughalters. Außerdem ist die Größe der Absorbermasse auf die Größe des Hohlraums beschränkt, weshalb der Schwingungsabsorber für größere Werkzeughalterentwürfe, die eine größere Absorbermasse erfordern, nicht verwendet werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Problem des Unterdrückens Von Schwingungen eines Werkzeughalters, ohne die Gesamtsteifigkeit des Werkzeughalters zu verringern, wird dadurch gelöst, dass ein dynamischer Absorber außen an einer äußeren Oberfläche des Werkzeughalters angebracht wird, anstatt wie bei einem herkömmlichen Werkzeughalter die Absorbermasse innen in einem Hohlraum des Schafts anzubringen. Idealerweise ist der dynamische Absorber dort an dem Werkzeughalter angebracht, wo die Schwingungsamplitude des Werkzeughalters maximal ist.
In einem Aspekt enthält ein Werkzeughalter einen Körperabschnitt mit einer äußeren Oberfläche und einen an der äußeren Oberfläche des Körperabschnitts angebrachten Absorber.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zum Unterdrücken von Schwingungen eines Werkzeughalters das Anbringen eines dynamischen Absorbers außen an einer äußeren Oberfläche des Werkzeughalters.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind, sind die gezeigten speziellen Ausführungsformen nicht so auszulegen, dass sie die Ansprüche beschränken. Es wird erwartet, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang dieser Erfindung abzuweichen.
1 ist eine Querschnittsansicht eines Werkzeughalters mit einem außen angebrachten dynamischen Absorber gemäß einer Ausführungsform der Erfindung für ein Schneidwerkzeug, beispielsweise einen Fräser;
2 ist eine vergrößerte Teil-Querschnittsansicht des in 1 gezeigten Werkzeughalters mit dem außen angebrachten dynamischen Absorber;
3 ist eine graphische Darstellung der Frequenzgangfunktion aus einer Simulation unter Verwendung des in 1 gezeigten Werkzeughalters mit außen angebrachtem dynamischem Absorber;
4 ist eine weitere graphische Darstellung der Frequenzgangfunktion aus einer Simulation unter Verwendung des in 1 gezeigten Werkzeughalters mit außen angebrachtem dynamischem Absorber;
5 ist eine Querschnittsansicht eines Werkzeughalters mit einem außen an dem hinteren Teil des Werkzeughalters angebrachten dynamischen Absorber gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
6 ist eine graphische Darstellung der Frequenzgangfunktion aus einer Simulation unter Verwendung des in 5 gezeigten Werkzeughalters mit dem außen angebrachten dynamischen Absorber.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In den 1 und 2 ist ein Werkzeughalter 10 allgemein gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform wird der Werkzeughalter 10 mit einem Schneidwerkzeug 12 wie etwa einem Fräser an einem Ende davon verwendet. Jedoch kann der Werkzeughalter 10 wohlgemerkt mit irgendeinem erwünschten Schneidwerkzeug für Metallverarbeitungsvorgänge wie etwa einem Stirnfräser und dergleichen verwendet werden.
Der Werkzeughalter 10 enthält einen im Wesentlichen zylindrisch geformten Körperabschnitt 14, mit einem vorderen Ende 16 nächst dem Fräser 12 und einem hinteren Ende 18 fern von dem Fräser 12. Der Werkzeughalter 10 kann einen optionalen inneren Hohlraum 20 enthalten, der sich über die gesamte Länge des Körperabschnitts 14 von dem hinteren Ende 18 zu dem vorderen Ende 16 erstreckt und als Kühlmittelkanal zum Abgeben von Kühlmittel an das Schneidwerkzeug 12 dient. Der Körperabschnitt 12 weist eine Außenfläche oder äußere Oberfläche 22, die zur Umgebung freiliegt, und eine zentrale Längsachse 24 auf.
Ein Aspekt der Erfindung ist der, dass der Werkzeughalter 10 einen dynamischen Absorber enthält, der allgemein bei 30 gezeigt ist und an der Außenfläche oder äußeren Oberfläche 22 des Werkzeughalters 10 angebracht ist. In der gezeigten Ausführungsform besitzt der dynamische Absorber 30 die Form eines Rings mit kreisförmigem Querschnitt, der an der äußeren Oberfläche 22 nächst dem vorderen Ende 16 des Werkzeughalters 10 angebracht ist und sich nächst dem Schneidwerkzeug 12 befindet.
Der dynamische Absorber 30 enthält ein starres Stützelement 32 und ein Deckelement 34. In der gezeigten Ausführungsform ist das starre Stützelement 32 an der Außenfläche 22 angebracht, derart, dass sich das starre Stützelement 32 axial in einer Richtung längs der Längsachse 24 des Werkzeughalters 10 nicht bewegt. Um eine axiale Bewegung des starren Stützelements 32 werter zu verhindern, kann die Außenfläche 22 einen Absatz 56 aufweisen, der an das starre Stützelement 32 anstößt. Das starre Stützelement 32 kann auf die Außenfläche 22 geschraubt sein. Sowohl das starre Stützelement 32 als auch das Deckelement 34 können Gewinde 36 aufweisen, so dass das Deckelement 34 durch Drehen des Deckelements 34 um die Längsachse 24 auf das starre Stützelement 32 geschraubt werden kann. Die Abmessungen des starren Stützelements 32 und des Deckelements 34 sind derart, dass zwischen den beiden Elementen 32, 34 ein Zwischenraum 35 vorhanden ist, um dem Deckelement 34 zu ermöglichen, sich in Bezug auf das starre Stützelement 32 zu bewegen. Die Relativbewegung zwischen dem starren Stützelement 32 und dem Deckelement 34 wird durch Drehen des Deckelements 34 um die Längsachse 24 des Werkzeughalters 10 erreicht. Beim Drehen des Deckelements 34 bewegt sich dieses längs der Längsachse 24 des Werkzeughalters 10 in Richtung der Pfeile 38 in Abhängigkeit von der Drehrichtung. Beispielsweise kann sich das Deckelement 34 nach rechts bewegen (wie durch den rechten Pfeil in 2 gezeigt ist), wenn es im Uhrzeigersinn gedreht wird (vom vorderen Ende 16 aus betrachtet), während es sich nach links bewegt (wie durch den linken Pfeil in 2 gezeigt ist), wenn es in der Gegenrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird (vom vorderen Ende 16 aus betrachtet).
Der dynamische Absorber 30 enthält außerdem eine Absorbermasse 40, die in einem durch das starre Stützelement 32 und das Deckelement 34 gebildeten Hohlraum 42 angeordnet ist. Die Absorbermasse 40 besitzt ein erstes Ende 44 und ein zweites Ende 46. Nächst dem ersten Ende 44 der Absorbermasse 40 befindet sich eine erste elastische Unterstützung 48, die zwischen dem Deckelement 34 und einer winkligen Oberfläche 52 der Absorbermasse 40 positioniert ist, um die Absorbermasse 40 in dem Hohlraum 42 aufzuhängen. Nächst dem zweiten Ende 46 der Absorbermasse 40 befindet sich eine zweite elastische Unterstützung 50, die zwischen dem starren Stützelement 32 und einer winkligen Oberfläche 54 der Absorbermasse 40 positioniert ist, um die Absorbermasse 40 in dem Hohlraum 42 aufzuhängen.
Der Werkzeughalter 10 kann durch Bewegen des Deckelements 34 in Bezug auf das starre Stützelement 32 in beide Richtungen längs der Längsachse 24 des Werkzeughalters 10 fein abgestimmt werden. Wenn sich das Deckelement 34 nach rechts bewegt (bei Betrachtung von 2), übt es einen größeren Druck gegen die erste elastische Unterstützung 48 aus. Die Absorbermasse 40 wird ihrerseits stärker gegen die zweite elastische Unterstützung 50 gedrängt, die dann stärker gegen das starre Stützelement 32 gedrängt wird, um eine stärkere Anpressung sowohl der ersten elastischen Unterstützung 48 als auch der zweiten elastischen Unterstützung 50 an die Absorbermasse 40 herbeizuführen. Wenn sich im Gegensatz dazu das Deckelement 34 nach links bewegt (bei Betrachtung von 2), übt das Deckelement 34 einen schwächeren Druck gegen die erste elastische Unterstützung 48 aus. Die Absorbermasse 40 wird ihrerseits schwächer gegen die zweite elastische Unterstützung 50 gedrängt, die dann schwächer gegen das starre Stützelement 32 gedrängt wird, um eine schwächere Anpressung sowohl der ersten elastischen Unterstützung 48 als auch der zweiten elastischen Unterstützung 50 an die Absorbermasse 40 herbeizuführen. Das starre Stützelement 32 und das Deckelement 34 erübrigen eine Druckplatte und Stellschrauben, die sich gemeinhin in herkömmlichen Entwürfen finden lassen, und schaffen dadurch einen einfacheren, kostengünstigen Entwurf.
Die 3 und 4 sind graphische Darstellungen der Frequenzgangfunktion aus einer Simulation des Werkzeughalters 10 mit dem außen angebrachten dynamischen Absorber 30 der Erfindung. Wie in den 3 und 4 zu sehen ist, zeigen die Ergebnisse, dass der Werkzeughalter 10 mit dem außen angebrachten dynamischen Absorber 30 hervorragende Ergebnisse im Vergleich zu einem Werkzeughalter mit Standard-Dämpfungsverhältnissen von 1% bzw. 2% liefert.
In der Praxis sollte die Absorbermasse 40 dort an dem Werkzeughalter positioniert sein, wo die Schwingungsamplitude maximal ist, so dass der Dämpfungseffekt maximiert werden kann. Beispielsweise kann sich die maximale Schwingungsamplitude des Werkzeughalters 10 für einen Fräser nächst dem vorderen Ende 16 des Werkzeughalters befinden. In einem weiteren Beispiel kann sich die maximale Schwingungsamplitude des Werkzeughalters für einen Stirnfräser nächst dem hinteren Ende befinden.
Wie oben angemerkt wurde, können die Prinzipien des außen angebrachten dynamischen Absorbers 30 auf viele verschiedene Werkzeughalterentwürfe angewandt werden. in 5 ist ein Werkzeughalter 10 mit dem außen angebrachten dynamischen Absorber 30 für einen Stirnfräser gezeigt.
Anders als die frühere Ausführungsform enthält der in 5 gezeigte Werkzeughalter 10 einen Schaft 58, der am vorderen Ende 16 des Werkzeughalters 10 angebracht ist. Zusätzlich enthält der Werkzeughalter 10 eine Hülse 60, die am Umfang um einen Abschnitt des Körperabschnitts 14 des Werkzeughalters 10 angeordnet ist. Die Hülse 60 ist aus einem starren Material wie etwa Metall, Kunststoff und dergleichen gefertigt. Die Hülse 60 hat den Zweck, einen Ort zum Platzieren des dynamischen Absorbers 30 zu schaffen, wo die Schwingungsamplitude (d. h. die Verlagerung) des Werkzeughalters 10 maximal ist. In diesem speziellen. Fall muss dann, wenn ein herkömmlicher innerer dynamischer Absorber verwendet wird, der dynamische Absorber hinter dem Stirnfräser oder in der Mitte des Werkzeughalters platziert werden, wo die Schwingungsamplitude viel kleiner als die Amplitude an der Werkzeugspitze (dem interessierenden Punkt) ist. Durch Verwendung der Hülse 60, die nur mit einem Abschnitt des Werkzeughalters 10 verbunden ist, wird ein Drehpunkt geschaffen, der bewirkt, dass die Hülse 60 an dem Punkt, an dem die Absorbermasse 40 platziert ist, frei schwingt. In diesem Fall arbeitet die Hülse 60 wie eine ”Wippe”, derart, dass sich der rückwärtige Abschnitt der Hülse 60 nächst dem hinteren Ende 18 des Werkzeughalters 10 in einer Gegenrichtung zum Schaft 58, jedoch mit einer größeren Schwingungsamplitude, bewegt. Im Ergebnis verschafft die Hülse 60 in Verbindung mit dem dynamischen Absorber eine verbesserte Dämpfungsfähigkeit im Vergleich zu einem herkömmlichen massiven Werkzeughalter mit einem innen angebrachten dynamischen Absorber an demselben axialen Ort.
Wohlgemerkt kann die Hülse 60 in der früheren Ausführungsform des Werkzeughalters 10 für den Fräser und auch mit anderen Werkzeughaltertypen verwendet werden und ist die Erfindung nicht durch die Verwendung der Hülse 60 in dem Werkzeughalter 10 der gezeigten Ausführungsform beschränkt.
6 ist eine graphische Darstellung der Frequenzgangfunktion aus einer Simulation des Werkzeughalters 10 für einen Stirnfräser mit dem außen und hinten angebrachten dynamischen Absorber 30 der Erfindung. Die Ergebnisse zeigen, dass der Werkzeughalter 10 mit dem außen und hinten angebrachten dynamischen Absorber 30 hervorragende Ergebnisse im Vergleich zu einem massiven Werkzeughalter ohne den dynamischen Absorber liefert. Die Ergebnisse zeigen ferner, dass dann, wenn die Absorbermasse 40 dort platziert ist, wo die Schwingungsamplitude maximal ist, und auf die richtige Frequenz richtig abgestimmt ist, die Schwingungsamplitude für die Hülse 60 stark minimiert wird, womit die Schwingung des Schafts 58 verringert wird, was eines der Hauptziele der Erfindung ist.
Ein Vorteil des dynamischen Absorbers 30 ist, dass sich im Allgemeinen keine Verringerung der Steifigkeit des Werkzeughalters 10 ergibt, weil sich die Absorbermasse 40 nicht in einem inneren Hohlraum des Werkzeughalters befindet, was eine Verringerung des Querschnitts-Trägheitsmoments erfordert. In 6 kann eine Verringerung der Steifigkeit für den massiven Werkzeughalter 10 beobachtet werden, da die sich Eigenfrequenz von etwa 850 Hertz nach etwa 600 Hertz verschiebt, da der Durchmesser des Körpers, der der Hülse 60 hinzuzurechnen ist, etwas verringert wurde, jedoch der Außendurchmesser des Werkzeughalters 10 beibehalten wurde. Der in 5 dargestellte Werkzeughalter 10 war außerdem langgestreckt, um dieselbe Nutzlänge beizubehalten, wenn der Zwischenraum mit einem Werkstück (nicht gezeigt) ein Problem bereiten würde. Selbst mit der Verringerung der Starrheit besitzt der in 5 gezeigte Werkzeughalter 10 eine viel höhere dynamische Steifigkeit als der massive Stirnfräserhalter oder Schrumpfsitzhalter. Der Gewinn an dynamischer Steifigkeit des Werkzeughalters 10 beträgt etwa des 10–20fache im Vergleich zu einem Standard-Werkzeughalter mit einer Dämpfung von 1% und etwa das 5–10fache im Vergleich zu einem Standard-Werkzeughalter mit einer Dämpfung von 2%. Außerdem ermöglicht der außen angebrachte dynamische Absorber 30 der Erfindung das Optimieren der Größe der Absorbermasse 40 für größere Schneidwerkzeuge ohne Verringerung der Gesamtsteifigkeit des Werkzeughalters 10.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der dynamische Absorber 30 der Erfindung anders als herkömmliche Entwürfe, bei denen die Absorbermasse innen im Werkzeughalter angebracht ist, auf viele verschiedene Werkzeughaltertypen angewandt werden kann. Beispielsweise ermöglicht der dynamische Absorber 30 der Erfindung mit geringfügigen Änderungen die Anwendung einer abstimmbare Masse auf einen Aufsteckfräser. Der dynamische Absorber 30 der Erfindung kann auch an ein Stirnfräser-Übergangsstück, einen Nutenfräser, einen Schrumpfsitz-Werkzeughalter und dergleichen, wo die Schwingungsdämpfung bekanntermaßen schlecht ist, angepasst werden. Außerdem können die Prinzipien der Erfindung auf Verlängerungen und Reduzierstücke für ein modulares Werkzeug angewandt werden.
Die hierin zitierten Patente und Veröffentlichungen sind hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen.
Obwohl gegenwärtig bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, kann die Erfindung im Umfang der beigefügten Ansprüche anderweitig konkretisiert werden.

Claims

Werkzeughalter, der umfasst: einen Körperabschnitt mit einer äußeren Oberfläche; und einen dynamischen Absorber, der an der äußeren Oberfläche des Körperabschnitts angebracht ist.
Werkzeughalter nach Anspruch 1, wobei der dynamische Absorber ein starres Stützelement, ein Deckelement und eine Absorbermasse, die in einem durch das starre Stützelement und das Deckelement gebildeten Hohlraum angeordnet ist, enthält.
Werkzeughalter nach Anspruch 2, wobei der dynamische Absorber ferner ein erstes elastisches Stützelement, das zwischen dem starren Stützelement und der Absorbermasse angeordnet ist, und ein zweites elastisches Stützelement, das zwischen dem Deckelement und der Absorbermasse angeordnet ist, enthält.
Werkzeughalter nach Anspruch 3, wobei das starre Stützelement ausgestaltet ist, um sich in Bezug auf das Deckelement längs einer Längsachse des Werkzeughalters zu bewegen.
Werkzeughalter nach Anspruch 4, wobei das Deckelement Druck gegen die erste elastische Unterstützung ausübt, und die Absorbermasse gegen die zweite elastische Unterstützung gedrängt wird, die dann gegen das starre Stützelement gedrängt wird, um eine Anpressung sowohl der ersten elastischen Unterstützung als auch der zweiten elastischen Unterstützung an die Absorbermasse herbeizuführen, wenn sich das Deckelement in einer ersten Richtung bewegt, und wobei das Deckelement einen schwächeren Druck gegen die erste elastische Unterstützung ausübt und die Absorbermasse schwächer gegen die zweite elastische Unterstützung gedrängt wird, die dann schwächer gegen das starre Stützelement gedrängt wird, um eine schwächere Anpressung sowohl der ersten elastischen Unterstützung als auch der zweiten elastischen Unterstützung an die Absorbermasse herbeizuführen, wenn sich das Deckelement in einer zweiten Richtung bewegt.
Werkzeughalter nach Anspruch 1, der ferner eine Hülse aufweist, die um einen Abschnitt der äußeren Oberfläche des Körperabschnitts angeordnet ist.
Werkzeughalter nach Anspruch 1, wobei sich der dynamische Absorber nächst einem vorderen Ende des Werkzeughalters befindet.
Werkzeughalter nach Anspruch 1, wobei sich der dynamische Absorber nächst einem hinteren Ende des Werkzeughalters befindet.
Verfahren zum Unterdrücken von Schwingungen eines Werkzeughalters, das das Anbringen eines dynamischen Absorbers außen an einer äußeren Oberfläche des Werkzeughalters umfasst.
Verfahren nach, Anspruch 9, das ferner das Platzieren des dynamischen Absorbers dort, wo eine Schwingungsamplitude des Werkzeughalters maximal ist, umfasst.