SE517790C2 - Verktyg för spånavskiljande bearbetning - Google Patents

Description

ll' 10 15 20 25 30 35 517 790 2 appliceras en motsvängande massa av exempelvis tung metall.

Massans tyngd och placering avstäms härvid för att åstadkomma dämpning av svängningar inom ett visst frekvensområde. Hålig- heten fylls därefter med en viskös vätska, t ex olja, och plug- gas. Emellertid fungerar denna teknik hjälpligt endast i de fall då skaftets längd är ca 4-10 gånger större än dess dia- meter. Förutom denna begränsning uppvisar den rent mekaniska dämpningen en uppenbar nackdel såtillvida att det frekvens- område inom vilket dämpningen verkar är mycket begränsat. En ytterligare olägenhet utgörs av den hállfasthetsmässiga för- svagning som den i skaftet utformade håligheten medför.

Inom andra teknikområden har påbörjats en utveckling av effektivare, adaptiva dämpningstekniker med utnyttjande av bl a piezoelement. Ett piezoelement består av ett material, oftast av keramisk typ, vilket vid kompression eller töjning i en viss riktning - polarisationsriktningen - genererar ett elektriskt fält i denna riktning. Piezoelementet har vanligtvis formen av en rektangulär platta med en polarisationsriktning som är parallell med plattans storaxel. Genom att ansluta piezoele- mentet till en elektrisk krets, innefattande en kontrollmodul, och komprimera eller töja piezoelementet i polarisationsrikt- ningen kommer en elektrisk ström att alstras och flyta i kret- sen, varvid i kontrollmodulen ingående elektriskt resistiva komponenter utvecklar värme enligt känd fysik. Härvid omvandlas vibrationsenergi till termisk energi, varigenom en passivt däm- pande, men ej utsläckande effekt på vibrationerna erhålls.

Genom att utforma kontrollmodulen med en lämplig kombination av resistiva och reaktiva komponenter, sk shunt, kan till ytter- mera visso utvalda frekvenser fås att dämpas särskilt effek- tivt. Sådana frekvenser är med fördel de sk egenfrekvenserna för det utsatta föremålets egenmoder, vilka är de som före- trädesvis exciteras.

Omvänt kan ett piezoelement komprimeras eller töjas ge- nom att en elektrisk spänning läggs över piezoelementet, varvid detta kan nyttjas såsom ett styr- eller manöverdon (aktuator).

Detta kan därvid utnyttjas för aktiv vibrationsbekämpning genom att polariteten hos den pålagda elektriska spänningen väljs på ett sådant sätt att manöverdonets mekaniska spänning verkar i motsatt riktning, såsom en yttre, mekanisk spänning, varvid 10 15 20 25 30 35 517 790 3 uppkomst av vibrationer undertrycks genom att annan rörelse- energi, exempelvis rotationsenergi, förhindras att omvandlas till vibrationsenergi. Synkroniseringen av den pàlagda elekt- riska spänningen med avseende på den yttre mekaniska spänning vars effekt skall motverkas, sker därvid genom att en feedback- signal från en deformationskänslig sensor tillförs ett kon- trollmedel i form av en logisk styrkrets, t ex en programmerbar mikroprocessor, vari signalen bearbetas för att i det närmaste momentant styra den över manöverdonet pàlagda elektriska spän- ningen. Styrningsfunktionen, dvs förhållandet mellan ingående signal från sensorn och utgående spänning, kan därvid göras mycket komplex. Exempelvis är ett självlärande system för an- passning till varierande förhållanden tänkbart. Sensorn kan ut- göras av ett separat, deformationskänsligt don, t ex ett andra piezoelement, eller vara gemensam med manöverdonet.

Exempel pà realiserade tillämpningar och aktuella ut- vecklingsomràden för utnyttjande av piezoelement i vibrations- dämpande syfte, beskrivs i Mechanical Engineering, Nov 1995, s 76-81. Sålunda har skidor för alpin àkning (K2 Four ski, K2 Corp. , USA) oönskade vibrationer, vilka minskar kontakten mot underlaget utrustats med piezoelement i syfte att undertrycka och därmed reducerar àkarens möjlighet till stabil och kontrol- lerad àkning. Vidare omnämns applikationer som ökad vingstabi- litet hos flygplan, förbättrad komfort i motorfordon, under- tryckning av vibrationer i helikoptrars rotorblad och -axel, vibrationskontroll av bearbetningsplattformar för flexibel tillverkning, och ökad träffprecision hos militära vapen. I (ACX) USA (tillver- omnämns även vibrationskontroll av faktablad fràn Active Control eXperts Inc., kare av piezoelement) "snow- boards".

Uppfinninqens syften och särdrag Föreliggande uppfinning tar sikte på att komma tillrätta med de inledningsvis angivna bristerna hos tidigare kända verk- tyg för spànavskiljande bearbetning och skapa ett verktyg med förbättrad vibrationsdämpning. Ett grundläggande syfte med upp- finningen är sålunda att skapa ett robust verktyg med möjlighet till effektiv dämpning av vibrationer över ett brett frekvens- område, exempelvis där skaftets längd är 3-15 gånger större än N U 20 25 30 35 517 790 4 dess diameter, företrädesvis ca 4-6 gånger längre än dess diameter. Det är även ett syfte att skapa ett verktyg för spånavskiljande bearbetning uppvisande längre livslängd för såväl verktyget i sig som dess skärelement jämfört med tidigare kända verktyg. Ytterligare syften med verktyget är att dess nyttjande skall leda till ökad kvalitet hos ytan på det bearbetade arbetsstycket och till förbättrad arbetsmiljö genom reduktion av högfrekvent buller.

Enligt uppfinningen nås åtminstone det grundläggande syftet medelst de särdrag som är angivna i det enda patent- kravets kännetecknande del.

Ytterligare belysning av teknikens ståndpunkt Verktyg enligt huvudkravets ingress är tidigare kända genom JP 63-180401, SE 9803605-6, SE 9803606-4 Och SE 9803607- 2. I dessa publikationer hävdas att vibrationer i skärverktyg kan motverkas genom applicering genom en motkraft mot kraft- variationerna i en skärprocess. Möjligen kan detta fungera vid kraftinducerade svängningar i korta verktyg, där den ökade styvhet som ernås genom applicering av en motkraft, reducerar amplituden. Vid regenerativa svängningar i långa, slanka verk- tyg fungerar emellertid denna metod ej tillfredställande. Så- lunda medför den applicerade motkraften att egenfrekvensen ökar på grund av den ökade styvheten, men någon energi förbrukas ej i svängningscykeln. Om motkraften appliceras utan tidsfördröj- ning och med en styrka motsvarande den från störningen, kommer systemet att bli instabilt, innebärande att någon fullständig utdämpning av rörelsen ej kan erhållas.

I motsats härtill åstadkoms vid det uppfinningsenliga verktyget en fullständig utdämpning av rörelsen.

Kort beskrivning av bifogade ritningar På ritningarna är: Fig 1 en schematisk sidovy av en långsmal kropp i form av ett verktygsskaft under böjdeformation vid svängning (1:a resonansfrekvens), Fig 2 en graf visande böjmomentet i kroppen, Fig 3 en sidovy av ett skuret ändparti av kroppen i anslutning till en infästningsände i och för illustration av den 10 U 20 25 30 35 S17 790 S mot töjning proportionella spänningen i kroppen under böjdeformation, Fig 4 en schematisk sidovy av en lángsmal kropp under vrid- eller skjuvdeformation, Fig 5 en graf visande torsionsmomentet under sistnämnda defor- mation, Fig 6 en cirkulär tvärsektion genom kroppen enligt fig 4 i och för illustration av de mot skjuvtöjning proportionella skjuvtöjningarna i kroppen, Fig 7 en vy av ett parti av en kropp visande deformation av ett ytparti under torsionslast, Fig 8 en genomsynlig perspektivvy av ett verktygsskaft enligt uppfinningen, Fig 9 en perspektivvy av en med cirkulärt tvärsnitt utformad bomförlängare för fräsverktyg, Fig 10 en sidovy av ett borrverktyg enligt uppfinningen, Fig 11-13 perspektivvyer av verktygsskaft med kvadratiska tvär- snitt och i olika alternativa utföranden, Fig 14 en perspektivvy av ett i en bärare monterat verktyg för aktiv vibrationsdämpning, och Fig 15 en analog perspektivvy av ett alternativt utförande för passiv vibrationsdämpning.

Kort beskrivning av allmänna deformationsfall I fig 1-7 visas schematiskt olika deformationsfall under vilka svängningar eller vibrationer kan uppstå.

I fig 1 illustreras en làngsmal kropp 1 som kan bestå av ett verktyg eller ett skaft till ett verktyg. Kroppen 1 har en infästningsände 2 och en fri, yttre ände 3. Kroppen uppvisar en utvändig yta 4, som kan utgöras av en mantelyta därest kroppen är cylindrisk. Den kan även inbegripa flera plana ytor därest kroppen har polygonal, tex kvadratisk tvärsnittsform. Kroppen 1 kan uppvisa godtycklig tvärsnittsform, dock vanligast cirkulär eller kvadratisk. I fig 1 betecknar 5 en del i vilken kroppen 1 är infäst, varvid kroppen sträcker sig konsolartat från infäst- ningsdelen. I fig 1 visas kroppen 1 i ett tillstànd då den de- formerats i en första böjegenmod. I fig 2 visas en graf som illustrerar hurusom böjmomentet Ng i detta fall varierar längs kroppen 1. Såsom framgår av grafen uppstår ett största böj- W B 20 25 30 35 517 790 6 moment, och sålunda en största töjning, vid eller nära infäst- ningsänden 2. Detsamma gäller för alla lägre moder, vilka nor- malt är energimässigt dominerande vid böjsvängningar hos verk- tyg för spånavskiljande bearbetning. I fig 3 visas ett parti av den i fig 1 genom böjning deformerade kroppen 1 i området av infästningsänden. Härvid illustreras hurusom töjningen vid böj- deformation varierar i kroppens tvärriktning (töjningen är starkt överdriven av illustrativa skäl). Såsom framgår av figu- ren erhålls de största töjningarna vid kroppens mantelyta eller ytteryta 4.

I fig 4 visas en lángsmal kropp 1 som deformerats i en första torsionsegenmod. Vidare visas i fig 5 en graf som illu- strerar hurusom torsionsmomentet Mc i detta fall varierar längs kroppen. Såsom framgår av grafen erhålls det största torsions- momentet, och sålunda den största skjuvtöjningen, närmast in- fästningsdelen 5. Detsamma gäller för alla lägre moder, vilka normalt är energimässigt dominerande vid torsionssvängningar hos verktyg för spånavskiljande bearbetning. I fig 6 visas ett cirkulärt tvärsnitt av kroppen 1 enligt fig 4 illustrerande hu- rusom skjuvtöjningen vid skjuvdeformation varierar utmed tvär- snittets diameter (skjuvtöjningen är starkt överdriven av il- lustrativa skäl). Såsom framgår av figuren erhålls de största skjuvtöjningarna närmast mantelytan 4.

I fig 7 visas ett parti av kroppen 1, illustrerande de- formation under torsionsbelastning av tvenne på mantelytan 4 applicerade hypotetiska, fyrsidiga ytor 6, 7 orienterade med sina kanter dels längs och vinkelrätt, dels i 45° graders vin- kel mot kroppens 1 längdriktning (deformationen är starkt över- driven av illustrativa skäl). Såsom framgår av figuren kommer ytan 6 vid skjuvtöjning att deformeras till rombisk form, medan ytan 7 deformeras till rektangulär form. Vid böjdeformation kommer huvudsakligen det motsatta förhållandet att erhållas, i det fall krökningen sker över ytornas 6, 7 plan, dvs ytan 6 kommer att deformeras till rektangulär form, medan ytan 7 de- formeras till rombisk form.

Detalíerad beskrivning av föredragna utföranden av uppfinningen I fig 8 visas schematiskt en grundläggande utformning av ett långsmalt verktyg eller skaft 1 vid vilket tvenne plattfor- 10 ß 20 25 30 35 517 790 7 made, rektangulära piezoelement 8 är anfästa på motstàende, längsgående plana ytor 4 hos det med kvadratiskt tvärsnitt ut- formade skaftet. Piezoelementen 8 är placerade i området nära skaftets infästningsände 2. Vid sin yttre ände 3 uppvisar skaf- tet ett skär 9. Piezoelementen 8 är sålunda positionerade i ett område där den största töjningen inträffar vid såväl böjdefor- mation som torsionsdeformation. Ehuru denna placering föredras är även andra placeringar tänkbara. Vidare är piezoelementen 8 orienterade med sina storytor huvudsakligen parallella med skaftets plana ytor 4 och med storaxlarna huvudsakligen paral- lella med skaftets 2 längdutsträckning, varvid piezoelementen 8 vid böjsvängning kommer att deformeras under bibehållande av rektangulär form, medan desamma vid torsionssvängning kommer att deformeras till rombisk form (jämför fig 7). De platt- formade, rektangulära piezoelementens polarisationsriktning förutsättes här, och i det följande, vara parallell med stor- axlarna hos desamma, ehuru såväl annan form som annan polarisa- tionsriktning är tänkbara. Därmed verkar piezoelementen vid aktuell orientering av desamma effektivast för dämpning av böj- svängning, enär desamma i detta fall undergår maximal genom- snittlig deformation längs polarisationsriktningen.

Förhållandet mellan storleken av piezoelementen 8 och storleken av skaftet i fig 8 och följande figurer skall inte förstås såsom begränsande, utan är enbart valt för att tydlig- göra exemplifierad placering och orientering av piezoelementen.

Det i figurerna visade antalet piezoelement och deras oriente- ring skall ej heller betraktas såsom begränsande utan enbart såsom exemplifierande. Ej heller behöver flera på skaftet ut- formade piezoelement uppvisa likartad placering, storlek, form eller orientering. Antalet piezoelement kan variera, men bör dock, av balansskäl, uppgå till minst två.

I fig 9 visas ett utförande vid vilket kroppen 1 utgörs av en för fräsverktyg avsedd bomförlängare med ett cirkulärt tvärsnitt. I detta fall är ett skär 9 i form av en egg utformad i anslutning till en spånficka 10 vid bomförlängarens fria ände 3. Ett piezoelement 8 är fäst på bomförlängarens mantelyta 4 i ett område nära infästningsänden 2. Piezoelementets storaxel är parallell med bomförlängarens längdutsträckning. Med denna 10 15 20 25 30 35 517 790 8 orientering verkar följaktligen även här piezoelementet 9 effektivast för dämpning av böjsvängning.

Fig 10 visar ett annat utförandeexempel där kroppen el- ler verktyget 1 utgörs av en borr med ett skaft med ett cirku- lärt tvärsnitt och en sk adapter. Ett piezoelement 8 är anfäst på verktyget med sin storaxel i ca 45° vinkel mot verktygets längdutsträckning. Därmed verkar piezoelementet effektivast för dämpning av torsionssvängningar (jämför fig 7).

För samtidig dämpning av böj- och torsionssvängningar är verktygsskaftet med fördel utformat med flera piezoelement av vilka vissa är orienterade med sina längsidor huvudsakligen pa- rallellt med skaftets längdutsträckning, medan andra är orien- terade i ca 45° vinkel. Alternativt uppvisar ett eller flera piezoelement andra, mellan dessa orienteringar liggande orien- teringar för att var för sig uppnå känslighet för både böj- och torsionssvängningar.

Piezoelement är vanligtvis sköra, särskilt sådana av ke- ramisk typ. I krävande miljöer bör de därför ha någon form av skydd för att uppnå nöjaktig livslängd. I fig 11-13 visas verk- tygsskaft med kvadratiska tvärsnitt, varvid piezoelement 8 är fästa och skyddade på alternativa sätt. I samtliga fall är pi- ezoelementen placerade i området nära infästningsdelen 5 (denna kan utgöras av en konventionell spännenhet i vilken verktyget är löstagbart monterat). I Fig 11 är piezoelementet 8 monterat i en försänkning 11 och med fördel täckt av ett skyddsskikt, exempelvis av epoxytyp. I Fig 12 tänkes piezoelementet vara monterat i försänkningen 11 och täckt av ett styvt lock 12. I Fig 13 är piezoelementet 8 monterat, tex fastlimmat, utanpå skaftet. Dessa alternativ skall endast ses som exempel av vilka de i fig 11 och 12 visade föredras. Det skall förstås att samma typ av skydd för piezoelementen är oberoende av verktygsskaf- tets tvärsnittsform.

Enligt uppfinningen samverkar piezoelementen med medel för elektrisk kontroll eller styrning av desamma. I fig 14 och 15 visas exempel på hur verktyget 1 utformats med dylika kon- trollmedel. I dessa fall är verktyget monterat i en bärare 13.

I fig 15 visas ett kontrollmedel för passiv dämpning i form av en i närheten av infästningsänden 2 utformad kontrollmodul 14 och en elektrisk anslutning 15, via vilken två piezoelement 8 10 15 20 25 30 35 S17 790 9 är kopplade till kontrollmodulen 14 för separat eller gemensam kontroll av respektive piezoelement. Denna modul 14 innefattar åtminstone elektriskt resistiva komponenter. Företrädesvis in- nefattar kontrollmodulen 14 även en eller flera shuntar, varvid utvalda frekvenser kan dämpas särskilt effektivt.

Fig 14 illustrerar ett kontrollmedel för aktiv dämpning i form av en fristående logisk styrkrets 16, t ex en program- merbar mikroprocessor, för separat eller gemensam styrning av (via den schematiskt visade elektriska anslutningen 15) över piezoelementen 8 pàlagda spänningar. I praktiken kan anslut- ningen 15 i detta fall innefatta släpskor eller liknande. Även om piezoelementen 8 i det i fig 15 exemplifierade utförandet för aktiv dämpning samtidigt verkar som både manöverdon och sensorer, är det tänkbart att realisera dessa båda funktioner genom separata manöverdon och sensorer, varvid sensorerna ej behöver utgöras av piezoelement. Ehuru den exemplifierade placeringen av kontrollmodulen 14 respektive den logiska styr- kretsen 16 föredras, är även andra placeringar tänkbara. Exem- pelvis är det tänkbart att i likhet med den logiska styrkretsen 16 utforma kontrollmodulen 14 fristående från verktyget. För- delen med att placera kontrollmodulen 14 i närheten av infäst- ningsänden är att modulen blir enkel att ansluta till piezo- elementen, medan densamma vid fristående placering blir lättare att skydda mot skadlig mekanisk påverkan.

Genom uppfinningen skapas ett robust verktyg för spånav- skiljande bearbetning med möjlighet till icke blott passiv utan även aktiv dämpning av såväl böj- som torsionssvängningar över ett brett frekvensområde. Dessutom skapas ett verktyg som dels uppvisar längre livslängd för såväl verktyget i sig som dess skär, dels åstadkommer ökad kvalitet hos ytan på det bearbetade arbetsstycket. Härjämte ernås förbättrad arbetsmiljö genom reduktion av högfrekvent buller jämfört med tidigare kända verktyg.

Tänkbara modifikationer av uppfinningen Uppfinningen är ej begränsad blott till de beskrivna och på ritningarna visade utförandena och tillämpningarna. Sålunda är det tänkbart att vid aktiv styrning av piezoelementen påföra eller förstärka vibrationer därest sådana är önskvärda, t ex 517 790 10 vid spånbrytning. För páförda eller förstärkta vibrationer med frekvenser i närheten av verktygets egenfrekvenser kan förhål- landevis stora amplituder erhållas.

Claims (1)

1. U 517 790 šfiïflfïflï- 41 v ~ a n n u. Patentkrav Verktyg för spánavskiljande bearbetning innefattande ett skaft (1) med en infästningsände (2) och ett skär (9) ände, samt ett flertal piezoelement (8) med uppgift att dämpa svängningar i skaftet, k ä n n e t e c k n a t därav, att ett vid en motsatt par samverkande, platta piezoelement (8) med mindre längd än skaftet är placerade på motsatta sidor av skaftet i ett omrâde nära dettas infästningsände (2), närmare bestämt i lägen nära skaftets utvändiga yta, varvid piezoelementens (8) polariser- ingsriktning är huvudsakligen parallell med såväl skaftets (1) längdutsträckning som dess utvändiga yta för att desamma skall primärt dämpa böjsvängningar i skaftet, och varvid piezoelemen- ten (8) är aktivt styrbara genom pàförsel av elektrisk spänning från en spänningskälla via ett kontrollmedel i form av en lo- gisk styrkrets (16).