螺纹旋风切削装置及包括螺纹旋风切削装置的车床
技术领域
[0001] 本
发明是关于通过一种螺纹旋风切削方法在数控车床上生产
工件上的螺纹的螺纹旋风切削装置，该装置包括将该螺纹旋风切削装置安装至车床保留结构及旋风头，该旋风头固定在保留结构上，包括一个孔且带有一个或者多个刀具，该刀具设置在该孔的边沿的外围，该装置还包括第一驱动工具，其用于驱动旋风头从而使旋风头绕着第一旋
转轴旋转，该
旋转轴穿过该孔。另外，本发明是关于一种数控车床，该数控车床包括工作
主轴，其用于收容工件并驱动工件使工件绕着主轴轴线及螺纹旋风切削装置旋转。
背景技术
[0002]
权利要求1的前序部分所述的通常的螺纹旋风切削装置可以从EP1985397获知。通常的螺纹旋风切削装置用于执行螺纹旋风切削方法，该方法中，使用车床的工作主轴驱动工件绕着工作主轴的主轴轴线旋转，当工件穿过旋风头的孔时，为了产生切削运动，使用第一驱动方法驱动旋风头绕着第一旋转轴旋转，且使用车床的控制装置控制工件相对于旋风头向主轴轴线的方向移动，工件相对于旋风头向主轴轴线方向移动的进给速度及工件绕着主轴轴线的旋转速度根据需要形成的螺纹的轮廓互相适应。
[0003] 螺纹的旋转切削尤其有益于医学技术领域。特别是在植入手术产品，例如具有特殊螺纹的自
锁骨
螺栓。这样的螺栓或者元件在在牙科医学领域、脊柱植入领域及整形外科手术领域作为故螺栓时需要特殊的螺纹。在这种情况下，螺旋切削最大的优点在于它能使工件可以由不锈
钢、韧性钢、
钛及钛
合金以一种相对简单的方式制成，并具有比较高的
精度。
[0004] 螺纹旋风切削的轮廓基本上是无毛刺的-医学技术领域极其重要的要求，并以高的表面
质量及形状精度而突出。在螺纹旋风切削的操作期间，螺纹在一次操作中就可以被刻入固体材料中，因此节省了时间，由此，可以实现高度的测量准确性。只用通过与工作主轴的速度及旋风头相对于工作主轴的进给速度的参数一致的精度才能达到几个百分之毫米的公差范围的精度。
[0005] 作为螺纹旋风切削工具的一般的螺纹旋风切削装置包括，例如，旋风头，该旋风头例如包括用于螺纹旋风切削的绕着该旋风头的孔垂直设置的多个固体
碳化物刀具或者螺纹旋风切削槽子。对于预设的螺纹轮廓，需要计算专用的刀具轮廓并需要为这种预设的螺纹特制刀具。为了产生切削运动，其旋风头或者旋转轴相对于待切螺纹的
螺旋角处的主轴轴线倾斜。
[0006] 之后，工件被推至旋风头的刀具之间进入孔中，多数情况下，只使用一个刀具。在螺纹旋风切削操作期间，旋风头高速旋转，因此确定切削速度，在车床的线性轴操作期间，工件以较低的主轴转速旋转并位于主轴轴线方向上，并确定主轴轴线或者
螺距方向上的进给运动。特别地，进给速度与主轴转速的一致影响螺纹的螺距。
[0007] 在用于医学技术的螺纹的旋风切削中，主轴转速主要在大致15-20rpm的范围内，进给速度可以根据预期的螺距进行调节，也就是说主轴每转一圈则精确地产生一个螺距（在螺纹中，螺距表示螺纹导程，螺纹导程为沿着螺纹轴线的螺纹的两个螺纹阶（stage）之间的距离，换言之，即为螺纹的一个旋转所经过的轴向路径）。
[0008] 在一般的螺纹旋风切削装置中，可以给螺旋驱动装置提供一个驱动装置，为了产生切削运动，可以使用该驱动装置驱动旋转头高速旋转移动。该所提供的驱动装置可以是间接驱动也可以是
直接驱动，正如EP1985397A2所教导的一样。
[0009] 然而，对一般的螺纹旋风切削装置，一直需要为旋风头提供一倾斜角，为了获得医学技术需要的精确的螺纹，旋风头的倾斜角必须精确地调整为预期的螺纹轮廓的预期的螺距，且必须手动调节。为了使通过手动调节的方式将倾斜角度调整到预期的精度，需要提供复杂的并且不便的大的转换机构，其可将手动调节移动转换为微小的调节移动。另外，为了通过螺旋切削的方法形成螺纹，极其快速的处理工件的优点在经过上述漫长的手动调节过程后则无法体现出来。
[0010] 在大多数情况下，用于医学技术的螺杆不是大量生产的物品，而是单独生产的工件，所以实际上，经常在每个独立的工件处理之前，需要这样一个漫长的手动调节。在生产一系列的工件时，当具有同样的螺纹轮廓及同样的螺距但具有不同的公称直径的工件需要一个一个被螺旋切削的时候，或者在生产一系列的工件时，当具有同样的螺纹轮廓及同样的公称直径但具有不同的螺距的工件需要一个一个被螺旋切削的时候，甚至也存在这种情况。
[0011] 根据US2008/0131224A1，其中的螺纹旋风切削头可以安装至携带工具的
铣削加工中心的主轴且包括使用主轴驱动的螺纹刀具。在这种情况下，为了移动固定螺纹旋风切削头的主轴而能够移动的加工中心的轴线用于控制螺纹旋风切削头相对于工件的移动，该工件夹在夹具上相对于工件轴以平移的方式有三个
自由度，以旋转的方式有一个自由度。然而，在这种情况下，也存在如下缺点，即主轴或者加工中心的主轴驱动必须用来驱动螺纹旋风切削头，且由于螺纹旋风切削头没有单独的驱动装置，加工中
心轴线必须用来控制螺纹旋风切削头。另外，由于车床的主轴用于接收工件，这样的螺纹旋风切削头不适合用于具有携带工件的主轴的车床（携带工件的主轴与
铣床或者加工中心的携带工具的主轴对比），因此，螺纹旋风切削头不能被接收至车床的主轴之上，也因此不能被主轴驱动。
[0012] 针对上述的一般螺纹旋风切削装置的这些缺点，本发明的目的在于提供一螺纹旋风切削装置，该螺纹旋风切削装置能使医用工件以更有效及更简单的方式进行螺纹旋风切削，并保持或者提高医学技术要求的高精度，特别是不同的工件一个接一个处理的时候。
发明内容
[0013] 为了实现本发明的上述目的，本发明提供如权利要求1所述的螺纹旋风切削装置及如权利要求18所述的数控车床。附属的权利要求为关于本发明的优选
实施例。
[0014] 根据本发明的第一方面，提供了一种螺纹旋风切削装置，该螺纹旋风切削装置安装至数控车床，使用一螺纹旋风切削方法在数位控制车床上生产工件上的螺纹，该工件收纳在携带有工件的主轴上，该螺纹旋风切削装置包括：固定结构，由一片或者多片构成，用于将旋风切割装置安装至至车床（特别是安装至车床的刀架或者车床的床体）；旋风头，固定在固定结构上，尤其是被旋转的
支撑着，具有孔并携带有一个或者多个刀具，这些刀具设置在孔的边沿的外围；及第一驱动装置，用以驱动旋风头绕着穿过该孔的第一旋转轴（尤其是独立于车床的主轴或者独立于车床的主轴驱动）转动，这个孔也提供给被引入的用来进行旋风操作的工件，在旋风头旋转的过程中，通过刀具形成螺纹以产生切削运动。在这种情况下，用于将螺纹旋风切削装置固定至车床的固定结构尤其被构造成可以以可释放的方式固定的固定结构，且可以被固定至车床的刀架或者车床的床体，如此可以被锁住，或者解锁。
[0015] 当与车床一起操作的时候，当本发明的螺纹旋风切削装置被安装至尤其是固定至或者锁至车床（尤其是车床的刀架或者床体）的时候，其用于执行螺旋切削方法，其中，工件被车床的带有刀具的工作主轴驱动以绕着工作主轴的主轴轴线旋转，同时工件穿过旋风头的孔，为了产生切削运动，该旋风头被第一驱动装置驱动以绕着第一旋转轴（F1）旋转，该第一驱动装置可以是独立提供也可以在螺纹旋风切削装置中，特别地，该第一驱动装置与螺纹旋风切削装置集成在一起，及车床的控制装置控制工件在主轴轴线方向上（尤其是独立于车床的主轴或者独立于车床的主轴驱动也独立于车床的任意一个旋转轴）相对于旋风头移动。
[0016] 根据需要形成的螺纹（尤其根据螺距）对相对于主轴轴线方向上的旋风头的工件的进给速度及根据需要形成的螺纹绕着主轴轴线旋转的工件的旋转速度互相进行调节。特别地，螺纹旋风切削装置优选地使用独立提供的或者在螺纹旋风切削装置中的第一驱动装置驱动旋风头的旋转以产生切削运动。
[0017] 本发明的螺纹旋风切削装置进一步包括第二驱动装置，该第二驱动装置为独立提供或者在螺纹旋风切削装置中，特别地，该第二驱动装置集成在螺纹旋风切削装置中，该第二驱动装置用于驱动旋风头绕着相对于第一旋转轴横向延伸的第二旋转轴旋转，以在螺纹旋风切削装置安装至车床时，
定位第一旋转轴及主轴轴线（尤其是独立于车床的主轴或者独立于车床的主轴驱动也独立于车床的任意一个旋转轴）之间的角度。
[0018] 因此，本发明的想法为提供独立提供的或者在螺纹旋风切削装置中的第一驱动装置以驱动旋风头绕着第一旋转轴以切削运动需要的高速度旋转（独立于车床的主轴或者主轴驱动），从而产生切削运动，还提供独立提供的或者在螺纹旋风切削装置中第二驱动装置，该而第二驱动装置可以使旋风头绕着另外一个第二旋转轴（独立于车床的主轴或者主轴驱动或者任意一个旋转轴）旋转，如此旋风头或者第一旋转轴相对于车床的主轴轴线的倾斜角度的要求的调节可以通过第二驱动装置被自动执行，而不再需要通过如
现有技术中的复杂的且长时间的手动方式执行。
[0019] 有利地，这不但使调节过程能够通过这种更简单，更精确及更快速的方式执行，由于它不需要提供大体积来为手动调节操作者读取所调整的角度
位置，也不需要提供复杂的将操作者的手动机构调节运动转换为更精确的实际的角度调节运动的转换机构，这也有利于使螺纹旋风切削装置能够以更紧凑的方式构建。
[0020] 调节的时间也有了显著的提高，这可能通过调节倾斜角度的发明实现，在这种情况下，不但实际倾斜角度调节所需要的时间通过自动化得到显著的提高，而且不需要手动调节，因为在结构手动调节的情况下，操作者必须进入车床的操作空间进行角度调节。因为操作空间必须打开才能对螺纹旋风切削装置进行手动调节，所以为了进行调节，基于安全因素的考虑，总是需要完全停止车床。然而，根据本发明，使用第二驱动装置进行
自动调节，有利于使操作空间一直关闭，且在调节的同时甚至可以在车床上执行其他自动化步骤。这样，例如，优点在于，在调节旋风头的倾斜角度的同时，来换主轴上的工件（如果车床包括自动工件换取装置），如次，可以实现另外一个高效的显著的改善。
[0021] 使用本发明的第二驱动装置，倾斜角度的可能的调节可以以一种特别有
力的方式自动化，且可以以一种非常简单的，更加高效的，更加精确的及更较快速的方式执行，更加可能的是，可以在处理工件的过程中，可以进行连续的调节，例如，为了补偿螺纹旋风切削时的刀具的磨损，为了使螺纹的整个长度上的螺纹的精度更高。
[0022] 优选地，第二旋转轴相对于第一旋转轴基本上垂直延伸。这样的有点在于第一旋转轴可以在一个平面上精确的对准。
[0023] 优选地，该第一旋转轴与第二旋转轴在一共同交点处相交。优选地，该旋风头的一个或者多个刀具具有为每个具有第一旋转轴及第二旋转轴的交点的刀具定位的切削方位。这样的好处在于主轴与螺纹旋风切削装置之间的相对运动的轴向运动方向没有必要改为旋风头绕着第二旋转轴旋转的方位。
[0024] 优选地，该螺纹旋风切削装置还包括以
接口模
块一接口装置，该接口装置被连接至车床的控制装置，所述车床的控制装置通过所连接的接口装置控制第二驱动装置。这样的有点在于，第二驱动装置的控制系统可以通过与数位控制车床的其他同能同样的控制装置来控制。在这种情况下，车床的控制装置可以特别包括车床的数位控制其及/或可编程逻辑
控制器（PLC），该接口装置可以被连接至数位控制器及/或逻辑控制器。
[0025] 优选地，该螺纹旋风切削装置还包括一接口装置，该接口装置被连接至一
电子控制装置，所述电子控制装置通过所连接的接口装置控制第二驱动装置。
[0026] 螺纹旋风切削装置还包括一电子控制装置，并通过该电子控制装置控制该第二驱动装置，因此，可以提供一个独立的电子控制装置。这样的好处在于本发明的螺纹旋风切削装置，进一步可以被用于数控车床，也可以被用于机械车床，或者用于没有连接单独的控制装置至独立的可控制的辅助单元的功能的数位控制车床。优选地，螺纹旋风切削装置的电子控制装置包括连接至车床的控制装置的接口装置。由于控制装置可以连接，所以车床的控制及螺纹旋风切削装置的控制可以有利地彼此适应。
[0027] 优选地，该第二驱动装置由控制装置控制，该控制装置根据用户的手动输入及/或根据包括在一CNC程序中的控制命令控制第二驱动装置。
[0028] 优选地，为了驱动旋风头绕着第二旋转轴旋转，该第二驱动装置包括高精度的电子
电动机，特别是伺服电动机。这样的有点在于，根据精确的可调整的电子
信号来驱动第二驱动装置及通过特别精确及高效的方式进行旋风头的角度方位的调节。
[0029] 优选地，该第二驱动单元包括夹持装置，特别是自动控制的夹持装置，该夹持装置用于在执行螺纹旋风切削方法的过程中固定由第一旋转轴(F1)及主轴轴线之间的第二驱动装置定位的角度。这样的好处在于，使实际螺纹旋风切削操作过程中的旋风头的角度倾斜的方位调整能够固定，以防止由于切削压力所引起的调整。
[0030] 优选地，该第二驱动装置包括角度位置感应器，该角度位置
传感器用于建立旋风头绕着第二旋转轴旋转的方位的角度位置。优选地，角度
位置传感器用于调节第二驱动装置以传输表示所建立的角度位置的
输出信号至控制第二驱动装置的控制装置。这样的优点在于，由于旋风头的角度方位不仅可以由控制
电路以开环的方式控制，而且可以以闭环的方式控制，所以可以使角度调整更加精确。
[0031] 优选地，该第二驱动装置用于在绕着第二旋转轴的第一旋转方向上从标准方位到第一最大角度方位定位旋风头，及在绕着第二旋转轴的与第一旋转方向相反的第二旋转方向上从标准方位到第二最大角度方位定位旋风头，尤其是相对于标准方位的+15°到-15°。
[0032] 优选地，螺纹旋风切削装置被以如下方式安装至车床，即具有旋风头的标准方位的第一旋转轴被定位为与车床的主轴轴线平行，尤其是与车床的主轴同轴。
[0033] 优选地，所述第二驱动装置包括
齿轮机构，所述齿轮机构包括锥形轮机构、蜗轮机构、及/或正齿轮机构。根据这种结构，可以使齿轮机构进行方向转换。因此，当第二驱动装置安装后自由度比较高且可以更好的适应紧凑的要求。
[0034] 根据本发明的第二方面，提供了一种数控车床，该数控车床包括：工作主轴，用于收容工件及驱动所述工件绕着工作主轴的主轴轴线旋转；及如上述第一方面或者所述优选实施例中的其中一个螺纹旋风切削装置。优选地，该车床包括一控制装置，用于数字化控制车床及螺纹旋风切削装置。在这种情况下，可参考已经在上面描述过的优点。
[0035] 优选地，当所述控制装置在车床设置好后，所述控制装置通过控制第二驱动装置用于对所述主轴轴线与所述第一旋转轴之间的角度进行定位，在这种情况下，以下描述的定向和调整可能性是特别有利的。
[0036] 优选地，当所述车床设置好后，根据所提供的理论上的螺纹，为了调整第一旋转轴的方位，所述控制装置通过控制第二驱动装置用于对所述主轴轴线与所述第一旋转轴之间的角度进行定位。当配置所述车床时，本实施例和已经列出的优点使得调整以自动方式实现。
[0037] 优选地，所述控制装置通过控制所述第二驱动装置来调整主轴轴线与第一旋转轴（F之间的角度以补偿工件处理时由于刀具磨损而产生的螺纹误差。这样的好处在于，由于在微米范围内的刀具磨损可以补偿，而手动是不可能补偿的，从而实现了更高级别的精度。这样的对精度的改善非常有利于特别是医学技术中使用的元件的螺纹。
[0038] 优选地，在第一工件上形成螺纹之后及在第二工件上形成同样的螺纹轮廓及同样的螺距之前，根据第一工件及第二工件的平均外径之差，通过控制第二驱动装置所述控制装置用于调整主轴与第一旋转轴之间的角度。
[0039] 优选地，在第一工件上形成螺纹之后及在具有同样平均外径的第二工件上形成同样的螺纹轮廓之前，根据第一工件及第二工件的螺纹的螺距之间的差，所述控制装置用于调整该主轴与第一旋转轴之间的角度。这样的优点在于，即使在医学技术里，由于各工件处理之间的自动控制对倾斜角度的调节可以参考各螺距的差一个参数，所以传统的具有同样的螺纹轮廓及平均外径但是不同的螺距的多组螺纹部分可以以一种特别简单的方式，极其精确及高时间效率（time-efficient）方式一个接着一个的生产。
[0040] 总之，本发明有效地提供了一种车床的螺纹旋风切削装置及具有螺纹旋风切削装置的车床，这使医学工件的螺纹旋风切削以一种更加高效及简单的方式进行，且能够维持甚至提高医学技术需要的高精确度，尤其是在一个接一个加工不同的工件的时候。
附图说明
[0041] 透过以上仅作为实例提供的较佳实施例的描述搭配附图将会使得本发明的前述与其他特征显而易见，其中：
[0042] 图1为本发明一优选实施例中的螺纹旋风切削装置的示例性的立体图。
[0043] 图2为图1所示螺纹旋风切削装置的示意性的剖视图。
[0044] 图3为图1中的螺纹旋风切削装置的一部分的示意性的剖视图。
[0045] 图4A及图4B分别为螺纹旋风切削装置的旋风头的一部分的示例性的主视图及示例性的剖视图。
[0046] 图5为本发明一优选实施例中的具有固定的螺纹旋风切削装置的数控车床的示例性的示意图。
具体实施方式
[0047] 本发明的优选实施例将参考附图在下面做详细描述。然而，本发明并不限于所述实施例。本发明由权利要求的范围定义。实施例中的同样的或者相似的特征在图中具有相同的标号。
[0048] 图1为本发明一实施例中的螺纹旋风切削装置的示意性的立体图。该螺纹旋风切削装置1可以通过螺纹旋风切削装置1的固定结构的固定部10a安装至车床，该固定结构还包括驱动壳体部分10b及旋风头固定部分10c。在旋风头固定部分10c上固定有旋风头12，其被旋转地绕着旋转轴F1支撑，且为了产生切削运动，用于螺纹旋风切削的旋风头被高速驱动绕着旋转轴F1旋转。
[0049] 旋转轴F1轴向穿过旋风头12上的在螺纹旋风切削装置1的
正面的圆孔13，其用于螺纹旋风切削是为了面向车床的主轴。多个刀具12a-12f均匀设置在孔13的内部边沿的周围。
[0050] 图2为图1所示螺纹旋风切削装置1的示意性的剖视图。旋风头12包括中空的锥形部分11，在其比较窄的一端设置有该孔13。为了驱动旋风头绕着旋转轴旋转，提供一紧凑的直接驱动14作为在本发明的上下文中的第一驱动，如EP1985397A2所教导的一样。然而，为了操作第一驱动装置，本发明并不限于这样的特别优选的紧凑的直接驱动，但在其他优选的实施例中，也可以被包括齿轮机构的非直接驱动装置驱动。
[0051] 在驱动壳体部分10b内设置一驱动空间10d，在该驱动空间10b中设置一第二驱动装置，其用于使旋风头12绕着第二旋转轴F2旋转以使旋风头12或者旋转轴F1相对于本发明中的车床的主轴的倾斜角度能够自动定向。在本实施例中，旋转轴F1及F2例如以垂直方式设置，且本实施例中的旋转轴进一步在例如通用的交点P处相交，该交点P设置在孔12的中间并在刀具12a到12f的设置平面上。刀具12a到12f的定位方向径向向内指向旋转轴F1及F2的交点P处。这可在图3中更为清楚的看到，图3为图1中的螺纹旋风切削装置1的偏转一定角度的头部的剖视图的另一个示例性的示意图。
[0052] 图4A及图4B分别为螺纹旋风切削操作过程中旋风头的一部分的示例性的正面视图及示例性的剖视图。在这种情况下，例如只提供了三个刀具12a到12f，当只有一个刀具（例如刀具12a）以相对于刀具之间的轴向点P(即旋转轴F1及F2的相交的点)稍微抵消的方式插入孔12中时，该刀具在任意时间在工件W上执行切削操作。
[0053] 箭头RS区分绕着主轴轴线S的工具旋转运动（由车床上的未被描述的主轴驱动），箭头R1区分为了产生切割运动绕着旋转轴F1旋转的具有刀具的旋转头12的旋转运动。例如，在这种情况下，旋转方向相同，但是RS和R1也可以设置为相反的方向。如已经提到的，切削运动由绕着旋转轴F1的旋转运动R1产生，当工件W同时并相对于主轴轴线S的方向上的旋风头12移动的时候，绕着主轴轴线的工具的旋转运动RS产生螺纹。在这种情况下，主轴与旋风头12在主轴轴线的方向上的相对运动，尤其是相对的进给速度，为重要的方面，但是主轴是否被固定、旋风头12或者螺纹旋风切削装置1是否移动、或主轴本身是否移动都是不重要的。
[0054] 图5为本发明一优选实施例中的具有固定的螺纹旋风切削装置1的数控车床100的示例性的示意图。车床100包括工作主轴101，其固定工具W并可以驱动工具W绕着主轴轴线旋转。另外，车床100包括控制装置102，其包括数位控制器102a(NC)及可编程逻辑控制器（PLC），该控制装置102通过连接105a数字化控制主轴101。
[0055] 另外，为了产生进给运动，提供了线性轴的滑动装置103，支撑该线性轴以使其可以在Z方向上移动（例如，与主轴轴线平行）。互动装置103的进给运动由控制装置102通过连接105b控制。该螺纹旋风切削装置1安装至滑动装置103，并因此通过滑动装置103在主轴轴线方向上相对于主轴101运动。可选地或者附加地，可以提供可移动的
头架（spindle stock）使主轴相对于螺纹旋风切削装置移动。
[0056] 另外，对于旋风头12的更精确的描述，可以参考上面的描述，该螺纹旋风切削装置包括第一驱动装置14（例如，具有直接驱动或者包括齿轮机构的间接驱动）用以驱动旋风头绕着第一旋转轴F1转动以产生切削运动（即，高速运动，例如大约为每分钟1500转到3000转），还包括一第二驱动装置15用来使旋风头12绕着第二旋转轴F2转动以调节旋风头12的倾斜角度。与高速驱动14相比，第二驱动装置用于大大降低旋转速度，且最好包括一个可以被精确控制的伺服电动机及一个调节伺服电动机的位置感应器（例如，增量传感器）。
[0057] 根据本实施例，螺纹旋风切削装置1进一步包括接口装置16，其可以通过连接2、车床100的接口装置104及连接105c连接至控制装置102，如此，该螺纹旋风切削装置1，尤其是驱动装置14及15可以通过车床100的控制装置102被以开环方式控制，或者对于驱动装置15，最好可以被以闭环方式控制。这可以由用户在控制装置上手动输入执行及/或也可以通过控制数据（例如NC程序）以完全自动的方式执行。
[0058] 总之，本发明有效的为车床提供螺纹旋风切削装置，该车床具有螺纹旋风切削装置，该螺纹旋风切削装置用一种更为有效简单的方式对医学工件进行螺纹旋风切削，且能维持或者甚至提高医学技术需要的高精度，尤其在一个接着一个加工不同的工件的时候。
