AT513094B1

AT513094B1 - Vorrichtung, insbesondere Spanwerkzeug

Info

Publication number: AT513094B1
Application number: AT501062012A
Authority: AT
Original assignee: Tech Universität Wien
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2015-01-15
Also published as: WO2013142890A1; AT513094A1; DE112013001707A5

Abstract

Vorrichtung (1), insbesondere Spanwerkzeug, Maschine mit einer solchen Vorrichtung (1) und Verfahren, mit einem Schneidelement (3) zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks (2), wobei das Schneidelement (3) mit einer Schwingvorrichtung (5) verbunden ist, welche das Schneidelement (3) in eine Schwingung versetzt, deren Frequenz niedriger ist als die Frequenz von Ultraschall und wobei die Schwingvorrichtung (5) eine in entgegengesetzter Richtung zum Schneidelement (3) schwingende Ausgleichsmasse (6) aufweist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere Spanwerkzeug, mit einem Schnei-delement zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks, wobei das Schneidelement mit einer Schwingvorrichtung verbunden ist, welche dazu eingerichtet ist, das Schneidelement in eine Schwingung zu versetzen, deren Frequenz niedriger ist als die Frequenz von Ultraschall, sowie eine Maschine zum mechanischen Bearbeiten eines Werkstücks, mit einer Werkzeugaufnahme zur insbesondere austauschbaren Anordnung einer Vorrichtung, insbesondere Spanwerkzeug, zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Schneidelement, welches in Schwingung versetzt wird, wobei die Frequenz der Schwingung des Schneidelements niedriger ist, als die Frequenz von Ultraschall.

[0002] Im Stand der Technik sind verschiedenste Vorrichtungen und Verfahren zur sogenannten Hybridbearbeitung bzw. Ultraschall-unterstützten Bearbeitung bekannt. Hierbei wird üblicherweise ein Werkzeug im Ultraschallbereich in Schwingung versetzt, wobei als Schwingungsfrequenz vorzugsweise die Eigenfrequenz des Werkzeugs gewählt wird, sodass gewollterweise Resonanzschwingungen auftreten, durch welche insbesondere bei der spanenden Bearbeitung eines Werkstücks eine unterstützende Wirkung erzielt wird.

[0003] Ein im Ultraschallbereich angeregtes Werkzeug ist beispielsweise aus der Publikation „Modeling of material removal rate in rotary ultrasonic machining: designed experiments" von P. Hu, J.M. Zhang, Z.J. Pei, und Clyde Treadwell bekannt, das im Journal of Materials Processing Technology 129, 2002, 339-344 veröffentlicht wurde. Die Anregung des Werkzeugs erfolgt hierbei insbesondere im Bereich von Resonanzfrequenzen, so dass aufgrund von Resonanzeffekten die Amplitude der Schwingung verstärkt wird.

[0004] Die Anregung der Schwingung über Resonanzfrequenzen im Ultraschallbereich ist jedoch nachteiligerweise schwer kontrollierbar; bei einer starken mechanischen Kopplung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück kann die Resonanzverstärkung geschwächt werden, wodurch die unterstützende Wirkung der Schwingung verloren geht.

[0005] Die EP 0 197 172 A1 zeigt ein Verfahren der eingangs erwähnten Art, wobei ein Drehwerkzeug entlang der Linie der Vorschubvektoren schwingt, so dass die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs sich im Verlauf der Werkstückumdrehung ändert. Die Schwingungsfrequenz steht so in Relation zur Drehzahl des Werkzeugs, dass die Wellenlänge oder ihr ganzzahliges Vielfaches zuzüglich einer halben Wellenlänge gleich dem jeweiligen Werkstückumfang ist. Nachteilig ist hierbei insbesondere, dass eine dynamische Beeinflussung der das Werkzeug tragenden Vorrichtung auftritt, wodurch diese, insbesondere durch Anregungen von Resonanzfrequenzen, beschädigt werden kann.

[0006] Aus der EP 2 269 781 A2 ist weiters ein andersartiger Bohr- bzw. Meisseihammer bekannt, bei welchem ein Schlagwerksmechanismus in Axialrichtung impulsartig antreibbar ist. Im Betrieb des Bohr- bzw. Meisseihammers verursacht der Schlagwerksmechanismus bzw. das impulsartig beaufschlagte Werkzeug in einer Rückwirkung Vibrationen im Bohr- bzw. Meisseihammer, insbesondere am Maschinengehäuse, oder in der Handgriffvorrichtung oder am Zusatzhandgriff. Diese Vibrationen werden mit einer Vorrichtung zur Reduktion von Vibrationen ausgeglichen, welche einen beweglich gelagerten Ausgleichskörper und einen Antriebsmechanismus aufweist. Dieser Stand der Technik befasst sich daher damit, störende Vibrationen zu kompensieren, nicht jedoch mit der Nutzung von Schwingungen für die Unterstützung der Bearbeitung des Werkstücks.

[0007] In der EP 0 197 172 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Bruchspänen bei der Bearbeitung von Werkstücken beschrieben, bei welchem ein schwingendes Werkzeug verwendet wird.

[0008] Die EP 0 323 518 A1 betrifft einen andersartigen Schwingtisch.

[0009] Schließlich ist in der DE-102006049867 A1 eine Werkzeugmaschine mit einer Einspan- nung für ein Werkstück gezeigt. Die Einspannung ist mittels eines Piezoaktors bewegbar. Hiermit sollen für die Oberflächenqualität nachteilige Ratterschwingungen vermieden werden.

[0010] Demgegenüber hat die vorliegende Erfindung zum Ziel, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur mechanischen Bearbeitung von Werkstücken zu schaffen, mit welcher bzw. welchem der Schwingungsverlauf unabhängig von Resonanzverstärkungen zuverlässigkontrollierbar ist.

[0011] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, dass die Schwingvorrichtung eine in entgegengesetzter Richtung zum Schneidelement schwingende Ausgleichsmasse aufweist. Mit Hilfe der zum Schneidelement gegengleich schwingenden Ausgleichsmasse kann somit eine Impulsentkoppelung erzielt werden, sodass unabhängig von der Eigenfrequenz der Vorrichtung jede beliebige Frequenz zur Bearbeitung des Werkstücks eingestellt werden kann. Zur Kompensation der Trägheitskräfte des Schneidelements kann die Ausgleichsmasse eine zum Schneidelement idente Masse aufweisen; in diesem Fall wird die Ausgleichsmasse mit der gleichen Frequenz und der gleichen Beschleunigung wie das Schneidelement, jedoch mit entgegengesetzter Bewegungsrichtung in Schwingung versetzt. Wenn Schneidelement und Ausgleichsmasse nicht die gleiche Masse aufweisen, kann ein kompensierender Trägheitseffekt über eine Anpassung der Beschleunigung erzielt werden. Sofern die Ausgleichsmasse eine geringere Masse als das Schneidelement aufweist, ist es zum Impulsausgleich demzufolge vorteilhaft, wenn die Ausgleichsmasse mit der gleichen Frequenz wie und einer größeren Amplitude als das Schneidelement schwingt. Demzufolge schwingt die Ausgleichsmasse mit der gleichen Frequenz wie das Schneidelement, weist jedoch eine höhere Beschleunigung auf und legt somit bei gleicher Frequenz einen größeren Weg zurück. Aufgrund des vergleichsweise hohen Beschleunigungsvermögens kann zudem den Prozess-Reaktionskräften auf vorteilhafte Weise entgegengewirkt werden.

[0012] Wenn das Schneidelement in eine vergleichsweise niederfrequente Schwingung versetzt wird, kann der Schwingungsverlauf zuverlässig kontrolliert werden, da die Amplitude der Schwingung gezielt über den Hub bei der Anregung der Schwingung eingestellt werden kann. In der Bearbeitung kann daher die gewünschte Schwingungsamplitude unabhängig von der Kopplung zwischen Werkzeug und Werkstück aufrechterhalten werden, so dass die unterstützende Wirkung der Schwingung zuverlässig erreicht wird. Durch die Schwingung des Schneidelements kann die mechanische Bearbeitung des Werkstücks auf vielfältige Weise unterstützt werden. Unter mechanischen Bearbeitungen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind insbesondere jede spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter oder geometrisch unbestimmter Schneide zu verstehen; dies umfasst insbesondere Drehen, Bohren, Fräsen, Reiben sowie Schleifen, Honen, Läppen und Polieren. Insbesondere kann die Vorrichtung - ähnlich bekannten Vorrichtungen, bei welchen jedoch das Werkzeug im Ultraschallbereich angeregt wird - zur Unterstützung der mechanischen Bearbeitung von schwierig zu bearbeitenden Materialien, d.h. insbesondere von langspanenden bzw. harten und/oder spröden Materialien, wie z.B. Keramikmaterialien, insbesondere verschiedenste Silizium-Werkstoffe, wie Siliziumnitrid oder Siliziumoxid, oder Glas, aber auch Stahl eingesetzt werden.

[0013] Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist die Vorrichtung als Spanwerkzeug ausgebil-det. Bei bekannten Spanwerkzeugen können während der Bearbeitung des Werkstücks lange, zusammenhängende Fließspäne entstehen, welche beispielsweise durch Knäuelbildung die automatischen Betriebsabläufe beeinträchtigen können. Zudem können Fließspäne die Werkstückoberfläche beschädigen; weiters wird der Spanabtransport erschwert. Demgegenüber können beim erfindungsgemäßen Spanwerkzeug aufgrund der Schwingung des Schneidelements vergleichsweise kurze Späne abgetrennt werden, wodurch die Nachteile der herkömmlichen Systeme überwunden werden.

[0014] Für die verschiedensten Anwendungen hat es sich als günstig herausgestellt, wenn die Frequenz der Schwingung des Schneidelements weniger als 10 kHz, vorzugsweise weniger als 5 kHz, insbesondere weniger als 1 kHz, besonders bevorzugt zwischen 500 Hz und 50 Hz, beträgt. Im Gegensatz zu bekannten Ultraschallschwingvorrichtungen, bei welchen die Erzielung einer Resonanzschwingung gewünscht ist, soll bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Resonanzschwingung vermieden werden, da dies zur Beschädigung der Vorrichtung führen könnte.

[0015] Zur Anregung der Schwingung des Schneidelements ist es von Vorteil, wenn die Schwingvorrichtung in Schwingungsrichtung des Schneidelements bzw. der Ausgleichsmasse wirkende Antriebsmittel aufweist. Je nach Anwendung können prinzipiell verschiedenste, im Stand der Technik in einem anderen Zusammenhang bekannte Antriebsmittel zum Einsatz kommen, welche dazu geeignet sind, die Schwingung des Schneidelements mit einer Frequenz unterhalb von Ultraschall hervorzurufen.

[0016] Zur gezielten Beeinflussung der Frequenz der Schwingung des Schneidelements ist es günstig, wenn die Antriebsmittel der Schwingvorrichtung mit einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung verbunden sind, welche dazu eingerichtet ist, die Schwingung des Schneidelements, insbesondere gegengleich zur Schwingung der Ausgleichsmasse, zu steuern bzw. zu regeln. In einer besonders einfachen Ausführung wird die Schwingung des Schneidelements lediglich gesteuert. Hierbei weist die Steuereinrichtung einer geeigneten Steuergröße, insbesondere Frequenz und/oder Amplitude der Schwingung, eine bestimmte Soll-Größe zu, welche an die Antriebsmittel der Schwingvorrichtung überliefert wird. Je nach Soll-Größe der Steuergröße wird das Antriebsmittel entsprechend angesteuert. Bevorzugt ist die Steuer- bzw. Regeleinrichtung jedoch in eine Rückkopplungsschleife eingebunden, um Abweichungen des tatsächlichen Schwingungsverlaufs von der gewünschten Schwingung ausregeln zu können.

[0017] Zur Regelung der Schwingung des Schneidelements ist es günstig, wenn dem Schnei-delement und/oder der Ausgleichsmasse ein Messelement, insbesondere ein Weg- und/oder Beschleunigungssensor, zum Messen einer charakteristischen Schwingungsgröße zugeordnet ist, deren Messwerte als Ist-Größe an die Regeleinrichtung übermittelt werden. Die Regeleinrichtung vergleicht die Ist-Größe der charakteristischen Schwingungsgröße mit einer vorgegebenen Soll-Größe, wobei die Regeldifferenz ausgeregelt wird.

[0018] Um Schwingungen der Werkzeugaufnahme im gewünschten Frequenzbereich auf einfache und zuverlässige Weise zu erzielen, ist es von Vorteil, wenn die Antriebsmittel der Schwingvorrichtung zumindest ein Piezoelement, insbesondere zumindest ein Piezoelement zum Antrieb des Schneidelements und zumindest ein weiteres Piezoelement zum Antrieb der Ausgleichsmasse, aufweisen. Das Piezoelement wird mit elektrischen Impulsen versorgt, die eine periodische Längenveränderung des Piezoelements hervorrufen, welche in die Schwingung des Schneidelements bzw. der Ausgleichsmasse umgesetzt wird.

[0019] Hinsichtlich einer einfachen Regelung der Schwingung des Schneidelements und der Ausgleichsmasse ist es von Vorteil, wenn an der Ausgleichsmasse im Wesentlichen die gleiche Art und Anzahl an Piezoelementen angreift wie an dem Schneidelement.

[0020] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Vorrichtung ist als Antriebsmittel der Schwingvorrichtung ein eine Fluidleitung aufweisender Linearantrieb, vorzugsweise ein hydraulischer oder pneumatischer Pulser, vorgesehen, der zur Anregung der Schwingung mit dem Schneidelement bzw. der Ausgleichsmasse gekoppelt ist. Im Stand der Technik wurden in einem anderen Zusammenhang verschiedenste Linearantriebe, insbesondere hydraulische Pulser, entwickelt, welche zur Anregung von Schwingungen im gewünschten Frequenzband geeignet sind. Solche hydraulischen Pulser werden beispielsweise in dem Artikel "Hydraulische Pulser" von H. Lohrentz, erschienen in der Zeitschrift "O+P - Ölhydraulik und Pneumatik" (1999), deren vollständiger Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Der Linearantrieb kann doppeltwirkend oder einfachwirkend sein. Zur Ausbildung des Linearantriebs kann insbesondere auch ein Druckluftwerkzeug vorgesehen sein, welches im Stand der Technik bei Gravierstiften eingesetzt wird. Vorzugsweise weist der Linearantrieb eine verstellbare Hubfrequenz auf. Zudem kann als Antriebsmittel für die Schwingvorrichtung auch ein mechanischer Antrieb, beispielsweise mit einer Nockensteuerung, bzw. ein elektromechanischer Antrieb vorgesehen sein.

[0021] Zur Einstellung des zeitlichen Druckverlaufs des Linearantriebs ist es günstig, wenn die

Fluidleitung des Linearantriebs ein Regelventil aufweist, das mit der Steuer- bzw. Regeleinrichtung verbunden ist.

[0022] Zur Kraftübertragung auf das Schneidelement ist es von Vorteil, wenn die Fluidleitung des Linearantriebs mit einer Druckkammer in Verbindung steht, die mit einem verschieblich gelagerten, mit dem Schneidelement gekoppelten Kolben verbunden ist.

[0023] Hinsichtlich einer konstruktiv einfachen, zuverlässig funktionierenden Ausführung ist es günstig, wenn die Druckkammer an einer dem Kolben zum Antrieb des Schneidelements gegenüberliegenden Seite mit einem weiteren Kolben zum Antrieb der Ausgleichsmasse verbunden ist. Der Fluiddruck in der Druckkammer wird hierbei in die Verschiebung der beiden Kolben in entgegengesetzte Richtungen umgesetzt. Somit können das Schneidelement und die Ausgleichsmasse über die gemeinsame Druckkammer angetrieben werden, so dass auf eine eigene, zweite Druckkammer für die Ausgleichsmasse verzichtet werden kann. Hierdurch wird der konstruktive Aufwand für die Anordnung der Schwingungsvorrichtung verringert; zudem wird die Fehleranfälligkeit des Linearantriebs reduziert, wodurch auch die Betriebsdauer verlängert werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass lediglich ein einziges Steuer- bzw. Regelsignal benötigt wird, mit welchem der Druck in der gemeinsamen Druckkammer eingestellt wird. Hierdurch kann die Steuerung bzw. Regelung der Schwingung erheblich vereinfacht werden, da auf eine Synchronisierung getrennter Steuer- bzw. Regelsignalen für den Antrieb des Schneidelements bzw. der Ausgleichsmasse verzichtet werden kann.

[0024] Zur Verbesserung der Schwingungseigenschaften hat es sich als günstig erwiesen, wenn zumindest eine mit einem komprimierbaren Fluid befüllbare, dem Schneidelement bzw. der Ausgleichsmasse zugeordnete Kompressionskammer vorgesehen ist, welche im Betrieb die Schwingung des Schneidelements bzw. der Ausgleichsmasse dämpft. Aufgrund der Kompressionskammer kann die Bewegung des Schneidelements bzw. der Ausgleichsmasse insbesondere bei Erreichen der Endlagen des Bewegungsvorgangs abgebremst werden. Durch die Hubbewegung des Schneidelements bzw. der Ausgleichsmasse wird das in der Kompressionskammer enthaltene Fluid komprimiert, wobei durch die innere Reibung des Fluids eine Dämpfungswirkung erzielt wird. Hierbei kann ein in der Kompressionskammer herrschender Überdruck des Fluids über eine Drossel nach außen abgeführt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführung sind zwei Kompressionskammern vorgesehen, welche der Schwingung des Schneidelements bzw. der gegengleichen Schwingung der Ausgleichsmasse zugeordnet sind.

[0025] Zur Anpassung der Dämpfungseigenschaften ist es von Vorteil, wenn der Fülldruck der Kompressionskammer über eine Zuführung mit einem Regelventil veränderbar ist. Aufgrund des Regelventils kann der Basisdruck in der Kompressionskammer eingestellt werden, so dass die Dämpfungskraft in Abhängigkeit von den Erfordernissen des jeweiligen Bearbeitungsvorgangs variiert werden kann.

[0026] Gemäß einer bevorzugten Anwendung ist das Schneidelement als Drehmeißel ausgebildet, wobei die Schwingung des Schneidelements in Längsrichtung der Drehmeißel erfolgt. Die Schwingung des Schneidelements kann dazu genutzt werden, vergleichsweise kurze Späne vom Werkstück abzutrennen, wodurch der Spanabtransport beträchtlich erleichtert wird. Die Vorteile der Erfindung können jedoch auch bei anderen Werkzeugen (z.B. Bohrer, Fräser, etc.) genutzt werden.

[0027] Besondere Vorteile birgt zudem eine Maschine zum mechanischen Bearbeiten eines Werkstücks, welche mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung in der Art eines Spanwerkzeugs ausgestattet ist. Die Maschine weist eine Werkzeugaufnahme auf, in welcher die Vorrichtung installiert ist. Die Vorrichtung ist hierbei vorzugsweise als Einsatzteil ausgeführt, welcher austauschbar in der entsprechenden Werkzeugaufnahme der Maschine anordenbar ist. Maschinen mit geeigneten Werkzeugaufnahmen sind im Stand der Technik in verschiedensten Ausführungen, beispielsweise als Dreh- bzw. Fräsanlage, bekannt. Die Integration der Schwingvorrichtung in das Einsatzteil hat den Vorteil, dass vorhandene Maschinen nachgerüstet werden können.

[0028] Um die erfindungsgemäße Vorrichtung mit geringem Aufwand in einer vorhandenen Maschine installieren zu können, ist es günstig, wenn der Linearantrieb der Schwingvorrichtung an eine Betriebsfluidleitung der Maschine, insbesondere eine Hydraulikleitung oder einer Kühlschmiermittelleitung, angeschlossen ist. Die bekannten Maschinen verfügen vielfach über eine geeignete Betriebsfluidleitung, welche dazu genutzt werden kann, den Linearantrieb der Schwingvorrichtung zu versorgen.

[0029] Das Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks der eingangs angeführten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgleichsmasse in entgegengesetzter Richtung zum Schneidelement in Schwingung versetzt wird. Durch die Schwingung der Ausgleichsmasse, welche gegengleich zur Schwingung des Schneidelements verläuft, werden Resonanzschwingungen vermieden, da der von der Schwingung des Schneidelements übertragene Impuls somit aktiv entkoppelt wird.

[0030] Zur Beeinflussung des Bearbeitungsvorgangs ist es von Vorteil, wenn die Frequenz der Schwingung des Schneidelements unter 10 kHz, vorzugsweise unter 5 kHz, insbesondere unter 1 kHz, besonders bevorzugt zwischen 500 Hz und 50 Hz, beträgt.

[0031] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung wird in einer Drehbearbeitung ein Span von einem rotierenden Werkstück abgetrennt, wobei die Schwingung des Schneidelements derart mit der Rotation des Werkstücks synchronisiert wird, dass ein Wellenberg eines wellenförmigen Verlaufs der Eindringtiefe des Schneidelements in das Werkstück an einer Abtrennstelle mit einem Wellental eines wellenförmigen Verlaufs der Oberfläche des abgehobenen Spans zusammenfällt. Hierdurch werden vergleichsweise kurze Späne abgetrennt, so dass die Entstehung von Fließspänen, welche den Arbeitsvorgang erschweren und ein Sicherheitsrisiko darstellen können, zuverlässig vermieden wird. Aufgrund der Synchronisation der Schwingung mit der Rotation des Werkstücks kann eine zuverlässige Abtrennung der Späne auch bei höheren Vorschüben erreicht werden.

[0032] Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch näher erläutert. Im Einzelnen zeigen in den Zeichnungen: [0033] Fig. 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bearbeiten eines

Werkstücks; [0034] Fig. 2 eine Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und [0035] Fig. 3 schematisch das Prinzip beim Abtrennen von kurzen Spänen mit einer Vorrich tung in der Art eines Drehmeißels gemäß Fig. 1 oder Fig. 2.

[0036] In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zur mechanischen Bearbeitung eines (schematisch eingezeichneten) Werkstücks 2 gezeigt, welche in der gezeigten Ausführung als Drehmeißel ausgeführt ist. Die Vorrichtung 1 weist ein Schneidelement 3 mit einer Schneide 4 auf, mit welcher Späne von der Oberfläche des Werkstücks 2 abgehoben werden, nachdem das Werkstück 2 in Rotation versetzt wurde.

[0037] Bei der Drehbearbeitung mit herkömmlichen Spanwerkzeugen werden vielfach Fließspäne, d.h. lange, zusammenhängende Späne, gebildet, welche den Arbeitsvorgang beeinträchtigen können. Demgegenüber ist das Schneidelement 3 der gezeigten Vorrichtung 1 mit einer Schwingvorrichtung 5 verbunden, welche in einem schematisch gezeigten Gehäuse 7 der Vorrichtung 1 aufgenommen ist. Die Schwingvorrichtung 5 ist dazu eingerichtet, das Schneidelement 3 in eine Schwingung bzw. in eine vibrierende Bewegung zu versetzen. Für die verschiedensten Anwendungen hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Frequenz der Schwingung des Schneidelements zwischen 500 Hz und 50 Hz beträgt, d.h. eine Frequenz, die niedriger ist als die Frequenz von Ultraschall. Hiermit kann insbesondere die mechanische Bearbeitung von harten und/oder spröden Materialien, wie z.B. Keramikmaterialien, insbesondere verschiedenste Silizium-Werkstoffe wie Siliziumnitrid oder Siliziumoxid, oder Glas, aber auch gehärtetem Stahl oder dergleichen, unterstützt werden.

[0038] Wie aus Fig. 1 ersichtlich, erfolgt die Schwingung des Schneidelements 3 in Längsrichtung 1' der Vorrichtung 1, welche der Vorschubrichtung des Schneidelements 3 entspricht (vgl. Doppelpfeil 6). Der Rotationsbewegung des Werkstücks 2 relativ zur Schneide 4 des Schneidelements 3 wird somit eine periodische Bewegung des Schneidelements 3 im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks 2 überlagert. Hierdurch können während der Drehbearbeitung des Werkstücks 2 vergleichsweise kurze Späne abgetrennt werden, wie im Zusammenhang mit Fig. 3 näher erläutert wird. Dies hat den Vorteil, dass der Abtransport der Späne wesentlich verbessert werden kann. Zudem kann das Sicherheitsrisiko aufgrund von umherfliegenden, vergleichsweise langen Fließspänen verringert werden. Dieses Sicherheitsrisiko besteht einerseits darin, dass längere Späne Beschädigungen des Werkzeugs bzw. des Werkstücks hervorrufen könnten; zudem könnte das Bedienpersonal des Werkzeugs gefährdet werden.

[0039] Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, weist die Schwingvorrichtung 5 eine in entgegengesetzter Richtung zum Schneidelement 3 schwingende Ausgleichsmasse 6 auf, mit welcher die vom schwingenden Schneidelement 3 eingeleiteten Trägheitsimpulse aktiv entkoppelt werden. Zur Anregung der Schwingung weist die Schwingvorrichtung 5 in Schwingungsrichtung des Schneidelements 3 bzw. in Richtung der Schwingung der Ausgleichsmasse 6 wirkende Antriebsmittel auf.

[0040] Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, weisen die Antriebsmittel der Schwingvorrichtung 5 gemäß Fig. 1 ein Piezoelement 8 zum Antrieb des Schneidelements 3 und ein weiteres Piezoe-lement 8' zum Antrieb der Ausgleichsmasse 6 auf. In der gezeigten Ausführung sind im Wesentlichen idente, stabförmige Piezoelemente 8, 8' vorgesehen. Das Piezoelement 8 ist mit dem Schneidelement 3 gekoppelt. Das Anlegen einer geeigneten elektrischen Spannung an das Piezoelement 8 bewirkt eine periodische Längenänderung, welche in die Schwingung des Schneidelements 3 umgesetzt wird. Das weitere Piezoelement 8' ist mit der Ausgleichsmasse 6 gekoppelt, so dass die Ausgleichsmasse 6 über eine periodische Längenänderung des weiteren Piezoelements 8' in eine gegengleiche Schwingung versetzt wird. In der gezeigten Ausführung ist das Piezoelement 8 mit einer Schraubenfeder 9 umwunden, welche der Längenausdehnung des Piezoelements 8 entgegenwirkt. Zudem ist aus Fig. 1 eine Rückstellfeder 10 ersichtlich, welche bei einer Verschiebung der Ausgleichsmasse 6 aus der Ruhelage eine Rückstellkraft hervorruft. Andererseits können in einer (nicht gezeigten) Ausführung anstelle des einen Piezoelements 8 bzw. 8' jeweils zwei in entgegengesetzte Richtungen wirkende Piezoelemente vorgesehen sein, so dass auf die Anordnung eines Federelements zur Rückstellung der Antriebsmittel in die Ausgangslage verzichtet werden kann.

[0041] Wie aus Fig. 1 weiters schematisch ersichtlich, sind die Antriebsmittel der Schwingvorrichtung 5 mit einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung 11 verbunden, welche die Schwingung des Schneidelements 3 gegengleich zur Schwingung der Ausgleichsmasse 6 steuert bzw. regelt. Gemäß Fig. 1 wird über die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 11 ein Generator 13 angesteuert, welcher die Piezoelemente 8, 8' mit geeigneten elektrischen Impulsen versorgt.

[0042] Die elektrischen Impulse sind derart miteinander synchronisiert, dass die gewünschte gegengleiche Schwingung von Schneidelement 3 und Ausgleichsmasse 6 hervorgerufen wird.

[0043] Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, ist das Schneidelement 3 mit einem Messelement 12 verbunden, so dass ein Regelkreis geschlossen wird. Das Messelement 12 erfasst laufend eine charakteristische Schwingungsgröße. Die Messwerte der Schwingungsgröße werden als Ist-Größe an die Regeleinrichtung 11 übergeben, um durch Vergleich mit einer vorgegebenen Soll-Größe eine Regelabweichung zu bestimmen, welche durch entsprechende Ansteuerung der Antriebsmittel ausgeregelt wird. Als Messelement 12 ist insbesondere ein Weg- und/oder Beschleunigungssensor vorgesehen, welcher den vom Schneidelement 3 zurückgelegten Weg und/oder dessen Beschleunigung aufnimmt. Wie in Fig. 1 mit strichlierten Linien angedeutet ist, ist vorzugsweise ein weiteres, der Ausgleichsmasse 6 zugeordnetes Messelement 12' vorgesehen, um eine der Ausgleichsmasse 6 zugeordnete charakteristische Schwingungsgröße - un abhängig vom Signal des Messelements 12 - zu erfassen. Demnach kann eine aktiv gesteuerte Impulsentkoppelung erzielt werden, über welche zuverlässig Resonanzschwingungen vermieden werden können.

[0044] In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wobei im folgenden lediglich auf die Unterschiede zu Fig. 1 eingegangen wird. Die Ausführung gemäß Fig. 2 weist als Antriebsmittel einen Linearantrieb 13, insbesondere in Form eines hydraulischen oder pneumatischen Pulsers, auf, der zur Anregung der Schwingung mit dem Schneidelement 3 und mit der Ausgleichsmasse 6 gekoppelt ist. Der Linearantrieb 13 weist eine (schematisch dargestellte) Fluidleitung 14 auf, in welcher ein vorzugsweise elektromechanisches Regelventil 15 mit einem Stellglied 15' angeordnet ist, das über die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 11 angesteuert wird.

[0045] Wie aus Fig. 2 ersichtlich, führt die Fluidleitung 14 des Linearantriebs 13 über das Regelventil 15 in eine Druckkammer 16 innerhalb des Gehäuses 7 der Vorrichtung 1. Die Druckkammer 16 steht mit einem in Vorschub- bzw. Längsrichtung 1' des Schneidelements 3 verschieblich gelagerten Kolben 17 in Verbindung, welcher mit dem Schneidelement 3 gekoppelt ist. Die Druckkammer 16 wird über die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 11 mit einem periodischen Druckverlauf angesteuert, welcher über den Kolben 17 auf das Schneidelement 3 übertragen wird, um das Schneidelement 3 in die gewünschte Schwingung zu versetzen.

[0046] Wie aus Fig. 2 weiters ersichtlich, ist an einer dem Kolben 17 zum Antrieb des Schneidelements 3 gegenüberliegenden Seite der Druckkammer 16 ein weiterer in Längsrichtung 1' der Vorrichtung 1 verschieblich gelagerter Kolben 18 vorgesehen, welcher zum Antrieb der Ausgleichsmasse 6 eingerichtet ist. Der Fluiddruck in der Druckkammer 16 kann daher in die Verschiebung der Kolben 17, 18 in entgegengesetzte Richtungen umgesetzt werden, so dass eine gegengleiche Schwingung von Schneidelement 3 und Ausgleichsmasse 6 erzielt wird. Gemäß Fig. 2 ist der mit der Ausgleichsmasse 6 gekoppelte weitere Kolben 18 zudem über eine Führung 19 verschieblich im Kolben 17 gelagert.

[0047] Wie aus Fig. 2 weiters ersichtlich, sind zwischen dem Kolben 17 und dem Gehäuse 7 Federelemente 20 angeordnet, welche der Verschiebung des Kolbens 17 aus seiner Ausgangslage entgegenwirken. Zur Rückstellung des weiteren Kolbens 18 sind entsprechende Federelemente 20 vorgesehen, welche zwischen dem weiteren Kolben 18 und dem Gehäuse 7 wirken.

[0048] Wie aus Fig. 2 weiters ersichtlich, weist das Gehäuse 7 der Vorrichtung 1 jeweils eine dem Schneidelement 3 bzw. der Ausgleichsmasse 6 zugeordnete Kompressionskammer 21 bzw. 21' auf, welche über eine Zuführung 14' bzw. 14" mit einem komprimierbaren Fluid versorgt wird. Die Zuführung 14' bzw. 14" weist jeweils ein Regelventil 22 bzw. 23 mit jeweils einem Stellglied 22' bzw. 23' auf. Die Kompressionskammern 21 bzw. 21' ermöglichen eine gezielte Dämpfung der Schwingung des Schneidelements 3 bzw. der Ausgleichsmasse 6. Die Dämpfungseigenschaften können hierbei über den Fülldruck der Kompressionskammer 21 bzw. 21' beeinflusst werden, welcher von der Steuer- bzw. Regeleinrichtung 11 vorgegeben wird.

[0049] Die zuvor beschriebene Vorrichtung 1 kann in Verbindung mit einer Maschine, beispielsweise eine Drehanlage oder eine kombinierte Dreh-/Fräsanlage, verwendet werden, welche eine passende Werkzeugaufnahme für die Vorrichtung 1 aufweist. Bei der Ausführung der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 2 ist es hierbei von Vorteil, wenn eine bereits vorhandene Betriebsfluidleitung der Maschine, insbesondere eine Hydraulikleitung oder einer Kühlschmiermittelleitung, zur Versorgung des Linearantriebs 13 genutzt wird. Somit kann die Vorrichtung 1 mit geringem Aufwand nachgerüstet werden.

[0050] In Fig. 3 ist das Funktionsprinzip der Vorrichtung 1 beim Abtrennen eines vergleichsweise kurzen Spans 24 vom Werkstück 2 veranschaulicht. Das Schneidelement 3 wird mittels der Schwingvorrichtung 5 in eine Schwingung versetzt, die, wie oben beschrieben, eine Frequenz unterhalb von Ultraschall aufweist. Die Schwingung des Schneidelements 3 bewirkt eine zeitabhängige Anpresskraft Fd(t) des Schneidelements 3, so dass die Eindringtiefe des Schneide- lements 3 einem wellenförmigen Verlauf xd(t) folgt, welcher von der Amplitude und der Frequenz der Schwingung abhängt. Die Oberfläche des abgehobenen Spans 24 weist einen entsprechenden, jedoch hinsichtlich der Umlaufzeit T der Rotationsbewegung des Werkstücks 2 um eine Länge E verschobenenen wellenförmigen Verlauf xd(t-T) auf. Zum Vergleich ist in Fig. 3 strichliert eine konstante Spandicke hs angedeutet, welche mit einer gleichbleibenden Anpresskraft erzielt würde. Die Schwingung des Schneidelements 3 wird mittels der Steuer- bzw. Regeleinrichtung 11 derart mit der Rotation des Werkstücks 2 synchronisiert, dass ein Wellenberg 25 des wellenförmigen Verlaufs xd(t) der Eindringtiefe des Schneidelements 3 in das Werkstück 2 an einer Abtrennstelle 27 mit einem Wellental 26 des wellenförmigen Verlaufs xd(t-T) der Oberfläche des abgehobenen Spans 24 zusammenfällt. Somit wird ein Span 24 mit einem periodisch verjüngten Querschnitt erhalten, welcher sich an jeder Abtrennstelle 27 lösen kann. Somit können während einer Umdrehung des Werkstücks 2 eine Vielzahl von vergleichsweise kurzen Spänen 24 abgetrennt werden.

Claims

Patentansprüche 1. Vorrichtung (1), insbesondere Spanwerkzeug, mit einem Schneidelement (3) zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks (2), wobei das Schneidelement (3) mit einer Schwingvorrichtung (5) verbunden ist, welche dazu eingerichtet ist, das Schneidelement (3) in eine Schwingung zu versetzen, deren Frequenz niedriger ist als die Frequenz von Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingvorrichtung (5) eine in entgegengesetzter Richtung zum Schneidelement (3) schwingende Ausgleichsmasse (6) aufweist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Schwingung des Schneidelements (3) weniger als 10 kHz, vorzugsweise weniger als 5 kHz, insbesondere weniger als 1 kHz, besonders bevorzugt zwischen 500 Hz und 50 Hz, beträgt.
3. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingvorrichtung (5) in Schwingungsrichtung des Schneidelements (3) bzw. der Ausgleichsmasse (6) wirkende Antriebsmittel aufweist.
4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmittel der Schwingvorrichtung (5) mit einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung (11) verbunden sind, welche dazu eingerichtet ist, die Schwingung des Schneidelements (3), insbesondere gegengleich zur Schwingung der Ausgleichsmasse (6), zu steuern bzw. zu regeln.
5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schneidelement (3) und/oder der Ausgleichsmasse (6) ein Messelement (12, 12'), insbesondere ein Weg-und/oder Beschleunigungssensor, zum Messen einer charakteristischen Schwingungsgröße zugeordnet ist, deren Messwerte als Ist-Größe an die Regeleinrichtung (11) übermittelt werden.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmittel der Schwingvorrichtung zumindest ein Piezoelement (8; 8'), insbesondere zumindest ein Piezoelement (8) zum Antrieb des Schneidelements (3) und zumindest ein weiteres Piezoelement (8') zum Antrieb der Ausgleichsmasse (6), aufweisen.
7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ausgleichsmasse (6) im Wesentlichen die gleiche Art und Anzahl an Piezoelementen (8, 8') angreift wie an dem Schneidelement (3).
8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebsmittel der Schwingvorrichtung (5) ein eine Fluidleitung (14) aufweisender Linearantrieb (13), vorzugsweise ein hydraulischer oder pneumatischer Pulser, vorgesehen ist, der zur Anregung der Schwingung mit dem Schneidelement (3) bzw. der Ausgleichsmasse (6) gekoppelt ist.
9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (14) des Linearantriebs (13) ein Regelventil (15) aufweist, das mit der Steuer- bzw. Regeleinrichtung (11) verbunden ist.
10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (14) des Linearantriebs (13) mit einer Druckkammer (16) in Verbindung steht, die mit einem verschieblich gelagerten, mit dem Schneidelement (3) gekoppelten Kolben (17) verbunden ist.
11. Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (16) an einer dem Kolben (17) zum Antrieb des Schneidelements (3) gegenüberliegenden Seite mit einem weiteren Kolben (18) zum Antrieb der Ausgleichsmasse (6) verbunden ist.
12. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine mit einem komprimierbaren Fluid befüllbare, dem Schneidelement (3) bzw. der Ausgleichsmasse (6) zugeordnete Kompressionskammer (21; 21') vorgesehen ist, welche im Betrieb die Schwingung des Schneidelements (3) bzw. der Ausgleichsmasse (6) dämpft.
13. Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Fülldruck der Kompressionskammer (21, 21') über eine Zuführung (14', 14") mit einem Regelventil (22, 23) veränderbar ist.
14. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidelement (3) als Drehmeißel ausgebildet ist, wobei die Schwingung des Schneidelements (3) in Längsrichtung (1') der Drehmeißel erfolgt.
15. Maschine zum mechanischen Bearbeiten eines Werkstücks, mit einer Werkzeugaufnahme zur insbesondere austauschbaren Anordnung einer Vorrichtung, insbesondere Spanwerkzeug, zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks, dadurch gekennzeichnet, dass in der Werkzeugaufnahme eine Vorrichtung (1), insbesondere Spanwerkzeug, zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 angeordnet ist.
16. Maschine nach Anspruch 15 mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (13) der Schwingvorrichtung (5) an eine Betriebsfluidleitung der Maschine, insbesondere eine Hydraulikleitung oder einer Kühlschmiermittelleitung, angeschlossen ist.
17. Verfahren zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks (2) mit einem Schneidelement (3), wobei das Schneidelement (3) in Schwingung versetzt wird und die Frequenz der Schwingung des Schneidelements (3) niedriger ist als die Frequenz von Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgleichsmasse (6) in entgegengesetzter Richtung zum Schneidelement (3) in Schwingung versetzt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Schwingung des Schneidelements (3) unter 10 kHz, vorzugsweise unter 5 kHz, insbesondere unter 1 kHz, besonders bevorzugt zwischen 500 Hz und 50 Hz, beträgt.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Drehbearbeitung ein Span (24) von einem rotierenden Werkstück (2) abgetrennt wird, wobei die Schwingung des Schneidelements (3) derart mit der Rotation des Werkstücks (2) synchronisiert wird, dass ein Wellenberg (25) eines wellenförmigen Verlaufs (Xd(t)) der Eindringtiefe des Schneidelements (3) in das Werkstück (2) an einer Abtrennstelle (27) mit einem Wellental (26) eines wellenförmigen Verlaufs (xd(t-T)) der Oberfläche des abgehobenen Spans (24) zusammenfällt. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen