DE10004062A1 - Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung liefert eine Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung, umfassend ein Mittel zum Aufbringen einer Schneidebewegung zur Bewegung eines Schneidmessers zum Schneiden eines Werkstücks lediglich durch die Schwingung eines Schwingelements und ein Zuführbewegungsmittel zum Bewegen des Schneidmessers in einen neuen Schneidebereich des Werkstücks.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschall-Schwin­ gungsschneidevorrichtung.

Bei einem Schneidevorgang unter Verwendung einer Schneidema­ schine oder eines Schneidgeräts (Schneidmessers) werden eine Schneidebewegung, um das Schneidgerät zum Schneiden eines Werkstücks zu bewegen, und eine Zuführbewegung benötigt, um das Schneidgerät nach und nach in einen neuen Schneidebereich (einen neu zu schneidenden Teil) vorzuschieben.

(Die japanische Patent-Offenlegungsveröffentlichung (JP-A) Nr. 63-232901 offenbart als herkömmliche Schneidebearbeitungsvor­ richtung, daß diese ein Schneidgerät in einem Schwingelement umfaßt, das durch einen Biegeschwinger bzw. -vibrator angetrie­ ben wird. Bei der herkömmlichen Ultraschall-Schwingungsschnei­ devorrichtung wird die oben erwähnte Schneidebewegung in Form einer Kombination aus einer Drehbewegung oder einer Linearbewe­ gung (Schnittgeschwindigkeit v) eines Werkstücks (oder eines Schneidgeräts) und der Schwingung des Schwingelements ausge­ führt.

Mit der herkömmlichen Ultraschall-Schwingungsschneidevorrich­ tung sind die folgenden Probleme (1) und (2) verbunden.

• 1. Da die Schneidebewegung durch das Schneidgerät zusätzlich zur Schwingung des Schwingelements erzeugt werden soll, muß die Drehbewegung oder lineare Bewegung (Schnittgeschwindigkeit v) des Werkstücks (oder des Schneidgeräts) so ausgeführt werden, daß die Schneidevorrichtung kompliziert und größer wird.
• 2. Da die Drehbewegung oder die lineare Bewegung des Werk­ stücks (oder des Schneidgeräts) ausgeführt wird, um die Schnei­ debewegung mit dem Schneidgerät zu erzeugen, muß das Schneidge­ rät eine Zuführbewegung synchron mit der Drehbewegung oder der linearen Bewegung des Werkstücks (oder des Schneidgeräts) ausführen, um eine bestimmte Bearbeitungsform bzw. -gestalt für das Werkstück vorzusehen. Dementsprechend wird die Zuführ­ bewegung im Falle eines Werkstücks mit einer komplizierten Bearbeitungsform bzw. -gestalt kompliziert und somit ist die Kompliziertheit der Bearbeitungsform beschränkt.

Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, eine komplizierte Bearbeitungsform mit einer einfachen und kleinen Konfiguration bzw. Ausrüstung zu bewältigen.

Diese Aufgabe ist bei einer Ultraschall-Schwingungsschneidevor­ richtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Ultraschall-Schwingungs­ schneidevorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung gemäß der Erfindung umfaßt somit ein Schneidgerät bzw. ein Schneidmesser (Schneide) in einem Schwingelement, das mittels eines Schwin­ gungserzeugers bzw. Vibrators angetrieben wird, wobei eine eine Schneidebewegung erteilende Einrichtung zur Bewegung des Schneidgeräts vorgesehen ist derart, daß ein Werkstück le­ diglich durch die Schwingung des Schwingelements geschnitten wird, und ein Vorbewegungsmittel zum Bewegen des Schneidgeräts bzw. des Schneidmessers in einen neuen Schneidebereich des Werkstücks vorgesehen sind.

Überdies ist der Schwingungserzeuger gemäß der vorliegenden Erfindung ein Torsionsschwinger.

Des weiteren kann die vorliegende Erfindung in dem Fall ange­ wendet werden, daß der Schwingungserzeuger eine Biegeschwingung erzeugt. In dem Fall eines Schwingungserzeugers für die Biege­ schwingung ist die Schwingung sogar in einem Schwingungsknoten lediglich in seiner Mittenachse Null. In dem Fall, in dem die Fläche des Schwingungsknotens abgestützt ist, wird eine nach­ teilige Wirkung auf die Übertragung der Schwingung ausgeübt, ein Schwingungsverlust wird erzeugt und es ist somit schwierig, die Schwingung mit hohem Wirkungsgrad auf das Schneidgerät bzw. die Klinge zu übertragen.

Die Erfindung wird im folgenden weiter aus der untenstehend gegebenen detaillierten Beschreibung und aus den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, die jedoch nicht die Erfindung ein­ schränken sollen, sondern lediglich zu deren Erläuterung und Verständnis dienen. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm, das die Ultraschall- Schwingungsschneidevorrichtung zeigt;

Fig. 2A und 2B schematische Diagramme, die das Ultraschall­ schwingelement zeigen;

Fig. 3 ein schematisches Diagramm, das einen Torsionsschwin­ ger zeigt;

Fig. 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Durch­ messerverhältnis und dem Resonanzfrequenzverhältnis in der Rückkopplungs- bzw. Gegenkopplungsbetriebsart zeigt;

Fig. 5 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Durch­ messerverhältnis und dem Ausgangsleistungsverhältnis in der Rückkopplungsbetriebsart zeigt;

Fig. 6A und 6B schematische Diagramme, die ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallschwingelements zeigen;

Fig. 7A und 7B schematische Diagramme, die noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallschwingelements zeigen;

Fig. 8 ein schematisches Diagramm, das eine Ultraschall- Schwingungsschneidevorrichtung zeigt;

Fig. 9A und 9B schematische Diagramme, die ein Ultraschall­ schwingelement zeigen;

Fig. 10A und 10B schematische Diagramme, die eine Unterlage bzw. Basis für ein Schneidgerät zeigen;

Fig. 11A und 11B Teilschnittansichten von Fig. 10A und 10B sind;

Fig. 12A und 12B schematische Diagramme sind, die die Basis der Schneidgerätbasis zeigen;

Fig. 13A und 13B schematische Diagramme, die eine Schwenkbasis der Schneidgerätbasis zeigen;

Fig. 14 eine Teilschnittansicht, die ein weiteres Ausfüh­ rungsbeispiel einer Schneidgerätbasis zeigt;

Fig. 15 eine Arm- bzw. Ausleger-Seitenschnittansicht von Fig. 14 ist;

Fig. 16 eine Konus-Seitenschnittansicht von Fig. 14 ist; und

Fig. 17A und 17B schematische Diagramme sind, die ein Halte­ element zeigen.

Es wird im folgenden ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung anhand von Fig. 1 bis 7B beschrieben. Die Ultraschall-Schwin­ gungsschneidevorrichtung ist allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet und es wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, handelt es sich bei der Ultraschall- Schwingungsschneidevorrichtung 10 um eine Fräsmaschine vom Analogtyp, bei der ein Tisch 12 von einer Säule 11 sowie von einer Schneidgerätbasis 13 getragen wird, die so gehaltert ist, daß die Schneidgerätbasis 13 ein Ultraschallschwingelement 14 vom Torsionsschwingungstyp bzw. mit einer Torsionsschwingungs­ betriebsart (das von einem später beschriebenen Torsionsschwin­ ger 21 angetrieben wird) ist, wobei ein Schneidgerät bzw. Fräsmesser 15 abnehmbar am Spitzenteil bzw. vorderen Endteil des Ultraschallschwingelements 14 angebracht ist. Mit dem Bezugszeichen 1 ist ein aus Metall, Harz, Kautschuk oder dergleichen hergestelltes Werkstück bezeichnet.

Bei der Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung 10 wird ein Mittel zum Aufbringen einer Schneidebewegung dienendes Mittel zum Bewegen des Schneidgeräts bzw. Fräsmessers 15 zum Schneiden des Werkstücks 1 lediglich durch Schwingung des Ultraschall­ schwingelements 14 zur Verfügung gestellt. Daher wird bei der Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung 10 keine Hauptachse zum Drehen des Fräsmessers 15 mit hoher Geschwindigkeit (Schnittgeschwindigkeit v) für die Schneidebewegung benötigt, was bei einer herkömmlichen Fräsmaschine als Mittel zum Auf­ bringen der Schneidebewegung notwendig war.

Überdies umfaßt bei der Ultraschall-Schwingungsschneidevor­ richtung 10 das Mittel für die Zuführbewegung zum Bewegen des Fräsmessers 15 zum neuen Schneidebereich des Werkstücks 1 einen Motor 16 zum Antreiben der X-Achse des Tischs 12, einen Motor 17 zum Antreiben Z-Achse des Tischs 12, einen Motor 18 zum Antreiben der Y-Achse der Schneidgerätbasis 13 und einen Motor 19 zum Antreiben der θ-Achse (Drehwinkel) des Fräsmessers 15. Mit dem Bezugszeichen 20 ist ein NC-Bedienungspult bezeichnet. Daher kann mittels der Ultraschall-Schwingungsschneidevor­ richtung 10 ein Schneidevorgang bewerkstelligt werden, indem das Werkstück 1 durch die Schneidebewegung, die durch Schwin­ gung des Ultraschallschwingelements 14 durch den Antrieb des später beschriebenen Torsionsschwingers 21 erzeugt wird, wobei das Fräsmesser 15 mit dem Werkstück 1 in Kontakt tritt, sowie ferner durch eine einfache Zuführbewegung des Fräsmessers 15 durch das Zuführbewegungsmittel der Motoren 16 bis 19 geschnit­ ten wird, wobei lediglich die relative Positionsbeziehung in bezug auf das Werkstück 1 zu betrachten ist, um eine bestimmte Bearbeitungsgestalt für das Werkstück 1 vorzusehen.

Da die Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung 10 keine Hauptdrehachse benötigt, die bei einer herkömmlichen Fräsma­ schine erforderlich war, kann des weiteren eine einfache Konfiguration dadurch erzielt werden, daß das Ultraschall­ schwingelertent 14 am vorderen Ende eines frei tragenden Arms eines Roboters vom Skalartyp vorgesehen wird.

Es wird als nächstes das Ultraschallschwingelement 14 anhand von Fig. 2A und 2B beschrieben.

Wie in Fig. 2A und 2B gezeigt ist, ist beim Ultraschallschwing­ element 14 ein Arm 23 mit der Vorderseite eines Torsionsschwin­ gers 21 über einen Schwingungsübertragungskonus 22 verbunden, ggf. auch verklebt oder verschweißt, wobei das oben erwähnte Fräsmesser 15 am Schneidgerätmontageteil der vorderen Außen­ umfangsseite des Arms 23 abnehmbar angebracht ist. Der Tor­ sionsschwinger 21 und der Konus 22 sind mittels eines Befesti­ gungsbolzens 24 verbunden, der an der Mittenachse vorgesehen ist, und der Konus 22 und der Arm 23 sind mittels eines an der Mittenachse vorgesehenen Befestigungsbolzens 25 verbunden. Das Ultraschallschwingelement 14 erzeugt eine Resonanzschwingung mit einer Amplitudenverteilung der Torsionsschwingung durch den Antrieb des Torsionsschwingers 21, wie sie in Fig. 2A gezeigt ist, wobei das Fräsmesser 15 an einer Position entsprechend einer Schwingungsschleife vorgesehen ist, so daß es ausreichend in Schwingung versetzt wird, um einen Schwingschneidevorgang auszuführen.

Das Ultraschallschwingelement 14 umfaßt einen Flansch 22A an einem Teil entsprechend einem Schwingungsknoten des Konus 22, wobei der Flansch 22A mittels eines Befestigungsbolzens 26 durch eine Montagespann- bzw. Koordinatenvorrichtung 27 an der Schneidgerätbasis 13 gehalten ist. Demgemäß wird eine nachtei­ lige Wirkung vermieden, die sonst durch die Schwingeigenschaf­ ten des Ultraschallschwingelements 14 durch die Anbringung und das Halten des Ultraschallschwingelements 14 an der Schneidge­ rätbasis 13 herbeigeführt würde.

Ein Halteelement 28 zum Halten des Arms 23 wird mittels des Konus 22 gehaltert, um eine hohe Steifigkeit des Arms 23 im Ultraschallschwingelement 14 zu erzielen. Das Halteelement 28 besteht aus hochsteifem bzw. hochfestem Material wie gehärtetem Stahl. Der Basisendmontageteil 28A des Halteelements 28 ist mittels eines Bolzens 29A am oben erwähnten Flansch 22A be­ festigt, der sich an der Schwingungsknotenfläche des Konus 22 befindet. Der vordere Endmontageteil 28B des Halteelements 28 ist mittels eines Bolzens 29B an der vorderen Endfläche des Arms 23 auf der Mittenachse gehalten, die der feststehende bzw. unbewegliche Punkt der Schwingung ist.

Es wird nun der Torsionsschwinger 21 unter Bezugnahme auf Fig. 3 bis 5 beschrieben.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist der oben erwähnte Torsions­ schwinger 21 ein mittels eines Bolzens befestigter Torsions­ schwinger vom Langevin-Typ mit einer Torsionsschwingungsbe­ triebsart vom Scheibentyp, bei dem sich ein vorderseitiges Element 33 und ein rückseitiges Element 34 auf beiden Seiten von elektrostriktiven Elementen 31, 32 befinden, wobei sich eine Elektrodenplatte 35 zwischen den elektrostriktiven Elemen­ ten 31, 32 befindet und jeweils Elektrodenplatten 36, 37 außerhalb der elektrostriktiven Elemente 31, 32 angeordnet sind, so daß sämtliche Elemente mittels eines an den Mitten­ achsen vorgesehenen Befestigungsbolzens 38 verbunden sind. Die elektrostriktiven Elemente 31, 32 sind so angeordnet, daß sie dieselbe Polarität in bezug auf die Elektrodenplatte 35 auf­ weisen.

Der Torsionsschwinger 21 wird durch Schrumpfen der Durchmesser des vorderseitigen Elements 33 und des rückseitigen Elements 34 in der von den elektrostriktiven Elementen 31, 32 fort weisen­ den Richtung mit einer Rückkopplungs- bzw. Gegenkopplungs­ betriebsart verwendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem vorderseitigen Element 33 und dem rückseitigen Element 34 um Stufensäulen, deren Durchmesser sich am Teil mit dem großen Durchmesser (∅D) und am Teil mit dem kleinen Durch­ messer (∅nD), wobei das Durchmesserverhältnis n < 1 ist (und auf dieses im folgenden als n Bezug genommen wird) allmählich und diskontinuierlich ändert und der Stufenteil mit einem Radius R (R = D(1-n)/2) versehen ist. Überdies hat der Tor­ sionsschwinger 21 dieses Ausführungsbeispiels am breiten Teil (∅D) eine Länge mL (wobei das axiale Längenverhältnis m = Teil mit großem Durchmesser/Achsenlänge ist und im folgenden auf das axiale Längenverhältnis als m Bezug genommen wird) in bezug auf die Gesamtlänge L, wobei beide Seiten der elektrostriktiven Elemente 31, 32 symmetrisch eben in bezug auf die Richtung nach rechts und links sind.

Bei dem Torsionsschwinger 21 kann eine hohe Resonanzfrequenz des Torsionsschwingers 21 erreicht werden, wobei eine konstante Länge L des Torsionsschwingers 21 sichergestellt ist. Das heißt, Fig. 4 zeigt das Torsionsresonanzfrequenzverhältnis (f/f₀, wobei f₀ die Resonanzfrequenz ist, wenn n = 1) des Torsionsschwingers 21 in bezug auf das Durchmesserverhältnis n in der Rückkopplungsbetriebsart, wenn das axiale Längenverhält­ nis m = 0,5 ist. Gemäß Fig. 4 ist festzustellen, daß das Resonanzfreguenzverhältnis größer als 1 sein kann, d. h. es kann eine hohe Frequenz dadurch erreicht werden, daß in der Rück­ kopplungsbetriebsart des Torsionsschwingers 21 ein kleines Durchmesserverhältnis n vorgesehen wird. In dem Fall, daß die Gesamtlänge des Torsionsschwingers 21 L = 80 mm ist und der Durchmesser am Teil mit großem Durchmesser D = 50 mm ist, wobei das axiale Längenverhältnis m = 0,5 und das Durchmesserverhält­ nis n = 0,7 sind, kann beispielsweise die Resonanzfrequenz 27 kHz sein und ist höher als im Fall einer gerade verlaufenden Gestalt mit 20 kHz.

Bei dem Torsionsschwinger 21 kann überdies die Ausgangsleistung des Torsionsschwingers 21 erhöht werden, wobei eine konstante Länge L des Torsionsschwingers 21 sichergestellt ist. Das heißt, Fig. 5 zeigt das Ausgangsleistungsverhältnis (w/w₀, wobei w₀ die Ausgangsleistung ist, wenn n = 1) des Torsions­ schwingers 21 in bezug auf das Durchmesserverhältnis n in der Rückkopplungsbetriebsart, wenn das axiale Längenverhältnis m = 0,5 ist. Gemäß Fig. 5 ist festzustellen, daß das Ausgangs­ leistungsverhältnis größer als 1 sein kann, das heißt, es kann dadurch vergrößert werden, daß ein kleines Durchmesserverhält­ nis n kleiner als 1 in der Rückkopplungsbetriebsart des Tor­ sionsschwingers 21 vorgesehen witd. In dem Fall, daß die Gesamtlänge des Torsionsschwingers 21 L = 80 mm und der Durch­ messer an dem Teil mit großem Durchmesser D = 50 mm ist, wobei das axiale Längenverhältnis m = 0,5 und das Durchmesserverhält­ nis n = 0,7 sind, kann beispielsweise die Ausgangsleistung um 35% in bezug auf den Fall mit einer geradlinigen Gestalt vergrößert werden.

Bei dem Torsionsschwinger 21 sind die elektrostriktiven Ele­ mente 31, 32, das vorderseitige Element 33, das rückseitige Element 34 oder dergleichen nicht notwendigerweise mittels des Befestigungsbolzens 38 verbunden, sondern können auch durch einen Eindrückstift, Klebstoff oder dergleichen verbunden sein.

Überdies kann die auf den Torsionsschwinger 21 aufgeprägte Rückkopplungsbetriebsart bei asymmetrisch vorgesehenem vor­ derseitigem Element 33 und rückseitigem Element 34 erreicht werden oder kann lediglich bei einem von dem vorderseitigen Element 33 oder dem rückseitigen Element 34 vorgesehen sein. Des weiteren wird der Durchmesser nicht notwendigerweise allmählich und diskontinuierlich in zwei oder mehr Stufen geändert, sondern kann auch eine lineare Gestalt, beispiels­ weise eine sich verjüngende Gestalt, haben oder sich in der Gestalt bzw. Form fortlaufend ändern, wie dies bei einer gekrümmten Form ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel können die folgenden Wirkungen erzielt werden, die nun für die Ultraschall-Schwingungsschnei­ devorrichtung 10 angegeben werden.

• 1. Die Schneidebewegung des Fräsmessers 15 wird lediglich durch die Schwingung des Schwingelements 14 erzeugt. Daher hängt die Schnittbewegung des Fräsmessers 15 nicht notwendiger­ weise von der Drehbewegung oder der linearen Bewegung (Schnitt­ geschwindigkeit v) des Werkstücks 1 (oder des Fräsmessers 15) ab und somit kann die Schneidevorrichtung 10 einfacher und kleiner ausgeführt werden.
• 2. Da eine Begleitung der Drehbewegung oder der linearen Bewegung (Schnittgeschwindigkeit v) des Werkstücks 1 (oder des Fräsmessers 15) für die Schneidebewegung des Fräsmessers 15 nicht erforderlich ist, ist eine einfache Zuführbewegung des Fräsmessers 15 lediglich unter Berücksichtigung der relativen Positionsbeziehung in bezug auf das Werkstück 1 ausreichend, um dem Werkstück 1 eine konstante Bearbeitungsgestalt zu geben, und somit kann eine komplizierte Bearbeitungsgestalt leicht bewältigt werden.
• 3. Da die Schneidebewegung des Fräsmessers 15 durch die Ultraschallschwingung erzeugt wird, kann der Schnittwiderstand aufgrund der extremen Verringerung des Spanableitwiderstandes merklich verringert werden, indem das Fräsmesser 15 durch die Trägheitsschneidefunktion vom Werkstück 1 getrennt wird, die sich durch die Verlagerung der zwischen dem Fräsmesser 15 und dem Werkstück 1 erzeugten Schwingung in der Plus-Richtung und anschließend in der Minus-Richtung ergibt. Die Verlagerung in der Plus-Richtung bedeutet, daß sich das Fräsmesser zum Werk­ stück hin bewegt, um das Werkstück zu schneiden. Die Verlage­ rung in der Minus-Richtung bedeutet, das Gegenteil zur Ver­ lagerung in der Plus-Richtung, das heißt, das Fräsmesser wird vom Werkstück fort bewegt. Aufgrund der bemerkenswerten Ver­ ringerung des Schnittwiderstandes können ein im Feinbereich ablaufender Bearbeitungsvorgang, mit dem ein Werkstück 1 mit kleiner Abmessung oder geringer Festigkeit ohne Deformation bearbeitet werden kann, ein komplizierter Bearbeitungsvorgang, bei dem eine Bearbeitung entsprechend der Zuführung des Fräs­ messers 15 sogar in dem Fall ausgeführt werden kann, daß die Schneidevorrichtung 10 geringe Festigkeit hat, ein Bearbei­ tungsvorgang für ein Material, das schwierig zu schneiden ist, hohe Viskosität oder Härte hat, ein Bearbeitungsvorgang, bei dem der Temperaturanstieg des Werkstücks 1 verzögert oder verhindert wird, ein Bearbeitungsvorgang ohne das Erfordernis von Schneidflüssigkeit oder dergleichen ausgeführt werden.
• 4. Da der Schwinger 21 eine Torsionsschwingung erzeugt, kann der Schwingungsübertragungsgrad des Schwingsystems ausgehend vom Schwinger 21 des Schwingelements 14 zum Fräsmesser 15 verbessert werden und somit kann eine große Schwingungsenergie für das Fräsmesser 15 zusammen mit einem verbesserten Wirkungs­ grad des Schneidvorgangs zur Verfügung gestellt werden. Das heißt, bei dem Schwingelement 14 mit Torsionsschwingung ist die Schwingung am Schwingungsknoten an der Oberfläche Null und somit kann durch Haltern der Fläche des Schwingungsknotens die Schwingung mit hohem Wirkungsgrad auf das Fräsmesser 15 über­ tragen werden, ohne daß eine nachteilige Auswirkung auf die Übertragung der Schwingung bewirkt wird.

Es werden im folgenden die Wirkungen des Ultraschallschwing­ elements 14 beschrieben.

• 1. Eine hohe Steifigkeit des Arms 23 kann dadurch erzielt werden, daß der Arm 23 unter Verwendung des Halteelements 28 gehalten wird, das von dem am Torsionsschwinger 21 befestigten Schwingungsübertragungskonus 22 gehaltert wird. Das Halte­ element 28 ist an der Schwingungsknotenfläche am Konus 22 befestigt. Da es sich bei der Knotenfläche um einen ortsfesten Punkt (Schwingung Null) der Fläche des Konus 22 aufgrund der Torsionsschwingung handelt, wird keine nachteilige Wirkung auf die Schwingungseigenschaften des Schwingelements 14 ausgeübt, so daß der Schwingungsübertragungswirkungsgrad nicht ver­ schlechtert oder zunichte gemacht wird. Überdies wird das Halteelement 28 an der Mittenachse an der vorderen Endfläche des Arms 23 gehalten. Da die Mittenachse ein ortsfester Punkt (Schwingung Null) aufgrund der Torsionsschwingung ist, wird keine nachteilige Wirkung auf die Schwingungseigenschaften des Schwingelements 14 ausgeübt, so daß der Schwingungsübertra­ gungswirkungsgrad nicht verschlechtert bzw. zunichte gemacht wird. Daher kann eine hohe Steifigkeit bzw. Festigkeit des Arms 23 erzielt werden, ohne daß eine nachteilige Wirkung auf die Schwingungseigenschaften des Schwingelements 14 ausgeübt wird. Demgemäß kann eine durch die auf das am vorderen Endteil des Arms 23 vorgesehene Fräsmesser 15 ausgeübte externe Kraft (Last) bewirkte Durchbiegung verhindert bzw. verringert werden, so daß die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert werden kann.

Es werden nun die Wirkungen des Torsionsschwingers 21 beschrie­ ben.

• 1. Wenn der Durchmesser wenigstens eines von dem vorderseiti­ gen Element 33 und dem rückseitigen Element 34 in der Richtung verringert wird, die von den elektrostriktiven Elementen 31, 32 fort weist, kann die Resonanzfrequenz des Torsionsschwingers 21 in bezug auf das vorderseitige Element 33 und das rückseitige Element 34 mit geradliniger Form höher sein und es kann eine gewisse Länge des Schwingelements 21 sichergestellt werden. Demgemäß kann die Resonanzfrequenz des Schwingers 21 von der hörbaren bzw. Tonfrequenz fort gelegt werden, um das Rauschen auszuschalten, oder die Schwingungsfrequenz bzw. -geschwindig­ keit kann erhöht werden, um die Stoßkraft (Bearbeitungskraft) zu vergrößern, die auf der Schwingung beruht.
• 2. Wenn bei dem Torsionsschwinger 21 der Durchmesser wenig­ stens eines von dem vorderseitigen Element 33 und dem rücksei­ tigen Element 34 in der Richtung fort von den elektrostriktiven Elementen 31, 32 geschrumpft wird, kann die Ausgangsleistung des Schwingers 21 in bezug auf das vorderseitige Element 13 und das rückseitige Element 34 mit gerader Form vergrößert werden, wobei eine gewisse Länge des Schwingers 21 sichergestellt ist.

Es wird im folgenden ein erstes abgewandeltes Ausführungs­ beispiel des Ultraschallschwingelements 14 anhand von Fig. 6A und 6B beschrieben.

Ähnlich wie in dem Fall des in Fig. 2A und 2B gezeigten Ul­ traschallschwingelement 14 ist bei dem in Fig. 6A und 6B gezeigten Ultraschallschwingelement 14 ein Arm bzw. Ausleger 23 mit der Vorderseite eines Torsionsschwingers 21 über einen Schwingungsübetragungskonus 22 verbunden, wobei ein Fräsmesser 15 abnehmbar am Schneidgerätmontageteil der vorderen Außen­ umfangsfläche des Arms 23 angebracht ist. Der Torsionsschwinger 21 und der Konus 22 sind mittels eines an der Mittenachse vorgesehenen Befestigungsbolzens 24 verbunden und der Konus 22 und der Arm 23 sind mittels eines an der Mittenachse vorgesehe­ nen Befestigungsbolzens 25 verbunden. Das Ultraschallschwing­ element 14 erzeugt durch den Antrieb des Torsionsschwingers 21 eine Resonanzschwingung mit einer Amplitudenverteilung der Torsionsschwingung, wie in Fig. 6A gezeigt, wobei das Fräsmes­ ser 15 an einer Position entsprechend einer Schwingungsschleife vorgesehen ist, so daß es ausreichend in Schwingung versetzt wird, um einen Schwingungsschneidevorgang auszuführen.

Das Ultraschallschwingelement 14 umfaßt einen Flansch 22A an einem Teil entsprechend einem Schwingungsknoten des Konus 22, wobei der Flansch 22A durch Montageteile 13A, 13B der Schneid­ gerätbasis 13 mittels eines Befestigungsbolzens 26 gehalten ist. Bei dem Schwingelement 14 werden überdies die Außenum­ fangsteile des Arms 23 entsprechend den Schwingungsknoten durch Halteringe 41A, 41B gehalten, wobei die Ringe 41A, 41B durch die Montageteile 13A, 13B der Schneidgerätbasis mittels Befesti­ gungsbolzen 42 gehalten werden. Demgemäß wird auf die Schwin­ gungseigenschaften des Ultraschallschwingelements 14 keine nachteilige Wirkung durch die Anbringung und das Halten des Schwingelements 14 an der Schneidgerätbasis 13 ausgeübt.

Im Schwingelement 14 sind an der Mittenachse des Schwingele­ ments 14 (Arm 23) ein Auslaufweg bzw. ein Durchlaß 43 für die Schneidflüssigkeit und ein Rohr 44 zum Einspritzen bzw. Inji­ zieren der Schneidflüssigkeit als Wärmeabführungsmittel vor­ gesehen, um zu verhindern, daß die Temperatur des Arms 23 im Schwingelement 14 ansteigt. Das heißt, der Auslaßdurchlaß 43 für die Schneidflüssigkeit ist an der Mittenachse des Schwin­ gers 21, des Konus 22 und des Arms 23 gebildet. Das Rohr zum Einspritzen der Schneidflüssigkeit wird vom einen Ende des Durchlasses 43 zum Auslassen bzw. Abführen der Schneidflüssig­ keit über einen Spalt aus eingesetzt und das andere Ende des Durchlasses 43 für das Abführen der Schneidflüssigkeit ist durch einen Stopfen 45 verschlossen. Demgemäß nimmt die von dem Rohr 44 zum Einspritzen der Schneidflüssigkeit aus einge­ spritzte Schneidflüssigkeit die im Fräsmesser 15 erzeugte Bearbeitungswärme auf und absorbiert diese und die Wärme, die im Schwinger 21, im Konus 22 und im Arm 23 erzeugt worden ist und von der Ultraschallschwingung herrührt, so daß diese von dem Loch 44A an der vorderen Endseite des Rohrs 44 zum Ein­ spritzen der Schneidflüssigkeit aus nach außen abgeführt wird, nachdem sie bei der Bearbeitung in den Durchlaß 43 zum Abführen der Schneidflüssigkeit eingeströmt ist und sich im Durchlaß 43 zum Abführen der Schneidflüssigkeit entlang des Einspritzrohrs 44 bewegt hat, um nach außen abgeführt zu werden.

Bei dem Ultraschallschwingelement 14, wie es in Fig. 6A und 6B gezeigt ist, ist somit das Wärmeabführmittel, das den Durchlaß 43 zum Abführen der Schneidflüssigkeit und das Rohr 44 zum Einspritzen der Schneidflüssigkeit umfaßt, an der Mittenachse im Inneren des Arms 23 vorgesehen, und daher können erzeugte Wärme, die von dem Bearbeitungsvorgang durch das am vorderen Endteil des Arms 23 vorgesehene Fräsmesser 15 herrührt, und die Wärme, die im Arm 23 herrührend von der Ultraschallschwingung erzeugt worden ist, durch das Wärmeabführmittel abgeführt werden, und somit kann ein Temperaturanstieg des Arms 23 vermieden werden. Da das Wärmeabführmittel an der Mittenachse des Arms 23 untergebracht ist und die Mittenachse ein orts­ fester Punkt (Schwingung Null) aufgrund der Torsionsschwingung ist, wird keine nachteilige Wirkung auf die Schwingungseigen­ schaften des Schwingelements 14 ausgeübt, so daß der Schwin­ gungsübertragungswirkungsgrad nicht verschlechtert wird. Daher kann ein Temperaturanstieg des Arms 23 vermieden werden, ohne eine nachteilige Wirkung auf die Schwingungseigenschaften des Schwingelements 14 auszuüben. Demgemäß kann eine Verlagerung des Fräsmesser 15 von der Schwingungsschleife aufgrund einer Verlagerung der Positionen des Knotens und der Schleife der Schwingung, die sich aus der Wärmedeformation des Schwingungs­ systems, das den Arm 23 umfaßt, oder eine Verlagerung der Position des am vorderen Endteil des Arms 23 vorgesehenen Fräsmessers 15 vermieden werden, die sich aus der Dehnung bzw. Streckung oder Kontraktion des Arms 23 durch Wärmedeformation des Arms 23 ergibt, so daß eine Erzeugung von unzureichend verarbeiteten Waren oder Produkten vermieden werden kann und somit die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert wird.

Es wird nun ein zweites abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Ultraschallschwingelements 14 anhand von Fig. 7A und 7B be­ schrieben.

Ein in Fig. 7A und 7B gezeigtes Ultraschallschwingelement 14 unterscheidet sich im wesentlichen von dem in Fig. 6A und 6B gezeigten Ultraschallschwingelement 14 darin, daß an der Mittenachse des Schwingelements 14 (Arm 23) ein Wärmeleiter 51 als Wärmeabführmittel vorgesehen ist, um einen Temperatur­ anstieg des Arms 23 oder dergleichen im Schwingelement 14 zu vermeiden. Der Wärmeleiter 51 ist über ein Wärmeübertragungs­ element 52 mit dem Flansch 22A des Konus 22 und mit dem Monta­ geteil 13A der Schneidgerätbasis 13 verbunden. Das heißt, der Wärmeleiter 51 ist in ein an der Mittenachse des Schwingers 21, des Konus 22 und des Arms 23 gebildetes Loch eingesetzt, wobei ein Ende des Wärmeleiters 51 mittels eines Befestigungsbolzens 53 am Arm 23 befestigt ist und das Wärmeübertragungselement 52 mit dem anderen Ende des Wärmeleiters 51 mittels eines Befesti­ gungsbolzens 54 verbunden ist. Der Wärmeleiter 51 kann Materia­ lien umfassen, die in der Form eines Stabes oder Rohrs geformt sind, die einen hohen Wärmeleitungswirkungsgrad haben, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer, Eisen oder dergleichen. Das Wärmeübertragungselement 52 kann eine Kupfermaschenanordnung oder eine Gitteranordnung oder dergleichen umfassen. Demgemäß können im Fräsmesser 15 erzeugte Bearbeitungswärme und im Schwinger 21, im Konus 22 und im Arm 23 erzeugte Wärme, die von der Ultraschallschwingung herrührt, durch den Wärmeleiter 51 und das Wärmeübertragungselement 52 zur Seite der Schneidgerät­ basis 13 abgeführt werden, so daß dieselben Wirkungen wie bei dem in Fig. 6A und 6B gezeigten Ultraschallschwingelement 14, beispielsweise das Vermeiden eines Temperaturanstiegs des Arms 23 oder dergleichen und eine hierauf beruhende Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit, erzielt werden können.

Es wird im folgenden anhand von Fig. 8 bis 13B ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Zunächst wird die Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung anhand von Fig. 8 erläutert.

Wie in Fig. 8 gezeigt ist, handelt es sich bei der Ultraschall- Schwingungsschneidevorrichtung 110 um eine Drehmaschine vom Analogtyp, bei der ein (nicht veranschaulichtes) Bett bzw. Untergestell eine Hauptachsenbasis 111 und einen Reitstock 112 sowie eine Schneidgerätbasis 113 vom Revolvertyp umfaßt, wobei ein Ultraschallschwingelement 114 (das durch einen später beschriebenen Torsionsschwinger 121 angetrieben wird) mit Torsionsschwingungsbetriebsart an einer bestimmten Position der Schneidgerätebasis 113 gehalten ist und ein Schneidmesser bzw. Meißel 115 abnehmbar am vorderen Endteil des Schwingelements 114 angebracht ist (siehe Fig. 9A). Mit dem Bezugszeichen 1 ist ein aus Metall, Harz, Kautschuk oder dergleichen hergestelltes Werkstück bezeichnet.

Bei der Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung 110 ist lediglich durch die Schwingung des Ultraschallschwingelements 114 ein Mittel zum Aufbringen einer Schneidbewegung zum Bewegen des Schneidmessers 115 zum Schneiden des Werkstücks 1 vor­ gesehen. Daher wird für die Ultraschall-Schwingungsschneidevor­ richtung 110 keine Hochgeschwindigkeitsdrehung des Werkstücks 1 mittels einer Hauptachse 111A für die Schneidbewegung benötigt, was bei einer herkömmlichen Drehmaschine erforderlich war.

Überdies umfaßt bei der Ultraschall-Schwingungsschneidevor­ richtung 110 das Zuführbewegungsmittel zum Bewegen des Schneid­ messers 115 zum neuen Schneidbereich des Werkstücks 1 ein (nicht veranschaulichtes) Antriebsteil 116 für die Rotations­ zuführung der Hauptachse 111A, ein X-Achsenzuführungsantriebs 117 (nicht veranschaulicht) der Schneidmesserbasis 113 und ein Z-Achsenzuführungsantriebsteil 118 (nicht veranschaulicht) der Schneidgerätbasis 113.

Daher kann durch die Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung 110 ein Schneidbearbeitungsvorgang durch Schneiden des Werk­ stücks 1 mittels der Schneidbewegung, die dadurch erzeugt wird, daß das Ultraschallschwingelement 114 in Schwingung versetzt wird, wobei das Schneidmesser 115 mit dem Werkstück 1 in Kontakt tritt, sowie mittels einer einfachen Zuführbewegung des Schneidmessers 115 durch die Zuführungsantriebsteile 116 bis 118 lediglich unter Berücksichtigung der relativen Positions­ beziehung in bezug auf das Werkstück 1 ausgeführt werden, um eine bestimmte Bearbeitungsgestalt für das Werkstück 1 vor­ zusehen. Durch eine Rotationszuführung mit niedriger Drehzahl des Werkstücks 1 durch eine Zuführungsbewegung der Hauptachse 111A mit niedriger Drehzahl und Zuführen und Bewegen des Schneidmessers 115 in den Richtungen der X-Achse und Z-Achse können verschiedene Arten von Bearbeitungsformen für das Werkstück 1 vorgesehen werden, beispielsweise ein Bearbeitungs­ gang für das Erzielen eines Polygons, beispielsweise eines Hexagons, und es kann auf einfache Weise eine verformte oder deformierte Nocke vorgesehen werden. Bei einem Hexagonalar­ beitsvorgang mit einer herkömmlichen Drehmaschine wird eine Vielfachspezifikation benötigt, die ein Antriebsteil in der Schneidgerätbasis 113 für eine Schneidbewegung in Richtung der Y-Achse umfaßt, um jede Fläche der Hexagonform nacheinand­ erfolgend gemäß der hin- und hergehenden Bewegung der Schneid­ gerätbasis 113 in der Richtung der Y-Achse zu schneiden, wobei das Werkstück 1 an jeder konstanten Drehwinkelposition angehal­ ten werden muß. Daher ist die Schneidflächenrauhigkeit im Vergleich zu der eines Werkstücks schlecht, das durch die Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung 110 gemäß der vorliegenden Erfindung geschnitten worden ist.

Im folgenden wird das Utraschallschwingelement 114 anhand von Fig. 9A und 9B beschrieben.

Wie in Fig. 9A und 9B gezeigt ist, ist bei dem oben erwähnten Ultraschallschwingelement 114 ein Arm 123 mit der Vorderseite eines Torsionsschwingers 121 über einen Schwingungsübertra­ gungskonus 122 verbunden, wobei das oben erwähnte Schneidmesser 115 lösbar am Schneidmesseranbringungsteil der vorderen End­ umfangsseite des Arms 123 mittels eines Bolzens 115A angebracht ist. Der Torsionsschwinger 121 und der Konus 122 sind mittels eines Befestigungsbolzens 124 verbunden, der an der Mittenachse vorgesehen ist und der Konus 122 und der Arm 123 sind mittels eines Befestigungsbolzens 125 verbunden, der an der Mittenachse vorgesehen ist. Das Ultraschallschwingelement 114 erzeugt eine Resonanzschwingung mit einer Amplitudenverteilung der Torsions­ schwingung wie in Fig. 9A gezeigt durch den Antrieb des Tor­ sionsschwingers 121, wobei das an einer Position entsprechend einer Schwingungsschleife vorgesehene Schneidmesser 115 vor­ gesehen ist, so daß es ausreichend in Schwingung versetzt wird, um einen Schwingungsschneidevorgang auszuführen.

Es wird nun auf den Torsionsschwinger 121 eingegangen.

Der oben erwähnte Torsionsschwinger 121 ist im wesentlichen gleich dem Torsionsschwinger 21 des ersten Ausführungsbei­ spiels. Er weist elektrostriktive Elemente 131, 132, ein vorderseitiges Element 133, ein rückseitiges Element 134, eine Elektrodenplatte 135 und Elektrodenplatten 136, 137 auf, wobei sämtliche Elemente mittels eines Befestigungsbolzens 138 verbunden sind. Ähnlich wie beim Torsionsschwinger 21 wird der Torsionsschwinger 121 ebenfalls mit einer Rückkopplungsbe­ triebsart beaufschlagt, indem die Durchmesser des vorderseiti­ gen Elements 133 und des rückseitigen Elements 134 in der Richtung fort von den elektrostriktiven Elementen 131, 132 verringert werden.

Es wird nun die Schneidgerätbasis 113 anhand von Fig. 10A bis 13B beschrieben.

Wie in Fig. 10A bis 11B gezeigt ist, umfaßt die oben erwähnte Schneidgerätbasis 113 eine Basis 141 und eine Schwenkbasis 142, wobei die Basis 141 am Hauptkörper 113A der Schneidgerätbasis befestigt ist und die Schwenkbasis 142 drehbar mittels der Basis 141 zum Halten des Ultraschallschwingelements 114 gehal­ tert ist.

Wie in Fig. 12A und 12B gezeigt ist, umfaßt die Basis 141 eine Bodenplatte 144, die am Hauptkörper 113A der Schneidgerätbasis mittels eines Bolzens 143 befestigt ist, wobei eine Hubplatte 145 auf dem Außenumfangsteil der Bodenplatte 144 verschraubt ist und eine Aufnahmeplatte 147 vorgesehen ist, so daß sie an einem Führungsstift 146 befestigt ist, der verschiebbar in die Bodenplatte 144 eingedrückt ist, und an der Oberseite der Hubplatte 145 angebracht ist. Die Aufnahmeplatte 147 zum Hal­ tern der Schwenkbasis 142 bewegt sich mit der Hubplatte 144 aufwärts oder abwärts, die durch die Drehbetätigung in bezug auf die Bodenplatte 144 angehoben oder abgesenkt wird, um eine Verstellung der Einstellhöhe der Schwenkbasis 142 und der Ein­ stellhöhe des Schwingungselements 114 und des Schneidmessers 115 zu ermöglichen. Die Aufnahmeplatte 147 umfaßt einen Stift 148 zur Regulierung des Schwenkwinkels für die Schwenkbasis 142. Überdies ist in der Basis 141 eine Spindel 149 aufrecht mittels eines Bolzens 149A am Mittenteil der Bodenplatte 144 befestigt, wobei die Spindel 149 in einen Befestigungsknopf 150 eingeschraubt ist und ein Druck- bzw. Axiallager 150A auf der Unterseite des Knopfes 150 vorgesehen ist. Das heißt, die Basis 141 haltert die Schwenkbasis 142 drehbar um die Spindel 149 zwischen der Aufnahmeplatte 147 und dem Axiallager 150A des Befestigungsknopfes 150.

Wie in Fig. 13 gezeigt ist, besteht die Schwenkbasis 142 aus einer Anordnung von Halteelementen 151 und 152. Das Halte­ element 151 ist durch die Basis 14 drehbar gehaltert und sie haltert ein übliches Schneidmesser (Drehmeißel) 2. Das Halte­ element 152 haltert das Ultraschallschwingelement 114 in bezug auf das Halteelement 151. Das Halteelement 151 umfaßt einen Lochteil 153 zur Befestigung mit der Spindel 149 der Basis 141, wobei deren obere und untere Seiten zwischen der Aufnahmeplatte 147 und dem Axiallager 150A des Knopfes 150 um die Spindel 149 gehalten sind. Es umfaßt eine Nut bzw. Ausnehmung 154 zur Regulierung des Schwenkwinkels, die für einen Eingriff mit dem Schwenkwinkeleinstellstift 148 auf der Seite der Aufnahmeplatte 147 an der Unterseite vorgesehen ist.

Wie in den folgenden Abschnitten (A) und (B) erwähnt ist, halten die Halteelemente 151 und 152 der Schwenkbasis 142 Teile, die die Schwingungsknoten sein sollen, an zwei in der axialen Richtung des Ultraschallschwingelements 114 beabstande­ ten Positionen, wobei sie dort entlang der Umfangsrichtung des Schwingelements 114 linear in Kontakt stehen, wobei der Halte­ zustand des Schwingelements 114 durch Drehung in der Umfangs­ richtung des Schwingelements 114 geändert werden kann (siehe Fig. 11A und 11B).

• A) Das Ultraschallschwingelement 114 umfaßt den Flansch 122A an dem Teil, der ein Knoten der Schwingung des Konus 122 sein soll, wobei der Flansch 122A durch die Haltelemente 151 und 152 von oben und unten aus gehalten wird und mittels des Bolzens 155 befestigt ist. Die Halteelemente 151 und 152 sind so ausgebildet, daß der Flansch 122A in der in ihrem Innenumfang vorgesehenen Ausnehmung bzw. Rille in Eingriff steht derart, daß der Flansch 122A durch linearen Kontakt entlang der Um­ fangsrichtung des Schwingelements 114 an der Rillenfläche gehalten ist.
• B) Bei dem Ultraschallschwinger 114 wird der einem Schwin­ gungsknoten des Arms 123 entsprechende Außenumfangsteil durch obere und untere Halbringe 156A, 156B gehalten, so daß der Arm 123 durch lineare Kontaktbildung entlang der Umfangsrichtung des Schwingelements 114 mittels in der Umfangsrichtung des Innenumfangs vorgesehener vorspringender Teile 157 gehalten wird. Der Halbring 156A ist mittels eines Bolzens 158A mit dem Halteelement 151 befestigt. Der Halbring 156B wird mittels eines Bolzens 158B gehaltert, der im Halteelement 152 mittels eines Langlochs in der vertikalen Richtung vorgesehen ist. Das Schwingelement 114 wird mittels der beiden Halbringe 156A, 156B durch Druckbeaufschlagung der Oberseite des Halbrings 156B zur Seite des Halbrings 146A mittels eines Bolzens 159 gehalten, der im Halteelement 152 verschraubt ist.

Gemäß den oben erwähnten Konfigurationen (A) und (B) wird durch die Anbringung und das Halten des Ultraschallschwingelements 114 an der Schneidgerätbasis 113 keine nachteilige Auswirkung in bezug auf die Schwingungseigenschaften des Schwingelements 114 herbeigeführt.

Überdies ermöglichen die Halteelemente 151, 152 der Schwenkba­ sis 142 die Änderung des Haltezustands des Ultraschallschwing­ elements 114 durch Drehung des Schwingelements 114 in der Umfangsrichtung, indem der Bolzen 155 bei der oben erwähnten Konfiguration (A) gelöst wird und indem der Bolzen 159 in der oben erwähnten Konfiguration (B) gelöst wird, so daß die Positionseinstellung des Schneidmessers 115 in bezug auf das Werkstück 1 (beispielsweise die Einstellung des Spanwinkels der Schneidkante des Schneidmessers 115) geändert werden kann.

Das Halteelement 151 der Schwenkbasis 142 umfaßt ein Drehmei­ ßelmontageteil 161 für den herkömmlichen Drehmeißel 2, so daß dieser von einem Bolzen 162 in dem Zustand mittels eines Abstandsstücks 162 am Meißelmontageteil 161 gehalten ist.

Demgemäß werden das Schneidmesser 115 des Ultraschallschwing­ elements 114 und das herkömmliche Schneidmesser bzw. der Drehmeißel 2 in der Schneidgerätbasis 113 mittels der Schwenk­ basis 142 gehalten derart, daß die Schwenkbasis 142 in einem Drehwinkel von 90 Grad gedreht werden kann, der durch die Regulierrille 154 für den Schwenkwinkel reguliert werden kann, indem der Knopf 150 gelöst wird, um eine schaltbare Einstellung des Schneidmessers 115 oder des herkömmlichen Drehmeißels 2 bei der Schneidbetätigungsposition in bezug auf das Werkstück 1 zu ermöglichen. Gemäß dem Anheben oder Absenken der Aufnahmeplatte 147 durch Drehbetätigung der Hubplatte 145 in der Basis 141 kann überdies eine zustandsfreie (non-state) Änderung der Schneidkantenhöhe des Schneidmessers 115 und des herkömmlichen Drehmeißels 2 erzielt werden.

Daher können gemäß diesem Ausführungsbeispiel die folgenden Wirkungen erzielt werden.

Es werden nun die Wirkungen der Ultraschall-Schwingungsschnei­ devorrichtung 110 beschrieben.

• 1. Die Schneidebewegung mittels des Schneidmessers 115 wird lediglich durch die Schwingung des Schwingelements 114 erzeugt. Daher hängt die Schneidebewegung des Schneidmessers 115 nicht notwendigerweise von der Drehbewegung oder linearen Bewegung (Schnittgeschwindigkeit v) des Werkstücks 1 (oder des Schneid­ messers 115) ab und somit kann die Schneidevorrichtung ein­ facher und kleiner ausgeführt werden.
• 2. Da eine Ausführung der Drehbewegung oder der linearen Bewegung (Schnittgeschwindigkeit v) des Werkstücks 1 (oder des Schneidmessers 115) nicht für die Schneidebewegung des Schneid­ messers 115 erforderlich ist, ist eine einfache Zuführbewegung des Schneidmessers 115 lediglich unter Berücksichtigung der relativen Positionsbeziehung in bezug auf das Werkstück 1 ausreichend, um dem Werkstück 1 eine konstante Bearbeitungs­ gestalt zu geben, und somit kann eine komplizierte Bearbei­ tungsgestalt einfach bewerkstelligt werden.
• 3. Da die Schneidebewegung des Schneidmessers 115 durch die Ultraschallschwingung erzeugt wird, kann der Schneidewiderstand aufgrund der Funktion bzw. Wirkungsweise signifikant herabge­ setzt werden, daß der Spanableitwiderstand durch Trennung des Schneidmessers 115 vom Werkstück 1 infolge der Trägheitsschnei­ defunktion durch die positive Beschleunigung der zwischen dem Schneidmesser 115 und dem Werkstück 1 erzeugten Schwingung und die sich anschließende Verlangsamung der Schwingung signifikant herabgesetzt wird. Gemäß der signifikanten Herabsetzung des Schneidewiderstands können ein sehr klein, d. h. mit geringen Dimensionen, ablaufender Arbeitsgang, der die Bearbeitung eines Werkstücks 1 mit dünnem Durchmesser ohne Deformation ermög­ licht, ein komplizierter Arbeitsgang, der eine Bearbeitung gemäß der Zuführung des Schneidmessers 115 selbst in dem Fall ermöglicht, in dem die Schneidevorrichtung eine geringe Stei­ figkeit hat, ein Bearbeitungsvorgang mit schwierig zu schnei­ dendem Material mit hoher Viskosität oder Härte, ein Bearbei­ tungsvorgang mit verzögertem Temperaturanstieg des Werkstücks 1 und ein Bearbeitungsvorgang ohne das Erfordernis einer Schnei­ deflüssigkeit oder dergleichen bewerkstelligt werden.
• 4. Da der Schwinger 121 eine Torsionsschwingung erzeugt, kann der Wirkungsgrad der Schwingungsübertragung des Schwingungs­ systems vom Schwinger 121 des Schwingelements 114 zum Schneid­ messer 115 verbessert werden und somit kann dem Schneidewerk­ zeug 115 eine hohe Schwingungsenergie bei verbessertem Wir­ kungsgrad des Schnittvorgangs zur Verfügung gestellt werden. Das heißt, bei dem Schwingelement 114 mit Torsionsschwingung ist die Schwingung am Schwingungsknoten an der Oberfläche Null und somit kann durch Haltern der Fläche des Schwingungsknoten die Schwingung mit hohem Wirkungsgrad zum Schneidmesser 115 übertragen werden, ohne daß ein nachteiliger Effekt auf die Übertragung der Schwingung ausgeübt wird.

Es werden nun die Wirkungen der Schneidewerkzeugbasis 113 beschrieben.

• 1. Da ein Teil des Schwingungsknotens des Schwingelements 114 mit Torsionsschwingung gehalten ist, kann eine große Schwin­ gungsenergie dem Schneidmesser 115 bei verbessertem Schwin­ gungsübertragungswirkungsgrad zur Verfügung gestellt werden, ohne daß eine nachteilige Auswirkung auf die Schwingungseigen­ schaften des Schwingungssystems vom Schwinger 121 des Schwing­ elements 114 auf das Schneidmesser 115 herbeigeführt wird und somit kann der Wirkungsgrad des Schneidvorgangs verbessert werden. Das heißt, bei dem Schwingelement 114 mit Torsions­ schwingung ist die Schwingung am Schwingungsknoten an dessen Oberfläche Null und somit kann durch Haltern der Fläche des Schwingungsknotens die Schwingung mit hohem Wirkungsgrad auf das Schneidmesser 115 übertragen werden, ohne daß eine nachtei­ lige Wirkung auf die Übertragung der Schwingung ausgeübt wird. Überdies kann eine Abnahme der Haltekraft, Wärmeerzeugung oder dergleichen, die sich aus der Schwingung ergibt, nicht am Halteteil des Schwingelements 114 erzeugt werden und so kann eine zweckmäßige Schneidbearbeitbarkeit sichergestellt werden.
• 2. Da das Schwingelement 114 durch einen linearen Kontakt entlang der Umfangsrichtung gehalten wird, kann das Schwing­ element 114 fest gehalten werden, ohne daß seine Oberfläche einen Sprung oder Rißbildung erfährt.
• 3. Da der Haltezustand des Schwingelements 114 durch Drehung des Schwingelements 114 in der Umfangsrichtung mittels der Halteelemente 151, 152 (Halbringe 156A, 156B) geändert werden kann, kann eine Positionseinstellung des Schneidmessers 115 leicht in bezug auf das Werkstück geändert werden und somit kann die Schneidbearbeitkeit verbessert werden.

Im folgenden wird ein drittes Ausführungsbeispiel unter Be­ zugnahme auf Fig. 14 bis 17B beschrieben.

Wie in Fig. 14 bis 16 gezeigt ist, hält eine Schneidwerkzeug­ basis 170 einer Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung (nicht veranschaulicht) ein Ultraschallschwingelement 171 mit Torsionsschwingungsbetriebsart (das durch einen später be­ schriebenen Torsionsschwinger 181 angetrieben wird), wobei ein Schneidmesser 172 abnehmbar am vorderen Endteil des Schwing­ elements 171 angebracht ist.

Wie in Fig. 14 gezeigt ist, ist im Ultraschallschwingelement 171 ein Arm 183 mit der Vorderseite eines Torsionsschwingers 181 über einen Schwingungsübertragungskonus 182 verbunden, wobei das oben erwähnte Schneidmesser 172 abnehmbar am Schneid­ gerätmontageteil der vorderen Außenumfangsendseite des Arms 183 angebracht ist. Das Schwingelement 171 erzeugt eine Resonanz­ schwingung mit einer Amplitudenverteilung der Torsionsschwin­ gung wie in Fig. 14 gezeigt durch den Antrieb des Schwingers 181, wobei das Schneidmesser 172 an einer Position entsprechend einer Schleife der Schwingung vorgesehen ist, so daß es signi­ fikant in Schwingung versetzt wird, um einen Schwingungsschnei­ devorgang auszuführen.

Wie bei dem Torsionsschwinger 181 kann im wesentlichen dasselbe wie bei dem oben erwähnten Torsionsschwinger 121 übernommen werden.

Die Schneidgerätbasis 170 hält das Ultraschallschwingelement 171 mittels eines Paars von Halteelementen 193, 193 an einer Montagehalterungs- bzw. Koordinatenvorrichtung 192, die mittels eines Montagebolzens 191 befestigt ist. Das heißt, eines der Halteelemente 193 sitzt an einem Montageteil 192A der Montage­ halterungs- bzw. Koordinatenvorrichtung 192, und das andere Halteelement 193 ist auf der Rückseite mittels eines Befesti­ gungsbolzens 190 gehaltert, der in einen Montageteil 192B der Montagevorrichtung 192 geschraubt ist. Demzufolge wird das Schwingelement 171 zwischen dem Paar der Halteelemente 193, 193 gehalten.

Wie in den folgenden Abschnitten (A) und (B) festgestellt wird, hält das Paar der Halteelemente 193, 193 Teile, die sich bei Schwingungsknoten an zwei Positionen mit Abstand in der axialen Richtung des Schwingelements 171 befinden, wobei sie mit diesem in linearer Richtung entlang der Umfangsrichtung des Schwing­ elements 171 in Kontakt stehen, wobei der Haltezustand des Schwingelements 171 durch Drehen des Schwingelements 171 in der Umfangsrichtung geändert werden kann (Fig. 17A und 17B). Des weiteren ermöglicht es das Paar der Halteelemente 193, 193, daß sich die Halteposition des Schwingelements 171 auch in bezug auf die axiale Richtung des Schwingelements 171 ändert.

• A) Wie in Fig. 15 gezeigt ist, wird bei dem Ultraschall­ schwingelement 171 der Außenumfangsteil entsprechend einem Schwingungsknoten des Arms 183 durch vorspringende Teile 193A, 193A gehalten, die jeweils das Paar der Halteelemente 193, 193 in der Umfangsrichtung mit bogenförmiger Form (oder Halbum­ fangsform) umfassen, so daß der Arm 183 durch linearen Kontakt entlang der Umfangsrichtung des Schwingelements 171 mittels der vorstehenden Teile 193A, 193A gehalten wird.
• B) Bei dem Ultraschallschwingelement 171 ist ein C-förmiger Ring 194, der in Fig. 17A und 17B gezeigt ist, am Außenumfangs­ teil an einer Position entsprechend einem Schwingungsknoten des Konus 182 angebracht, wie in Fig. 16 gezeigt ist. An zwei Positionen in der Durchmesserrichtung senkrecht zum Schlitz der C-Form des Rings 194 sind flache Außenumfangsflächenteile 195A, 195B an der Rückseite mittels des Paars der Halteelemente 193, 193 gehaltert, so daß der Konus 182 durch linearen Kontakt entlang der Umfangsrichtung des Konus 182 durch die vorsprin­ genden Teile 196A, 196B gehalten wird, die wie ein Bogen (oder Halbumfang) in der Umfangsrichtung entsprechend den Teilen 195A, 195B mit flacher Außenfläche am Innenumfangsteil des Rings 194 vorgesehen sind. Das Bezugszeichen 197 bezeichnet ein Eingriffsloch für die C-förmige, sich aufweitende Spannvor­ richtung.

Gemäß den oben erwähnten Konfigurationen (A) und (B) wird keine nachteilige Wirkung auf die Schwingungseigenschaften des Schwingelements 171 durch Anbringung und Halten des Ultra­ schallschwingelements 171 an der Schneidgerätbasis 170 herbei­ geführt.

Überdies ermöglicht es das Paar der Halteelemente 193, 193, daß sich der Haltezustand des Ultraschallschwingelements 171 durch Drehen in der Umfangsrichtung des Schwingelements 171 ändert, indem der Haltezustand des Arms 183 durch die vorstehenden Teile 193A, 193A gelöst wird und der Haltezustand des Konus 182 durch die vorspringenden Teile 196A, 196A gelöst wird, indem der Befestigungsbolzen 190 gelöst wird, so daß die Positions­ einstellung des Schneidmessers 172 in bezug auf das Werkstück 1 geändert werden kann. Beispielsweise kann die Einstellung des Spanwinkels α durch Drehen der Position der Schneidkante des Schneidmessers 172 mit dem Schlitz der C-Form des C-förmigen Rings 194 als Referenzposition geändert werden, (Fig. 17A und 17B).

Des weiteren ermöglicht es ähnlich wie oben das Paar der Halteelemente 193, 193 auch, daß sich der Haltezustand des Schwingelements 171 in bezug auf die axiale Richtung des Schwingelements 171 ändert, indem der Haltezustand des Arms 183 und des Konus 182 durch Lösen des Befestigungsbolzens 190 gelöst wird, so daß man mit einer Änderung der Resonanzfrequenz (Änderung der Position eines Knotens) des Schwingelements 171 umgehen kann, die durch Austausch oder Ersatz des Schneidmes­ sers 172 oder Austausch oder Ersatz des Arms 183 bewirkt wird, um das Amplitudendehnungsverhältnis des Arms 183 zu ändern.

Daher wird die Schneidgerätbasis 170 verwendet, wobei die vorstehenden Teile 193A, 193B des Paars der Halteelemente 193, 193 und die vorstehenden Teile 196A, 196B des C-förmigen Rings 194 entsprechend einem Teil eines Knotens der Schwingung des Konus 172 vorgesehen sind und der Arm 183 des Ultraschall­ schwingelements 171 hier verwendet wird, so daß das Schwing­ element 171 durch die Halteelemente 193, 193 gehalten wird und die Halteelemente 193, 193 in dem Zustand an den Montageteilen 192A, 192B der Montageeinspannvorrichtung 192 angebracht sind, so daß sie mittels des Bolzens 190 befestigt sind.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel können die folgenden Effekte erzielt werden.

Als erstes wird auf die Schneidgerätbasis 170 eingegangen.

• 1. Da ein Teil eines Knotens der Schwingung des Schwingele­ ments 171 mit Torsionsschwingung gehalten wird, kann eine große Schwingungsenergie für das Schneidmesser 172 bei verbessertem Schwingungsübertragungswirkungsgrad zur Verfügung gestellt werden, ohne daß eine nachteilige Wirkung auf die Schwingungs­ eigenschaften des Schwingungssystems ausgehend vom Schwinger 181 des Schwingelements 171 zum Schneidmesser 172 herbeigeführt wird, und somit kann der Wirkungsgrad des Schneidvorgangs verbessert werden. Das heißt, bei dem Schwingelement 171 mit Torsionsschwingung ist die Schwingung an einem Schwingungs­ knoten, der auf der Außenfläche liegen soll, Null und somit kann durch Haltern an der Fläche des Schwingungsknotens die Schwingung zum Schneidmesser 172 mit hohem Wirkungsgrad über­ tragen werden, ohne daß eine nachteilige Auswirkung auf die Übertragung der Schwingung ausgeübt wird. Überdies kann eine Verringerung der Haltekraft, Wärmeerzeugung oder dergleichen, die von der Schwingung herrührt, nicht am Halteteil des Schwingelements 171 erzeugt werden, und somit kann eine ge­ eignete Schneidbearbeitbarkeit sichergestellt werden.
• 2. Da das Schwingelement 171 durch linearen Kontakt entlang der Umfangsrichtung gehalten wird, kann das Schwingelement 171 fest ohne Rißbildung oder Sprünge von dessen Außenfläche gehalten werden.
• 3. Da der Haltezustand des Schwingelements 171 durch Drehung des Schwingelements 171 in der Umfangsrichtung mittels der Halteelemente 193, 193 (C-förmiger Ring 194) geändert werden, kann die Positionseinstellung des Schneidmessers 172 leicht in bezug auf das Werkstück geändert werden und somit kann die Schneidbearbeitbarkeit verbessert werden.
• 4. Da der Haltezustand des Schwingelements 171 in der axialen Richtung des Halteelements 171 durch die Halteelemente 193, 193 und den C-förmigen Ring 194 geändert werden, können die Halte­ elemente 193, 193 (C-förmiger Ring) in dem Fall, daß sich die Knoten der Schwingung des Schwingelements 171 aufgrund einer Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingelements 171, die von einem Austausch oder Ersatz des Schneidmessers 172 herrührt, oder einer Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingelements 171, die von einem Ersatz oder Austausch des Arms 183 zur Änderung des Amplitudendehnungsverhältnisses des Arms 183 bewirkt wird, oder dergleichen, ändern, die Haltepositionen in bezug auf das Schwingelement 171 zu den neuen Knotenteilen bewegen, so daß das Schwingelement 171 wieder stabil und sicher gehalten und somit eine zweckmäßige Schneidbearbeitbarkeit wieder sichergestellt werden kann.

Wie zuvor erläutert wurde, sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im einzelnen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben worden. Jedoch sind die speziellen Konfigurationen und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es sind diejenigen mit einer Abwandlung der Konstruktion im Bereich der vorliegenden Erfindung auch mitenthalten. Beispielsweise kann gemäß einer Ultraschallschwingungsvorrichtung gemäß der vor­ liegenden Erfindung eine dreidimensionale Bearbeitungsein­ richtung mit einfacher Konfiguration dadurch vorgesehen werden, daß sie ein Ultraschallschwingelement am vorderen Ende eines Auslegerarms eines Roboters vom Skalartyp aufweist, wobei der Auslegerarm (oder ein Werkstück) mit einer Zuführbewegung in Richtung der X-Achse, Y-Achse, Z-Achse oder θ-Achse vorgesehen ist.

Überdies ist die Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf eine solche be­ schränkt, bei der ein Schwinger von der Torsionsschwingungs­ betriebsart verwendet wird, sondern es kann auch ein solcher Schwinger mit Biegeschwingungsbetriebsart verwendet werden.

Wie zuvor erwähnt wurde, kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung mit einfacher und kleiner Konfiguration zur Verfügung gestellt werden, die in der Lage ist, einfach mit einer komplizierten Bearbeitungs­ gestalt umzugehen.

Zusammengefaßt: Die vorliegende Erfindung liefert eine Ul­ traschall-Schwingungsschneidevorrichtung, umfassend ein Mittel zum Aufbringen einer Schneidebewegung zur Bewegung eines Schneidmessers zum Schneiden eines Werkstücks lediglich durch die Schwingung eines Schwingelements und ein Zuführbewegungs­ mittel zum Bewegen des Schneidmessers in einen neuen Schneide­ bereich des Werkstücks.

Obwohl die Erfindung in bezug auf mehrere exemplarische Aus­ führungsbeispiele veranschaulicht und beschrieben worden ist, ist es für Fachleute selbstverständlich, daß das Obenstehende und zahlreiche weitere Änderungen, Fortlassungen oder Zusätze an den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden können, ohne deren Bereich zu verlassen. Daher sollte die vorliegende Erfindung nicht so verstanden werden, daß sie auf spezielle oben dargelegte Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern vielmehr derart, daß sie sämtliche möglichen Ausführungsbeispiele, die in einem darin enthaltenen Umfang verkörpert sein können, sowie deren Äquivalente in bezug auf die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale umfaßt.

Claims (6)

1. Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung (10), umfassend ein Schneidmesser (15, 115) in einem von einem Schwinger (21, 121) angetriebenen Schwingelement (14, 114), umfassend
ein Mittel zum Aufbringen einer Schneidebewegung, um das Schneidmesser (15, 115) zum Schneiden eines Werkstücks (1) lediglich durch die Schwingung des Schwingelements (14, 114) zu schneiden, und
Zuführbewegungsmittel, die zum Bewegen des Schneidmessers (15, 115) in einen neuen Schneidebereich des Werkstücks vorgesehen sind.

2. Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger ein Torsionsschwinger (21, 121) ist.

3. Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schneidgerätbasis (13, 113) zum Halten des Schwingelements (14, 114) vorgesehen ist, wobei die Schneidgerätbasis (13, 113) Teile hält, die als Knoten der Schwingung an wenigstens zwei auseinanderliegenden Positionen in der axialen Richtung des Schwingelements (14, 114) vorgesehen sind, wobei sie dort entlang der Umfangsrichtung des Schwingelements in linearem Kontakt stehen.

4. Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidgerätbasis (13) ein Halteelement (28) zum Halten des Schwingelements (14) umfaßt und das Halteelement eine Änderung des Haltezustands des Schwingelements durch Drehen in der Umfangsrichtung des Schwingelements ermöglicht.

5. Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement (28) eine Änderung der Halteposition des Schwingelements (14) in der axialen Richtung des Schwingelements ermöglicht.

6. Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (21) ein vorderseitiges Element (33) und ein rückseitiges Element (34) umfaßt, die auf beiden Seiten von elektrostriktiven Elementen (31, 32) mit Torsionsschwingungsbetriebsart verbunden sind, wobei eine Rückkopplungsbetriebsart auf wenigstens eines von dem vorderseitigem Element und dem rückseitigem Element aufgeprägt wird, indem der Durchmesser in einer Richtung fort von den elektrostriktiven Elementen verringert wird.