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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeughalteeinrichtung, eine
Werkzeugmaschine mit einer Werkzeughaltevorrichtung sowie ein Bohrverfahren,
insbesondere zum Tieflochbohren.
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Das
Bohren eines Loches in ein Werkstück gehört zu den spanenden Bearbeitungsverfahren
mit geometrisch bestimmten Schneiden. Bei einem spanenden Verfahren
werden vom Werkstück
durch das Werkzeug Späne
auf mechanischem Wege abgetrennt, um eine bestimmte Werkstückform zu
erreichen. Unter Bohren versteht man das Spanen mit ein- oder mehrschneidigem
Werkzeug, wobei der Drehbewegung des Bohrwerkzeuges um eine Drehachse
eine Vorschubbewegung entlang der Drehachse überlagert wird, und sich so
das Bohrwerkzeug in das Werkstück
schneidet und eine Bohrung schafft bzw. eine bereits vorhandene
Bohrung bearbeitet.
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Ein
Problem des Bohrens besteht darin, die erzeugten Späne aus dem
Bohrloch abzutransportieren. Dieses Problem gewinnt an Bedeutung
mit der Länge
des Bohrlochs. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Span kurzbrüchig ist.
Bei schwer spanbaren Werkstoffen läßt sich ein kurzbrüchiger Span
jedoch nicht in einfacher Weise erreichen. Weiterhin kann die Spanabfuhr
durch die Verwendung eines Kühlmittels
oder eine Schmierung verbessert werden.
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Durch
die ständig
im Eingriff stehende Werkzeugschneide beim Bohren können bei
duktilen Werkstoffen sehr lange Fließspäne entstehen. Diese lassen
sich nur schwer vom Werkzeug entfernen und setzen es unter ungünstigen
Bedingungen sogar zu. Die Probleme der Spanentfernung nehmen dabei
mit zunehmender Bohrlochtiefe zu. Weiterhin stellt die Bearbeitung;
insbesondere von schwer spanbaren Materialien, die immer mehr an
Bedeutung gewinnen, den Fertigungstechniker vor große Zerspanungsprobleme.
Die geforderte Qualität
und notwendige Produktivität
können
durch auftretende erhöhte Zerspankräfte; verbunden
mit erhöhtem
Werkzeugverschleiß bis
hin zum Werkzeugbruch, aber auch ungünstigen Spanbildungsmechanismen
meist nicht realisiert werden.
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Bei
besonders tiefen Bohrungen ist es zum Teil notwendig, diese in mehreren
Stufen auszuführen,
d.h. den Bohrvorgang zu unterbrechen, den Bohrer aus dem Bohrloch
zurückzuziehen,
um das Bohrloch von Spänen
zu reinigen und nachfolgend den Bohrer wieder einzuführen, um
den Bohrvorgang fortzusetzen. Eine derartige stufenweise Bohrung
erhöht
die Bearbeitungszeit jedoch erheblich, so daß eine entsprechende Bohrung
hohe Kosten verursacht.
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Weiterhin
sind im Stand der Technik Bearbeitungsverfahren bekannt, bei denen
Ultraschallschwingungen der Drehbewegung des Werkzeugs überlagert
werden, so daß die
Ultraschallschwingung als Schnittbewegung dient. Bei diesen Verfahren werden
partikelbestückte
Stiftwerkzeuge verwendet, die eine geometrisch unbestimmte Schneide
bilden. Diese Werkzeuge benötigen
in der Regel speziell angepasste Maschinentechnik und erlauben aufgrund des
geringen Materialabtrags gegenüber
dem Spanen mit einer geometrisch bestimmten Schneide nur eine geringe
Produktivität.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Werkzeughalteeinrichtung,
eine Werkzeugmaschine mit einer Werkzeughaltevorrichtung sowie ein
Bohrverfahren, insbesondere zum Tieflochbohren zu schaffen die auf
einfache und kostengünstige
Weise einsetzbar sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Werkzeughalteeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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Weiterhin
wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Werkzeugmaschine mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 16.
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Weiterhin
wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Bohrverfahren
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17. Bevorzugte Weiterbildungen
sind in den Unteransprüchen
dargelegt.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben und erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Werkzeughalteeinrichtung,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Werkzeughalteeinrichtung.
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1 zeigt
ein erstes Ausführugsbeispiel der
Werkzeughalteeinrichtung. Diese Werkzeughalteeinrichtung weist einen
Spindelbefestigungsabschnitt 9 auf, der in üblicher
Weise zur Befestigung an einem Spindelantrieb eines Bearbeitungszentrums (nicht
gezeigt) ausgebildet ist. Dieser Spindelbefestigungsabschnitt 9 ist
im wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich der Drehachse X ausgebildet. Dieser
Spindelbefestigungsabschnitt 9 ist an einem Gehäuseabschnitt 8 befestigt
bzw. ausgebildet. Der Gehäuseabschnitt 8 des
Ausführungsbeispiels
ist im wesentlichen zylinderförmig
ausgebildet und symmetrisch bezüglich
der Drehachse X angeordnet. In diesem Gehäuseabschnitt 8 ist
ein Ultraschallschwingungsgenerator 3 sowie ein Teil einer
Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 aufgenommen, wie dies nachfolgend
noch im Detail erläutert
wird. Der Gehäuseabschnitt 8 wird
durch einen Deckel 7 verschlossen, wie dies in 1 gezeigt
ist. Der Spindelbefestigungsabschnitt 9, der Gehäuseabschnitt 8 sowie
der als Deckel ausgebildete Lagerabschnitt 7 bilden im
einen Träger 2,
an dem die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 gelagert ist.
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Die
Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 umfaßt einen Werkzeugaufnahmeabschnitt 4,
einen Widerlagerabschnitt 5 und einen Verbindungsabschnitt 6,
der den Widerlagerabschnitt 5 mit dem Werkzeugaufnahmeabschnitt 4 verbindet.
Der Werkzeugaufnahmeabschnitt 4 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
ist ebenfalls symmetrisch zu der Drehachse X ausgebildet und weist
einen Basisabschnitt und einen Vorsprungsabschnitt auf, wie dies
in 1 gezeigt ist. Die beiden Abschnitte des Werkzeugaufnahmeabschnitts 4 sind
jeweils im zylindrisch ausgebildet, wobei der Vorsprungsabschnitt
eine Öffnung
koaxial zu der Drehachse X aufweist, in der ein Bohrwerkzeug a eingesetzt
werden kann. Der Basisabschnitt des Werkzeughalteabschnitts 4 ist
an dem Lagerdeckel 7 gelagert.
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Der
Verbindungsabschnitt 6 erstreckt sich in eine Öffnung des
Werkzeughalteabschnitts 4, wobei dieser Verbindungsabschnitt 6 ebenfalls
im wesentlichen zylindrisch und koaxial zu der Drehachse X ausgebildet
ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel
ist der Widerlagerabschnitt 5 scheibenförmig und integral mit dem Verbindungsabschnitt 6 ausgebildet
und ebenfalls symmetrisch zu der Drehachse X. Dieser Widerlagerabschnitt 5 erstreckt
sich in radialer Richtung bezüglich
der Drehachse X, wobei zwischen dem Widerlagerabschnitt 5 und
dem Lagerdeckel 7 der Ultraschallschwingungsgenerator 3 angeordnet ist.
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Der
in 1 gezeigte Ultraschallschwingungsgenerator 3 ist
ebenfalls zylinderförmig
ausgebildet und koaxial zu der Drehachse X angeordnet, wobei sich
der Verbindungsabschnitt 6 durch eine zentrale Öffnung des
Ultraschallschwingungsgenerators 3 erstreckt. Der Ultraschallschwingungsgenerator 3 wird,
wie in 1 gezeigt, durch den Widerlagerabschnitt 5 an
dem Lagerdeckel 7 festgehalten.
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Die
Werkzeughalteeinrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach 1 ist mit einer Kühlmitteleinrichtung versehen,
die einen Kühlmittelkanal 10 umfaßt, der
koaxial zu der Drehachse X angeordnet ist. Dieser Kühlmittelkanal 10 wird
zumindest teilweise durch eine Hülse
bestimmt, die sich durch den Spindelaufnahmeabschnitt 9,
den Widerlagerabschnitt 5 in den Verbindungsabschnitt 6 erstreckt,
so daß unter
Druck stehendes Kühlmittel
zu dem Teil des Kühlmittelkanals
zugeführt
werden kann, der direkt in dem Verbindungsabschnitt 6 ausgebildet
ist und sich in Richtung zu dem Bohrwerkzeug a erstreckt. Ausgehend
von dem Kühlmittelkanal 10 wird das
Kühlmittel
in bekannter Weise (nicht im Detail dargestellt) zu dem Bohrwerkzeug
a und der Bearbeitungsstelle zugeführt.
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Der
Ultraschallschwingungsgenerator 3 ist als piezokeramischer
Schwinger ausgebildet und erzeugt eine Ultraschallschwingung, im
wesentlichen in Richtung der Drehachse X.
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In
der Werkzeughalteeinrichtung gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel,
wie in 1 gezeigt, kann mit einem konventionellen Bohrer
als Bohrwerkzeug a verwendet werden und ist insbesondere für das Tieflochbohren
einsetzbar. Dabei wird, wie beim konventionellen Bohren, der Drehbewegung
des Bohrwerkzeugs eine Vorschubbewegung in Richtung der Drehachse
X überlagert.
Dieser Vorschubbewegung in Richtung der Drehachse wird eine Ultraschallschwingung überlagert.
Dabei ist die Amplitude der Schwingung im wesentlichen in Richtung
der Drehachse X gerichtet und die Schwingung wird in entsprechender
Weise durch den Ultraschallschwingungsgenerator 3 erzeugt
und direkt in die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 eingekoppelt.
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Die
Werkzeughalteeinrichtung gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
nach 1 ist für
das ultraschallunterstützte
Bohren bzw. Tiefbohren einsetzbar, wobei die Drehbewegung mit Drehzahlen
bis zu 10.000 U/min ausgeführt
wird und die innere Kühlmittelzufuhr
durch hohe Drücke
bis 150 bar erfolgt bzw. erfolgen kann. Bei dem Ausführungsbeispiel
wird das Wirkprinzip des konventionellen Bohrens bzw. des Tieflochbohrens
mit der Ultraschallschwingung als zusätzliches Wirkprinzip überlagert.
Das Bohrwerkzeug wird dabei zusätzlich
zu seiner Rotation in axiale Schwingungen versetzt. Diese Schwingungen
erfolgen dabei mit einer Frenquenz im Ultraschallbereich, d.h. mit
Frequenzen größer als
16 KHz.
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Bei
dem Bohrverfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
wird die Vorschubbewegung die orthogonal zu der Schneidrichtung
ist, durch eine axial gerichtete Schwingung im Bohrer überlagert.
Somit werden die Schneidkanten (geometrisch bestimmte Schneide)
des Bohrwerkzeugs a durch die axiale Schwingung in Vorschubrichtung
bewegt, so daß sich
die axiale Schwingung und die Vorschubbewegung addieren. Auf diese
Weise überlagern
sich beide Geschwindigkeiten. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird eine maximale
Schwingungsgeschwindigkeit bis zu 150 m/min erzeugt, wobei eine
relativ kleine Amplitude von 10 μm
und eine Frequenz im Bereich von 40 KHz verwendet wird.
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Es
ist offensichtlich, daß die
Schnittgeschwindigkeit an der Schneidkante mit dem Werkzeugradius
abnimmt. Die Schnittgeschwindigkeit ist tangential zum Werkzeug,
insbesondere zur Schneidkante gerichtet, so daß die Schnittgeschwindigkeit
auf der Drehachse X Null ist. Die überlagerte Ultraschallschwingung
jedoch ist unabhängig
von dem Werkzeugradius und somit konstant über den ganzen Bereich der
Schneidkante. Daraus ergibt sich eine Schnittgeschwindigkeit auf
der Drehachse X und eine Erhöhung
der Schnittgeschwindigkeit in Bereichen radial beabstandet von der
Drehachse X.
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Gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
ist die Länge
des Bohrwerkzeugs a gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben
Ultraschallwellenlänge.
Dadurch ergibt sich, daß sich
an beiden Enden des Werkzeugs ein lokales Amplitudenmaximum ergibt,
so daß die
Zerspanung verbessert ist. Der Bohrvorgang wird dabei unter Resonanzbedingungen
durchgeführt.
In praktischen Fällen
lässt sich dies
Resonanzbedingung nicht immer exakt erreichen, doch es ist vorteilhaft,
die Bohrbearbeitung nahe der genannten Resonanzbedingung durchzuführen.
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Durch
die Werkzeughalteeinrichtung bzw. das Bohrverfahren gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
ist es möglich,
ein ultraschallunterstütztes Bohren
an einer konventionellen Werkzeugmaschine durchzuführen, wobei
die Werkzeughalteeinrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel
auf die Bohrspindel der Werkzeugmaschine aufgesetzt wird. Die Energieversorgung
und Steuerung des Ultraschallgenerators hat dabei über entsprechende
Schleifkontakte Erfolg.
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Weiterhin
schafft die Werkzeughalteeinrichtung bzw. das Bohrverfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel
die Möglichkeit,
tiefe Bohrungen mit speziellen Tiefbohrwerkzeugen wie Einlippenbohrer unter
der Nutzung des zusätzlichen
Wirkmechanismus des Ultraschalls bei Einhaltung der erforderlichen
hohen Kühlschmierstoffdrücke von
bis zu 150 bar zu realisieren. Dabei können auch die erforderlichen
hohen Drehzahlen, insbesondere für
das Arbeiten mit kleinen Bohrungsdurchmessern, realisiert werden.
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Das
erste Ausführungsbeispiel
beschreibt ein Modul zur Ergänzung
der konventionellen Maschinentechnik, wodurch ein wirtschaftliches
und kostengünstiges
Bearbeitungsverfahren geschaffen wird. Durch die Überlagerung
der konventionellen mechanischen Zerspanung mit der Ultraschallschwingung
treten in Abhängigkeit
der Werkstoffeigenschaften der zu spanenden Materialien eine Verbesserung
des Spanbruches und Spanabtransportes, eine Verringerung der Vorschubkräfte und/oder der
Bearbeitungstemperaturen, eine Standzeiterhöhung der Bohrwerkzeuge und
vermindertes Werkzeugversagen, eine Verbesserung der Prozeßstabilität und Oberflächen qualität und eine
Verminderung der Gradbildung, insbesondere beim Bohreraustritt auf.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel der
Werkzeughalteeinrichtung gezeigt. Dieses zweite Ausführungsbeispiel
ist in seinen wesentlichen Elementen identisch mit dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel,
so daß nachfolgend
nur die wesentlichen Unterschiede beschrieben werden.
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Bei
dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Bohrwerkzeug
a eine, zur Drehachse X koaxiale Öffnung auf, in die ein Vorsprungsabschnitt
der Halteeinrichtung 1 aufgenommen ist.
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Gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel wird
eine maximale Schwingungsgeschwindigkeit von 50 bis 80 m/min erzeugt,
wobei eine relativ kleine Amplitude von 5 bis 10 μm und eine
Frequenz von 25 KHz verwendet wird.
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Die
Ausführungsbeispiele
zeigen eine Werkzeughalteeinrichtung mit einer Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 zum
Halten eines Bohrwerkzeugs a, insbesondere eines konventionellen
Bohrers, einem Träger 2,
an dem die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 gelagert ist,
und einem Ultraschallschwingungsgenerator 3 zum Erzeugen
einer Ultraschallschwingung, die auf die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 aufgebracht
wird, wobei die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 in Richtung
einer Drehachse X des Bohrwerkzeugs a schwingbar an dem Träger 2 gelagert ist.
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Die
Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 weist einen Werkzeugaufnahmeabschnitt 4,
einen Widerlagerabschnitt 5 und einen Verbindungsabschnitt 6 auf. Der
Werkzeugaufnahmeabschnitt 4 ist in Richtung der Drehachse
X von dem Widerlagerabschnitt 5 beabstandet. Der Verbindungsabschnitt 6 erstreckt
sich in Richtung der Drehachse X und verbindet den Werkzeugaufnahmeabschnitt 4 mit
dem Widerlagerabschnitt 5, wobei sich der Verbindungsabschnitt 6 durch
den Ultraschallgenerator 3 erstreckt. Der Ultraschallschwingungsgenerator 3 ist
zwischen dem Widerlagerabschnitt 5 und einem Lagerabschnitt 7 des Trägers 2 angeordnet
ist. Der Werkzeugaufnahmeabschnitt 4, der Verbindungsabschnitt 6 und
der Widerlagerabschnitt 5 sind symmetrisch bezüglich der Drehachse
X ausgebildet.
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Eine
Kühlmittelzufuhreinrichtung
ist vorgesehen, die einen Kühlmittelzufuhrkanal 10 aufweist,
der sich durch den Widerlagerabschnitt 5, den Verbindungsabschnitt 6 und
den Werkzeugaufnahmeabschnitt 4 erstreckt. Der Kühlmittelzufuhrkanal 10 ist koaxial
zu der Drehachse X angeordnet.
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Der
Werkzeugaufnahmeabschnitt 4 weist eine Werkzeugaufnahmeöffnung auf,
in die das Bohrwerkzeug a drehfest und unverschiebbar einsetzbar ist.
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Alternativ
weist der Werkzeugaufnahmeabschnitt 4 einen Werkzeugbefestigungsvorsprung
auf, der in eine Öffnung
des Bohrwerkzeugs a drehfest und unverschiebbar einsetzbar ist.
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Der
Träger 2 weist
einen Gehäuseabschnitt 8 auf,
und der Ultraschallschwingungsgenerator 3 in dem Gehäuseabschnitt 8 aufgenommen
ist. Weiterhin weist der Träger 2 einen
Spindelbefestigungsabschnitt 9 auf.
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Der
Ultraschallschwingungsgenerator 3 ist ein piezokeramischer
Schwingungsgenerator. Der Ultraschallschwingungsgenerator 3 erzeugt
eine Ultraschallschwingung. Die Bohrerlänge entspricht einem ganzzahligen
Vielfachen der halben Ultraschallwellenlänge. Der Ultraschallschwingungsgenerator 3 ist
zum Erzeugen einer Ultraschallschwingung mit einer Amplitude in
Richtung der Drehachse X vorgesehen. Insbesondere ist der Ultraschallschwingungsgenerator 3 zum
Erzeugen einer Ultraschallschwingung mit einer maximalen Schwingungsgeschwindigkeit von
50 m/min bis 150 m/min und einer Amplitude von 5 μm bis 10 μm bei einer
Frequenz von 20 bis 40 KHz vorgesehen.
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Die
Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 ist für ein Bohrwerkzeug mit einem
Radius bis zu 5 mm und einem Längen-Durchmesser-Verhältnis von
45 vorgesehen ist.
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Ausführungsbeispiele
können
mit einer konventionellen Werkzeigmaschine, insbesondere zum Tieflochbohren,
verwendet werden. Die Werkzeigmaschine weist auf eine Werkzeughalteeinrichtung
mit einer Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 zum Halten eines
Bohrwerkzeugs a, einen Träger 2,
an dem die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 gelagert ist,
eine erste Antriebseinrichtung zum Drehen der Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 um
eine Drehachse X, und eine zweiten Antriebseinrichtung zum Verschieben der
Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 in Richtung der Drehachse
X. Weiterhin ist ein Ultraschallschwingungsgenerator 3 zum
Erzeugen einer Ultraschallschwingung, die auf die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 aufgebracht
wird angeordnet, wobei die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 in
Richtung der Drehachse X schwingbar an dem Träger 2 gelagert ist.
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Weiterhin
zeigen die Ausführungsbeispiel ein
Bohrverfahren, insbesondere zum Tieflochbohren, wobei ein Bohrwerkzeugs
a um eine Drehachse X drehend angetrieben wird, und in Richtung
der Drehachse X in ein Werkstück
verschoben wird, und eine Ultraschallschwingung erzeugt wird, die
auf das Bohrwerkzeug a in Richtung der Drehachse X aufgebracht wird.
Die Ultraschallschwingung und die Verschiebung des Bohrwerkzeugs
a in Richtung der Drehachse X werden überlagert.
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Ein
ganzzahliges Vielfaches der halben Ultraschallwellenlänge der
Ultraschallschwingung entspricht einer Bohrerlänge. Die Ultraschallschwingung wird
mit einer Amplitude in Richtung der Drehachse X erzeugt. Die Ultraschallschwingung
weist eine maximale Schwingungsgeschwindigkeit von 50 m/min bis
150 m/min und einer Amplitude von 5 μm bis 10 μm bei einer Frequenz von 20
bis 40 KHz auf.
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Das
Bohrwerkzeug weist einen Radius bis zu 5 mm und einem Längen-Durchmesser-Verhältnis von
45 auf.
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In
den gezeigten Ausführungsbeispielen
sind der Werkzeigaufnahmeabschnitt 4, der Deckel 7,
der Gehäuseabschnitt 8 und
der Spindelbefestigungsabschnitt 9 als einzelne Element
ausgebildet, die miteinander verbunden sind. Alternativ zu den gezeigten Ausführungsbeispielen
können
der Werkzeigaufnahmeabschnitt 4 und der Deckel 7 und/oder
der Gehäuseabschnitt 8 und
der Spindelbefestigungsabschnitt 9 auch integral ausgeführt sein.