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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ultraschallbearbeitung,
umfassend eine mit einem Drehantrieb versehene Werkzeugeinheit sowie
Mittel zur Beaufschlagung der Werkzeugeinheit mit Ultraschall, wobei
die Werkzeugeinheit einen Werkzeugschaft und einen Werkzeugkopf
aufweist, und die Werkzeugeinheit mittels mindestens eines Lagerelements
an einem den Werkzeugschaft umgebenden Halteelement gelagert ist,
wobei das mindestens eine Lagerelement am Werkzeugschaft im Bereich einer
Knotenebene des für den Betrieb vorgesehenen Ultraschalls
angreift. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein für den
Einsatz in der Vorrichtung geeignetes System aus einem Mittel zur
Ultraschallbeaufschlagung aufweisenden Werkzeugschaft und einem Satz
von Werkzeugköpfen.
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Eine
Vorrichtung der vorgenannten Art ist aus der
CH 676097 A5 bekannt. Mittels
einer derartigen Vorrichtung können in der Werkzeugeinheit
eine Rotationsbewegung um die Längsachse der Werkzeugeinheit
mit Ultraschallschwingungen in Axialrichtungen kombiniert werden.
Auf diese Weise werden zwei Wirkenergien, z. B. für eine
Schleifbearbeitung, miteinander gekoppelt. Es ist dabei bekannt,
den Ultraschall mittels eines Schallwandlers, z. B. aus piezoelektrischen
Elementen, der im Werkzeugschaft integriert ist, zu erzeugen. Die
Werkzeugeinheit bildet dabei eine Schwingungskette aus mehreren
Bestandteilen, die z. B. mittels Schraubverbindungen so aneinander
fixiert sind, dass eine möglichst verlustfreie Übertragung
der Schallenergie erreicht wird.
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Die
im Falle der Schleifbearbeitung notwendige Schleifemulsion wird
durch eine durch das Innere der Werkzeugeinheit verlaufenden Bohrung
zum Werkzeugkopf geführt. Das die Werkzeugeinheit tragende
Haltelement ist gemäß dem Stand der Technik eine
Spindelhülse, in der die Werkzeugeinheit fixiert ist. Die
Spindelhülse ist als Rotor einer Spindel ihrerseits drehbar
gelagert und wird für die Bearbeitung z. B. mittels eines
elektrischen Antriebs in Rotation versetzt.
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Die
Fixierung der Werkzeugeinheit in der Spindelhülse erfolgt
im Bereich des Werkzeugschafts in zwei Knotenebenen der Ultraschallschwingungen. In
den Knotenebenen sind die hochfrequenten axialen Lasten in der Werkzeugeinheit
minimiert, weshalb die Lagerung dort zu einer deutlich höheren
Lebensdauer der Werkzeugeinheit führt.
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Der
vordere Teil des Werkzeugschafts sowie der vollständige
Werkzeugkopf kragen beträchtlich aus der Lagerung aus,
was dazu führt, dass die Werkzeugeinheit unter Last stark
deformiert. Die damit gegebene geringe Systemsteifigkeit kann einen negativen
Einfluss auf die Genauigkeit der im Bearbeitungsprozess hergestellten
Werkstücke haben, weshalb die bislang bekannten ultraschallunterstützten
rotierenden Bearbeitungsvorrichtungen nicht für den Einsatz
in der Präzisionsbearbeitung geeignet sind.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung sowie
ein System der eingangs genannten Art zur Verfügung zu
stellen, die die Systemsteifigkeit erhöht und einen Einsatz
der ultraschallunterstützten Bearbeitung auch für
die Ultrapräzisionsbearbeitung erlaubt.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, dass die Werkzeugeinheit zusätzlich am
Werkzeugkopf in einer weiteren Knotenebene gelagert ist.
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Die
zusätzliche Lagerung der Werkzeugeinheit am Werkzeugkopf
reduziert die Deformation des auskragenden Werkzeugteils während
der Bearbeitung eines Werkstücks drastisch. Hierdurch wird
die Systemsteifigkeit erhöht und eine rotierende Ultrapräzisionsbearbeitung
mit Ultraschallunterstützung ermöglicht. Sollten
sich im Werkzeugkopf mehrere Knotenebenen ausbilden, kann es vorteilhaft
sein, die Lagerung möglichst weit zum distalen Ende hin vorzunehmen.
Beispielhafte Anwendungsgebiete sind ultraschallunterstütztes
Schleifen, Honen, Spindeln, Fräsen und Bohren.
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Die
Lagerung am Werkzeugkopf kann mitdrehend oder aber auch nicht mitdrehend
sein, z. B. über ein Wälzlager oder eine hydrostatische
Lagerung. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass auch die
Werkzeugeinheit drehbar am Halteelement gelagert sein kann, so dass
die Werkzeugeinheit selbst angetrieben wird und die Rotorfunktion übernimmt
sowie das Halteelement als Stator dient. Diese Lösung erscheint
derzeit allerdings noch als relativ aufwendig, da die Auswirkungen
der hochfrequenten Schwingungen des Ultraschalls auf den Drehantrieb schwerlich
abzuschätzen sind.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet
sein, dass mindestens ein an dem Halteelement lösbar fixierbares
Lagerhilfselement vorgesehen ist, an dem der Werkzeugkopf im Einsatz
gelagert ist. Auf diese Weise ist eine mitdrehende Lagerung für
den Werkzeugkopf gegeben, und das Halteelement fungiert als Spindelhülse.
Ein z. B. durch eine Schraubverbindung an der Spindelhülse
lösbar fixiertes Lagerhilfselement erleichtert im Vergleich
zu einer einstückig verlängerten Spindelhülse
den Zugang zum Werkzeugschaft.
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Zudem
ist die Lösbarkeit des Lagerhilfselements vorteilhaft für
die weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, bei der der Werkzeugkopf am Werkzeugschaft auswechselbar
ist.
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Lagerhilfselemente
können ohne weiteres an unterschiedliche Spindelhülsen
angepasst werden, so dass auch die Nachrüstung bestehender
Vorrichtungen leicht möglich ist.
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Bei
einem System aus einem Mittel zur Ultraschallbeaufschlagung aufweisenden
Werkzeugschaft und einem Satz von Werkzeugköpfen wird die vorgenannte
Aufgabe dadurch gelöst, dass die Werkzeugköpfe
unterschiedlich geformt sind und jeder Werkzeugkopf des Satzes mit
dem Werkzeugschaft zu einer Schwingungskette verbindbar ist, wobei sämtliche
so gebildeten Schwingungsketten im Bereich des jeweiligen Werkzeugkopfes
mindestens eine Knotenebene der beaufschlagten Ultraschallschwingungen
einer vorgegebenen Frequenz im gleichen axialen Abstand zum distalen
Ende des Werkzeugschaftes aufweisen.
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Mit
Hilfe von Simulationsrechnungen, z. B. mittels der Methode der finiten
Elemente, ist die Lage der Knotenebene oder der Knotenebenen im
Werkzeugkopf u. a. in Abhängigkeit von der Werkzeugkopfform
berechenbar. Damit ist es möglich, unterschiedliche Werkzeugköpfe,
z. B. mit unterschiedlichen Durchmessern am distalen Ende, so zu
formen, dass sie die Knotenebenen an übereinstimmenden Positionen
aufweisen und somit zum selben Lagerhilfselement passen.
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Alternativ
kann auch ein Satz unterschiedlicher an verschiedene Werkzeugkopfformen
angepasster Lagerhilfselemente vorgesehen werden.
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Im
Folgenden wird eine bevorzugte Ausbildungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung beschrieben. Es zeigen schematisch jeweils in einem seitlichen
Querschnitt
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1:
eine Spindel mit einer dreifach gelagerten Werkzeugeinheit,
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2a bis 2c:
drei verschiedene Ausbildungsformen eines Werkzeugkopfes, und
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3:
eine Spindel mit Werkzeugeinheit mit zwei Lagerstellen gemäß dem
Stand der Technik.
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3 gibt
ein Beispiel einer Vorrichtung zur Ultraschallbearbeitung gemäß dem
Stand der Technik wieder. Eine als Rotor fungierende Spindelhülse 1 ist
mittels Kugellager 2 an einem Statorgehäuse um die
Längsachse 4 drehbar gelagert. Die Rotation der Spindelhülse 1 wird
durch einen Elektromotor 5 bewirkt. In der Spindelhülse 1 ist
eine Werkzeugeinheit 6 fixiert, so dass eine Rotation der
Spindelhülse 1 auf die Werkzeugeinheit 6 übertragen
wird.
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Die
Werkzeugeinheit 6 umfasst einen Werkzeugkopf 7 der
lösbar an einem Werkzeugschaft 8 befestigt ist.
Der Werkzeugkopf 7 weist im Bereich seines distalen Endes
einen in 3 nicht gesondert dargestellten
Schleifbelag auf und ist zur Anwendung in dem aus dem Stand der
Technik bekannten Topfschleifverfahren geeignet. Werkzeugkopf 7 und Werkzeugschaft
weisen eine in 3 nicht gezeigte, in Axialrichtung
durchge hende Bohrung auf, die eine Zuführung einer Schleifemulsion
vom proximalen Ende der Werkzeugeinheit 6 aus erlaubt.
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Im
Werkzeugschaft 8 ist eine Ultraschallquelle in Form von
mehreren plattenförmigen Piezo-Elementen 9 vorgesehen.
Die mittels eines hier nicht dargestellten Hochfrequenzgenerators über
elektrische Kontakte angeregten Piezo-Elemente 9 erzeugen
Ultraschallschwingungen, die von einer hinteren Endmasse 10 und
einer vorderen Endmasse 11 aufgenommen werden. Von der
vorderen Endmasse 11 werden die Ultraschallschwingungen
an einen Booster 12 weitergegeben. Der Booster 12 weist
an einem Übergang 13 eine deutliche Durchmesserverringerung
auf und bewirkt so die gewünschte Amplitudenverstärkung
für den vorderen Teil 14 des Boosters 12. Der
vordere Teil 14 des Boosters 12 weist gleichzeitig Mittel
zur Fixierung des Werkzeugkopfes 7 auf, z. B. ein hier
nicht dargestelltes Gewinde. Gemäß dem Stand der
Technik nach 3 ist die Werkzeugeinheit 6 allein
am Werkzeugschaft 8 in zwei Knotenebenen der einzusetzenden
Ultraschallschwingungen durch Lagerelemente 15 gelagert.
Ein Teil des Schaftes 6 sowie der Werkzeugkopf 7 kragen
mit einer erheblichen Länge aus der Lagerung aus.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Ausbildungsbeispiel einer
Vorrichtung zur Ultraschallbearbeitung. In den 1 und 3 einander
entsprechende Elemente weisen die gleichen Bezugszeichen auf, weshalb
diesbezüglich auf die Beschreibung zur 3 verwiesen
wird. In 1 ist die Spindelhülse 1 an
ihrem distalen Ende gegenüber der Darstellung in 3 etwas
verändert und weist hier nicht im Detail gezeigte Mittel
zum lösbaren Anschluss eines Lagerhilfselementes 16 auf.
Das Lagerhilfselement 16 ist um die Längsachse 4 rotationssymmetrisch
und, beispielsweise über eine Schraubverbindung, mit der
Spindelhülse 1 verbunden. Das distale Ende 17 des
Lagerhilfselementes 16 greift klemmend in ein den Werkzeugkopf 7 vollständig
umlaufendes Lagergegenstück 18 ein. Das Lagergegenstück 18 ist
im Bereich einer weiteren Knotenebene der Ultraschallschwingungen
der Werkzeugeinheit 6 angeordnet.
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Für
das Lagerhilfselement 16 und den Werkzeugkopf 7 sind
unterschiedliche Formen möglich. Maßgeblich ist,
dass die Lagerung am Werkzeugkopf 7 stets im Bereich einer Knotenebene
des Ultraschalls gegeben ist. Der Werkzeugkopf 7 ist bei
Abnutzung oder für unterschiedliche Bearbeitungsmaßnahmen,
z. B für unterschiedliche Schleifdurchmesser, austauschbar.
Da auch das Lagerhilfselement 16 austauschbar ist, kann
dieses an verschiedene Werkzeugkopfformen angepasst werden. Es ist
aber mit Hilfe von Simulationsrechnungen auch möglich, Werkzeugköpfe 7 derart
umzugestalten, dass zwar die Form, z. B. am distalen Ende, anders
ist, jedoch der Ort der für die Lagerung vorgesehenen Knotenebene
sowie Umfang und Position des Lagergegenstücks 18 gleich
bleiben.
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In
den 2a bis 2c sind
unterschiedliche Varianten von Werkzeugköpfen 7a, 7b und 7c dargestellt.
Der Werkzeugkopf 7b in 2b entspricht
im Wesentlichen dem Werkzeugkopf 7 in 1.
Das Lagergegenstück 18b, in das das Lagerhilfselement 16 eingreift,
ist einstückig mit dem Werkzeugkopf 7b. 2b zeigt
zudem die sich zum distalen Ende hin aufweitende Bohrung 19 im
Werkzeugkopf 7b. An den distalen Enden der Werkzeugköpfe 7a, 7b und 7c ist
jeweils der Schleifbelag 20a, 20b bzw. 20c dargestellt.
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In 2a weist
der Werkzeugkopf 7a kein Lagergegenstück auf.
Das Endstück des Lagerhilfselements 16a wird zur
Lagerung unmittelbar und in zur Längsachse senkrechter
Richtung auf den Werkzeugkopf 7a geklemmt. Hierdurch ergibt
sich zwangsläufig eine geänderte Form des Lagerhilfselements 16a,
das aber weiterhin an der Spindelhülse 1 lösbar
fixiert ist.
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In 2c ist
der Werkstückkopf 7c einstückig mit dem
Lagerhilfselement 16c, das ebenfalls lösbar an
der Spindelhülse 1 befestigt ist. In diesem Fall
ist darauf zu achten, dass bei der Befestigung des Lagerhilfselements 16c an
der Spindelhülse 1 gleichzeitig die Verbindung
zwischen Werkzeugkopf 7c und dem vorderen Ende 14 des
Werkzeugschafts 8 derart vollzogen wird, dass die gewünschte
Ultraschallbeaufschlagung des Werkzeugkopfes 7 gewährleistet
ist.
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4 zeigt
eine Schraubverbindung zwischen Lagerhilfselement 16 und
Spindelhülse 1. Das Lagerhilfselement 16 weist
ein Außengewinde 21 und die Spindelhülse 1 ein
passendes Innengewinde 22 auf. Das Lagerhilfselement 16 wird
bis zum Anschlag 23 auf die Spindelhülse 1 geschraubt.
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Mit
der zusätzlichen Lagerung des Werkstückkopfes
ist die Systemsteifigkeit gegenüber dem Stand der Technik
gemäß 3 beträchtlich erhöht und
erlaubt somit auch eine Ultrapräzisionsbearbeitung.
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- 1
- Spindelhülse
- 2
- Kugellager
- 3
- Statorgehäuse
- 4
- Längsachse
- 5
- Elektromotor
- 6
- Werkzeugeinheit
- 7
- Werkzeugkopf
- 8
- Werkzeugschaft
- 9
- Piezo-Elemente
- 10
- Hintere
Endmasse
- 11
- Vordere
Endmasse
- 12
- Booster
- 13
- Übergang
- 14
- Vorderer
Teil des Boosters
- 15
- Lagerelemente
- 16
- Lagerhilfselemente
- 17
- Distales
Ende des Lagerhilfselements
- 18
- Lagergegenstück
- 19
- Bohrung
- 20
- Schleifbelag
- 21
- Außengewinde
- 22
- Innengewinde
- 23
- Anschlag
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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