DE102012219232A1

DE102012219232A1 - Vibrating tool, process for tool design

Info

Publication number: DE102012219232A1
Application number: DE102012219232.8A
Authority: DE
Inventors: Jens Ketelaer
Original assignee: SAUER ULTRASONIC GmbH
Current assignee: SAUER ULTRASONIC GmbH
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2014-04-24
Also published as: WO2014064116A2; WO2014064116A3; EP2908973A2

Abstract

Ein vibrierendes Werkzeug (10) zum vibrierenden Bearbeiten eines Werkstücks in einer Bearbeitungsmaschine hat einen maschinenseitigen Bereich (11) und einen werkstückseitigen Bereich (12), der eine auf das Werkstück aufzusetzende Bearbeitungsfläche (13) aufweist. Die Innenlänge (li) liegt außerhalb eines bestimmten Wertebereichs. Die querplatte (15) kann einen Überstand 17 oder bestimmte Verundungen oder Fasen aufweisen. In einem Verfahren zur Werkzeugkonstruktion wird eine Werkzeugkonstruktion mit veränderten Parametern mit der Finite-Elemente-Methode im Hinblick auf Zielparameter untersucht.A vibrating tool (10) for vibrating machining of a workpiece in a processing machine has a machine-side area (11) and a workpiece-side area (12) which has a processing surface (13) to be placed on the workpiece. The inside length (li) is outside a certain range of values. The transverse plate (15) can have a protrusion 17 or certain curves or chamfers. In a method for tool construction, a tool construction with changed parameters is examined with the finite element method with regard to target parameters.

Description

Die Erfindung betrifft ein vibrierendes Werkzeug und ein Verfahren zur Werkzeugkonstruktion. The invention relates to a vibrating tool and a method for tool design.

5 zeigt schematisch ein bekanntes vibrierendes Werkzeug. Es handelt sich um einen Bohrer. Die Oberseite ist im Einsatz dem Werkstück zugewandt, die Unterseite dem Antrieb. Beispielsweise über eine Schraube durch das Loch unten in der Mitte wird das Werkzeug mit dem Antrieb starr verbunden. Der Antrieb kann um die vertikale Achse rotieren. Darüber hinaus ist ein vibrierender Antrieb vorgesehen, der das Werkzeug im Einsatz mit einer Vibration beaufschlagt. Die Vibration kann parallel zur Drehachse sein, also vertikal in der Zeichenebene. 5 schematically shows a known vibrating tool. It is a drill. In use, the upper side faces the workpiece, the lower side faces the drive. For example, a screw through the hole in the bottom center of the tool is rigidly connected to the drive. The drive can rotate around the vertical axis. In addition, a vibrating drive is provided, which applies the tool in use with a vibration. The vibration can be parallel to the axis of rotation, ie vertically in the plane of the drawing.

Der Nachteil existierender vibrierender Werkzeuge ist es, dass sie häufig eine relativ geringe Vibrationsamplitude aufweisen. The disadvantage of existing vibrating tools is that they often have a relatively low amplitude of vibration.

Es hat sich auch als schwierig erwiesen, insbesondere zur Verbesserung der Vibrationsamplitude vibrierender Werkzeuge diese auf einfachen Modellen basierend "durchzurechnen" und dann entsprechend zu gestalten. Es hat sich gezeigt, dass die Übereinstimmung zwischen Realität und Theorie unbefriedigend ist. It has also proved difficult, especially for improving the vibration amplitude of vibrating tools, to "calculate" them based on simple models and then to design accordingly. It has been shown that the correspondence between reality and theory is unsatisfactory.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein vibrierendes Werkzeug anzugeben, das eine möglichst große Vibrationsamplitude aufweist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Werkzeugkonstruktion anzugeben, das für die Optimierung gewünschter Parameter, insbesondere der Vibrationsamplitude, zuverlässige Vorhersagen liefert. The object of the invention is to provide a vibrating tool having the largest possible vibration amplitude. It is another object of the invention to provide a method for tool design that provides reliable predictions for the optimization of desired parameters, in particular the vibration amplitude.

Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.These objects are achieved with the features of the independent claims. Dependent claims are directed to preferred embodiments of the invention.

Theoretische Analysen haben gezeigt, dass verschiedene Parameter zur Optimierung dynamischer Eigenschaften des Werkzeugs, insbesondere Vergrößerung der Schwingungsamplitude, variiert werden können.Theoretical analyzes have shown that various parameters for optimizing dynamic properties of the tool, in particular increasing the oscillation amplitude, can be varied.

Die Innenlänge des Werkzeugs (axialer Abstand zwischen Bearbeitungsfläche und innenliegende Oberfläche („Boden“) der Querplatte des Werkzeugs an der Befestigung) kann außerhalb eines Bereichs liegen, dessen Untergrenze 25 mm ist und/oder dessen Obergrenze 45 mm ist, und/oder es kann das Verhältnis von Innenlänge zu Außendurchmesser außerhalb eines Bereichs liegen, dessen Untergrenze 0,45 oder 0,35 ist und/oder dessen Obergrenze 0,8 oder 0,9 oder 1,1 ist. Diese Bemaßung ist insbesondere bei Bohrern sinnvoll.The inner length of the tool (axial distance between the working surface and the inner surface ("bottom") of the transverse plate of the tool at the attachment) may be outside a range whose lower limit is 25 mm and / or its upper limit is 45 mm, and / or the ratio of inner length to outer diameter is outside a range whose lower limit is 0.45 or 0.35 and / or whose upper limit is 0.8 or 0.9 or 1.1. This dimensioning makes sense especially for drills.

Weiter hat sich gezeigt, dass optimierte eigenschaften wie oben angesprochen durch bestimmte Gestaltungen der Querplatte eines Bohrers erreicht werden können. Die Querplatte kann einen radial über den Außenumfang des hohlzylindrischen werkstückseitigen Bereichs reichenden Überstand aufweisen.It has also been found that optimized properties as mentioned above can be achieved by certain configurations of the transverse plate of a drill. The transverse plate may have a projection extending radially beyond the outer circumference of the hollow-cylindrical workpiece-side region.

Andererseits ergaben sich auch verbesserte Eigenschaften, wenn der maschinenseitige Randbereich der Querplatte stärker angefast oder verrundet ist.On the other hand, there were also improved properties when the machine-side edge region of the transverse plate is more chamfered or rounded.

Ein Werkzeug wie oben zum vibrierenden Bearbeiten eines Werkstücks in einer Bearbeitungsmaschine weist in einem dem Werkstück zugewandten Bereich (12) eine Bearbeitungsfläche auf. Sie oder ein weniger als 20 mm oder weniger als 10 mm darüber liegenden Teil des Werkzeugs hat mindestens bereichsweise eine erste Querabmessung, die kleiner 2 mm, vorzugsweise kleiner 1,2 mm istA tool as described above for vibrating a workpiece in a processing machine has in a region facing the workpiece ( 12 ) on a processing surface. It or a part of the tool less than 20 mm or less than 10 mm above it has, at least in some areas, a first transverse dimension which is less than 2 mm, preferably less than 1.2 mm

Es können die Bearbeitungsfläche kreisförmig und der Werkzeugzylinder becherartig hohl kreiszylindrisch sein, der Nenndurchmesser des Werkzeugs im Bereich zwischen 15 mm und 150 mm liegen und das Werkzeug ein Bohrer oder eine Schleifscheibe sein. Die Querschnittsform und/oder Wandstärke können, müssen aber nicht konstant sein.The machining surface may be circular and the tool cylinder cup-shaped hollow circular cylindrical, the nominal diameter of the tool may be in the range between 15 mm and 150 mm, and the tool may be a drill or a grinding wheel. The cross-sectional shape and / or wall thickness may or may not be constant.

Wenn das Werkzeug eine Schleifscheibe ist, schließt im Schnitt parallel zur Achse die Außenfläche mindestens bereichsweise, insbesondere vorzugsweise mindestens im Bereich axial unmittelbar hinter der Bearbeitungsfläche, mit der Achse einen ersten Winkel ein, der mindestens 10° oder mindestens 15° ist, und der kleiner als 60° oder kleiner als 50° sein kann, und/oder die Innenfläche weist einen konvexen (nach innen gewölbten) Bereich auf, der teilweise oder ganz um den Innenumfang der Innenfläche umlaufen kann.When the tool is a grinding wheel, in the section parallel to the axis, the outer surface at least partially, in particular preferably at least in the region axially immediately behind the machining surface, with the axis a first angle, which is at least 10 ° or at least 15 °, and the smaller may be 60 ° or less than 50 °, and / or the inner surface has a convex (inwardly curved) portion that may or may not circulate around the inner periphery of the inner surface.

Das Werkzeug ist zur achsparallelen Vibration ausgelegt, wobei die Anregungsfrequenz im Bereich einer Resonanzfrequenz f0 liegen kann. Darüber hinaus kann das Werkzeug noch für kontinuierlichen Antrieb ausgelegt sein, insbesondere Drehantrieb um die Drehachse herum, die auch die Vibrationsachse sein kann, längs derer translatorische Vibration stattfindet.The tool is designed for paraxial vibration, wherein the excitation frequency may be in the range of a resonant frequency f0. In addition, the tool can still be used for continuous drive be designed, in particular rotary drive around the axis of rotation, which may also be the vibration axis, along which translational vibration takes place.

Mit den genannten Merkmalen ergeben sich vibrierende Werkzeuge, die eine vergleichsweise hohe Vibrationsamplitude aufweisen. Dadurch wird die Bearbeitungsgeschwindigkeit vergleichsweise hoch.With the mentioned features resulting vibrating tools that have a relatively high vibration amplitude. As a result, the processing speed becomes comparatively high.

Ein Verfahren zur Werkzeugkonstruktion hat die Schritte Eingeben einer anfänglichen Werkzeugkonstruktion, Eingeben eines oder mehrerer erster Parameter des Werkzeugs oder Wertebereichen hierfür, die festzuhalten bzw. einzuhalten sind, Eingeben eines oder mehrerer zweiter Parameter des Werkzeugs, die zu verändern sind einschließlich der Veränderungsrichtung, oder von Zielwerten oder einem Zielwerteebereich der zweiten Parameter, Eingeben eines oder mehrerer dritter Parameter, deren Verhalten analysiert werden soll, Verändern von Parametern der Werkzeugkonstruktion, insbesondere erster und/oder anderer Parameter, und Analysieren der veränderten Konstruktion mit der Finite-Elemente-Methode („FEM“) im Hinblick auf die dritten Parameter, und Speichern der veränderten Parameter und des Analyseergebnisses. Auch die anfängliche Konstruktion kann FEM-analysiert werden, um korrespondierende Vergleichswerte für veränderte Ergebnisse zu haben.One method of tool design involves the steps of inputting an initial tool design, inputting one or more first parameters of the tool, or value ranges therefor, to be noted, inputting one or more second parameters of the tool to be changed, including the direction of change, or Target values or a target range of the second parameters, input one or more third parameters whose behavior is to be analyzed, changing parameters of the tool design, in particular first and / or other parameters, and analyzing the modified construction with the finite element method ("FEM ") With respect to the third parameters, and storing the changed parameters and the analysis result. Also, the initial design can be FEM-analyzed to have corresponding comparison values for altered results.

Die ersten Parameter können geometrische Parameter des Werkzeugs aufweisen, z. B. den Nenndurchmesser. Die dritten Parameter können dynamische Parameter zu einer gegebenen oder variablen dynamischen Anregung des Werkzeugs einschließlich eines oder mehrerer der folgenden Parameter aufweisen: Schwingungsamplitude an einer oder mehreren Anregungsfrequenzen oder Bereiche hierfür, Resonanzfrequenz oder Bereiche hierfür, Schwingungsmodus, Verhalten von Oberschwingungen.The first parameters may include geometric parameters of the tool, e.g. B. the nominal diameter. The third parameters may include dynamic parameters related to a given or variable dynamic excitation of the tool including one or more of the following: vibration amplitude at or at one or more excitation frequencies, resonant frequency or ranges thereof, vibration mode, harmonic behavior.

Das Verfahren kann iterativ derart angewendet werden, dass insbesondere nach Maßgabe des Analyseergebnisses eine Werkzeugkonstruktion mit veränderten Parametern als neue anfängliche Werkzeugkonstruktion genommen wird.The method can be applied iteratively in such a way that, in particular, a tool design with changed parameters is taken as a new initial tool design in accordance with the analysis result.

Das beschriebene Verfahren liefert Konstruktionen, deren theoretische Eigenschaften, insbesondere Schwingungsamplitude, vergleichsweise gut mit realen Ergebnissen übereinstimmen. Auf diese Weise können Werkzeuge effizient konstruiert werden.The method described provides designs whose theoretical properties, in particular oscillation amplitude, compare relatively well with real results. In this way tools can be constructed efficiently.

Nachfolgend werden bezugnehmend auf die Zeichnungen einzelne Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es zeigen:Hereinafter, with reference to the drawings, individual embodiments of the invention will be described. Show it:

1 schematisch Merkmale der Erfindung in perspektivischer Ansicht und im Schnitt; 1 schematically features of the invention in perspective view and in section;

2 Beispiele von Bohrern; 2 Examples of drills;

3 Beispiele von Schleifscheiben; 3 Examples of grinding wheels;

4 den Einsatz des Werkzeugs in einer Maschine; und 4 the use of the tool in a machine; and

5 Stand der Technik. 5 State of the art.

In der nachfolgenden Beschreibung bedeuten gleiche Bezugsziffern gleiche Komponenten. Merkmale sollen auch dann als miteinander kombinierbar verstanden werden, wenn dies nicht ausdrücklich gesagt ist, soweit die Kombination nicht technisch unmöglich ist. In the following description, like reference numerals denote like components. Features should also be understood as being combinable with each other, unless expressly stated, unless the combination is technically impossible.

1a zeigt perspektivisch schematisch ein Werkzeug 10, das ein im Einsatz vibrierender Bohrer ist. 1b zeigt einen Querschnitt dazu. 13 ist die Bearbeitungsfläche, also die Fläche, die letztlich mit dem zu bearbeitenden Werkstück in Eingriff steht. 12 ist insgesamt der dem Werkstück zugewandte Bereich des Werkzeugs, während 11 der der Maschine zugewandte Teil des Werkzeugs ist. 1a shows a perspective schematically a tool 10 , which is a drill vibrating in use. 1b shows a cross section to it. 13 is the working surface, ie the surface that ultimately engages with the workpiece to be machined. 12 is a total of the workpiece-facing portion of the tool, while 11 which is the machine-facing part of the tool.

16 symbolisiert ein Durchloch in einer Querplatte 15, das zum Verschrauben des Werkzeugs 10 mit dem maschinenseitigen Antrieb verwendet werden kann. 15 ist eine Querplatte, von der aus sich der weitere Werkzeugaufbau in Richtung Werkstück erstreckt. Sie kann, muss aber nicht eben und/oder mit konstanter dicke in axialer Richtung ausgebildet sein. Das gesamte Werkzeug kann becherförmig aufgebaut sein. 14 bezeichnet dabei die Wandung des Bechers. 19 symbolisiert eine gegebenenfalls vorhandene Symmetrieachse, die auch eine Rotationsachse des Werkzeugs sein kann, längs derer auch die Vibration erfolgen kann. 16 symbolizes a through hole in a transverse plate 15 for screwing the tool 10 can be used with the machine-side drive. 15 is a transverse plate, from which the further tool structure extends in the direction of the workpiece. It can, but does not have to be flat and / or formed with a constant thickness in the axial direction. The entire tool can be cup-shaped. 14 refers to the wall of the cup. 19 symbolizes an optionally existing symmetry axis, which can also be an axis of rotation of the tool, along which the vibration can also take place.

Das Werkzeug jenseits der Querplatte 15 setzt sich zusammen aus einem Träger 14b und dem darauf aufgesetzten, dem Werkstück zugewandten Schleifaufsatz 14a. Der Träger 14b ist aus geeignetem Material hergestellt, etwa Metall oder Keramik. Der Schleifaufsatz 14a ist ein ausgehärtetes Gemisch aus einerseits Binder und andererseits Schleifmittel. Das Schleifmittel kann Diamantkörner sein oder aufweisen. Die Aufteilung in Schleifaufsatz 14a und Träger 14b ist nur in 1 schematisch dargestellt. Die anderen Figuren zeigen sie nicht, obwohl sie dort auch vorhanden sein kann. Der Schleifaufsatz 14a ist dem Verschleiß unterworfen. Während des Werkzeugeinsatzes wird er sich abarbeiten, bis das Werkzeug insgesamt ausgetauscht werden muss. The tool beyond the transverse plate 15 is composed of a carrier 14b and the attached thereto, the workpiece facing abrasive attachment 14a , The carrier 14b is made of suitable material, such as metal or ceramic. The sanding attachment 14a is a cured mixture of one hand binder and on the other hand abrasive. The abrasive may be or have diamond grains. The division into grinding attachment 14a and carriers 14b is only in 1 shown schematically. The other figures do not show them, although they can be present there. The sanding attachment 14a is subject to wear. During the use of the tool he will work off until the tool has to be replaced.

Der Schleifaufsatz 14a selbst kann in axialer Richtung eine bestimmte Abmessung haben, die 1 mm oder mehr oder 3 mm oder mehr und/oder weniger als 5 mm und/oder weniger als 10 mm sein kann. Ansonsten gelten Bemaßungsangaben nachfolgend, soweit nichts anderes gesagt ist, unabhängig davon, ob sie sich auf den Schleifaufsatz 14a oder den dahinter liegenden Träger 14b des Werkzeugs beziehen, wenn nichts anderes gesagt ist. The sanding attachment 14a itself may have a certain dimension in the axial direction, which may be 1 mm or more or 3 mm or more and / or less than 5 mm and / or less than 10 mm. Otherwise dimensioning information below, unless otherwise stated, regardless of whether they are on the grinding attachment 14a or the underlying carrier 14b of the tool, unless otherwise stated.

Eine Eigenschaft der betrachteten Werkzeuge ist es, dass die Innenlänge li des Werkzeugs (axialer Abstand zwischen Bearbeitungsfläche 13 und innenliegende Oberfläche („Boden“) der Querplatte 15 des Werkzeugs an der Befestigung) außerhalb eines Bereichs liegen kann, dessen Untergrenze 25 mm ist und/oder dessen Obergrenze 45 mm ist, und/oder es kann das Verhältnis V2 von Innenlänge li zu Nenndurchmesser dn außerhalb eines Bereichs liegen, dessen Untergrenze 0,45 oder 0,35 ist und/oder dessen Obergrenze 0,8 oder 0,9 oder 1,1 ist.One characteristic of the considered tools is that the inside length li of the tool (axial distance between working surface 13 and inner surface ("bottom") of the transverse plate 15 the tool at the attachment) may be outside a range whose lower limit is 25 mm and / or whose upper limit is 45 mm, and / or the ratio V2 of inner length li to nominal diameter dn may be outside a range whose lower limit is 0.45 or 0.35 and / or its upper limit is 0.8 or 0.9 or 1.1.

Analysen mittels FEM haben ergeben, dass Werkzeuge, insbesondere Bohrer, dann vergleichsweise hohe Amplituden haben, wenn die axiale Länge absolut oder relativ zum Durchmesser entweder vergleichsweise kurz oder vergleichsweise lang ist, wie dies oben in Zahlen ausgedrückt ist. Bekannte Werkzeuge wählten dagegen Dimensionierungen, bei denen die axiale Länge li 70% oder 80% des Durchmessers betrugen. Eigenschaften reale Bohrer stehen mit diesen theoretischen Voraussagen in guter Übereinstimmung.Analyzes by FEM have shown that tools, especially drills, have comparatively high amplitudes when the axial length is absolute or relative to diameter either comparatively short or comparatively long, as expressed above in numbers. Known tools, however, chose sizing in which the axial length li was 70% or 80% of the diameter. Properties of real drills are in good agreement with these theoretical predictions.

Zusätzlich oder stattdessen können insbesondere bei Bohrern optimierte Eigenschaften wie oben angesprochen durch bestimmte Gestaltungen der Querplatte 15 erreicht werden, wie dies in 2a, 2b und 2c gezeigt ist.In addition or instead, in particular with drills optimized properties as mentioned above by certain designs of the transverse plate 15 be achieved, as in 2a . 2 B and 2c is shown.

Die Querplatte 15 kann einen radial über den Außenumfang des hohlzylindrischen werkstückseitigen Bereichs reichenden Überstand 17 aufweisen, wie dies in den 1a, 1b, 2a und 2b gezeigt ist.The transverse plate 15 may be a projection extending radially beyond the outer circumference of the hollow cylindrical workpiece side region 17 have, as in the 1a . 1b . 2a and 2 B is shown.

Der Überstand 17 kann um den Umfang des Bohrers umlaufen, drehsymmetrisch ausgebildet sein und kann dadurch gebildet werden, dass die Querplatte 15 einen kreisförmigen Grundriss mit einem Durchmesser dg hat, der größer als der Außendurchmesser da des hohlzylindrischen werkstückseitigen Bereichs 12 ist.The supernatant 17 can rotate around the circumference of the drill, be rotationally symmetrical and can be formed by the transverse plate 15 has a circular outline with a diameter dg greater than the outer diameter da of the hollow cylindrical workpiece side area 12 is.

Der Überstand kann eine Abmessung in radialer Richtung haben, die in einem Bereich liegt, dessen Untergrenze 1% oder 3% und/oder dessen Obergrenze 10% oder 7% des halben Nenndurchmessers sein kann.The supernatant may have a dimension in the radial direction which is in a range whose lower limit may be 1% or 3% and / or its upper limit may be 10% or 7% of the half nominal diameter.

Zusätzlich oder alternativ hierzu ergaben sich auch verbesserte Eigenschaften, wenn der maschinenseitige Randbereich der Querplatte stärker angefast oder verrundet ist als dies bei bekannten Werkzeugen der Fall ist. 2c zeigt dies.In addition or as an alternative to this, improved properties also resulted when the machine-side edge region of the transverse plate is more chamfered or rounded than is the case with known tools. 2c shows this.

Die Fasenhöhe in axialer Richtung oder der Verrundungsradius können mindestens 30%, vorzugsweise mindestens 50% oder mindestens 70% der Dicke der Querplatte 15 betragen. Die Obergrenze kann bei der Anfasung 80% oder 100% sein, beim Verrundungsradius 80% oder 100% oder 120% der Dicke betragen. Auch hierzu sagten FEM-Analysen verbesserte Schwingungsamplituden voraus, die sich in der Realität dann bestätigt haben.The chamfer height in the axial direction or the radius of curvature can be at least 30%, preferably at least 50% or at least 70% of the thickness of the transverse plate 15 be. The upper limit may be 80% or 100% when chamfered, 80% or 100% or 120% of the thickness at the rounding radius. Here, too, FEM analyzes predicted improved vibration amplitudes, which have then been confirmed in reality.

Die Bearbeitungsfläche 13 kann eine Querabmessung Q haben, die kleiner als 2 mm ist, vorzugsweise kleiner als 1,2 mm. The working surface 13 may have a transverse dimension Q that is less than 2 mm, preferably less than 1.2 mm.

Die beschriebenen Konstruktionsänderungen zur Verbesserung der Amplitudes sind aus gängigen Kausalketten hin zur Schwingungsamplitude nicht zu erwarten. Es ist nicht offensichtlich erkennbar, dass bei relativ langen oder relativ kurzen Bohrern die Schwingungsamplitude steigt. Gleiches gilt für die beschriebene Gestaltung der Querplatte 15.The described design changes to improve the Amplitudes are not expected from common causal chains towards the oscillation amplitude. It is not obvious that the oscillation amplitude increases with relatively long or relatively short drills. The same applies to the described design of the transverse plate 15 ,

Im Hinblick auf Homogenität der Schwingungsformen sind Ausführungsformen vorzuziehen, bei denen der Träger 14b geschlossen zylindrisch und vorzugsweise geschlossen kreiszylindrisch ausgebildet ist und die in Schnitten senkrecht zur Achse 19 konstanten Querschnitt aufweisen. In einem Längsschnitt (1b) können die Querabmessung Q und auch der Durchmesser da auch über bestimmte Bereiche gleichförmig sein. Wie in 1b gezeigt, kann sie bis hinten zur Querplatte 15 gleichförmig sein, was dann auch für achssenkrechte Schnitte gelten kann. Die Gestaltung kann auch so sein, dass jedenfalls der Schleifaufsatz 14a eine konstante Querschnitt hat. With regard to homogeneity of the vibration modes, embodiments are preferred in which the carrier 14b closed cylindrical and preferably closed circular cylindrical is formed and in sections perpendicular to the axis 19 have constant cross-section. In a longitudinal section ( 1b ), the transverse dimension Q and also the diameter may also be uniform over certain areas. As in 1b shown, it can be rear to the transverse plate 15 to be uniform, which can then also apply to axial cuts. The design can also be such that at least the sanding attachment 14a has a constant cross section.

Wenn das Werkzeug ein Bohrer ist, können Ausführungsformen wünschenswert sein, bei denen der gesamte Werkzeugkörper zwischen Bearbeitungsfläche 13 und Querplatte 15 becherartig kreiszylindrisch mit über die innere Länge li konstanter/m Querschnittsfrom/maß ausgebildet ist. Auch die Querabmessung (Wandstärke) Q ist dann konstant.If the tool is a drill, embodiments may be desirable in which the entire tool body between the machining surface 13 and transverse plate 15 cup-shaped circular cylindrical with over the inner length li constant / m Querschnittsfrom / measure is formed. The transverse dimension (wall thickness) Q is then constant.

Wenn das Werkzeug eine Schleifscheibe ist, kann die Gestaltung so sein, dass die Bedingung für die Querabmessung jedenfalls für die Bearbeitungsfläche 13 gilt. Optional kann sie auch in einem bestimmten Bereich darüber, der bis 5 mm oder bis 3 mm von der Berbeitungsfläche beabstandet reichen kann, gelten. Darüber können allerdings andere Wandgestaltungen erfolgen, was in 3 auch erkennbar ist. If the tool is a grinding wheel, the design can be such that the condition for the transverse dimension at least for the working surface 13 applies. Optionally, it may also apply in a certain area over it, which may range up to 5 mm or 3 mm away from the working area. However, this can be done other wall designs, which in 3 also recognizable.

Optimierte Schleifscheiben können zusammen mit den bisher beschriebenen Merkmalen hinsichtlich der Innenlänge li oder unabhängig davon weitere Merkmale aufweisen:
Zum einen kann die innenliegende Wand 33 des becherförmigen Aufbaus einen konvexen Bereich 31 in senkrechter (achsparalleler) Querschnittsfläche haben, und zum anderen kann die Außenwand 32 in der gleichen Schnittebene einen Winkel α mit der Achse 19 einschließen, der > 0° und vorzugsweise > 10° oder > 15° sein kann, und der < 60° sein kann oder < 50°. Der Winkel α bzw. die ihn formende Fläche ist vorzugsweise auch rotationssymmetrisch bezüglich der Achse 19 ausgebildet. Auch diese konstruktiven Merkmale ergaben sich aus einer FEM-Analyse bzw. Optimierung der Schwingungsamplitude mittels FEM. Optimized grinding wheels, together with the characteristics described so far, may have further characteristics with respect to the inner length li or independently thereof:
For one thing, the inside wall 33 the cup-shaped structure has a convex portion 31 in vertical (paraxial) cross-sectional area, and on the other hand, the outer wall 32 in the same sectional plane an angle α with the axis 19 which may be> 0 ° and preferably> 10 ° or> 15 °, and which may be <60 ° or <50 °. The angle α or the surface forming it is preferably also rotationally symmetrical with respect to the axis 19 educated. These design features also resulted from an FEM analysis or optimization of the vibration amplitude by means of FEM.

Der konvexe Bereich 31 kann eine Einwölbung in das Becherinnere sein, wie es den Schnittbildern der 3a und 3b zu entnehmen ist. Die Einwölbung kann ringartig um den Umfang an der Innenwand 33 umlaufen und rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Längs der Höhe (Richtung der Drehachse 19) der Schleifscheibe betrachtet kann der Scheitel des konvexen Bereichs 31 in einem Bereich von 40% bis 90% der inneren Länge li liegen. Er kann sich um mindestens 5% oder mindestens 10% der inneren Länge li (Höhe) über eine Verbindungslinie benachbarter konkaver Bereiche erheben. The convex area 31 may be a concavity in the cup interior, as the sectional images of the 3a and 3b can be seen. The indentation can ring around the circumference on the inner wall 33 revolve and be rotationally symmetrical. Along the height (direction of the axis of rotation 19 ) of the grinding wheel can be considered the apex of the convex portion 31 lie in a range of 40% to 90% of the inner length li. It can rise by at least 5% or at least 10% of the inner length li (height) over a connecting line of adjacent concave areas.

Die nachfolgende Tabelle gibt Werte erfindungsgemäßer Bohrer und Schleifscheiben sowie daraus abgeleitete Werte wieder, wie sie oben angesprochen sind. Wert Bohrer Bohrer Bohrer Schleifsch Schleifsch Fig. 2a Fig. 2b Fig. 2c Fig. 3a Fig. 3b di/mm 33,6 38,6 58,2 44 94 da/mm 34,8 39,8 61,8 46 96 dn/mm 35 40 62 50 100 dg/mm 36,8 41,8 61,8 - - la/mm 60 60 30 22 43 li/mm 50 50 20 12 33 Q/mm 0,6 0,6 1,8 1 1 V1 1,43 1,25 0,32 0,24 0,33 V2/% 1,71 1,5 2,9 2 1 V3 4,9 3,75 4,68 4 1 Tabelle 1: Maße und abgeleitete Werte optimierter Werkzeuge The following table shows values of drills and grinding wheels according to the invention and values derived therefrom, as mentioned above. value drill drill drill Schleifsch Schleifsch Fig. 2a Fig. 2b Fig. 2c Fig. 3a Fig. 3b di / mm 33.6 38.6 58.2 44 94 dam 34.8 39.8 61.8 46 96 dn / mm 35 40 62 50 100 dg / mm 36.8 41.8 61.8 - - lamb 60 60 30 22 43 li / mm 50 50 20 12 33 Q / mm 0.6 0.6 1.8 1 1 V1 1.43 1.25 0.32 0.24 0.33 V2 /% 1.71 1.5 2.9 2 1 V3 4.9 3.75 4.68 4 1 Table 1: Measurements and derived values of optimized tools

Es gelten die folgenden Beziehungen und Definitionen: Q = (da – di)/2 (1) V1 = li/dn (2) V2 = Q/(dn/100)·100% (3) V3 = Q/(dn/100)^2·100 (4) The following relationships and definitions apply: Q = (da - di) / 2 (1) V1 = li / dn (2) V2 = Q / (dn / 100) × 100% (3) V3 = Q / (dn / 100) ^ 2 x 100 (4)

In der obigen Tabelle sind die Variablen wie folgt verwendet:
di: Innendurchmesser des becherförmigen Aufbaus. Wenn dieser (z. b. bei Schleifscheiben) nicht konstant ist, ist es der maximale Innendurchmesser bzw. der Innendurchmesser am Werkstück, also auf Höhe der Bearbeitungsfläche 13.
da: Außendurchmesser. Wenn dieser nicht konstant ist, ist es der maximale Außendurchmesser bzw. der Außendurchmesser auf Höhe des Werkzeugs, also auf Höhe der Bearbeitungsfläche 13.
dg: Durchmesser der Grundplatte. Wenn dieser nicht konstant ist, ist es der maximale Durchmesser.
Q: Querabmessung. Ihre Definition wurde weiter oben angegeben.
li: Innenlänge. Es ist die Höhe der Bearbeitungsfläche 13 über der inneren Oberfläche des Mittenbereichs der Querplatte 15.
la: Außenlänge. Es ist die Gesamthöhe des Werkzeugs in Richtung der Achse 19, also im Schnitt von der werkzeugseitigen Bearbeitungsfläche 13 bis hin zur Außenseite des Mittenbereichs der Querplatte 15. In the above table, the variables are used as follows:
di: inner diameter of the cup-shaped structure. If this is not constant (eg with grinding wheels), it is the maximum inner diameter or the inner diameter at the workpiece, ie at the level of the processing surface 13 ,
there: outside diameter. If this is not constant, it is the maximum outer diameter or the outer diameter at the height of the tool, ie at the height of the working surface 13 ,
dg: diameter of the base plate. If this is not constant, it is the maximum diameter.
Q: transverse dimension. Their definition has been given above.
li: inside length. It is the height of the working surface 13 over the inner surface of the center region of the transverse plate 15 ,
la: outside length. It is the total height of the tool in the direction of the axis 19 , so on average of the tool-side processing surface 13 up to the outside of the middle region of the transverse plate 15 ,

Die Untergrenze von Q kann 0,4 mm oder 0,5 mm sein. Die Untergrenze von V2 kann 0,5% oder 0,7% sein.The lower limit of Q may be 0.4 mm or 0.5 mm. The lower limit of V2 may be 0.5% or 0.7%.

Erfindungsgemäße und tatsächlich vermarktete Werkzeuge mit optimierten Eigenschaften, insbesondere Schwingungsamplitude, können Abmessungen haben, die der obigen Tabelle und/oder den Angaben in den 2 und 3 entsprechen, jeweils +2% oder +1% oder +0,5% Toleranz. Inventive and actually marketed tools with optimized properties, in particular vibration amplitude, may have dimensions that the above table and / or the information in the 2 and 3 each + 2% or + 1% or + 0.5% tolerance.

Bei einem Verfahren zur Werkzeugkonstruktion wird eine anfängliche Werkzeugkonstruktion in datenverarbeitbarer Form eingegeben und diese dann mittels eines FEM-Verfahrens analysiert, dann variiert und wieder analysiert. In allgemeinster Form werden zunächst die variierte Konstruktion bzw. der variierte Parameter hierfür zusammen mit Analyseergebnissen gespeichert. Das Verfahren kann mehrfach mit unterschiedlichen Veränderungen wiederholt werden, insbesondere iterativ, indem das Ergebnis einer ersten Ausführung die Eingangsgröße einer zweiten Ausführung ist. Es können festzuhaltende erste Parameter vorgegeben werden (etwa der Nenndurchmesser eines Werkzeugs) und zweite Parameter, die verändert werden können, wobei die Auswirkung auf dritte Parameter mittels FEM-analyse ermittelt wird. In a method of tool design, an initial tool design is input in a data processable form and then analyzed by an FEM method, then varied and re-analyzed. In the most general form, the varied construction or the varied parameters for this purpose are first stored together with analysis results. The method can be repeated several times with different changes, in particular iteratively, in that the result of a first embodiment is the input variable of a second embodiment. It is possible to specify fixed first parameters (such as the nominal diameter of a tool) and second parameters that can be changed, whereby the effect on third parameters is determined by means of FEM analysis.

Die dritten Parameter können dynamische Parameter sein, insbesondere Schwingungsamplitude und/oder Resonanzfrequenz und/oder Schwingungsmodus (transversal, axial) und/oder Eigenschaften von Oberschwingungen. Sie können zu einer bekannten oder gegebenen dynamischen Anregung (die als erster Parameter fest oder als zweiter Parameter veränderlich sein kann) ermittelt worden sein. The third parameters may be dynamic parameters, in particular oscillation amplitude and / or resonance frequency and / or oscillation mode (transversal, axial) and / or properties of harmonics. They may have been determined to be a known or given dynamic excitation (which may be fixed as a first parameter or as a second parameter).

Die dynamische Anregung kann durch einen geeigneten Aktor hervorgerufen werden. Es kann sich beispielsweise um einen Piezo-Aktor handeln. Die zu verändernden Parameter können automatisch wählbar sein, sowohl was qualitativ den Parameter selbst als auch dessen Änderungsrichtung angeht. Es können aber auch Vorgaben eingegeben werden, gegebenenfalls auch wiederholt. The dynamic excitation can be caused by a suitable actuator. It may, for example, be a piezo actuator. The parameters to be changed may be automatically selectable, both in terms of quality of the parameter itself and its direction of change. However, specifications can also be entered, if necessary also repeated.

Mittels FEM wird eine bestimmte (gegebenenfalls schon veränderte) Konstruktion analysiert und insbesondere deren dritte Parameter ermittelt. Mindestens diesbezügliche Ergebnisse (also Verhalten des/der dritten Parameter(s)) und Konstruktionsparameter (bzw. geänderte Parameter) werden gespeichert. Nach Maßgabe des Ergebnisses kann ein neuer Durchlauf der FEM-Analyse vollzogen werden, etwa dergestalt, dass der schon vorher veränderte Parameter in die gleiche Richtung weiter verändert wird, wenn sich der gewünschte dritte Parameter in gewünschter Weise geändert hat. Wenn sich dagegen der untersuchte dritte Parameter verschlechtert hat, kann zurück zur vorherigen Konstruktion gegangen werden und ausgehend von dieser ein anderer Parameter verändert werden. FEM is used to analyze a specific (possibly already modified) construction and, in particular, to determine its third parameter. At least related results (ie behavior of the third parameter (s)) and design parameters (or changed parameters) are stored. In accordance with the result, a new run of the FEM analysis can be performed, such that the previously changed parameter is further changed in the same direction if the desired third parameter has changed in the desired manner. If, on the other hand, the examined third parameter has deteriorated, it is possible to go back to the previous construction and change another parameter based on this.

Es hat sich insgesamt gezeigt, dass auf diese Weise theoretisch Werkzeugkonstruktionen analysiert werden können, wobei die Analyseergebnisse vergleichsweise gut mit realen Verhältnissen übereinstimmen. Overall, it has been shown that theoretically tool designs can be analyzed in this way, with the analysis results matching relatively well with real conditions.

4 zeigt schematisch die Einsatzweise eines Werkzeugs. Das Werkzeug 10 selbst ist mittels einer Schraube 41 oder einer sonstigen Befestigungseinrichtung an einer Befestigungseinrichtung 42 befestigt, die am Abtriebsende 43a eines Aktors 43 befestigt ist, dessen anderes Ende seinerseits an einem stationären Konstruktionsteil 44 befestigt ist. Dieses wiederum kann mit der nur schematisch gezeigten Aufnahme 45 einer Werkzeugmaschine verbindbar sein. Es kann sich hier um Standardkupplungen handeln, etwa HSK-Kupplungen. 4 schematically shows the manner of use of a tool. The tool 10 itself is by means of a screw 41 or another fastening device on a fastening device 42 attached to the output end 43a an actor 43 is fixed, the other end in turn to a stationary structural part 44 is attached. This in turn can with the only schematically shown recording 45 be a machine tool connectable. These may be standard couplings, such as HSK couplings.

47 deutet nur schematisch eine Energieversorgung für den Aktor 43 an. Es kann sich um eine induktive Energieversorgungseinrichtung handeln, die ohne schleifende Kontakte auskommt. 47 ist die empfängerseitige Komponente, die induktiv Energie empfängt, diese geeignet formt und dann über nicht gezeigte Verbindungen dem Aktor 43 zur Verfügung stellt. Nicht gezeigt ist eine ebenfalls vorhandene Sendeeinrichtung, die stationär an der Werkzeugmaschine 45 angebracht sein kann. 47 only schematically indicates a power supply for the actuator 43 at. It can be an inductive power supply device, which manages without sliding contacts. 47 is the receiver side component, which inductively receives energy, this forms suitable and then the actuator via not shown connections 43 provides. Not shown is also an existing transmitting device, which is stationary on the machine tool 45 can be appropriate.

49 symbolisiert ein Werkstück auf einem Werkstücktisch 46. Werkstücktisch 46 und Werkzeugaufnahme 45 sind Teile eines Maschinenrahmens. Das Werkzeug selbst kann nicht reversierend rotatorisch angetrieben sein, im Koordinatensystem der 4 also um die z-Achse. 45 ist dann vorzugsweise eine sich drehende Maschinenspindel, die ihrerseits an einer festen Aufnahme des Maschinenrahmens drehbeweglich gelagert ist und von dort angetrieben wird. Der Aktor 43 bewirkt vorzugsweise eine reversierende Schwingung in z-Richtung, also vertikal in der Zeichenebene. Am Werkstück 49 ergibt sich dann eine überlagerte Relativbewegung, die einerseits die reversierende und amplitudenoptimierte Schwingung in z-Richtung aufweist, und die andererseits die kontinuierliche Drehbewegung des Werkzeugs um die z-Achse herum aufweist, also eine Bewegung in der x-y-Ebene. 49 symbolizes a workpiece on a workpiece table 46 , Worktable 46 and tool holder 45 are parts of a machine frame. The tool itself can not be rotationally driven reversing, in the coordinate system of 4 So around the z-axis. 45 is then preferably a rotating machine spindle, which in turn is rotatably mounted on a fixed receptacle of the machine frame and is driven from there. The actor 43 preferably causes a reversing oscillation in the z-direction, ie vertically in the plane of the drawing. On the workpiece 49 then results in a superimposed relative movement, on the one hand has the reversing and amplitude-optimized oscillation in the z-direction, and on the other hand, the continuous rotational movement of the tool around the z-axis has around, ie a movement in the xy plane.

Statt des in 4 gezeigten Bohrers kann am Abtriebsende auch eine Schleifscheibe befestigt werden, wie sie in 3 gezeigt ist.Instead of in 4 shown drill can be attached to the output end also a grinding wheel, as in 3 is shown.

Die beschriebenen Werkzeuge werden im Betrieb neben vibrierend auch noch kontinuierlich bewegt. Die Bohrer drehen sich um die jeweils gezeigte Achse. Gleiches gilt für die gezeigten Schleifscheiben, die oberflächenfein polieren können. The tools described are moved while vibrating in addition to continuous operation. The drills rotate around the axis shown. The same applies to the grinding wheels shown, which can polish the surface to perfection.

Die beschriebenen Werkzeuge weisen verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Vibrationsamplitude auf. Das beschriebene Verfahren führt zu Werkzeugkonstruktionen, deren theoretische Eigenschaften mit den real vorhandenen gut übereinstimmen, so dass man schneller als bisher optimierte Werkzeuge entwerfen kann.The described tools have improved vibration amplitude characteristics. The method described leads to tool designs whose theoretical properties are in good agreement with the real ones, so that one can design tools that are more optimized than previously.

Claims

Tool for vibrating a workpiece in a processing machine, with a machine-side area ( 11 ) and a workpiece side area ( 12 ), which is an aufzusetzende on the workpiece annular machining surface ( 13 ), characterized in that the inner length (li) of the tool is outside a range whose lower limit is 25 mm and / or whose upper limit is 45 mm, and / or the ratio of inner length (li) to outer diameter is outside a range, whose lower limit is 0.45 or 0.35 and / or whose upper limit is 0.8 or 0.9 or 1.1.

Tool ( 10 ) according to claim 1, wherein the workpiece-side region ( 12 ) is formed with a hollow cylindrical, preferably constant cross-section.

Drills ( 10 ) for vibrating a workpiece in a processing machine, preferably according to claim 1 or 2, with a machine-side area (FIG. 11 ) with a transverse plate transverse to the axis of rotation of the tool, and a hollow-cylindrical workpiece-side region ( 12 ), which can be applied to the workpiece elongated or curved processing surface ( 13 ), characterized in that the transverse plate has a radially over the outer circumference of the hollow cylindrical workpiece side area ( 12 ) reaching supernatant ( 17 ) having.

Drill according to Claim 3, in which the transverse plate ( 15 ) has a circular outline with a diameter (dg) greater than the outer diameter (da) of the hollow-cylindrical workpiece-side area (FIG. 12 ).

Drills ( 10 ) for vibrating a workpiece in a processing machine, preferably according to claim 1 or 2, with a machine-side area (FIG. 11 ) with a transverse plate transverse to the axis of rotation of the tool, and a hollow-cylindrical workpiece-side region ( 12 ), which can be applied to the workpiece elongated or curved processing surface ( 13 ), characterized in that the machine-side edge region of the transverse plate is chamfered or rounded, wherein the chamfer height in the axial direction or the radius of curvature amount to at least 30%, preferably at least 50% of the thickness of the transverse plate.

A tool according to one or more of the preceding claims, wherein the working surface or a part of the tool less than 20 mm or less than 10 mm above it has a first transverse dimension (Q) which is less than 2 mm, preferably less than 1.2 mm.

The tool of claim 6, wherein at least 50% of the wall portions of the tool cylinder spaced less than 20mm or less than 10mm from the working surface have the first transverse dimension (Q).

Tool according to one of the preceding claims, characterized in that the nominal diameter of the tool is in the range between 15 mm and 150 mm and the tool is a drill or a grinding wheel.

Drill according to claim 3 or 4, characterized in that the diameter (dg) of the transverse plate relative to the outer diameter of the hollow cylindrical workpiece side region ( 12 ) is increased by 1% to 10%, preferably 3% to 7%.

Tool according to claim 1, characterized in that the tool is a grinding wheel, wherein in the section parallel to the axis of the outer surface ( 32 ) at least in regions, in particular preferably at least in the region axially directly behind the processing surface ( 13 ), with the axis ( 19 ) include a first angle (α) which is at least 10 ° or at least 15 °, and which may be less than 60 ° or less than 50 °, and / or the inner surface ( 33 ) a convex area ( 31 ) which can partially or completely revolve around the inner circumference of the inner surface.

Tool for vibrantly machining a workpiece in a processing machine, preferably according to one or more of the preceding claims, with a machine-side region ( 11 ) and a workpiece side area ( 12 ), which is an aufzusetzende on the workpiece annular machining surface ( 13 ), characterized in that the tool is a grinding wheel, wherein in the section parallel to the axis, the outer surface at least partially, in particular preferably at least in the region axially immediately behind the working surface ( 13 ), with the axis ( 19 ) includes a first angle (α) which is at least 10 ° or at least 15 ° and which may be less than 60 ° or less than 50 °, and / or the inner surface preferably in a range between 10% and 90% of the inside height convex area ( 21 ) which can partially or completely revolve around the inner circumference of the inner surface.

Tool according to one or more of the preceding claims, which is designed for paraxial excitation, in which the excitation frequency lies within a range whose lower limit is and / or whose upper limit, the nominal excitation frequency is at most 90% of the resonant frequency.

Method of tool design, with the steps Inputting an initial tool design, inputting one or more first parameters of the tool or ranges of values for that to be adhered to, optionally inputting one or more second parameters of the tool that can be changed, including, if necessary, the direction of change, or target values or a Target value range of the second parameters, inputting one or more third parameters whose behavior is to be analyzed, changing parameters of the tool design, in particular possibly the second parameters, and analyzing the changed construction with the finite element method with regard to the third parameters, and storing the changed parameters and the analysis result.

The method of claim 13, wherein the first parameters have geometric parameters of the tool, and or the second parameters include dynamic parameters for a given dynamic excitation of the tool including one or more of the following parameters: Oscillation amplitude at one or more excitation frequencies or ranges thereof, resonance frequency or ranges thereof, vibration mode, harmonics.

Method according to claim 13 or 14, characterized in that it is applied iteratively in such a way that, in particular according to the analysis result, a tool design with changed parameters is taken as a new initial tool construction.