-
Schleifmaschine mit Ultraschallgenerator # Es ist eine Schleifmaschine
bekannt, bei der zwecks Verbesserung der Schleifwirkung irn Sinn einer glatt',ren
Werkstückoberfläche die Schleifscheibe wähiend ihrer Umdrehung in Richtung ihrer
Achse eine e szillierende Bewegung ausführt, die von einem an c er Antriebsspindel
der Schleifscheibe befestigten 1, #Itraschallgenerator erzeugt wird. Im Gegensatz
# gzu bezweckt die vorliegende Erfindung nicht das l',','Orzeugen von Längsschwingungen
einer Schleifeibe.
-
Es ist ferner eine Schleifmaschine bekannt, in eren Schleifscheibe
radiale Schwingungen erzeugt rerden. Dazu dienen in die Schleifsäheibe, eingesetzte,
arallel zur Schleifscheibenachse angeordnete Bolzen i #s magnetostriktivem Werkstoff,
z. B. Nickel, die von einem Magnetfeld hoher Frequenz zu radialen hwingungen angeregt
werden. Diese Schwingungen erden an die Schleifscheibe übertragen, so daß diese
i # ihrer radialen Ebene zwischen zwei unterschied-1 chen Durchmessern schwingt.
Dadurch wird die 1 chleifwirkung, insbesondere auch bei sehr harten
Werkstoffen, gegenüber den bekannten Schleifeaschinen wesentlich erhöht. Nachteilig
ist dabei der e 1 eheblidhe Bauaufwand für die Schleifscheibe infolge er
eingesetzten Bolzen sowie unter Umständen auftketende asymmetrische Verhältnisse
bei Ausfall bzw. ungleichmäßiger Verteilung der in die Schleifscheibe eingesetzten
Bolzen.
-
Ferner ist ein Ultraschallwerkzeug bekannt, bei dem dem Werkzeughalter
von einem Ultraschallgpnerator ebenfalls Längsschwingungen aufgedrückt werden. In
einem rechten Winkel zum Werkzeugh#Iter ist in einem Punkt größter Amplitude der
Längsschwingung das Werkzeug eingespannt, das somit ebenfalls zu Längsschwingungen
angeregt wird und zum Schneiden von Innengewinden dienen kann.
-
Es ist aus der Physik des Schalls bekannt, daß bei einem longitudinal
schwingenden zylindrischen Stab jeweils ein Schwingungsbauch der Längsschwingung
an den beiden Enden des Stabes auftritt, wenn die änge des Stabes gleich der halben
Wellenlänge ist uhd der Stab an beiden Enden frei schwingen kann. In der
Mitte des Stabes ergibt sich dann ein Knotenpunkt der Längsschwingung. Es läßt sich
feststellen, daß in dem Knotenpunkt in der Mitte des Stabes eine Kontraktion im
Durchmesser auftritt. Die Größe dieser Kontraktion ist abhängig von der Schwingungsamplitude,
dem Stabdurchmesser und der Poisson-Zahl, die das Verhältnis von Durchmesseränderung
zu Längenänderung angibt. Die Kontraktion in Xädialrichtung läßt sich errechnen.
Bei ansteigenden Di#rchmessem des Stabes ergibt sich ein Ansteigen der radialen
Amplitude. Die Amplitude erreicht ein Maximum bei einem Durchmesser, der abhängig
von der Schwingungsfrequenz ist, wobei die Frequenz der Längsschwingung im Stab
gleich der radialen Resonanzfrequenz des Stabes ist. Es lassen sich somit Radialschwingungen
in einem Stab erzeugen, der von einem Ultraschallgenerator zu Längsschwingungen
angeregt ist. Diese Radialschwingungen treten im Bereich der Knotenpunkte der Längsschwingung
auf.
-
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, Radialschwingungen
in der Schleifscheibe einer Schleifmaschine in einfacher und zweckmäßiger Weise
zu erzeugen. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Anwendung einer Ultraschall-Schwingungseinrichtung,
bei der die axialen Längsschwingungen infolge Querkontraktion bzw. Querverdickung
in einem Schwingungsknoten zur radial gerichteten Schwingung führen, an einer Schleifmaschine
mit rotierend angetriebener, zwischen Antriebsende und Schleifscheibennabe den Ultraschallgenerator
tragenden Schleifspindel unter Anordnung der Radialebene von Nabe und Schleifscheibe
in Schwingungsknoten gelöst.
-
Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß zur Erzeugung von radialen Schwingungen
in einer Schleifmaschine die Schleifscheibe sehr einfach ausgebildet sein kann.
Ferner vermittelt die Schleifmaschine gemäß der Erfindung eine sehr gute Schleifwirkung,
ohne daß die Werkstückoberfläche unzulässig erhitzt oder beschädigt wird. Die Abnutzung
der Schleifscheibe ist vermindert. Die erhöhte
Schleifwirkung trifft
insbesondere beim Schleifen von sehr harten Werkstoffen ein. Die Durchmesseränderung
der Schleifscheibe beim Schwingen in radialer Richtung ist über den gesamten Umfang
hinweg völlig gleichmäßig. Schließlich ist auch die Anpassung des Ultraschallgenerators
erleichtert.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend an Hand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer Schleifmaschine,
F i g. 2 einen Längsschnitt durch den Antrieb der Schleifmaschine nach F
i g. 1,
F i g. 3 einen Längsschnitt durch die Schleifscheibe
und ihre Nahe, F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 in F i
g. 2, F i g. 5 eine schematische Darstellung der Schleifscheibe und
F i g. 6 und 7 Schnitte von zwei anderen Ausführungsarten der Schleifscheibennabe.
-
Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt
die Schleifmaschine, die mit Ultraschallschwingungen arbeitet, einen Ständer
10 mit Schienen, längs denen der Schlitten 12 auf bekannte Art mittels eines
Handrades 14 vertikal verschoben werden kann. Der Arbeitstisch 16 kann in
horizontaler Richtung auf den Ständer 10 zu oder von ihm weg auf Schienen
18 gleitend bewegt werden. Diese Anordnung des Arbeitstisches und der Schleifmaschine
ist bekannt. Ein zu bearbeitendes Werkstück W ist auf dem Arbeitstisch befestigt
und 'kann erforderlichenfalls durch einen vom Arbeitstisch getragenen Schwinger
T, selbst Ultraschwingungen unterworfen werden.
-
Das Teil D für den Antrieb besitzt (F i g. 2) eine Schleifspindel
20, die sich um ihre Längsachse 22 dreht. Die Länge dieser Schleifspindel ist derart
bemessen, daß, wenn sie mit ihrem Teil G mit dem Ultraschallgenerator T2
verbunden ist, ihr äußeres Ende 26 eine Schwingung mit einer Frequenz von
ungefähr 20 000 Hz ausführt und sich in einem Schwingungsbauch befindet.
Das Ende 24 der Schleifspindel ist an dem Ultraschallgenerator T2 befestigt.
-
Die Schleifspindel 20 hat einen Flansch 28. Dieser Flansch
schneidet die Achse 22 der Schleifspindel 20 genau in einem Knotenpunkt der Schwingung.
Bekanntlich ruft ein Zusammenpressen in einer Richtung eine Ausdehnung in einer
dazu senkrechten Richtung in einem Werkstück hervor. Das gegenseitige Verhältnis
ergibt sich unter anderem aus der Poisson-Zahl. Da der Flansch 28 genau in
der die Achse 22 in einem Knotenpunkt schneidenden Ebene gelegen ist, ergeben sich
keine Schwingungen längs der Achse, aber Radialschwingungen in dem Tragflansch als
Ergebnis der Wirkung des Schwingers T.. Dieser Flansch 28 ist an einem Lagerring
32 unter Zwischenschaltung eines Ringes 34 aus schwingungsdämpfendem Material
mittels Schrauben 36 befestigt. Auf diese Art sind die auf den Lagerring
32 übertragenen Schwingungen minimal.
-
Der Lagerring 32 besitzt eine Ringnut 38 mit einer Umfangsfläche
40, die in einem zweiteiligen Lagerkörper, dessen einer Teil 46 mit dem Kopf 12
der Maschine fest verbunden ist und dessen zweiter Teil 48 (F i g. 4) mittels
Schraubenbolzen 50 an seinem Platz gehalten ist, drehbar gelagert ist. Die
Schmierung des Lagers erfolgt durch den Eintritt 52 über Kanäle
54, 56, 58 und 60 und den Austritt 62. Dichtringe
64 sind an der Verbindungsstelle zwischen den beiden Teilen des Lagerkörpers 44
angeordnet, um das Lecken von Schmiermittel zu vermeiden.
-
Der Lagerring 32 wird durch einen zylindrischen Teil
66 in Rotation versetzt, der den Ultraschallgenerator T, umgibt, und dessen
entgegengesetztes Ende von einem Lagerbock 68 getragen ist. Der zylindrische
Teil 66 ist an einem Ende durch ein Abschlußstück 70, an dem eine
Tragnabe 72 mittels Schraubenbolzen 74 befestigt ist, abgeschlossen. Die
Tragnabe 72 besitzt eine Verlängerung 76 verringerten Durchmessers,
die sich in der Lagerhülse 78 des Lagerbockes 68
drehen kann. Eine
Schulter 80 und eine Zwischenscheibe 82 auf der einen Seite und ein
Bund 84 und eine Zwischenscheibe 86 auf der anderen Seite verhindern Längsbewegungen
der Nabe 72. Auf dem Grund des Absatzes 90, 94 ist eine Riemenscheibe
92
angeschraubt. Isolierstoffteile 100 sind zwischen den Schleifringen
96 und 98 für den elektrischen Anschluß des Ultraschallgenerators
angeordnet, der mit einer Wechselspannungsquelle durch Bürsten 116
über Leitungen
118, 120 verbunden ist.
-
Der Ultraschallgenerator T, wird durch ebene Lamellen 104 aus magnetostriktivem
Material gebildet, die starr, z. B. durch Löten, an der Stirnfläche 24 der Schleifspindel
20 befestigt sind.
-
Die Schleifscheibe A ist am Umfang der Nabe 122 auf einem Flansch
124 starr befestigt. Die Nabe 122 ist lösbar an der Stimfläche 26 der Schleifspindel
20 befestigt. Der Flansch 124 liegt in einer Radialebene, in der die Längsschwingungen
einen Knoten bilden. Die, radialen Schwingungen werden deshalb in dem radialen Flansch
124 erzeugt und quer durch diesen auf die Schleifscheibe A übertragen.
-
Damit die Schwingungen von dem metallischen Teil des Flansches 124
auf die Schleifscheibe A wirksam übertragen werden, wird die mechanische
Impedanz Z" der Schleifscheibe A gleich der Impedanz der Nahe Zh gewählt.
Diese Impedanzen sind durch die folgenden Formeln gegeben (F i g. 5):
Hierbei ist X, er Radius eines gedachten Flansches, der eine der Periode
der Längsschwingung in der Nabe entsprechende Periode der Radialschwingung besitzt;
X# der Außenradius einer Schleifscheibe, die eine der Schwingungsperiode der Nahe
entsprechende Periode besitzt; A" die Umfangsfläche einer Nabe, die
einer Nabe mit den gewünschten Abmessungen entspricht; AW die Umfangsfläche der
Nabe; Yh der Young-Modul des Nabenwerkstoffes; Y" der Young-Modul der Schleifscheibe;
Ch die Schallgeschwindigkeit im Nabenwerkstoff; C, die Schallgeschwindigkeit
in der Schleifscheibe; W, die Winkelfrequenz (23tf) der Schwingung des gedachten
Systems Generator-Nabe in einem einzigen Werkstoff;
W#, die Winkelfrequenz
(2nf) der gewünschten Schwingung der zusammengesetzten Nabe; X" die Änderung
für die Größe X, um X der Schleifscheibe mitX", = X2
- (X, - Xl), bei Zh = Z" zu erzielen. Zur Verbindung
zwischen Schleifscheibe und Nabe kann ein festes Bindemittel, z. B. Epoxyharz mit
niedriger Polymerisationstemperatur, nämlich unter der bei 60" C, verwendet
werden.
-
Vorteilhafterweise sind die Umfangsflächen der 1 c ei
s eibe A und des Flansches 124 kegelstumpförmig und einander angepaßt.
Dann wird das Bindeittel, das auf jede der Flächen vor dem Verbinden ufgetragen
wird, im Augenblick des Verbindens nicht on diesen Flächen weggewischt, was der
Fall wäre, lenn die Flächen zylindrisch sind; ein Winkel von ngefähr 100
ist ausreichend. Ferner ist eine rauhe Infangsfläche des Flansches 124 günstig.
-
In F i g. 3 ist eine zusätzliche Lagerung dargestellt, ie aus
einem Bolzen 132 besteht, welcher in eine ängsbohrung 128 greift,
die bis zur Flanschebene 1 ingearbeitet ist. Ein Kunststofflagerring
130 ist auf ein äußeren Ende des Bolzens 132 angeordnet und egen Verschiebungen
in Achsrichtung durch eine chulter 134 des Schaftes 132 und durch das Stirn-##ride
der Bohrung 128 gesichert. Der Bolzen 132 hat einen Bund
136 für die Befesti ng am Träger 138.
9u Gemäß der Ausführungsart nach
F i g. 6 hat die metallische Nabe 144 der Schleifscheibe einen inneren Teil
145 und einen gegenüber diesem durch einen gingspalt 147 getrennten äußeren Teil
146. Die Querschnittsfläche des ringförmigen äußeren Teils 146 ist gleich derjenigen
des inneren Teils 145, und der Ringspalt 147 legt die Radialebene, in der sich die
Schleifscheibe befindet, genau in Höhe eines Knotenpunktes 148 der Längsschwingung
in der Nabe fest.
-
Gemäß der Ausführungsart nach F i g. 7 hat die Nabe
150 eine Aushöhlung 152, deren Scheitel im axialen Knotenpunkt bei
153 in der Ebene der Schleifscheibe 154 liegt. Bei dieser Ausführungsart
ist die Schleifscheibe an einem gesonderten metallischen kegeligen Ring
156 befestigt, der zusammen mit dem Schleifring 154 an der Nabe durch einen
mittels Schraubenbolzen 159 befestigten Ring 158 starr, aber lösbar
gehalten wird.