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Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf
Ultraschall-Bearbeitung /ultrasonic machining/ von harten Materialtn,-beisp-ielsweise*
Keramikstoffen, und auf sich hierfür eignende Bearbeitungseinrichtungen oder -geräteo
Ausführungsformen von Ultraschall-Bearbeitungsmaschinen eLnd in der britischen Patentschrift
987 801 der Anmelderin beschrieben. Bei der beschriebenen Maschine wird die Rate
des
Werkzeugvorschubs . durch das Hinzufügen oder Wegnec:unen von
Gewichten (zu oder) von einer Gegenlast bestimmt, welche der Be.-weg,ung der bearbeitenden
Last entgegenwirkt" Die Gewichtänderungsmethode hat sich als zufriedenstellend erwelisen,
erfordert aber die Verwendung einer großen Auswahl von Gewichten, um die Empfindlichkeit
zu gewährleisten, welche zur Deckung des Bereichs (bzw. für den Bereich) der :flerkzeugdurchmesser
erforderlich ist. Falls die Rate der Entfernung von Material die Rate des Vorschubs
übersteigt, bringen unstabile Zustände ein Schlagen, Zittern oder Rattern des Jerkzeugs
mit sich. Falls auf der anderen Seite die Vorschubsrate die Schneid- oder Schleif-Leistungsfähigkeit
des Ultraschall-Leistungsausgangs überschreitet, welcher die Amplitude des Übertragers
/transducer/ beherrscht, zeigt die Schleifaktion. die Tendenz, zusammen mit der---Resonanz
nach dem Übertrager-Kopf infolge des Nichtvorhandenseins von Spielraum zwischen-Sonde
bzw. Werkzeugspitze /probe/ und Werkzeug zum Stillstand' zu kommen. Es -ist auch
erwünscht, der Möglichkeit von Bruch und Abbröcklung /shipping/ des Werkstücks nach
den Durchbruch bzw. Durchstoßen der -"Verkzeugspitze auf ein Minimum entgegen-,
zuwirken, und dies kann dadurch erreicht werden, daß sichergestellt wird, daß die,Werkzeug-Vorschubrate
mit der Rate der Materialentfernung übereinstimmt Es ist Aufgabe der Erfindung,
ein Ultraschall-Bearbeitungsgerät zu schaffen, welches eine verbesserte Form der
Vorschubratenkontrolle bzw; -regulierung aufweist.
Erfindungsgemäß
weist eine Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung ein durch bzw. mit Schleifmittel
imprägniertes Werkzeug, einen Ultraschall-Generator zum Lktivieren der i.Yerkzeugsp
itze, Mittel zum Drehen des Werkzeugs relativ zum VTErkstück sowie Mittel auf, um
die Werkzeugspitze auf das Werkstück zu mit einer Rate (oder Ausmaß) vorzuschieben,
welche der Rate der Materialentfernung vom Werkstück pnportional ist.
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Vorzusweise sind das Werkzeub und.die Ultraschall-Übertrager-Einheit
vertikal bewegbar, und ;yu-,ch eine I=@asse, welche an oder auf einem Kolben gehalten
wird, wird eine Gegenlast bzw. ein Ausgleich gegenüber dieser Einheit geschaffen,
wobei btrömungsmittel-Druckeinrichtungen vorgesehen sind, um so de:1 Kolben in einer
kontrollierten Weise zu halten und zu bewegen: Der Kolben besteht aus einer Scheibe,
welche mit losem Gleitsitz in einer zylindrischen $oh-ung angeordnet ist, und die
Strömunggsmit tel-Druekeinriehtungen enthalten. eine- Pumpe welche in einen Strömungsmittel-Kreislauf
eingebracht ist und Strömunösmittel nach der Unterseite des Kolbens fördert, sowie
ein Drucksteuerventil, welches einen Strdmungsrnittelaustritt voin Kreislauf her
regelt.
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Zur Verdeutlichung der ürfindung wird nunmehr einte Ausführungsform
der Erfindung anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher beschrieben,
und zwar zeigst
rig. 1 eine geschnittene Ansicht .eines Ultraschall-Bearbeitungskopfes,
Fig. 2 eine schematische Ansieht einer Ultraschallwerkzeugmaschine, die das Vorschubsteuersystem
veranschaulicht, während die Fgn. 3 bis 10 verschiedene--Ausführungsformen von Werkzeugeinsätzen
wiedergeben, die sich für Ultraschall-Bearbeitung eignen.
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Die Werkzeugmaschine weist einen U], _#raschall-Bearbeitungskopf auf,
der zur Ausführung einer Vertikalbewegung über einem Kreuzschlitten-Arbeitstisch
angebracht' ist. Das Werkzeug ist an bzw. über einem Gehäuse bzw. Schrank montiert,
das bzw.-der einen Ultraschall-Generator, Verstellgetriebe, Hydrauliktänk und Pumpen
enthält.
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Der Ultraschall-Bearbeitungskopf weist einen Kristall-Ultraschall-Übertrager
oder--sender /crystal type ultrasonic transducer/ und einen Schallkonverter /sonic
converter/, auf,, welche mit einem länglichen zylindrischen Gehäuse 1 drehbar gehalten
werden. Der Übertrager und Konverter werden mittels eines Elektromotors 2 zusammen
in Drehung versetzt, wobei die Einheit durch eine Klauenkupplung 3 hindurch angetrieben
wird, welche am Ende der Motorwelle befestigt ist.
ylie sich besonders
aus Figo` 1 ergibt,. befindet sich der Übertrager in einer zylindrischen Hülle 4welche
an einer Ebonit-bzw. Hartgummi-Antriebswelle 5 befestigt ist, und zwar mittels eines
rl.schbauteils 6, der mit der Welle 5 einstückig ausgebildet ist. Ei.ne@Gruppe von
vier Kupferschleifringen 7, welche mittels Isolierzwischenringen 8 voneinander getrennt
sind, sind an der und um die Welle 5, angrenzend an den. Flansch 6, befestigt. Elektrische
Adern g sind individuell mit der unteren Fläche jedes der Schleifringe 7 verbunden,
und jede Ader verläuft längs eines separaten Durchgangs, welcher in der Welle 5-nach
dem Inneren der Hülle 4 vorhanden ist. Die Welle 5 ist über den Schleifringen 7
und Zwischenringen 8 auf einen kleineren Durchmesser abgestuft bzw. reduziert, und
ein Kugelkranzeinsatz 10 ist zwischen-dem letzten Zwischenring und einer Buchse
11 angebracht.
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Der Schallkonverter 12 ist am freien bnw. offenen Ende -des
Übertrager-Gehäuses befestigt, und das äußere Ende des Konverters 12 weist ein Teilstück
14-mit reduziertem Durchmesser auf. Das Ende des Teilstücks 14 ist mit einer mit
Gewinde versehenen Bohrung ausgestattet, in welcher viele unterschiedliehe Schleif-
oder Schneidwerkzeuge /abrasive grobes/ 15 befestigt werden könnexi.
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In der=Übertrager-Hülle 4 ist ein Kristall-Ultraschall-Übertrager
(nicht dargestellt) in bekannter Weise am Konverter 1,2 befestigt, wodurch beim-Betrieb
der Übertrager jtesonanz im Konverter 12 aufbaut bzwo hervorruft. Ein Kühlungs-Motor
und
ein Gebläse /fan/ (nicht dargestellt) ist ebenfalls im Gehäuse
.untergebracht; der Kühl-Motor ist am Flansch-Bauteil-6 befestigt, und das Gebläse
ist in dem Bereich einer Gruppe von Durchlässen 16 in der Übertrager-Hülle lokalisiert.
Es besteht keine Antriebsverbindung zwischen dem Gebläse und dein Übertrager. Zwei
der Adern 9 sind mit dem Kühl-Motor verbunden, und die anderen beiden Adern g führen
zum Übertrager. Ein Kugelkranz 17 hält den Konverter 12 drehbar an einer Stelle,
welche beim Betrieb einer Stelle. minimaler Vibration des_ Konverters 12 entspricht.
Der Kugelkranz 17 ist in dein Ende des Gehäuses 1 mittels einer mit Gewinde
versehenen-Endkappe 18 lokalisiert, und das andere Ende des Gehäuses 1 ist mit einem
Außenflansch=Bauteil 19 verlötet oder verschweißt. Der Bauteil 13 ist mit vier ;3chrauben
20, welche gleichmäßig um den Flansch herum angeordnet sind, am Gehäuse des Motors
2 befestigt.
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Das Gehäuse 1 ist mit einer ersten Gruppe von Durchlässen 21 versehen,
welche mit den Durchlässen 16 in der Übertrager-Hülle fluchten. Eine zweite
Gruppe von Durchlässen 22 ist im Gehäuse 1 an einer Stelle vorhanden, welche einer
Stelle maximaler Vibration des Schallkonverters entspricht.
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Eine Vierstift-Steckdose-42 ist an einer Verlänäerung .des Motorgehäuses
befestigt, und jeder'Stift der Steckdose ist mit dem entsprechenden Schleifring
durch vier herkömmliche unter Federspannung stehende Büreten-B"utei-Ie.43 hindurch.
elektrisch verbunden.
Der Generator wandelt einen elektrischen Eingang
von 200-250 Volt bei 56-60-Hertz in Ultraschall-Zeistung bei 20 Kilohertz: um, wobei
ein elektrischer Durchschnittsausgang von 100 W mit. einer, Spitze von 200 W erzielt
wird. Die Anolitude reicht von 0,00025 bis 0,0005 Zoll (0,00635 bis .0,0127 mm).
Wenn man einen icalibrierten /calibrated/ Stufenschalter verwendet, kann der Leistungsausgang
des Generators auf acht verschiedene Stufen bzw. Grade zwischen 0 und 100W eingestellt
werden. Eine Frequenzeinstellung /tuning control/ und ein Amperemeter ermöglichen.ene
leichte Einstellung auf die wirkungsvollste Frequenz zum Bearbeiten:. Die Maschinenkopf-
und Antriebsmotor-Bauteilgruppe ist an einer linearen Kugelgleitbahn /linear ball
slicte/ 23 angebracht, welche an einer Kopfkonsole 24 eines herköimmlichen säulenartigen
Rohrständers 25 befestigt ist. Die Konsole kann durch Drehung des Handgriffs 26
in üblicher Weise an der Säule auf und ab bewegt werden. Der Kopf wird in Form einer
Masse 27 mit einer Gegenbelastung versehen, welche mittels eines biegsamen. Kabels
oder Seils 28 mit dem: Kopf in Verbindung steht: Das Seil läuft über Führungsrollen
29, welche an_ vorragenden Teilstücken der Konsole gelagert sind. Die.Gegenlast-Yiasse
27 ist etwa 5 bis S lbs.
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(2 ?,70 bis 3 630 g) schwerer als der Kopf und weist ein zylindrisches
Bleigewicht /lead weibht/ und .einen Kolben 30 auf. Der Kolben, in Form einer Scheibe
ausgebildet, welche einen größeren-Durchmesser als-das Bleigewicht aufweist, hat
einen losen Gleitsitz m einer zylindrischen Bohrung 31, welche. sich in einer Hülse
32 befindet. Die Hülse 32 ist wiederum in einem tankartiger,
Umhüllungsbauteil
33' untergebr,--,cht,: welcher an der Kopf-Konsole 24. befest.t ist. Ein Armkreuz-Bauteil
/spider member/ 3q-, welcher all der-Spitze der zylindrischen Bohrung lokalisiert
ist, gewährleistet eine Zentralisierung des Bleigewichtes in Bezug auf die Bohrung:
Bei dem beschriebenen Gerät-weist das Bleigewicht eineu Durchmesser von 2,5" (64
mrn) und der Kolben einen Durcl-messer von 3" (76 inm) auf.
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Das untere Ende der .7ohruiz,; steht iiiit einem hydraulischen Zuführsystein
über eine Flüssigkeiti] eitunt5 35 in Ver*Lindui,.@. Das Hydraulil-,system weist
eine Flüssigkeitspumpe 36 und einen Behälter oder Speicher 37 auf. ;sie Pumpe ist
zeit dem S_eicher über eine Einlaßlcitung 38 verbunden und fördert >zwo entleert
zurück nach dem Speicher über eine Äüslaßleitung 39. Die n4.i;e der l'lüssigiLeitsabgabe
wird durch ein Ventil 4C, das in der Leitung 39 lokalisiert ist, -,e:Yteuert. Die
I_'lüssig keit::lcitüi"= 35 Un c@ stellt mit der Leitung 39 in Verbinduilv/liefert
w@lüssigkeit ncch der Unterseite des Kolbens. Die FlüssiLkeit fließt am Kolben vorbei
bzw. tritt am Kolben aus, entleert sich aus dem oberen Teil des Zylinders in den
I3iiil-iil.l-un t--,sba.uteil 33 und kehrt dann über eile Leitung 41 nach dem Speicher
zurück. Ein Druc,iiie.3ser q.` . ist in der Zeitung 35 voze.e;3elieii, um die riciitiLe
.rein stellun, des Ventiles 40 zu eri :ichtern, und die Flüj sigkeitsl.c@itun_eii
35 und 4.1 sind in -einer biegsamen Dauart vorg cselicn, um eilte vertiuzulc":sexi.
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kale Einstellung der 1'op-C-Konsole 24
Beim Betrieb
liefert die Pumpeinheit Flüssigkeit -- in Farm von leichtem Mineralöl -- bei Drücken
von bis zu 60 psi (4,2 kg/cm 2) nach dem Volumen unter dem Kolben 30. Der Druckmitteldruck
wird mittels Ventil 30 einreguliert, bis der Druck gerade ausreicht, um die
Gegenlast-Masse zu halten'. Durch weitere Einstellung des Ventils 30 kann der Werkzeug-Kopf
mit einer Rate gesenkt werden, welche mit der Rate der Materialentfernung in Beziehung
steht und die für ein besonderes Werkstück gewünscht wird, wobei die Werkzeugfläche,
welche in Kontakt mit dem. Werkstück oteht, in Betracht gezogen werden muß.
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Das Vorsehen einer konstanten bzw. gleichbleibenden Flüssigkeitsströmung
ara Kolben vorbei reduziert jede Neigung zu einer erratischen bzw. unkontrollierten
Bewegung des Kolbens und des Gewichtes und verhindert, daß ein örtlicher Druck .-an
den Werkzeugflächen aufgebaut wird, wodurch während des .ganzen Bearbeitungsvorgangs
eine gleichmäßige Schneidrate gewährleistet wird. ' Bei Benutzung geeigneter Werkzeuge
kann die Maschine verwendet werden, um Bohr-, Abschle f--bzw.-Fräsarbeiten und Schraubengewinde-Arbeitsgänge,
d.h. Vorgänge zum Zierstellen von Schraubengewinde an Materialien,- wie beispielsweise
Glast Aluminiumoxyv4 und nukleare Keramikstoffe /nuclear ceramics/,, m durchzuführe,
. Im allgemeinen weht j--®des Werkgaug einen kreisförmigen 4Jueraahnitt auf, wird
aus dtabstahl hergestellt und so ausgebildet, 'daß to der' gewünschten
Form eines Bearbaitungevorganga
angepaßt ist. Das Werkzeug
kann mit einem hohlen oder vollen Schaft 51 versehen sein, und das obere Endstück
52 des ächafteN ist mit einem üchraubengewinüe versehen, so daB es lnit einer mit
Gewinde versehenen Bohrung im Ulfraschall-übertragerhorn bzw. -vors-rung verschraubt
werden kann. Jeder Schaft ist mit einem Schulterteilstück 53 versehen, das am Horn
anliegt. üc.ch dem Formvorgang wird die Spitze oder die Schneidfläche 54 auf jedem
Werkzeug mit einem Diamantschleifmittel impräniert bzw. belegt, und zwar vorzugsweise
durch elektrisches Aufle"en /by electrodepositing/ einer Schicht aus Diamantstaub
von etwa 0,ß05 Zoll (0,127 mm) Stärke-auf die besagte Oberfläche.
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Die Fig. 3 läßt ein Werkzeug bzw. Werkzeug-Formstück erkennen, welches
sich für Bohrarbeiten, und falls es hont. ist, für Hohlbohrarbeiten eignet; die
Fign. 4 und 5 veranschaulichen Werkzeuge, welche zu Präsarbeiten verwendet werden
können, um T-förmige oder 82chwalbenschwanznuten herzustellen. Die rig. 6 zeigt
ein Werkzeug, welches verwendet wird, um V-förmige Nuten /vee-shaped grooves/ herzustellen
oder welches als Versenk-Werkzeug /counter sinking tool/ verwendet wird. Die fign.
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7 und 8 veranschaulichen Werkzeuge zum Schneiden von ei--igängigen
und mehrgärgLgen Gewinden, wobei die Gewindefori,len so hergestellt werden, daß
sie zu dem Winkel des zu schneidenden Gewindes passen. Die Fig. 9 gibt ein 2landrehweri,-.zeug
und die Fig. 10 ®in Werkzeug wieder, um Löcher oder Iluten mit abgerundeten Böden
herzustellen:
Bei Verwendung des Gerätes können genau dimensionierte
Bohrungen bzw. Löcher von 0,040 Zoll-bis -0,500 Zoll-(1 mm bis 12,7 mm) -vurchmesser
mit Tiefen, welche bis 'f Zoll (25,4 mm) reichen, ohne Schwierigkeit in Glas und
verschiedezie- nukleare Keramikstoffe .gebohrt werden. =Beispielsweise wurden Löcher
mit 3/8 Zoll (9,5 mm) -Diurchmesser durch eine 3/i3 Zoll (9'5 mm) starke Glasplatte
sauber gebohrt, indem; ein diamantbelegtes hohles Werkzeug verwendet; wurde, welches
sich mit-l.«100 U/min drehte und mit maximaler tbertrager-Frequenz arbeitete. Der
H,ydraulikdruck wurde eingestellt auf 3 psi (0, 21 .kg/cm2 ) und die benötigte Zeit
betrug 1' Minute.
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Ferner wurden Bohrversuche mit einem 1/8 Zoll (3,18 mm) starken Stück
Aluminiumoxyd angestellt. Bei Verwendung von diamant-Delegten Hohlbohrern in der
Größenordnung von 1/8 Zoll bis 1/2 Zoll (3,1b bis 12,7 mm) Durchmesser, welche
bei maximaler Übertrager-r@requenz arbeiten, wobei cias Hydrauliksystem bei. 4 psi
(0,2t3 kg/cm 2) unter- Druck gesetzt ,wird,. liegt die wirkungsvollste Bohrgeschwindigkeit
bei 1.000 U/min. Unter diesen Umständen und Bedingungen wurde. das 1/,8 Zoll
(3,18 mm) starke Aluminiumoxyd in 1/2 i:iinute- pro Bohrung durchdrungen
bzw. durchbohrt, und zwar unabhängig von der Bohrergröße in diesem Bereich. Wenn
kleinere volle diamantbelegte Bohrergrößen von 0,040 Zoll bis 09080 Zoll
(1 mm bis 2 mm). vurohmesiser verwendet wurden, stieg die Bohrzeit auf 1 1/2 Minuten
pro Bohrung an.
Bei einem weiteren Bohrversuch rürden Löcher mit
einem Durchmes2er von 7/16 Zoll (11,11 mm) durch 1/2 Zoll (12,7 iimi) starkes
Aluminiumoxyd in 5 Minuten gebohrt, indem ein diamant-Uelegterhohler Bohrer verwendet
wurde,-und, zwar bezeiner Geschwindigkeit oder Drehzahl von _1000 U/min, einem hydraulischen
Druck von ¢ psi (0,28 kg/cm 2) sowie mit einer maximalen Übertrager-Frequenz.
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Die Erfindung betrifft auch Abinderürigen der im beiliegenden Patentanspruch
1 umrissenen Ausführun,_jforiil üid bezieht, sich vor allem auch auf sämtliche Erfindun;@smerkmale,
die ziu einzelnen -- oder in Kombination -- in der gesamten Beschreibung und Zeichnung
offenbart sind. Patentansprüche