DE202005000643U1 - Device for introducing an opening into a workpiece comprises a mechanical and/or thermal cutting unit for impinging a surface of the workpiece and/or an inner wall of the opening of the workpiece - Google Patents

Device for introducing an opening into a workpiece comprises a mechanical and/or thermal cutting unit for impinging a surface of the workpiece and/or an inner wall of the opening of the workpiece Download PDF

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Abstract

Device for introducing an opening into a workpiece (W) comprises a mechanical and/or thermal cutting unit (30) for impinging a surface (W'') of the workpiece and/or an inner wall (W''') of the opening of the workpiece. Preferred Features: The cutting unit produces a cutting laser beam. The device also has a processing tool formed as a sonotrode tool which is impinged by ultrasound oscillations produced by an ultrasound producing unit. The amplitude of the ultrasound oscillations is less than 50 mu m.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen einer Öffnung in ein Werkstück, die eine Ultraschall-Erzeugungseinrichtung und ein an diese gekoppeltes Sonotroden-Werkzeug aufweist, wobei das Sonotroden-Werkzeug durch von der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung erzeugte Ultraschallschwingungen beaufschlagbar ist, und die eine Vorschubeinrichtung zum Vorschub des Sonotroden-Werkzeugs gegen eine erste Oberfläche des Werkstücks aufweist.The The invention relates to a device for introducing an opening in a workpiece, the one ultrasonic generating device and a coupled thereto Sonotrode tool, wherein the sonotrode tool by ultrasonic vibrations generated by the ultrasonic generator can be acted upon, and the one feed device to feed sonotrode tool against a first surface of the workpiece having.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 101 44 136 der Anmelderin bekannt. Die in dieser Druckschrift beschriebene Vorrichtung erlaubt in einfacher Art und Weise die Herstellung von maßhaltigen Öffnungen in einem Werkstück, da bei dem bekannten Verfahren auf eine großflächige Erwärmung oder ein Anschmelzen des Werkstücks im Bereich der herzustellenden Öffnung verzichtet wird, indem das zu bearbeitende Werkstück nicht mehr im Bereich seiner herzustellenden Öffnung durch Ultraschall erweicht, sondern nur angeschmolzen wird.Such a device is known from DE 101 44 136 the applicant known. The device described in this document allows in a simple manner the production of dimensionally accurate openings in a workpiece, since in the known method is dispensed with a large-scale heating or melting of the workpiece in the region of the opening to be machined by the workpiece to be machined Softened in the region of its opening by ultrasound, but only melted.

Ebenfalls ist mit der bekannten Vorrichtung in vorteilhafter Art und Weise die Anbringung eines Prägeradius am Rand der Öffnung, insbesondere bei auch bereits lackierten Kunststoffteilen, möglich.Also is in an advantageous manner with the known device the attachment of a stamping radius at the edge of the opening, especially for already painted plastic parts, possible.

Die bekannte Vorrichtung ermöglicht es aber nicht, auf der gegenüberliegenden Seite der Öffnung oder in deren Innenwand eine Kontur auszubilden.The known device allows but not on the opposite side Side of the opening or in the inner wall to form a contour.

Die EP 1 468 794 schlägt nun vor, zusätzlich zum Sonotroden-Werkzeug ein Gegenlager zu verwenden, das mit einem entsprechend ausgeführten Profil versehen ist. Auf diese Art und Weise soll sich nach den Ausführungen in der vorgenannten Druckschrift auf der Innenseite der Öffnung von einer geraden Form abweichende Konturen realisieren lassen. Bei der Durchführung einer derartigen Vorgehensweise hat sich aber gezeigt, dass hierdurch eine Maßhaltigkeit der herzustellenden Öffnung nicht mehr gegeben ist und negative Auswirkungen auf die Form der durch das Sonotroden-Werkzeug hergestellten Öffnung auftreten.The EP 1 468 794 now proposes, in addition to the sonotrode tool to use a counter bearing, which is provided with a correspondingly executed profile. In this way, according to the statements in the aforementioned publication on the inside of the opening of a straight shape deviating contours can be realized. When carrying out such a procedure, however, it has been found that a dimensional stability of the opening to be produced is no longer present and negative effects on the shape of the opening produced by the sonotrode tool occur.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass in einfacher Art und Weise eine in einem Werkstück herzustellende Öffnung an mehr als einer Seite konturiert werden kann.It Now is an object of the present invention, a device of educate the aforementioned type such that in a simple Way to produce an opening in a workpiece More than one page can be contoured.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine mechanische oder thermische Schneidvorrichtung aufweist, durch die die Innenwand der im Werkstück hergestellten Öffnung konturierend beaufschlagbar ist.The inventive device is characterized by being a mechanical or thermal Having cutting device through which contouring the inner wall of the opening made in the workpiece can be acted upon.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen besitzen nun den Vorteil, dass in einfacher Art und Weise eine Konturierung der Innenwand der im Werkstück hergestellten Öffnung ermöglicht wird. Im Falle einer thermischen Beaufschlagung wird bevorzugt, dass ein Schneidlaserstrahl verwendet wird, der durch die gestanzte und ggf. verprägte Öffnung so zugeführt wird, dass er die Innenwand der Öffnung in einem entsprechenden Winkel trifft und das überschüssige Material durch einen Verbrennungs- oder Schmelzvorgang entfernt. Im Falle einer mechanischen Schneidvorrichtung wird bevorzugt, dass das Werkstück mit einem Schneidmesser mit entsprechender Schneidengeometrie zur Entfernung des übrigen Materials zur Ausbildung einer Innenkontur beaufschlagt wird.The inventive measures now have the advantage that in a simple way a contouring the inner wall of the opening made in the workpiece is made possible. In the case of thermal loading is preferred that a Cutting laser beam is used by the punched and possibly embossed opening like that is fed that he has the inner wall of the opening at an appropriate angle and the excess material is burned through a combustion or melting away. In the case of a mechanical cutter it is preferred that the workpiece with a cutting blade with appropriate cutting geometry for Removal of the rest Material is applied to form an inner contour.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem Ausführungsbeispiel zu entnehmen, das im folgenden anhand der Figuren beschrieben wird. Es zeigen:Further Details and advantages of the invention are the embodiment to be taken, which is described below with reference to the figures. Show it:

1: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung. 1 : a schematic representation of an embodiment of a device.

In 1 ist nun ein Werkstück W dargestellt, das auf einer Werkstückauflage 10 einer hier nur schematisch dargestellten Vorrichtung 1 zum Einbringen einer Öffnung in das Werkstück W positioniert ist. Die Werkstückauflage 10 weist eine Ausnehmung 11 auf, über der ein Sonotroden-Werkzeug 20 mit einem Bearbeitungselement 22, das im hier gezeigten Fall als ein Stanz- oder Schneidwerkzeug 21 ausgebildet ist, angeordnet ist. Das Stanz- oder Schneidwerkzeug 21 weist als Bearbeitungselement 22 eine messerartig ausgebildete Schneid- oder Stanzkante 22' auf, deren Kontur die Kontur der herzustellenden Öffnung festlegt. Das Sonotroden-Werkzeug 20 ist am Ausgang einer an und für sich bekannten und daher nicht dargestellten sowie beschriebenen Ultraschall-Erzeugungseinrichtung der Vorrichtung 1 angebracht, so daß von der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung erzeugte Ultraschallschwingungen auf das Sonotroden-Werkzeug 20 und somit auf die Schneid- oder Stanzkante 22', also auf das Bearbeitungselement 22 des Sonotroden-Werkzeugs 20, übertragen werden. Die Vorrichtung 1 weist desweiteren noch eine an und für sich bekannte und daher ebenfalls nicht gezeigte und nicht beschriebene Vorschubeinrichtung auf, mit der das Sonotroden-Werkzeug 20 in Richtung des Werkstücks W vorgeschoben und mit einer hinreichend großen Bearbeitungskraft auf das Werkstück W gepreßt werden kann.In 1 Now, a workpiece W is shown on a workpiece support 10 a device shown here only schematically 1 for placing an opening in the workpiece W is positioned. The workpiece support 10 has a recess 11 on top of which is a sonotrode tool 20 with a processing element 22 in the case shown here as a punching or cutting tool 21 is formed, is arranged. The punching or cutting tool 21 points as a processing element 22 a knife-like cutting or punching edge 22 ' whose contour defines the contour of the opening to be made. The sonotrode tool 20 is at the output of a known per se and therefore not shown and described ultrasonic generating device of the device 1 mounted so that generated by the ultrasonic generating device ultrasonic vibrations to the sonotrode tool 20 and thus on the cutting or punching edge 22 ' So on the editing element 22 sonotrode tool 20 , be transmitted. The device 1 furthermore has a known per se and therefore also not shown and not described feed device with which the sonotrode tool 20 can be advanced in the direction of the workpiece W and pressed onto the workpiece W with a sufficiently large machining force.

Zur Herstellung der Öffnung im Werkstück W wird nun das Sonotroden-Werkzeug 20 durch die Vorschubeinrichtung der Vorrichtung 1 in Richtung einer ersten Oberfläche W' des Werkstücks W zugestellt und das Bearbeitungselement 22 wird auf die Oberfläche W' des Werkstücks W gedrückt, wobei die Vorschubkraft in Abstimmung auf das Material des Werkstücks W derart gewählt ist, daß der Einarbeitungsvorgang der Öffnung in das Werkstück W im wesentlichen durch die Vorschubkraft bestimmt wird. Typischerweise wird hierbei eine Vorschubkraft – bei einem Kunststoffmaterial, aus dem typischerweise Stoßfänger für Kraftfahrzeuge ausgebildet sind – von etwa 3–4 kN vorgesehen, während bei einem derartigen Stanzvorgang ohne die nachstehend beschriebene Ultraschall-Unterstützung typischerweise 5–6 kN erforderlich wären.To produce the opening in the workpiece W is now the sonotrode tool 20 through the Feed device of the device 1 towards a first surface W 'of the workpiece W delivered and the processing element 22 is pressed onto the surface W 'of the workpiece W, wherein the feed force is selected in accordance with the material of the workpiece W such that the incorporation process of the opening in the workpiece W is determined substantially by the feed force. Typically, this will provide a feed force of about 3-4 kN for a plastic material typically made of automotive bumpers, while typically 5-6 kN would be required for such a punching operation without the ultrasound support described below.

Dieser Vorschubkraft wird dann eine durch die von der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung erzeugten Ultraschallschwingungen hervorgerufene Oszillationsbewegung des Sonotroden-Werkzeugs 20 überlagert, wobei vorgesehen ist, daß hierbei die axiale Schwingungsamplitude des Sonotroden-Werkzeugs 20 nur gering ist, unter 50 μm liegt und vorzugsweise im Bereich zwischen 15 μm und 25 μm ist.This feed force then becomes an oscillation movement of the sonotrode tool caused by the ultrasonic vibrations generated by the ultrasonic generating device 20 superimposed, it being provided that in this case the axial oscillation amplitude of the sonotrode tool 20 is only small, less than 50 microns and is preferably in the range between 15 microns and 25 microns.

Die Überlagerung der dem Einarbeitungsvorgang der Öffnung in das Werkstück W dominierenden, von der Vorschubkraft henvorgerufene Vorschubbewegung mit den durch die Ultraschallschwingungen mit kleiner Schwingungsamplitude erzeugten Oszillation des Sonotroden-Werkzeugs 20 führt nun infolge des hierdurch bewirkten, in vorteilhafter Art und Weise nur geringen Eintrags von Ultraschallenergie dazu, daß das Werkstück W nun nicht mehr in seinem gesamten Bereich der herzustellenden Öffnung aufgeschmolzen oder zumindest erweicht wird, sondern daß in vorteilhafter Art und Weise nur ein oberflächliches Erweichen oder Anschmelzen des dem Sonotroden-Werkzeug 20 unmittelbar benachbarten Materialbereichs des Werkstücks W bewirkt wird.The superimposition of the process of incorporation of the opening into the workpiece W dominating, hen of the feed force henbefhaufeten feed movement with the oscillations of the sonotrode tool generated by the ultrasonic vibrations with a small oscillation amplitude 20 leads now as a result of the thus effected, in an advantageous manner only small entry of ultrasonic energy that the workpiece W is no longer melted in its entire region of the opening to be produced or at least softened, but that in an advantageous manner only a superficial softening or melting the sonotrode tool 20 immediately adjacent material region of the workpiece W is effected.

Eine derartige Maßnahme besitzt den Vorteil, daß die auf diese Art und Weise hergestellten Öffnungen im Werkstück W sich durch eine hohe Maßhaltigkeit und somit geringe Toleranzen auszeichnen, da bei der beschriebenen Vorrichtung das Sonotroden-Werkzeug 20 nicht – wie bei der bekannten Vorrichtung – in einen großflächig erweichten Bereich des Werkstücks W eindringt, sondern in ein im wesentlichen festes, d. h. nur geringfügig erweichtes oder aufgeschmolzenes Material, daß also das Sonotroden-Werkzeug 20 im wesentlichen in einer Art und Weise in das Werkstück W eindringt, die einem Schneiden oder Stanzen von Öffnungen in ein Werkstück ohne die Verwendung von Ultraschall entspricht.Such a measure has the advantage that the openings made in this way in the workpiece W are characterized by a high dimensional stability and thus low tolerances, as in the device described the sonotrode tool 20 not - as in the known device - penetrates into a large area softened area of the workpiece W, but in a substantially solid, ie only slightly softened or melted material, that is, the sonotrode tool 20 penetrates into the workpiece W substantially in a manner corresponding to cutting or punching holes in a workpiece without the use of ultrasound.

Die Unterstützung der durch die Vorschubkraft bewirkten Vorschubbewegung des Sonotroden-Werkzeugs 20 durch die Oszillationsbewegung des Sonotroden-Werkzeugs 20, welche durch die von der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung hervorgerufenen Ultraschallschwingungen mit kleiner axialen Schwingungsamplitude erzeugt werden, besitzt desweiteren den Vorteil, daß die die Öffnung des Werkstücks W begrenzende Schnitt- oder Stanzfläche, also den die Schneid- bzw. Stanzkante 22' umgebenden Bereich des Werkstücks W, durch die Ultraschallschwingungen aufgeschmolzen oder zumindest erweicht wird. Dies besitzt den Vorteil, daß hierdurch das nachteilige Auftreten von faser- oder spanförmigen Schnitt- oder Stanzrückständen unterdrückt wird.The support of the feeding force of the sonotrode tool caused by the feed force 20 by the oscillatory movement of the sonotrode tool 20 , Which are generated by the ultrasound oscillations produced by the ultrasonic generating device with a small axial oscillation amplitude, furthermore has the advantage that the cutting or punching surface delimiting the opening of the workpiece W, ie the cutting edge or punching edge 22 ' surrounding area of the workpiece W, is melted by the ultrasonic vibrations or at least softened. This has the advantage that in this way the disadvantageous occurrence of fibrous or chip-shaped cutting or stamping residues is suppressed.

Wie aus der 1 ebenfalls ersichtlich, weist das Sonotroden-Werkzeug 20 in seinem Übergangsbereich 23 zwischen Bearbeitungselement 22 und Werkzeugkörper 24 ein Prägeelement 25 auf, welches dazu dient, den Rand der herzustellenden Öffnung entsprechend zu konturieren, insbesondere mit einer Rundung zu versehen.Like from the 1 also visible, has the sonotrode tool 20 in his transition area 23 between processing element 22 and tool body 24 an embossing element 25 on, which serves to contour the edge of the opening to be produced, in particular to provide a rounding.

Um nun die Öffnung auch an einer der ersten Oberfläche W' des Werkstücks W gegenüberliegenden zweiten Oberfläche W" und/oder eine Innenwand W''' der Öffnung entsprechend konturieren zu können, ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Oberfläche W" und/oder eine Innenwand W''' der Öffnung Schneideinrichtung 30 aufweist, die im folgenden anhand der 2 und 3 erläutert wird.In order to be able to contour the opening accordingly on a second surface W "opposite the first surface W 'of the workpiece W and / or an inner wall W"' of the opening, it is advantageously provided that the device has a surface W "and / or an inner wall W '''of the opening cutting device 30 has, in the following with reference to 2 and 3 is explained.

Bei der ersten Ausführungsform der Schneideinrichtung 30 ist gemäß 2 vorgesehen, dass die Schneideinrichtung 30 als eine thermische Schneideinrichtung ausgebildet ist, die eine Lasereinheit 31 aufweist, durch welche die Innenwand W''' der Öffnung mit einem von der Lasereinheit 31 erzeugten Schneidlaserstrahl L beaufschlagt wird. Hierbei wird die im hier gezeigten Fall über der Öffnung, also an der ersten Oberfläche W' des Werkstücks W angeordnete Lasereinheit 31 mittels einer entsprechenden Führungseinrichtung und/oder der Schneidlaserstrahl L wird mittels einer entsprechenden Strahlführungseinrichtung (jeweils nicht gezeigt) durch die bereits gestanzte und hier verprägte Öffnung so geführt, dass er auf die Innenwand W''' der Öffnung in einem entsprechenden Winkel auftrifftund derart eine (hier: konische Konturierung) der Innenwand W''' erzeugt. In vorteilhafter Art und Weise wird hierbei das abzutragende Material des Werkstücks durch den Schneidlaserstrahl L verdampft und/oder abgeschmolzen, so dass in vorteilhafter Art und Weise bei dieser Bearbeitung keine Späne oder sonstigen störenden Abfallprodukte entstehen.In the first embodiment of the cutting device 30 is according to 2 provided that the cutting device 30 is formed as a thermal cutting device, which is a laser unit 31 through which the inner wall W '''of the opening with one of the laser unit 31 produced cutting laser beam L is acted upon. Here, in the case shown here, the laser unit is arranged above the opening, that is to say on the first surface W 'of the workpiece W. 31 By means of a corresponding guide device and / or the cutting laser beam L is (not shown) by means of a corresponding beam guiding device through the already punched and here embossed opening so that it impinges on the inner wall W '''of the opening at a corresponding angle and such a ( here: conical contouring) of the inner wall W '''produced. In an advantageous manner in this case the material to be removed from the workpiece is vaporized and / or melted by the cutting laser beam L, so that no chips or other interfering waste products are formed in an advantageous manner during this processing.

In 3 ist nun ein zweites Ausführungsbeispiel der Schneideinrichtung 30 dargestellt, bei dem die Schneideinrichtung 30 auf mechanischer Basis ausgebildet ist. Die Schneideinrichtung 30 weist hierzu ein entsprechend konturiertes Schneidmesser 32 auf, welches die zweite Oberfläche W" des Werkstücks W beaufschlagt und derart die Innenwand W''' der Öffnung konturiert. Hierbei kann vorgesehen sein, dass das Schneidmesser 32 durch Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird, die von einer in 3 nicht gezeigten Ultraschall-Erzeugungseinrichtung erzeugt werden. Auch hier wird wiederum bevorzugt, dass die Amplitude der Ultraschallschwingungen kleiner als 50 μm ist.In 3 is now a second embodiment of the cutting device 30 shown in which the cutting device 30 is formed on a mechanical basis. The cutting device 30 has a correspondingly contoured cutting blade for this purpose 32 which acts on the second surface W "of the workpiece W and thus contoures the inner wall W '" of the opening 32 is acted upon by ultrasonic vibrations, from an in 3 Ultrasonic generator not shown are generated. Again, it is again preferred that the amplitude of the ultrasonic vibrations is less than 50 microns.

Claims (7)

Vorrichtung zum Einbringen einer Öffnung in ein Werkstück (W), die eine Ultraschall-Erzeugungseinrichtung und ein an diese gekoppeltes Sonotroden-Werkzeug (20) aufweist, wobei das Sonotroden-Werkzeug (20) durch von der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung erzeugte Ultraschallschwingungen beaufschlagbar ist, und die eine Vorschubeinrichtung zum Vorschub des Sonotroden-Werkzeugs (20) aufweist, durch die das Werkzeug (20) gegen eine erste Oberfläche (W') des Werkstücks (W) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine mechanische und/oder thermische Schneideinrichtung (30) aufweist, durch die eine zweite Oberfläche (W'') und/oder eine Innenwand (W''') der Öffnung des Werkstücks (W) beaufschlagbar ist.Device for introducing an opening into a workpiece (W), comprising an ultrasound generator and a sonotrode tool coupled thereto ( 20 ), wherein the sonotrode tool ( 20 ) can be acted upon by the ultrasonic vibrations generated by the ultrasonic generating device, and the one feed device for advancing the sonotrode tool ( 20 ) through which the tool ( 20 ) is movable against a first surface (W ') of the workpiece (W), characterized in that the device is a mechanical and / or thermal cutting device ( 30 ), through which a second surface (W '') and / or an inner wall (W ''') of the opening of the workpiece (W) can be acted upon. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneideinrichtung (30) einen Schneidlaserstrahl (L) erzeugt.Apparatus according to claim 1, characterized in that the cutting device ( 30 ) produces a cutting laser beam (L). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneideinrichtung (30) ein Schneidmesser (32) aufweist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the cutting device ( 30 ) a cutting knife ( 32 ) having. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidmesser (32) mit Ultraschallschwingungen beaufschlagbar ist.Device according to claim 3, characterized in that the cutting blade ( 32 ) can be acted upon by ultrasonic vibrations. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bearbeitungswerkzeug ein Sonotroden-Werkzeug (20) verwendet ist, und dass das Sonotroden-Werkzeug (20) von Ultraschallschwingungen, die von einer Ultraschall-Erzeugungseinrichtung erzeugt wird, beaufschlagbar ist. Apparatus according to claim 1, characterized in that a sonotrode tool ( 20 ) and that the sonotrode tool ( 20 ) of ultrasonic vibrations, which is generated by an ultrasonic generator, can be acted upon. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkzeug (20) ein Werkzeug mit einem Prägeelement (25) verwendet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that as a tool ( 20 ) a tool with an embossing element ( 25 ) is used. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnett, dass die Amplitude der Ultraschallschwingungen kleiner als 50 μm ist.Device according to one of the preceding claims, characterized Marked that the amplitude of the ultrasonic vibrations is less than 50 microns.
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