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Ultraschallbohrvorrichtung Die Erfindung betrifft eine Ultraschallbohrvorrichtung
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren ur Herstellung
zylindrischer Körper aus einem Werkstück durch Ultraschallbohren nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 16.
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Ultraschallbohrvorrichtungen finden bevcrzugten Einsatz zur Bearbeitung
harter, spröder Werkstoffe. Dabei wird in einem Ultraschallgenerator die Schallenergie
erzeugt und über einen Amplitudentransformator, einem sogenannten Bohrrüssel. der
an seiner Spitze ein Werkstück trägt, zu dem zu bearbeitenden Werkstück übertragen.
Bohrrüssel samt Werkzeug verfähren beim Bohrvorgang llltraschallschwingungen in
Bohrrichtung. d. h. in Richtung des Werkzeugvorschubs bei fortschreitendem Bohrvorgang.
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Der Bohrrüssel ist achsensymnretrisch aufgebaut und weist mit der
Achse in Bohrrichtung. Die Zerspanung des Werkstücks erfolgt mit Hilfe einer Schleifmittelsuspension,
deren Schleifmittelkörnchen im Bereich der Stirnfläche des Werkzeugs das Werkstück
abtragen. Hierzu wird fortwährend Schleifmittelsuspension an die Bohrstelle gepumpt.
Die abgetragenen Materialpartikel werden laufend mit der Schleifmittelsuspension
fortgeschwemmt.
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Aus der Firmenschrift der KLN Ultraschallgesellschaft zum Gerät "Diatron"
(1972) ist beispielsweise eine Ultraschallbohrvorrichtung mit einem aufgelöteten
Rohrstück als zylindrisch hohlem Werkzeug bekannt, mit welchem flache, kreisrunde
Scheiben aus einer Platte ausgebohrt werden können. Zur Herstellung längerer zylindrischer
Teile ist diese Vorrichtung nicht vorgesehen und auch nicht geeignet, da die Teile
aufgrund ungleichmäßigen seitlichen Abtrags durch vorbeiströmendes Schleifmittel
sich konisch verjungen, was sich insbesondere bei sehr kleinen Teilen. die im Verhältnis
zu ihrem Durchmesser lang sind. deutlich bemerkbar macht.
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Derartige kleine Teile werden bisher durch mechanische Bearbeitungsverfahren.
wie beispielsweise Schleifen oder Fräsen, hergestellt. Dies ist mit erheblichem
Aufwand verbunden und birgt Fehler durch Verformungen beim Einspannen und bei spröden
Materialien Bruchgefahr.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bohrvorrichtung
und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welche die Herstellung zylindrischer
Teile beliebigen Querschnitts, insbesondere kleine Teile mit im Verhältnis zu ihrer
Länge geringem Durchmesser mit hoher Genauigkeit bei geringem Aufwand ermöglichst.
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Die erfindungsgemäße Ultraschallbohrvorrichtung ist im Anspruch 1
beschrieben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen
2 bis t5 enthalten. Ein Verfahren zur erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe beschreibt
der Anspruch 16. Besonders vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen des Verfahrens
können-den Ansprüchen 17 und 18 entnommen werden.
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Die Bearbeitung mit der Bohrplatte ist von ganz besonderem Vorteil
bei der Herstellung sehr kleiner kreiszylindrischer Kõrper, die bisher in aufwendigen
Arbeitsgängen durch Rundschleifen mit Diamantwerk2eug angefertigt werden. Beispielsweise
können kreiszylindrische körper kleinsten Durchmessers durch Verwendung einer Bohrplatte
mit hexogonal dicht angeordneten Bohrungen in einem Arbeitsgang in kurzer Zeit mit
hoher Genauigkeit in großer Zahl angefertigt werden. Die Bohrplatte weist uber der
Fläche des zu bearbeitenden Werkstücks eine möglichst hohe Anzahl parallel zur ArDeitsrichtung
verlaufender Durchbrüche mit beliebigem Innenprofil auf, die nach sachgemäßer Bearbeitung
ihr Negativ als fertiges Werkstück auf der Aufnahme stehen lassen.
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Bei der Herstellung der zylindrischen Teile nach dem in Anspruch 16
beschriebenen Verfahren erfolgt zwar auch noch ein seitlicher Abtrag, der aber über
die gesamte Werkstücklänge gleichmäßig ist Dazu trägt auch noch eine konstante Vorschubgeschwindigkeit,
auch beim Einbohren in den Trägerkörper, bei.
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Die Erfindung ist im folgenden noch anhand der Abbildungen veranschaulicht.
Dabei zeigt FIG. 1 in Schnittdarstellung die Spitze eines Bohrrüssels 1 mit einer
erfindungsgemäßen Bohrplatte 2 als Bohrwerkzeug, In FIG. 2 ist ein mit einer Anordnung
nach LG. 1 bearbeitetes Werkstück 15 samt Werkstückaufnahmevorrichtungen 16, 17
dargestellt,
Gestrichelt eingezeichnet in dieser FIG. 2 sind die
Umrisse der Anordnung nach FIG. 1 in der Stellung bei Abschluß des Bearbeitungsvorganges.
BIGa 3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung in zerlegtem Zustand.
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Erfindungsgemäß ist das Werkzeug in FIG. 1 als eine Bohrplatte 2 mit
einer Mehrzahl in Bohrrichtung ausgerichteter zylindrischer Durchgangslöcher 13
ausgeführt.
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Die Herstellung einer solchen Bobrplatte ist im Prinzip mit hoher
Präzision in einfachen Arbeitsgängen möglich.
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Die Zerspanung des Werkstücks erfolgt im wesentlichen an der Stirnseite
der Zwischenstege 14 Die Schallilbertragung erfolgt über den massiven Rand der Platte
außerhalb des Bereichs der Durchgangslöcher. Die Lange der Durchgangslöcher, d.
h die Dicke der Bohrplatte kann gering gehalten werden und ist letztlich nur begrenzt
durch die mechanische Stabilität des für die Bohrplatte verwendeten Materials. Insbesondere
kann die Bohrplattendicke geringer sein als die Länge der herzustellenden Körper,
wenn hinter der Bohrplatte noch ein Freiraum veroleibt, in den der bearbeitete Teil
des Werkstücks hineinragen kann. Bei Hohlwerkzeugen gebräuchlicher Art muß die Tiefe
des Werkzeugs größer sein als die Länge des Werkstücks, bzw. die Tiefe der durchzuführenden
Bohrung.
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Da das Werkzeug während seiner Standzeit durch Materialabtrag an der
Stirnseite kürzer wird, müssen herkbmmliche Werkzeuge im allgemeinen deutlich länger
sein als die gewünschte Bohrungstiefe. Dabei kommt als ungünstige Erscheinung hinzu,
daß durch vorbeiströmendes Schleifmittel auch an den Längsseiten der Bohrung Material
in merkbarem Umfange vom Werkstück abgetragen wird, wodurch sich eine Konizität
der Bohrung bzw. des bearbeiteten Werkstücks anstelle der angestrebten zylindrischen
Form ergibt.
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Durch die geringe Lange der Locher 13 bzw. Zwischenstege 14 ist bei
der erfindungsgemaß eingesetzten Bohrplatte dieser längsseitige Abtrag minimal.
Bei der Werkstückbearbeitung mit der Bohrplatte fährt die Stirnseite der Bohrplatte
über die gesamte Werkzeuglange. Ein seitlicher Abtrag findet nul jeweils auf einem
kurzen Stück entsDrechend der Bohrplattendicke statt.
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Sin ungleichmäßiger Abtrag kann zudem ganz vermieden werden, indem
der Freiraum hinter der 3ohrplatte im 3ohrrüssel so groß gexählt ist, daß das bearbeitete
Werkstück vollständig hinter der Bohrplatte Platz findet (FIG. 2). Dadurch ist gewährleistet,
daß an jeder Stelle über die gesamte Werkstücklänge der gleiche stirnseitige und
längsseitige Abtrag durch die Stege 14 erfolgt ist.
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Hierzu sind die Vorrichtungen zur Ausrichtung und Halterung des zu
bearbeitenden Werkstücks so ausgeführt, daß die Bohrplatte beim Bohren mit der gesamten
Lange der Durchgangslöcher über das ganze Werkstück gefahren werden kann. In der
FIG. 2 ist hierzu beispielsweise auf der Aufnshmeplatte 17 des Bohrgeräts ein Glaskörper
16 befestigt, der so hoch ist, daß die Bohrplatte ganz in den Glaskörper eindringen
kann, ohne an der Aufnahmeplatte anzuschlagen. Auf diesem Glaskörper ist dann das
zu bearbeitende Werkstück, beispielsweise ein Sinterkörper, befestigt. Durch das
vollständige Einbohren der Bohrplatte 2 in den Glaskörper 16 ist auch gewährleistet,
daß das bearbeitete Werkstück 15 an den Xontaktstellen zum Glaskörper scharfe Kanten
aufweist.
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Als Mittel zur Befestigung des Werkstücks eignen sich alle Befestigungsmittel
wie beispielsweise Wachs oder ähnliches, von denen sich das bearbeitete Werkstück
zerstörungsfrei durch physikalische oder chemische Methoden rückstandsfrei trennen
läßt.
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Das schwingende Bohrwerkzeug besteht normalerweise aus uagehärtetem
Stahl und wird hart auf die Spitze des Bohrrüssels aufgelötet. Durch die Hartlötung
bei der Verbindung von Werkzeug und Bohrrüssel besteht die Gefahr, daß sich das
Werkzeug bei der Wärmebehandlung verformt und damit unbrauchbar wird. Zudem muß
die gelötete Stelle zur Vermeidung von dämpfenden Schallstreuungen nach dem Einlöten
und beim Werkzeugwechsel geglättet werden, wodurch der Bohrrussel an der Spitze
frühzeitig verschleißt und ersetzt werden muß. Ein Werkzeugwechsel ist durch den
Lötvorgang, der je nach Art des für Bohrrüssel und werkzeug verwendeten Materials
unter Umständen als Vakuumlötung durchgeführt werden muß, aufwendig und durch die
Erwärmung und die erforderliche Nachbehandlung verschleißfördernd. Dies gilt in
besonderem Ma3 fur die erfindungsgemäße 3ohrplatte, die dadurch erst nach dem Auflöten
mit den Durchgangslöchern versehen werden könnte, was mit beträchtlichen Schwierigkeiten
bei der genauen Ausrichtung der Löcher verbunden ist.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht daher
vor, daß das Werkzeug eine quer zur Schallausbreitungsrichtung (= Bohrrichtung)
plan gearbeitete Fläche aufweist, die an einer ebenso plan gearbeiteten Fläche an
der Spitze des Bohrrüssels anliegt, und daß das Werkzeug mit Hilfe mechanischer
Befestigungsmittel lösbar an der Spitze des Bohrrussels befestigt ist (FIG. 3).
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Die planen Flächen am Werkzeug und an der Spitze des Bohrrüssels quer
zur Schallausbreitungsrichtung, also quer zur Längsachse des Bohrrüssels, sind mit
gebräuchlichen Bearbeitungsmethoden leicht und präzise
herzustellen.
Ober derartige plane Flächen und Gegenflächen ist auch ein gleichmäßiger und guter
Kontakt zwischen Bohrrüssel und Werkzeug, der für eine homogene.
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Schallübertragung erforderlich ist, gesichert.
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Da das Werkzeug mit Hilfe mechanischer Befestigungsmittel am Bohrrüssel
lösbar befestigt ist, entfällt die Notwendigkeit einer Wärmebehandlung, wodurch
die Gefahr einer Verformung des metallischen Werkzeugs nicht gegeben ist. Die mechanischen
Befestigungsmittel können sowohl als gesonderte Teile vorliegen, als auch in der
Form des Werkzeugs und des Bohrrussels (beispielsweise als Gewinde und Gegengewinde)
integriert sein.
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Die planen Flächen an Bohrrüssel @nd Werkzeug bleiben unverändert
d m§ hoher Genauigkeit erhalten. Dadurch ist; auch bei Werkzeugwechsel immer eine
genaue Ausrichtung gewährleistet, ohne daß jeweils das Werkzeug mit viel Aufwand
neu ausgerichtet werden muß. Die Befestigung des Werkzeugs an der Spitze des Bohrrüssels
erfolgt vorteilhafterweise durch eine Überwurfmutter. Diese sollte möglichst eine
geringe Masse aufweisen, da mit zunehmender schwingender Masse an der Rüsselspitze
die Schwingungsamplitude abnimmt. Besonders geeignet ist im Hinblick auf Gewicht
und Stabilität Titan oder eine Titanlegierung als Material für die Uberwurfmutter.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die sich gegenseitig
beruhrenden Flächen von Werkzeug und Überwurfmutter konisch ausgebildet sind. Dies
gewährleistet eine gute Flächenberührung zwischen Werkzeug und Mutter und dadurch
einen gleichmäßigen Anpreßdruck des Werkzeugs an den Bohrrüssel auf der gesamten
planen Flaches Zudem wird durch die konische Ausuhrung eine Selbstzentrierung des
Werkzeugs beim Festziehen erreicht.
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Vorteilhafterweise wird die Schleifmittelsuspension durch den dazu
ausgebohrten Bohrrüssel über einen seitlich herausführenden Kanal 4 in Verbindung
mit einem Absaugstutzen ab.esaugt. Die Absaugung von Schleifmittelsuspension durch
den Bohrrüssel ist auch bei derzeit käuflichen Geräten bereits bekannt und hat den
Vorteil, daß der ganze Bereich der Arbeitsfläche ständig neu mit Schleifmittel versorgt
wird und dabei die gesamte Arbeitsfläche gleichmäßig von der Suspension umspült
wird.
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Gegenüber der Werkzeugbearbeitung ohne Absaugen, bei welcher die Angriffsfläche
des Werkzeugs während des Arbeitsprozesses mehr und mehr an frischem Schleifmittel
verarmt, steigert das Bohren mit Absaugen der Suspension sowohl die Bearbeitungsgeschwindigkeit
als auch die Genauigkeit beträchtlich.
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Der in FIG. 3 dargestellte Bohrrüssel a ist in Eegelform ausgeführt.
Die vom nicht eingezeichneten Schallgenerator erzeugte Ultraschall energie breitet
sich in Richtung der Rüsselachse aus und wird über die quer zur Rüsselachse plan
bearbeitete Fläche 8 der Rüsselspitze und die Gegenfläche 9 des Werkzeugs 2 auf
dieses übergekoppelt. Das Werkzeug wird durch die Überwurfmutter gegen die Rüsselspitze
gepreßt und dabei durch die konisch gearbeiteten Flächen 10 bzw. 11 an Werkzeug
bzw. Uberwurfmutter zentriert (FIG. 1). Gemäß einer günstigen Weiterbildung der
Erfindung ist der Bohrrüssel innen hohl in der Fors eines sich zur Rüsselspitze
hin erweiternden Innehkonus 7. Hierdurch ergibt sich auf vorteilhafte Weise der
Freiraum hinter der Bohrplatte, so daß das Werkzeug 2 insgesamt sehr flach gehalten
werden kann, was sich günstig auf die Stabilität und insbesondere auf die Übertragung
der Schallenergie zur Bohrplatte auswirkt. Zudem wird das Amplitudentransformationsverhältnis
vom schallgeneratorseitigen Ende des
Rüssel zur Rüsselspitze vergrößert,
da dieses Transformatonsverhältnis mit abnehmendem Querschnitt der Rüsselspitze
zunimmt. Die konische Ausbildung vermeidet - gegenüber einem beliebig geformten
Hohlraum - weitgehend Amplitudenstreuungen. die dämpfend wirken.
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Eine günstige Weiterbildung sieht vor, im Bereich des Innenkonus 7
koaxial zur Längsachse des Rüssels ein Absaugrohr 6 zum Absaugen der Schleifmittel
suspension anzubringen. welches von der Innenkonusspitze in Richtung Rüsseispitze
geht. Hierdurch wird die amplitudendämpfende Wirkung der Schleifmittelsuspension
im Innenkonus verringert, da der Spiegel der Suspension im Bohrrüssel nur noch bis
zum Anfang des Absaugrohrs reicht. Besonders günstig ist die Absaugung des Schleifmittels
mit Hilfe einer Schlauchpumpe, die eine pulsierende Förderung des Schleifmittels
bewirkt. Dies erweist sich als vorteilhaft für die Bearbeitungsgeschwindigkeit.
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Bei bekannten Ultraschallbohreinrichtungen wird wird zum Absaugen
der Schleifmittelsuspension mittels einer Vakuumpumpe an er Arbeitsstelle Unterdruck
erzeugt. Auf der Vakuumseite ist ein Auffangbehälter zwischengeschaltet. der die
abgesaugte Schleifmittelsuspension sammelt und sich periodisch in gewissen Abständen
in ein Vorratsgefäß1 aus dem die Suspension mittels einer weiteren Pumpe wieder
der Arbeitsstelle zugeführt wird, entleert. Zum Entleeren muß der Auffangbehälter
belüftet und der Absaugvorgang unterbrochen werden.
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Demgegenüber erbringt die Verwendung einer Schlauchpumpe eine ganze
Reihe vorteilhafter Eigenschaften für die Ultraschallbohrvorrichtung.
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Das Absaugen und Zuführen des Schleifmittels kann durch dieselbe Pumpe
erfolgen. Im einfachsten Fall bestehen Absaugleitung 21 und Zuführleitung 22 aus
einem zusammenhängenden. durch die Schlauchpumpe 18 geführten Schlauch.
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Die dabei im Umlauf befindliche Menge an Schleifmittelsuspension 23
ist sehr gering im Vergleich zu der bekanten Anordnung, was sich günstig auf die
Betriebskosten auswirkt. Bei einem Wechsel des Schleifmittels braucht lediglich
der Förderschlauch und gegebenenfalls ein Vorrstsgefäß ausgetauscht zu werden. Ein
Vorratsgefäß ist insofern günstig, als die nur im Schlauch befindliche Suspensionsmenge
unter Umständen eine ständige Bedeckung der Bearbeitungsfläche nicht immer gewährleistet.
Die pulsierende Förderung der Suspension durch die Schlauchpumpe begegnet auch wirkungsvoll
einer etwaigen Sedimentation des Schleifmittels aus der Suspension.
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Für eine Anordnung mit nach unten weisender Bohrrichtung ist vorteilhafterweise
die Aufnahme t9 für das Werkstück behälterartig ausgeführt und das Werkstück 15
bis über die Bearbeitungsfläche mit Suspension bedeckt. Der Aufnahmebehälter fungiert
dabei gleichzeitig als Vorratsgefäß.
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Eine andere günstige Ausführungsform sieht ein getrenntes Vorratsgefäß
19 vor. dem die abgesaugte Suspension über die Schlauchpumpe zugeführt wird und
aus dem die Suspension wieder an die Arbeitsstelle gefördert wird. Für die Absaugung
und die Rückführung an die Arbeitsstelle ist vorzugsweise eine einzige Mehrfachschlauchpumpe
18 vorgesehen.
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Über eine weitere Schlauchverbindung kann vorteilhatfterweise auch
noch eine Vorrichtung zur Reinigung der Schleifmittelsuspension von abgetragenen
Werkstuckpartikein oder dergleichen in den Schleifmitteikreislauf einbezogen sein.
Gemäß einer weiteren gunstigen Ausführungsforin
sind Vorratsbehälter
und Reinigungsvorrichtung zu einer Einheit 20 zusammengefaßt.
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Durch die Verwendung einer Schlauchpumpe entfallt der Aufwand. der
bei der bekannten Anordnung durch das Aufrechterhalten eines Vakuums notwendig wird.
Auch ist keine Unterbrechung des Arbeitsgangs zur Leerung eines owischenbehälters
erforderlich.
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Ein wesentlicher Vorteil der Schlauchpumpe ist, daß die Pumpe mit
der Schleifmittelsuspenlon, vor allem mit den Schleifmittelkörnern. überhaupt nicht
in kontakt kommt.
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Die einzigen wesentlichen Verschleißteile im Pumpkreislauf sind daher
die Schleifmittelsuspenion furenden Schläuche.
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Bei einem Wechsel der Schleifmittelsuspension kann die Pumpe unverändert
übernommen werden, da keine Reinigung notwendig ist und die Anordnung für beliebige
Schleifmittelkörnungen eingesetzt werden kann. So konnen mittels menrerer paralleler
Förderleitungen auch getrennte Schleifmittelkreisläufe gleichzeitig betrieben werden.
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Eine vorteilhafte Ausführung sieht eine hermetisch abgeschlossene
Umwälzung der Schleifmittel suspension vor. Dies kann besonders dann Bedeutung erlangen,
wenn z. B.
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Schleifmittelsuspension und/ader Werkstück agressive, leichtflüchtige
oder giftige Bestandteile enthalten oder in einer abgeschlossenen Schutzatmosphäre
zu nandnaben sind Mit einer Vakuumpumpe ist dies nicht möglich Genannte Einrichtungen,
wie beispielsweise eine Reinigungsvorrichtung können dabei ohne generelle Einschränkung
mitbetrieben werden.
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Schließlich ist auch noch auf den durch nur eine. zudem einfach aufgebaute
Pumpe und durch das geringe Schleif mittelsuspensionsvolumen geringen Platzbedarf
der Anordnung hinzuweisen.