DE3617790A1 - Ultraschallbearbeitungsmaschine - Google Patents

Description

Aus der EP-A 1 18 606 ist eine Maschine gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Aus dieser Schrift ist es bekannt, dass es günstig wäre, die Anpresskraft der Werkzeugkrone auf das Werkstück zu messen. Eine solche Kraftmessung ist an sich mit dem Vorschubmotor des Schlittens möglich, insbeson­ dere beim hydraulischen Vorschubmotor der oben erwähnten Vorveröffentlichung. Diese Art der Messung der Vorschubkraft ist jedoch wegen der Reibung des Schlittens in seiner Führung und der Kolbenreibung im Zylinder ungenau und eignet sich daher schlecht für eine Regelung des Vorschubs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmessein­ richtung an einer Maschine gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 derart auszubilden, dass die Anpresskraft zwischen Werkzeug­ krone und Werkstück genau bemessen werden kann. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch die Maschine,

Fig. 2 eine Ansicht des Nivellierrings nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Kraftgeber, und

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 1.

Die dargestellte Maschine umfasst einen Schallkopf 1 mit einem Ultraschallwandler 2, einem Verstärker 3 und einer Sonotrode 4, welche an ihrem freien Ende eine Werkzeugkrone 5 aufweist. Der Verstärker 3 ist mit dem Wandler 2 und der Sonotrode 4 verschraubt. Er hat in seinem Schwingungsknoten einen Flansch 6, der starr mit einer Büchse 7 verbunden ist. Die Büchse 7 ist mittels zweier Wälzlager 8 in einem Gehäuse 9 um die Achse 10 des Schallkopfs 1 drehbar gelagert. Um die Lager 8 spielfrei einstellen zu können, ist das Gehäuse 9 längs einer Mantellinie geschlitzt und durch Schrauben 11 gespannt. Das obere Lager 8 ist mittels einer Mutter 12 auf der Büchse 7 festgespannt. Die Mutter 12 trägt oben ein Zahnrad 13, das über einen Zahnriemen 14 und ein weiteres Zahnrad 15 durch einen Motor 16 angetrieben ist. Mittels des Motors 16 lässt sich also der Schallkopf um seine Achse 10 drehen.

Das Gehäuse 9 ist mittels eines achsparallelen Stiftes 20 auf einem Ring 21 positioniert. Diametral gegenüber dem Stift 20 ist ein weiterer entfernbarer Stift 22 vorgesehen. Wenn dieser Stift eingesetzt ist, ist das Gehäuse 9 und so­ mit auch der Schallkopf 1 koaxial zum Ring 21. Bei entferntem Stift 22 lässt sich nach Lösen der das Gehäuse 9 mit dem Ring 21 verbindenden, nicht dargestellten Schrauben das Gehäuse 9 exzentrisch zum Ring 21 einstellen. Dazu sind in Umfangsrichtung gegenüber dem Stift 22 versetzt zwei Stift­ schrauben 23 mit konischen Spitzen 24 vorgesehen, welche in im Ring 21 eingesetzte Büchsen 25 mit konischen Ansenkungen 26 eingreifen (Fig. 5). Der Abstand der Büchsen 25 vonein­ ander ist grösser als der Abstand der Stiftschrauben 23 von­ einander, so dass durch Lösen der einen und Anziehen der andern Stiftschraube das Gehäuse 9 gegenüber dem Ring 21 um den Stift 20 schwenkbar und damit die Exzentrizität einstell­ bar ist. Der Ring 21 ist über weitere Wälzlager 27 in einem weiteren Ring 28 drehbar gelagert und trägt oben ein Zahn­ rad 29, das über einen Zahnriemen 30 und ein Zahnrad 31 von einem Motor 32 antreibbar ist. Bei exzentrischer Lagerung des Gehäuses 9 im Ring 21 lässt sich somit mittels des Motors 32 eine Planetärbewegung des Schallkopfs 1 um die Achse des Rings 21 ausführen.

Der Ring 28 ist mittels je einer Schraube 37 und einer Zentrierhülse 38 mit vier über dem Umfang gleichmässig ver­ teilten Kraftgebern 40 verbunden, die ihrerseits mittels je einer weiteren Schraube 41 und einer weiteren Zentrierhülse 42 auf einem Nivellierring 43 befestigt sind. Der Nivellier­ ring 43 ist mit einer Schulter 44 (Fig. 3) in einer Bohrung 45 eines Werkzeugschlittens 46 zentriert und mittels vier Schraubenpaaren 47, 48 am Schlitten 46 befestigt. Die Schraubenpaare 47, 48 sind jeweils in der mittelsenkrechten Ebene der Kraftgeber 40 angeordnet und umfassen je eine Druckschraube 48 und eine Zugschraube 47, so dass der Nivel­ lierring 43 gegenüber dem Schlitten 46 eingestellt werden kann, damit die Schallkopfachse 10 parallel zur Bewegungs­ richtung A des Schlittens 46 eingestellt werden kann. Eine mit der Büchse 7 verschraubte Abdeckplatte 50 sichert den Innenring des Lagers 8 und schützt die Lager 8, 27 vor ver­ schmutzung. Die Kraftgeber 40 sind als Federbügel ausgebil­ det (Fig. 4) mit zwei parallelen Flächen 52 zur Anlage am Nivellierring 43 bzw. am Ring 28. Je eine zentrische An­ senkung 53 dient zur Aufnahme der Zentrierhülsen 38, 42. Je ein verstärkter Mittelteil 54 hat je eine Gewindebohrung 55 zur Aufnahme der Schrauben 37, 41. Die beiden Mittelteile 54 sind beidseits über je einen bogenförmigen Halbring 56 miteinander verbunden. Auf mindestens einem der Halbringe 56 sind innen und aussen Dehnmessstreifen 57 aufgeklebt, wobei die Anschlussdrähte der inneren Dehnmessstreifen 57 durch eine Bohrung 58 im Halbring 56 durchgeführt sind. Die Dehn­ messstreifen 57 sind als Vollbrücke geschaltet, so dass der Kraftgeber 40 weitgehend Temperaturunempfindlich ist.

Im Nivellierring 43 ist zum Einsetzen der Kraftgeber 40 je eine Nut 63 ausgefräst, in welcher mittig eine Bohrung 64 für die Schraube 41 sowie eine Ansenkung 65 für die Zentrier­ hülse 42 gebohrt ist. Benachbart zu den Bohrungen 64 ist je eine Gewindebohrung 66 zur Aufnahme der Zugschrauben 47 ge­ bohrt. Die Nuten 63 sind durch einen Kanal 67 miteinander verbunden, welcher die Verbindungskabel zu den Kraftgebern 40 aufnimmt. Der Kanal 67 und die Nuten 63 mit eingesetzten Kraftgebern 40 können durch eine Folie abgedeckt werden, um die Kraftgeber 40 vor Zugluft und Verschmutzung zu schützen und damit Temperaturdrift und Beschädigungen gering zu halten.

Zum Betrieb der Maschine wird zunächst die Achse 10 des Schallkopfs 1 parallel zur Verschiebungsrichtung A des Schlittens 46 ausgerichtet. Dazu wird zweckmässig statt der Sonotrode 4 ein geschliffener Zylinder auf dem Verstärker 3 aufgeschraubt. Mit einer Wasserwaage kann die Einstellung überprüft und erforderlichenfalls mittels der Schrauben 47, 48 korrigiert werden.

Das auf einem Kreuzschlitten aufgespannte Werkstück wird mittels des Kreuzschlittens und des Schlittens 46 auf den Schallkopf ausgerichtet, wobei die Werkzeugkrone 5 an Referenzflächen des Werkstücks angeschlagen wird. Diese Einstellung kann mit der beschriebenen Kraftmesseinrichtung sehr genau und rasch in allen drei Achsen vorgenommen werden. Beim Anschlagen auf einer horizontalen Referenzfläche durch Verschieben des Werkzeugschlittens 46 liefert die Summe der Signale der vier Kraftgeber 40 unmittelbar den Beginn der Berührung durch einen plötzlichen Anstieg des Kraftsignals. Für das seitliche Anschlagen an vertikale Referenzflächen des Werkstücks mittels des Werkstückschlittens in X- und Y- Richtung liefert die Differenz der Signale jeweils zweier gegenüberliegender Kraftgeber 40 den Beginn der Berührung, indem das Differenzsignal in diesem Moment plötzlich an­ steigt. Dies ist der Fall, weil die Werkzeugkrone von der Mittelebene 49 durch die Kraftgeber 40 einen Abstand hat und somit eine Horizontalkraft auf die Werkzeugkrone 5 ein Moment um eine in dieser Ebene 49 liegende Achse erzeugt, welches unterschiedliche vertikale Auslenkungen gegenüberliegender Kraftgeber 40 bewirkt. Diese Art der horizontalen Ausrichtung ist grundsätzlich auch mit drei oder mehr als vier Kraft­ gebern möglich, doch ist dann die erforderliche Auswert­ schaltung entsprechend komplizierter. Der plötzliche Anstieg der Kraftgebersignale beim Antasten der Werkzeugkrone 5 an Referenzflächen des Werkstücks kann über ein optisches oder akkustisches Signal angezeigt werden.

Da die Referenzflächen in den drei Richtungen x, y und z getrennt angefahren werden, reicht grundsätzlich auch die Auswertung der Messignale von bloss zwei Kraftgebern 40. Es ist nicht erforderlich, ein Differenzsignal zu bilden, weil beim horizontalen Antasten keine Vertikalkraft überla­ gert wird. Da während der Bearbeitung höchstens unbedeutende Horizontalkräfte auftreten, kann das Messignal auch aus dem Messwert bloss eines Kraftgebers 40 abgeleitet werden. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel brauchen also nicht alle vier Federbügel 40 mit Dehnungs-Messstreifen 57 bestückt zu sein.

Nach dem Ausrichten wird das Werkstück in die Bearbeitungs­ position unter der Werkzeugkrone 5 gefahren. Der Wandler 2, die Schleifmittelzufuhr und der Vorschub des Schlittens 46 werden eingeschaltet. Dabei kann der Vorschub durch Regelung der Anpresskraft optimiert werden, weil die Anpresskraft mittels der Kraftgeber 40 nahe der Werkzeugkrone 5 ermittelt wird und nicht durch Reibung beeinflusst ist.

Bei der Herstellung zylindrischer Bohrungen ist es zweck­ mässig, die Werkzeugkrone 5 langsam zu drehen, damit die Krone 5 über ihren ganzen Umfang gleichmässig verschleisst und somit eine runde Bohrung sichergestellt ist. Diese Dreh­ bewegung wird durch Einschalten des Motors 16 ermöglicht. Je nach Material des Werkstücks und Tiefe der Bohrung ist es günstig, der Drehbewegung eine Planetärbewegung zu über­ lagern, um die Zu- oder Abfuhr des Schleifmittels zu oder aus dem Schleifspalt zu verbessern. Diese Planetärbewegung kann durch Einstellen einer Exzentrizität mittels der Stift­ schrauben 23 sowie Einschalten des Motors 32 erreicht werden.

Claims (7)

1. Ultraschallbearbeitungsmaschine umfassend einen Schall­ kopf (1) mit einem Wandler (2) und einer Werkzeugkrone (5) sowie einen Schlitten (46), der in einer zur Schallkopf­ achse (10) annähernd parallelen Richtung (A) verschieb­ bar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schall­ kopf (1) und dem Schlitten (46) eine Kraftmesseinrichtung (40) angeordnet ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung mindestens zwei Kraftgeber (40) umfasst, die von der Schallkopfachse (10) beabstandet sind, und die in einer Ebene (49) senkrecht zur Schall­ kopfachse (10) liegen, welche von der Werkzeugkrone beab­ standet ist.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftgeber (40) Federbügel mit aufgeklebten Dehnungs­ messstreifen (57) sind.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Kraftgeber (40) auf einem Bauteil (43) montiert sind, der einstellbar auf dem Schlitten (46) be­ festigt ist.

5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Kraftgebern (40) ein Ring (28) befestigt ist, auf wel­ chem der Schallkopf (1) drehbar gelagert ist.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Ring (28) ein zweiter Ring (21) drehbar gelagert ist, und dass die Schallkopfachse (10) parallel zur Drehachse des zweiten Rings (21) und gegenüber dieser radial einstellbar ist.

7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallkopf (1) zusätzlich um seine Achse (10) drehbar ist.