DE4210928C2 - Ultraschallerregtes Honwerkzeug und Verfahren zu seiner Nachjustierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein ultraschallerregtes eigenfrequent schwingendes Honwerkzeug mit einer freien Länge, die gleich dem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der Ultraschallschwingung ist, und mit einem Schneidmittelbelag, dessen Kontur im erregten Arbeitszustand, vom freien Ende des Honwerkzeuges her betrachtet, einen konischen Bereich und daran anschließend einen zylindrischen Bereich aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Nachjustierung eines solchen Werkzeugs bei Verschleiß.

Ein derartiges Honwerkzeug ist in der WO 9 19 18 737 A1 beschrieben. Einzelne Merkmale sind bereits aus der DE-OS 39 19 895 bekannt geworden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Honwerkzeug dieser Art derart weiter zu entwickeln, daß die Schneidleistungen weiterhin verbessert werden.

Bei einem Honwerkzeug, vgl. HUNGER, W.: Frequenztionen für hohe Abtragrate in der Zeitschrift Werkstatt und Betrieb 118 (1985) S. 393-395, vgl. insbesondere S. 394 Ziff. 4.1, ist dem aus Drehbewegung und axialer Hubbewegung bestehenden Honvorgang eine durch einen Hydraulikzylinder erzeugte oszillierende Relativbewegung überlagert, um beim Vorwärtshub eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit und beim Rückwärtshub ein Selbstschärfen der Honsteine zu erreichen. Aus der US-PS 29 39 250 ist ein als "Resonanzhonen" bezeichnetes Verfahren bekannt geworden, das mit einem Honwerkzeug arbeitet, dessen Honleisten in radialer Richtung durch eine Zustellstange verstellbar sind, der durch eine sie umgebende Spule über eine Magnetostriktion entsprechende periodische radiale Verstellbewegungen aufgeprägt werden, um eine Selbstaufschärfung des Schneidbelages zu erzielen. Aus der US-Patentschrift 29 39 251 ist es bekannt, den Werkzeug- bzw. Werkstückhalter mit einer Frequenz von 20 bis 100 000 Hz, also oberhalb des hörbaren Bereiches, zu erregen, um ein ständiges Selbstschärfen des Schneidbelages zu erreichen. Die Wahl der oberhalb des Hörbereiches liegenden Frequenzen erfolgt, um störende Geräusche zu vermeiden. Das Werkzeug gerät jedoch nicht in Eigenschwingung, sondern wirkt als starrer Körper der Schwingungsübertragung.

Das sog. "Ultraschall-Errodieren" betrifft technologisch nicht die Bearbeitung der Innenflächen von Bohrungen, sondern vielmehr das Erzeugen von Bohrungen überhaupt mittels ultraschallerregter Bearbeitungsköpfe (zur Dimensionierung vgl. Vetter u. Abthoff, VDI Z. 108 (1966) Nr. 11, S. 459-462 und 512-515). Daraus lassen sich zwar Einzelheiten der Dimensionierung ultraschallerregter Werkzeugkörper ableiten; es sind daraus jedoch keine Anregungen für die Verbesserung der eingangs beschriebenen Honwerkzeuge abzuleiten.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Ruhestellung die Vorhaltekontur des Schneidmittelbelags in Abweichung von der Arbeitkontur derart bestimmt ist, daß sich daraus die Arbeitskontur aus der Vorhaltekontur bei Ultraschallerregung unter Berücksichtigung der Amplitude der Schwingungskomponente in radialer Richtung ergibt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Erfindung wird sowohl eine Oberflächenverbesserung als auch eine verbesserte Formkorrektur von Bohrungen möglich.

Insbesondere ist die verbesserte Formkorrektur hervorzuheben, da das Arbeiten mit einem erfindungsgemäß gestalteten Werkzeug höhere Abtragsleistungen bei extremer Genauigkeit als bei den vorbekannten Werkzeugen ermöglicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer vorteilhafte Weiterbildungen werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, aufgenommen in einer Spindelanordnung;

Fig. 2 das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 in Verbindung mit verschiedenen Wellen- und Konturenverläufen;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel in der Darstellung entsprechend Fig. 2;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel, gezeigt in einer Nachjustiereinrichtung.

Fig. 1 zeig ein Honwerkzeug 1, das mit seinem durch einen Außenkonus 2 gebildeten oberen Ende in dem Innenkonus 3 eines Schallübertragungskörpers 4 sitzt, der Teil einer Spindelanordnung 5 ist. Zu dieser Spindelanordnung gehört ein Gehäuse 6, das über ein Zahnrad 7 und einen Zahnriemen 8 drehangetrieben wird. Das Zahnrad 7 sitzt auf einem drehgelagerten Wellenstumpf 9. Die Spindelanordnung 5 zusammen mit dem (nicht gezeigten) Drehantrieb des Zahnriemens 9 kann an einer vertikalen Führung auf- und abbewegt werden, so daß das Honwerkzeug gleichzeitig eine Dreh- und eine Hubbewegung, wie durch die Pfeile 10, 11 angedeutet, ausführen kann. Auf dem oberen Ende des Schallübertragungskörpers 4 sind zwei Schwingquarze (piezzoelektrische Elemente) 12, 13 angeordnet, denen die Erregerspannung über eine Leitung 14 zugeführt wird, die durch eine Öffnung im Gehäuse 6 herausgeführt und dort über Schleifringe ihrerseits mit der erforderlichen Wechselspannung versorgt wird. Oberhalb der Schwingquarze ist eine Ausgleichsmasse 15 angeordnet. Der Schallübertragungskörper 4 weist Flansche 16, 17 auf, die im Gehäuse 6 eingespannt sind, die aber - wie zeichnerisch dargestellt - verdünnte Stellen aufweisen, so daß damit der Schallübertragungskörper frei beweglich aufgehängt ist. Das Honwerkzeug 1 ist mit einem Flansch 21 versehen, der zum Abziehen ein Außengewinde aufweist. Bei Erregung der Schwingquarze 12, 13 mit einer Erregungsfrequenz im Ultraschallbereich, z. B. zwischen 20 bis 24 kHz, entwickelt eine Ultraschallschwingung eine Komponente in axialer Richtung und eine Komponente in radialer Richtung. Rechts neben der Spindelanordnung sind die Amplitude A_A der Schwingungskomponente in axialer Richtung und die Amplitude der Schwingungskomponente A_R in radialer Richtung in ihrer räumlichen Lage im Verhältnis zur Spindelanordnung und Werkzeug aufgezeichnet. Es bildet sich somit im Schallübertragungskörper 4 und im Honwerkzeug eine eigenfrequente Ultraschallschwingung aus, d. h. das Honwerkzeug 1 überträgt die Schwingung nicht als gleichsam als starrer Körper, sondern gerät selbst in Schwingung. Dies erfolgt, wenn seine Länge, wie dargestellt, gleich der halben Wellenlänge (lambda/2) der anregenden Ultraschallschwingung oder einem ganzen Vielfachen (n=1, 2, . . . ) davon ist. Die Einspannung des Honwerkzeugs 1 erfolgt derart, daß die Amplitude A_A der Schwingungskomponente in axialer Richtung am Einspannende 30, d. h. in der Einspannebene E, sowie ferner am freien Ende 40 des Werkzeuges jeweils ein Maximum hat, während die Amplitude A_R der Schwingungskomponente f_R in radialer Richtung am Einspannende 30 und am freien Ende 40 jeweils gleich Null ist. Das Honwerkzeug 1 ist im Bereich seiner unteren Hälfte, also zwischen der Stelle L/2 und dem freien Ende 40, somit im Endbereich einer Viertelwellenlänge und mit einem Schneidbelag 20 versehen.

Fig. 2 zeigt das Honwerkzeug 1 in vergrößerter Darstellung. Der Schneidbelag 20 soll im Arbeitszustand, d. h. bei Ultraschallerregung, die definierte Arbeitskontur K_A aufweisen, nämlich mit einen relativ langen zylindrischen Bereich K_Z und einen sich daran anschließenden konischen Bereich K_K. Diese Arbeitskontur K_A ist in Fig. 2 links außen neben dem Honwerkzeug herausgezeichnet. Diese Arbeitskontur bewirkt, da das Werkzeug, wenn es in eine Bohrung in einem Werkstück eindringt, zunächst mit dem konischen Bereich K_K geführt wird und danach mit dem zylindrischen Bereich K_Z die eigentliche Bearbeitung mit einem Vorwärts- und einem Rückwärtshub durchführt. Um diese Arbeitskontur K_A im ultraschallerregten Betriebszustand zu erhalten, muß man berücksichtigen, daß sich die Kontur des Schneidmittelbelages 20 entlang der Achse durch die Amplitude A_R der Schwingungskomponente f_R in radialer Richtung verändert. Die Arbeitskontur K_A soll sich bei Ultraschallerregung als äußerste Hüllkurve der Schwingungsenden des Schneidmittelbelages darstellen. Dies muß durch die in Ruhestellung vorgegebene Kontur des Schneidmittelbelages 20, die "Vorhaltekontur" K_V, berücksichtigt werden. Diese Vorhaltekontur K_V ist ebenfalls in Fig. 2 links neben dem Honwerkzeug 1 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß sie von der Stelle L/2, die die halbe Werkzeuglänge angibt, an der die Schwingungskomponente f_R in radialer Richtung ihr Maximum hat, nach außen hin bis zum Ende des Bereiches K_Z leicht zunimmt und von dort dann linear, jedoch stärker als die Arbeitskontur K_A, abnimmt. Die Abweichungen im Durchmesser des Werkzeugs im Bereich des Schneidbelags zwischen der Vorhaltekontur K_V und der Arbeitskontur K_A, also D(K_V)-D(K_A) liegen etwa im Bereich delta D=6 bis 9 Mikrometer. Die Hälfte dieses Wertes entspricht dann etwa der maximalen bei der Abweichung zu berücksichtigenden Schwingungsamplitude A_R in radialer Richtung. Bei der Auslegung ist noch das Transformationsverhältnis zu berücksichtigen, d. h. die Veränderung der Schwingungsamplitude von der Einspannstelle 30 zum freien Ende 40 aufgrund der Veränderung der Werkzeuggeometrie. Zwischen der Einspannstelle 30, an der der Durchmesser D₁ eingezeichnet ist, und dem Teil des Honwerkzeuges 1, der mit dem Schneidmittelbelag 20 belegt ist, ergibt sich eine Übergangskontur K_UE. Auch diese hat Einfluß auf das Transformationsverhältnis und das Schwingungsverhalten und ist als Parameter zur konstruktiven Auslegung des Honwerkzeuges 1 zu betrachten. Verschiedene mögliche Übergangskonturen K_UE sind neben dem Honwerkzeug 1 rechts in Fig. 2 eingezeichnet.

Je größer der Durchmesser D₁ an der Einspannstelle im Verhältnis zum Durchmesser D₂ am freien Ende des Honwerkzeuges 1 ist, desto größer ist das Transformationsverhältnis. Man möchte deshalb bei gegebenem Durchmesser des Schneidbelages 20 einen möglichst großen Durchmesser D₁ an der Einspannstelle haben.

Ein derart gestaltetes Honwerkzeug 1 ist in Fig. 3 dargestellt. Es unterscheidet sich von dem Honwerkzeug nach Fig. 2 dadurch, daß die Aufnahme am Ende des Schallübertragungskörpers 4 durch einen Innenkonus 22 am Honwerkzeug 1 erfolgt, wobei dann entsprechend das Ende des Schallübertragungskörpers 4 mit einem Außenkonus 23 versehen ist. Die Amplituden A_A0 der Schwingungskomponente f_A in axialer Richtung an der Einspannstelle 30 und die Amplitude A_A1 am freien Ende 40 sind eingezeichnet. Bei der dargestellten geometrischen Auslegung ergibt sich somit sogar von der Einspannstelle 30 zum freien Ende 40 eine Amplitudenverstärkung, d. h. das Verhältnis A_A1:A_A0 ist größer 1, wie eingezeichnet.

Fig. 4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel ein Honwerkzeug 100, versehen mit einem Schneidbelag 120. Bei Abnutzung des Schneidmittelbelages 120 erfolgt eine Nachjustierung durch plastische Verformung. Zu diesem Zweck ist das Honwerkzeug 100 im Bereich B_GV seines größten Verschleißes, der den Übergangsbereich zwischen konischem Bereich K_K und zylindrischen Bereich K_Z einschließt, mit einer bauchigen Innenbohrung 121 versehen. Über im wesentlichen dieselbe axiale Länge erstreckt sich der bauchig verbreiterte Teil 121′ der Innenbohrung 121. Zur Nachjustierung bringt man das Honwerkzeug 100 in der dargestellten Weise in einen Einspannkonus 130 ein, der an einem Gegenhalter 131 angeordnet ist. Dann wird in die vordere Öffnung 121′′ der Innenbohrung 121 ein Druckstück 140 eingesetzt. Auf dieses Druckstück wird durch eine hydraulische Preßeinrichtung 141, die lediglich strichpunktiert angedeutet ist, Druck ausgeübt. Das Druckstück 140 ragt mit seinem vorderen als Dorn ausgebildeten Ende 140′ in die Öffnung 121′′ der Bohrung 121 hinein. Anschließend an das vordere Ende 140′ weist das Druckstück 140 ein stufenförmig verbreitertes zylindrisches Teil 140′′ auf. Der Durchmesser dieses zylindrisches Teils 140′′ überdeckt jedoch nicht die gesamte Stirnfläche des vorderen Endes des Honwerkzeuges 100, sondern ist lediglich soweit verbreitert, daß sich eine problemlose Einleitung der von der hydraulischen Preßeinrichtung 141 ausgeübten Kraft in das Honwerkzeug 100 ergibt, jedoch derart, daß im Honwerkzeug 100 selbst Schubspannungen entstehen, die sich durch eine plastische Verformung in radialer Richtung und damit eine Aufweitung des Honwerkzeuges zur Kompensation des Verschleißes abbauen.

Zur Kompensation des Schneidbelages ist es aber auch möglich, die Eingangsamplitude A_A0 (vgl. Fig. 3) zu erhöhen, so daß damit - bei gleichbleibenden sonstigen Parametern - auch die Amplitude der Schwingungskomponente in radialer Richtung im Bereich B_GV entsprechend erhöht wird.

Eine weitere Möglichkeit der Kompensation des Verschleißes des Schneidbelages besteht darin, die Parameter der Kinematik des Hubvorgangs, insbesondere die Hubgeschwindigkeit (Veränderung der Geschwindigkeit der Hin- und Herbewegung in Richtung des Pfeiles 11; vgl. Fig. 1) zu verändern. Es hat sich gezeigt, daß bei geringer Hubgeschwindigkeit vergleichsweise größere Durchmesserzuwächse erreicht werden können als bei hohen Hubgeschwindigkeiten. Das dürfte daran liegen, daß bei langsamer Bewegung der Schneidbelag sich freischneiden kann und somit ein höherer Materialabtrag, aber auch höhere Rautiefen entstehen.

Claims (11)

1. Ultraschallerregtes eigenfrequent schwingendes Honwerkzeug mit einer freien Länge, die gleich dem ganzzahligen (n=1, 2, . . . ) Vielfachen der halben Wellenlänge (lambda/2) der Ultraschallschwingung ist, und mit einem Schneidmittelbelag (20), dessen Kontur (K_A) im erregten Arbeitszustand, vom freien Ende (40) des Honwerkzeuges (1) herbetrachtet, einen konischen Bereich (K_K) und daran anschließend einen zylindrischen Bereich (K_Z) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in Ruhestellung die Vorhaltekontur (K_V) des Schneidmittelbelags (20) in Abweichung von der Arbeitskontur (K_A) derart bestimmt ist, daß sich daraus die Arbeitskontur (K_A) aus der Vorhaltekontur (K_V) bei Ultraschallerregung unter Berücksichtigung der Amplitude (A_R) der Schwingungskomponente (f_R) in radialer Richtung ergibt.

2. Honwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorhaltekontur (K_V) in Ruhestellung entlang des Bereiches (K_Z), der im Arbeitszustand zylindrisch ist, zum freien Ende (40) hin im Durchmesser 3 bis 10 Mikrometer zunimmt und in dem sich daran anschließenden konischen Bereich (K_K) im Durchmesser stärker als im Arbeitszustand abnimmt.

3. Honwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidbelag (20) im Bereich einer Viertelwellenlänge vom freien Ende (40) des Honwerkzeugs (1) her angeordnet ist.

4. Honwerkzeug nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Einspannende (30) des Honwerkzeugs (1) und dem mit dem Schneidmittelbelag (20) versehenen Teil des Honwerkzeugs (1) eine sich verjüngende Übergangskontur (K_UE) vorgesehen ist.

5. Honwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangskontur (K_UE) so bestimmt ist, daß das Amplitudenverhältnis der Amplitude (A_A0) der Schwingungskomponente in axialer Richtung am Einspannende (30) zur Amplitude (A_A1) derselben Schwingungskomponente am freien Ende (40) eine Verstärkung (A_A1:A_A0 größer 1) ergibt.

6. Honwerkzeug nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspannende (30) des Honwerkzeuges (1) zur Einspannung im Ende des Schallübertragungskörpers (4) einer Spindelanordnung (5) mit einem Innenkonus (22) versehen ist.

7. Honwerkzeug nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Honwerkzeug (1) mit einem Flansch mit Außengewinde (21) zum Abziehen des Honwerkzeugs versehen ist.

8. Honwerkzeug nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß es (100) im Bereich größten Verschleißes (B_GV), die vorzugsweise den Übergang zwischen konischem Bereich (K_K) und zylindrischen Bereich einschließt, mit einer bauchigen Innenbohrung (121) versehen ist.

9. Verfahren zur Nachjustierung eines Honwerkzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bei Verschleiß, gekennzeichnet durch eine plastische Aufweitung des Honwerkzeuges in radialer Richtung.

10. Verfahren zur Nachjustierung eines Honwerkzeugs nach Anspruch 8 bei Verschleiß, dadurch gekennzeichnet, daß in axialer Richtung auf das Honwerkzeug (100) von einer Preßeinrichtung (141) Druck ausgeübt und es (100) dadurch im Bereich der bauchigen Innenbohrung (121) plastisch in radialer Richtung verformt wird.

11. Verfahren zur Nachjustierung eines Honwerkzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Erhöhung der Schwingungsamplitude (A_A0) an der Einspannstelle.