EP0340661A2 - Apparatus for machining very hard material by means of a machining tool, and method therefor - Google Patents

Apparatus for machining very hard material by means of a machining tool, and method therefor Download PDF

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EP0340661A2
EP0340661A2 EP89107753A EP89107753A EP0340661A2 EP 0340661 A2 EP0340661 A2 EP 0340661A2 EP 89107753 A EP89107753 A EP 89107753A EP 89107753 A EP89107753 A EP 89107753A EP 0340661 A2 EP0340661 A2 EP 0340661A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tool
spindle
ultrasonic
processing
machining
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP89107753A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0340661A3 (en
Inventor
Ernst Krauss
Rüdiger HAAS
Helmut Schatz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mafell-Ultrasonics Keramik-Erosion GmbH
Original Assignee
Mafell-Ultrasonics Keramik-Erosion GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mafell-Ultrasonics Keramik-Erosion GmbH filed Critical Mafell-Ultrasonics Keramik-Erosion GmbH
Publication of EP0340661A2 publication Critical patent/EP0340661A2/en
Publication of EP0340661A3 publication Critical patent/EP0340661A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes
    • B24B1/04—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes subjecting the grinding or polishing tools, the abrading or polishing medium or work to vibration, e.g. grinding with ultrasonic frequency

Definitions

  • the invention relates to a device for processing very hard material by means of a processing tool and loose grain contained in a flowable medium, the processing tool being held in a tool holder of a spindle which can be driven in rotation.
  • a device is used, for example, to make a workpiece from the material deliver or further process a workpiece made from the material.
  • the device according to the invention is primarily intended for processing very hard material, often referred to as ultra-hard material, or workpieces produced therefrom, the known device does not have to be extremely hard material in every application.
  • the processing carried out with the device of the prior art is, for example, lapping. In this case, the machining tool is a lapping mandrel.
  • lapping paste or lapping suspension which consists of the flowable medium and the loose grain embedded therein. Because of the relative movement to the workpiece imposed on it by the processing tool, each individual loose grain processes its surface at the relevant point. Overall, the loose grain gives a very fine finish. A very smooth surface is obtained, but only a relatively small amount of material is removed per unit of time.
  • a device for grinding with loose grain which works at least in principle or similarly, is comparable with this.
  • the machining result in such a device is generally very good, but is particularly time-consuming if a relatively large amount of material is to be removed and the material is particularly hard.
  • the object of the invention is therefore to develop a device of the type described above so that the processing time can be reduced without affecting the quality of the processing.
  • the device is designed according to the preamble of claim 1 in accordance with the characterizing part of this claim.
  • processing by means of ultrasound can be superimposed on the conventional processing by the suspension with the loose grain, whereby the processing speed increases and thus, for example, a hole, a breakthrough or the like can be created in a plate-shaped material or part of a workpiece considerably faster or can be enlarged.
  • the device is a pure ultrasound processing device for very hard materials or workpieces.
  • the speed of the embodiment with the ultrasound machining tool that can be driven in the direction of rotation is in the order of magnitude of approximately 25 to 50 revolutions per minute.
  • the speed of the spindle must be of the order of magnitude as is the case with grinding machines, lapping machines or similar machines operating with such a suspension knows.
  • speeds of the order of 5,000 to 8,000 revolutions per minute are required if an effective rotary machining is to be superimposed on the ultrasonic machining.
  • speeds such as 10,000 rpm.
  • a lower speed of, for example, 2,000 or 3,000 rpm can also be used. are sufficient for the additional "rotary machining".
  • the decisive factor is the circumferential speed, whereby the value that enables rotary machining depends on the material. To a certain extent, this defines the lower limit, while an upper limit for the maximum speed of the spindle depends more on mechanical engineering and / or cost considerations.
  • the device according to the invention allows, for the first time, the superimposition of an ultrasound processing with a processing similar to grinding or lapping, using the ultrasound processing tool and the device for the supply and removal of an abrasive suspension or the like, which is already present in the ultrasound processing.
  • a further development of the invention provides that the ultrasound transducer is detachably held. You can not only remove it for repair purposes or to replace it with another embodiment, but you can also operate this device in a special case without the ultrasonic transducer, if you replace the ultrasonic transducer with a corresponding tool holder, in which you can use a tool that can be used for rotary machining or if there is an additional tool holder, if applicable, at the separation point.
  • the rotary drive can of course also be used stop and use the device only as an ultrasonic processing device without rotating the ultrasonic processing tool.
  • a processing tool with a solid grain for example a grinder
  • another liquid for example cooling liquid, can also occur if a corresponding supply option is created or is available.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the oscillator of the ultrasound transducer is held in a sleeve-like ultrasound transducer housing by means of two bearings offset in the axial direction, the distance between the bearings being approximately ⁇ / 2 with the ultrasound machining tool that is vibrating and the vibration nodes adjacent to the bearings assigned. This ensures that a vibration antinode is assigned to the free end of the ultrasound processing tool and thus the maximum possible power can be transferred to the workpiece. Another antinode is assigned to the free end of the rear end mass. From there to the free end of the ultrasonic processing tool, there is an entire wavelength ⁇ of the oscillatory system.
  • Another variant of the invention is characterized in that that between the bearing of the vibrator removed from the ultrasonic processing tool and an inner end mass there is a pair of ultrasonic sensors and the spindle is equipped with a rotary current collector for this purpose.
  • the pair of encoders is, in a known manner, piezo encoders that are electrically excited.
  • the pair of encoders and the rear end mass are fixed, for example, with a screw to the transducer.
  • the rotary current collector serves to supply current for the pair of ultrasound transmitters, and in the case of a removable ultrasound transducer, it is located on the part of the spindle remaining on the device. Preferably only a single pair of ultrasound transmitters is provided.
  • a further embodiment of the invention is characterized by a double-bearing spindle, the spindle bearings being in the position of use of the device above the ultrasound transducer.
  • the part of the spindle remaining in the case of a removable ultrasonic transducer is mounted on them. It must be a high-precision bearing, because on the one hand the speed is very high and on the other hand the ultrasonic transducer is on the fly so to speak.
  • the ultrasound processing tool, the ultrasound transducer and the spindle or the spindle part located above the ultrasound transducer are very advantageously equipped with a common suction channel for the flowable medium with the loose grain.
  • the processing point becomes the flowable medium with the grain - for the sake of simplicity only still talking about suspension, although this is not meant to be restrictive - supplied in sufficient quantity via a suitable inlet, preferably a tube. Due to a suction effect in the area of the processing point, the suspension is sucked into the gap between the workpiece and the processing tool and transported away via the suction channel, which preferably opens approximately centrally. Thus, there is fresh and correctly tempered suspension in the area of the processing point.
  • the suctioned-off suspension is worked up in a suitable and known manner, cleaned and, if necessary, renewed with regard to the loose grain.
  • the channel expediently passes through the ultrasound processing tool, the ultrasound transducer and at least a substantial part of the spindle in the axial direction, preferably centrally, an upper channel opening being connected to a container or being located within a container.
  • an upper channel opening being connected to a container or being located within a container.
  • its upper end must merge into at least one transverse channel if the exit is not provided or possible on the end face of the spindle.
  • a further development of the invention is characterized by a collecting container at the upper end of the spindle with at least one drain opening for the collected medium.
  • the drain opening is connected, for example, to a storage container or only to an outlet pipe through which the suspension can flow to a suitable point.
  • the upper one is expediently located Channel end, especially the upper spindle end, inside the collecting container.
  • Another variant of the invention is characterized by a second opening in the collecting container, which is connected to the pressure side of a flushing pump via a line, a channel or the like.
  • the collecting container is rinsed at the appropriate or necessary time. Rinsing prevents the loose grain from accumulating in the collecting container, in particular at the bottom and / or in the region of the drain.
  • the rinsing is expediently carried out with suspension, so that a separation of the washing-up liquid and the suspension required for processing is avoided.
  • the suction channel at least in the area of the ultrasound transducer, is formed by a preferably central tube of the latter. At its lower end, it protrudes into the tool holder and can be coupled there to the part of the channel contained in the machining tool.
  • the tube extends into the area of the separation point, so that a tight hydraulic connection with a further channel part inside the spindle can be created in a suitable manner.
  • the spin del connected to a weight balancing device.
  • the spindle with all parts held on it in particular the ultrasonic transducer and the processing tool, but also the spindle bearings and the rotary current collector, can be loaded against gravity, so that the free end of the processing tool rests on the workpiece, but not on it Exerts pressure.
  • This serves to define a zero point for the contact pressure of the processing tool on the workpiece.
  • the lifting, or more precisely, the weight relief can be done by means of a pneumatic, hydraulic or magnetic auxiliary. If the weight remains unchanged, a spring force can also be used or a spring or spring unit can form the device for counterbalancing the weight.
  • the weight compensation device also forms a device for pressing the machining tool against the workpiece or is connected to it.
  • Such a combination of both devices is particularly suitable for pneumatic or hydraulic assistants, with one device establishing the zero point to a certain extent and the required contact pressure being applied with the other.
  • a corresponding control which for example uses a displacement transducer to move the machining spindle adjusts the amount by which the processing tool has entered the workpiece.
  • a common device for weight compensation and for tool pressure is designed as a pneumatic or hydraulic device and has a double-acting working cylinder or at least one diaphragm clamped in a double-acting housing, with the piston on both sides of the working cylinder or on both sides of the Membrane-located rooms are each connected to a hydraulic or pneumatic pressure source.
  • the first pressure source serves to relieve the pressure for the weight compensation, whereby it is connected to the lower hydraulic or pneumatic room.
  • the precisely controllable contact pressure is then applied via the second pressure source.
  • the pressure for weight relief can be calculated.
  • a further development of the invention is characterized in that an additional membrane is clamped below the membrane of the common device and the space between the membranes is connected to one of the pressure sources.
  • the latter is of course the compensation pressure for the weight balance.
  • the use of two diaphragms, which are connected in series at a distance, avoids complex sealing of the displaceable, downwardly emerging element against a stationary device housing part or the like Otherwise, it is easily possible and in a manner not shown in the exemplary embodiment also provided that the entire unit, including the common device for weight compensation and for tool pressure, can be lifted or lowered overall by means of a rough feed, so that it can be compared to a machine stand or the like to be able to proceed that machining tools of different lengths and / or materials or workpieces of different heights can be machined.
  • the tool holder is advantageously conical and the ultrasonic machining tool has a matching counter-cone at the fastening end.
  • the processing tool has an outer cone in the manner of a known Morse cone with self-locking.
  • Another preferred embodiment of the invention provides that the rotary drive of the spindle can be switched on in batches.
  • This enables the machining tool to be rotated by an intended angular amount, so that, for example in the case of a non-rotationally symmetrical cross section, it is possible to create openings whose cross-sectional shape is composed of several individual cross sections of the “cutting edge” of the ultrasonic machining tool.
  • a star-shaped cross section can be mentioned, which can be created by means of a processing tool, the one or two opposite one another Has cutting whose cross-section corresponds to the jagged cross-sectional shape of the star.
  • the ultrasound processing tool and / or the material can be displaced transversely to the spindle axis, the movement advantageously running perpendicular to the longitudinal axis of the spindle. This makes it possible to create relatively large openings or grooves and the like with a tool having a relatively small machining cross section.
  • the invention further relates to a method for processing a very hard material with a device according to at least one of the preceding claims.
  • a hard material or a workpiece made from it either with ultrasound or by grinding with solid or loose grain.
  • very hard or ultra-hard material such as ceramic, sintered material, e.g. B. carbide and the like. So far, there is only the possibility of ultrasonic processing, for example if a contour is to be created from the full material or holes, openings or the like are to be incorporated into the latter.
  • the flowable carrier with the loose grain contained therein is extracted via a gap between the tool rotating at high peripheral speed and the processing point of the material towards the geometric axis, material particles being removed by the loose grain, and that the gap space can be periodically narrowed by means of ultrasound, as a result of which the throughflow movement of the loose grain superimposed on the pulse amplifying the processing.
  • the ultrasonic processing tool also works in the manner of a lapping mandrel or grinding tool for a grinding suspension.
  • the loose grain can be used in two ways by one and the same tool. If the latter is used to drill a hole, its diameter is about twice the grain size, in contrast to pure ultrasonic machining, because the loose grains are not only below the free tool end, but also around its end area.
  • a feed head 2 can be adjusted and locked in the direction of the double arrow 3.
  • the adjustment is carried out in a known manner, in particular with the aid of an adjustment motor. It serves for the rough alignment of an ultrasound processing tool 4 with respect to the material 5 to be processed or a workpiece. This is aligned with the machining tool 4 by means of a symbolically drawn workpiece holder 6. In a manner not shown, the machining tool can also be aligned transversely to the direction of movement 3 relative to the material.
  • the workpiece holder 6 can be moved, for example in the sense of the double arrow 7 or transversely thereto, on a table 8 or the like of the device or the frame 1 and then lock.
  • the material to be processed is preferably so-called ultra-hard material, that is to say, for example, hard metal, ceramic or other sintered or similarly produced material, which is produced using conventional processing tools cannot be processed or can only be processed very inadequately.
  • the processing device has a spindle 9 which is mounted by means of two superposed bearings 10 and 11. These must transmit the radial and axial forces that occur.
  • the spindle can be driven by means of a motor 12, in particular an electric motor.
  • the drive takes place, for example, via a toothed belt 13, which wraps around toothed wheels on the motor and the spindle 9.
  • the spindle speed is relatively high and can be in the order of 5,000 to 8,000 rpm. or a little higher. If necessary, the spindle can also be driven at a slightly lower speed.
  • the spindle bearings are located in a device part 14 which is comparable to a quill and can be moved up and down relative to the feed head 2 in the sense of the double arrow 15.
  • a ball bearing cage 16 ensures smooth movement.
  • the displacement movement in the direction of the double arrow 15, which will be explained in more detail below, is extremely minimal compared to the displacement movement of the feed head 2.
  • the amount by which it has penetrated into the material 5 is advanced via the displacement movement 15, for example the tool 4.
  • the infeed takes place continuously via an extremely precise control, which ensures a constant contact pressure of the ultrasonic machining tool on the material.
  • a preferably removable ultrasonic transducer 17 is located at the free end of the spindle 9 Tool holder 18 equipped for the ultrasonic machining tool 4.
  • it can have an inner cone, in which an outer cone engages at the fastening end of the processing tool 4, the wedge angle being selected such that self-locking is ensured, as is known, for example, from cutting tools with a Morse cone.
  • any other type of fastening for the ultrasound machining tool 4 which is known in particular in the case of ultrasound machining devices, is also conceivable. From the above, it also follows that the ultrasound transducer 17 forms the lower part of the spindle 9 to a certain extent. In order to ensure perfect concentricity, a centering 19 is provided between the ultrasonic transducer 17 and the part of the spindle 9 above it.
  • the ultrasonic transducer 17 is equipped with an oscillator 20 of a known type. This is mounted in a preferably approximately sleeve-like ultrasonic transducer housing 23 via two bearings 21 and 22 offset in the axial direction. The vertical distance between them is selected so that when the machining tool 4 is inserted, an oscillation node of the oscillation ⁇ of the oscillation system is located approximately in the middle of each bearing plate, so that the bearing plates are at rest with respect to the housing 23. In contrast, a vibration antinode of the vibration ⁇ is assigned to the machining end of the machining tool 4, so that the vibration energy is decoupled there with its maximum value. An antinode distant from it by ⁇ is the inner end of the rear Final mass 24 assigned.
  • the latter is a pair of known types of ultrasound transducers consisting of ultrasound sensors 25 and 26, the exemplary embodiment being a so-called piezo sensor. They are supplied with electrical current via a rotary current collector 27. The latter remains on the upper spindle part when the ultrasonic transducer 17 is removed.
  • Ultrasonic processing of a material or workpiece requires the presence of a so-called suspension.
  • This consists of a flowable medium 28 which carries “loose grain” 29 with it.
  • the "loose grain” consists of individual, very fine and sharp-edged particles, which are pushed by the ultrasonic waves like tiny chisels against the partial surface of the material 5 opposite the free end face of the ultrasonic processing tool 4, thereby hitting tiny particles out of the material. If the ultrasound processing tool does not rotate, the ultrasound drive of the processing tool 4 creates a recess in the material 5, the cross-sectional shape of which is identical to the cross section at the processing end of the processing tool 4.
  • the suspension 29, 29 is fed to the processing point via a symbolically drawn device 30.
  • the suspension can be sucked off via a channel 31 and this is also the case at least with the rotating spindle 9. It penetrates the bear processing tool 4, from its processing to its fastening end and it then continues in the ultrasonic migrator 17. There it is in the form of a thin tube. This extends up to approximately the centering 19 or slightly beyond. Subsequently, it is preferably a central bore in the spindle 9, as is also provided for the machining tool 4. At the upper end, the central axial channel can merge into a radial one, which opens outwards.
  • the sucked-in suspension first arrives in a collecting container 32 (FIG. 2), from which it can be discharged via an opening 33, which is preferably assigned to the bottom.
  • the collecting container 32 also has a second opening 34, to which a line 35 leads. This is connected in a manner not shown to the pressure side of a flushing pump, so that the container 32 can be flushed via line 35, preferably with fresh or processed suspension. 2 is secured against rotation by means of a safety device 36.
  • the spindle 9 is equipped with a device 37 for pressing the ultrasound tool onto the material 5.
  • this is combined with a device 38 for weight compensation. It is preferably a pneumatically or hydraulically operating device, in which case the pneumatic auxiliary energy is preferred.
  • the connected parts that are displaceable relative to the feed head 2 are connected, for example, to a hydraulic or pneumatic drive via a holding mandrel 39.
  • a holding mandrel 39 This can be a double-acting working cylinder or, as in the exemplary embodiment, a housing 40 with at least one membrane 41.
  • a preferred embodiment of the device provides that an additional membrane 42 is supported below the membrane 41. Both membranes are tightly clamped inside and outside.
  • the pressure space 43 located above the membrane 41 is pneumatically or hydraulically connected to a pressure line 44, while a further pressure line 45 opens into the second pressure space 46.
  • the processing tool 4 can be moved as far from the line 45 "Lift off" material 5 so that it just touches it, but does not exert any pressure force from the weight. Accordingly, the device 38 is used for weight compensation or for establishing a zero point for the pressing of the processing tool 4 on the material 5. If the contact force of the processing tool 4 is adjusted to zero, a displacement sensor 48 can also be set to zero len. With its help you can determine the relative movement of the machining tool 4 relative to the normally fixed feed head 2.
  • an upper bearing 49 of the spindle 9 is protected from damage by the suspension by means of a disc 50 and a further disc 51 protects an additional upper bearing 52 located above it in the same way.
  • the distance of the discs from the collecting container 32 is advantageously extremely small and in the sense of a gap tung or the like.
  • the upper channel opening 53, via which the sucked-in suspension reaches the collecting container 32, is of course located between the two disks 50 and 51.
  • the suction takes place by generating a corresponding negative pressure in the collecting container 32.
  • the ultrasound processing tool 4 can be used in a conventional manner, whereby it can be rotated at a low rotational speed or only partially by a certain degree of angle. Turning at a low speed ensures a rotationally symmetrical drilling, even if the cross-section of the machining tool is not 100% round or deliberately out of round at the free end.
  • the machining tool is driven at high speed, so that there is a sufficiently high peripheral speed with regard to the material to be machined on the outer periphery of the machining end of the ultrasound tool 4, then the normal ultrasound machining is superimposed on a further machining, which is also performed by of the supplied suspension or the loose grain 29 contained therein is effected in the manner known from lapping, grinding with loose grain or comparable mechanical processing methods.
  • the loose grain is carried along in the direction of rotation by the rapidly rotating processing tool and processing takes place on the bore wall.
  • the bore diameter becomes about twice the grain size larger than the diameter of the machining tion tool 4 or its flight circle diameter corresponds.
  • this bore can also be made into a longitudinal slot if a relative movement between the machining tool and the workpiece is provided, for example in the sense of the double arrow 7 or in another transverse direction.
  • a major breakthrough can be made very quickly with a relatively small machining tool.
  • This breakthrough can have any shape within the scope of the possibility of transverse displacement.
  • the transverse displacement is expediently effected via a control of the machine, the transverse advance being determined in accordance with the parameters to be taken into account, such as the material, cross section of the machining tool and the power of the rotary drive and the ultrasonic drive.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)

Abstract

So that an ultra-hard material (5) or a workpiece made of this material (5) can be machined in an accelerated manner by means of suspension or the like, the machining tool (4) is utilised both as an ultrasonic machining tool and in the manner of a lapping mandrel or the like, i.e. it is moved ultrasonically in the axial direction as well as set in high rotation. With the conventional cross-sections of an ultrasonic machining tool, speeds in the order of magnitude of four thousand to about eight thousand revolutions per minute are possible, and higher or lower values, for instance, may also be suitable. On account of two drives which can be engaged and disengaged separately, the apparatus for machining the material is able to utilise the machining tool only in ultrasonic mode or only as a rotary tool or is able to use both types of operation at the same time. In addition, a workpiece can be ground with this apparatus, for example in a conventional manner, without it being absolutely necessary to remove the ultrasonic transformer (17). For if a grinding mandrel which consists of firm grain or is set, for example, with diamonds is inserted in the tool holder (18), work can be carried out as with a conventional grinding machine with the ultrasonic drive disengaged. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bearbeitung von sehr hartem Werkstoff mittels eines Bearbeitungswerkzeugs und in einem fließfähigen Medium enthaltenem losem Korn, wobei das Bearbeitungswerkzeug in einer Werkzeugaufnahme einer rotierend antreibbaren Spindel gehalten ist. Eine derartige Vorrichtung be­nutzt man beispielsweise, um aus dem Werkstoff ein Werkstück her­ zustellen oder ein aus dem Werkstoff anderweitig gefertigtes Werkstück weiterzubearbeiten. Während die erfindungsgemäße Vor­richtung vor allen Dingen zur Bearbeitung von sehr hartem, viel­fach als Ultrahartwerkstoff bezeichnetem Werkstoff oder hieraus hergestellten Werkstücken vorgesehen ist, muß es sich bei der vorbekannten Vorrichtung nicht in jedem Anwendungsfall um extrem hartes Material handeln. Bei dem mit der Vorrichtung des Standes der Technik durchgeführten Bearbeitung handelt es sich beispiels­weise um das Läppen. Das Bearbeitungswerkzeug ist in diesem Falle ein Läppdorn. Zwischen dessen rotierender Oberfläche und dem Werkstoff oder Werkstück - nachfolgend wird der Einfachheit hal­ber lediglich noch von Werkstoff gesprochen, ohne daß dies ein­schränkend verstanden werden darf - befindet sich eine Läppaste oder Läppsuspension, die aus dem fließfähigen Medium und darin eingelagertem, losem Korn besteht. Jedes einzelne lose Korn bear­beitet aufgrund der ihm vom Bearbeitungswerkzeug aufgezwungenen Relativbewegung zum Werkstück dessen Oberfläche an der betreffen­den Stelle. Insgesamt erfolgt eine sehr feine Bearbeitung durch das lose Korn insgesamt. Man erhält eine sehr glatte Oberfläche, jedoch pro Zeiteinheit einen nur verhältnismäßig geringen Abtrag des Werkstoffs.The invention relates to a device for processing very hard material by means of a processing tool and loose grain contained in a flowable medium, the processing tool being held in a tool holder of a spindle which can be driven in rotation. Such a device is used, for example, to make a workpiece from the material deliver or further process a workpiece made from the material. While the device according to the invention is primarily intended for processing very hard material, often referred to as ultra-hard material, or workpieces produced therefrom, the known device does not have to be extremely hard material in every application. The processing carried out with the device of the prior art is, for example, lapping. In this case, the machining tool is a lapping mandrel. Between its rotating surface and the material or workpiece - hereinafter, for the sake of simplicity, we will only speak of material without this being understood as restrictive - there is a lapping paste or lapping suspension, which consists of the flowable medium and the loose grain embedded therein. Because of the relative movement to the workpiece imposed on it by the processing tool, each individual loose grain processes its surface at the relevant point. Overall, the loose grain gives a very fine finish. A very smooth surface is obtained, but only a relatively small amount of material is removed per unit of time.

Damit vergleichbar ist auch eine Vorrichtung zum Schleifen mit losem Korn, die zumindest dem Prinzip nach gleich oder ähnlich arbeitet.A device for grinding with loose grain, which works at least in principle or similarly, is comparable with this.

Das Bearbeitungsergebnis bei einer derartigen Vorrichtung ist zwar in aller Regel sehr gut, jedoch dann besonders zeitaufwen­dig, wenn relativ viel Material abgetragen werden soll und der Werkstoff besonders hart ist.The machining result in such a device is generally very good, but is particularly time-consuming if a relatively large amount of material is to be removed and the material is particularly hard.

Die Aufgabe der Erfindung besteht infolgedessen darin, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß die Bearbeitungszeit ohne Beeinträchtigung der Qualität der Bearbeitung reduziert werden kann.The object of the invention is therefore to develop a device of the type described above so that the processing time can be reduced without affecting the quality of the processing.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechend dem kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs ausgebildet ist. Mit dieser Vorrichtung kann der herkömmlichen Bearbeitung durch die Suspension mit dem losen Korn eine Bearbeitung mittels Ultra­schall überlagert werden, wodurch sich die Bearbeitungsgeschwin­digkeit erhöht und somit beispielsweise eine Bohrung, ein Durch­bruch od. dgl. in einem plattenförmigen Werkstoff oder Teil eines Werkstücks erheblich schneller erstellt oder vergrößert werden kann. Theoretisch ist es möglich, sowohl der herkömmlichen Bear­beitung im Sinne eines Läpp- oder Schleifvorgangs die für sich allein bekannte Ultraschallbearbeitung zu überlagern oder aber nur eine dieser beiden Bearbeitungsarten anzuwenden. Sofern es werkstoffgerecht ist und im Sinne der Aufgabenstellung eine Be­schleunigung der Bearbeitung verlangt wird, findet eine überla­gerte Bearbeitung aus beiden Arten statt.To achieve this object, it is proposed according to the invention that the device is designed according to the preamble of claim 1 in accordance with the characterizing part of this claim. With this device, processing by means of ultrasound can be superimposed on the conventional processing by the suspension with the loose grain, whereby the processing speed increases and thus, for example, a hole, a breakthrough or the like can be created in a plate-shaped material or part of a workpiece considerably faster or can be enlarged. Theoretically, it is possible to overlay conventional processing in the sense of a lapping or grinding process with ultrasound processing, which is known per se, or to use only one of these two types of processing. If it is suitable for the material and an acceleration of the processing is required in terms of the task, a superimposed processing of both types takes place.

Es ist zwar bereits bekannt, ein Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug in Drehung zu versetzen, jedoch geschieht dies lediglich zum Zwecke einer exakt rotationssymetrischen Ausbildung der zu er­stellenden Bohrung. Man kann hierdurch eine unrunde Form des Be­arbeitungswerkzeugs kompensieren. Die Rotationsbewegung bzw. die Umfangsgeschwindigkeit am Außenumfang des arbeitenden Endes des Bearbeitungswerkzeugs ist verhältnismäßig gering, so daß das lose Korn hinsichtlich der Bearbeitungsgeschwindigkeit nichts bewirken kann und die Vorrichtung gleich lange braucht wie eine vergleich­bare Vorrichtung mit nicht drehbarem Ultraschall-Bearbeitungs­werkzeug. Die Vorrichtung ist dem Prinzip nach eine reine Ultra­schall-Bearbeitungsvorrichtung für sehr harte Werkstoffe oder Werkstücke. Die Drehzahl der Ausführungsform mit in Drehrichtung antreibbarem Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug liegt in der Größenordnung von etwa 25 bis 50 Umdrehungen pro Minute.Although it is already known to set an ultrasonic machining tool in rotation, this is only done for the purpose of an exactly rotationally symmetrical design of the bore to be created. This can compensate for a non-circular shape of the machining tool. The rotational movement or the peripheral speed on the outer periphery of the working end of the processing tool is relatively low, so that the loose grain can have no effect on the processing speed and the device needs the same length of time as a comparable device with a non-rotatable ultrasound processing tool. In principle, the device is a pure ultrasound processing device for very hard materials or workpieces. The speed of the embodiment with the ultrasound machining tool that can be driven in the direction of rotation is in the order of magnitude of approximately 25 to 50 revolutions per minute.

Wenn die Suspension bzw. das in dieser Suspension enthaltene lose Korn eine aus der Drehbewegung des Bearbeitungswerkzeugs resul­tierende Bearbeitung vornehmen können soll, so muß die Drehzahl der Spindel eine Größenordnung erreichen, wie man sie bei Schleif­maschinen, Läppmaschinen oder ähnlicher, mit einer solchen Sus­pension arbeitenden Maschinen kennt. Bezogen auf die bei der Ul­traschall-Bearbeitung üblicherweise verwendeten Werkzeugquer­schnitte - gemessen am freien Werkzeugende -, sind Spindeldreh­zahlen in der Größenordnung von 5.000 bis 8.000 Umdrehungen pro Minute erforderlich, wenn der Ultraschall-Bearbeitung eine wirk­same Rotationsbearbeitung überlagert werden soll. Denkbar sind auch noch höhere Drehzahlen, wie beispielsweise 10.000 U/min. Bei größeren Werkzeugquerschnitten kann auch eine geringere Drehzahl von beispielsweise 2.000 oder 3.000 U/min. für die zusätzliche "Rotationsbearbeitung" ausreichen. Maßgeblich ist die Umfangsge­schwindigkeit, wobei der eine Rotationsbearbeitung ermöglichende Wert materialabhängig ist. Dies legt gewissermaßen den unteren Grenzwert fest, während ein oberer Grenzwert für die Maximaldreh­zahl der Spindel eher von maschinenbaulichen und/oder kostenmäßi­gen Überlegungen abhängt.If the suspension or the loose grain contained in this suspension is to be able to carry out processing resulting from the rotary movement of the processing tool, then the speed of the spindle must be of the order of magnitude as is the case with grinding machines, lapping machines or similar machines operating with such a suspension knows. In relation to the tool cross-sections commonly used in ultrasonic machining - measured at the free tool end - spindle speeds of the order of 5,000 to 8,000 revolutions per minute are required if an effective rotary machining is to be superimposed on the ultrasonic machining. Are conceivable even higher speeds, such as 10,000 rpm. With larger tool cross sections, a lower speed of, for example, 2,000 or 3,000 rpm can also be used. are sufficient for the additional "rotary machining". The decisive factor is the circumferential speed, whereby the value that enables rotary machining depends on the material. To a certain extent, this defines the lower limit, while an upper limit for the maximum speed of the spindle depends more on mechanical engineering and / or cost considerations.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet erstmalig die Überla­gerung einer Ultraschall-Bearbeitung mit einer dem Schleifen oder Läppen ähnlichen Bearbeitung unter Ausnutzung des Ultraschall-Be­arbeitungswerkzeugs sowie der bei der Ultraschall-Bearbeitung ohnehin vorhandenen Einrichtung für die Zufuhr und Abfuhr einer Schleifmittelsuspension od. dgl.The device according to the invention allows, for the first time, the superimposition of an ultrasound processing with a processing similar to grinding or lapping, using the ultrasound processing tool and the device for the supply and removal of an abrasive suspension or the like, which is already present in the ultrasound processing.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Ultraschall­wandler abnehmbar gehalten ist. Man kann ihn nicht nur zu Repara­turzwecken oder zum Austausch gegen eine andere Ausführungsform abnehmen, vielmehr kann man diese Vorrichtung im Sonderfall auch ohne den Ultraschallwandler betreiben, wenn man den Ultraschall­wandler durch eine entsprechende Werkzeugaufnahme ersetzt, in welche man ein für die Rotationsbearbeitung brauchbares Werkzeug einsetzen kann oder wenn sich an der Trennstelle eine gegebenen­falls zusätzliche Werkzeugaufnahme befindet. In gleicher Weise kann man, wie bereits erläutert, natürlich auch den Drehantrieb stillsetzen und die Vorrichtung nur wie eine Ultraschall-Bear­beitungsvorrichtung ohne Rotation des Ultraschall-Bearbeitungs­werkzeugs benutzen. Nicht zuletzt bietet sich noch die Möglich­keit an, in die anstelle des Ultraschall-Wandlers montierte oder nach dessen Abnahme zugängliche Werkzeugaufnahme ein Bearbei­tungswerkzeug mit festem Korn, also beispielsweise einen Schlei­fer, einzusetzen und ohne oder auch mit Suspension im Rotations­betrieb zu arbeiten. Anstelle der Suspension kann auch eine ande­re Flüssigkeit, beispielsweise Kühlflüssigkeit, treten, wenn eine entsprechende Zuführmöglichkeit geschaffen wird oder vorhanden ist.A further development of the invention provides that the ultrasound transducer is detachably held. You can not only remove it for repair purposes or to replace it with another embodiment, but you can also operate this device in a special case without the ultrasonic transducer, if you replace the ultrasonic transducer with a corresponding tool holder, in which you can use a tool that can be used for rotary machining or if there is an additional tool holder, if applicable, at the separation point. In the same way, as already explained, the rotary drive can of course also be used stop and use the device only as an ultrasonic processing device without rotating the ultrasonic processing tool. Last but not least, there is also the possibility of inserting a processing tool with a solid grain, for example a grinder, into the tool holder that is mounted instead of the ultrasonic transducer or that can be accessed after it has been removed, and to work in rotation mode without or with suspension. Instead of the suspension, another liquid, for example cooling liquid, can also occur if a corresponding supply option is created or is available.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß der Schwinger des Ultraschallwandlers über zwei in Achsrichtung versetzte Lager in einem insbesondere hülsenartigen Ultraschallwandler-Gehäuse gehalten ist, wobei der Abstand der Lager bei mitschwingendem Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug etwa λ /2 beträgt und den Lagern benachbarte Schwingungsknoten zuge­ordnet sind. Hierdurch ist gewährleistet, daß dem freien Ende des Ultraschall-Bearbeitungswerkzeugs ein Schwingungsbauch zugeordnet ist und somit die maximal mögliche Leistung auf das Werkstück übertragen werden kann. Ein weiterer Schwingungsbauch ist dem freien Ende der hinteren Endmasse zugeordnet. Von dort bis zum freien Ende des Ultraschall-Bearbeitungswerkzeugs liegt eine ge­samte Wellenlänge λ des schwingungsfähigen Systems vor.A preferred embodiment of the invention is characterized in that the oscillator of the ultrasound transducer is held in a sleeve-like ultrasound transducer housing by means of two bearings offset in the axial direction, the distance between the bearings being approximately λ / 2 with the ultrasound machining tool that is vibrating and the vibration nodes adjacent to the bearings assigned. This ensures that a vibration antinode is assigned to the free end of the ultrasound processing tool and thus the maximum possible power can be transferred to the workpiece. Another antinode is assigned to the free end of the rear end mass. From there to the free end of the ultrasonic processing tool, there is an entire wavelength λ of the oscillatory system.

Eine weitere Variante der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem vom Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug ent­fernten Lager des Schwingers und einer inneren Endmasse ein Ultraschall-Geberpaar befindet und die Spindel mit einem rotato­rischen Stromabnehmer hierfür ausgestattet ist. Beim Geberpaar handelt es sich in bekannter Weise um Piezogeber, die elektrisch erregt werden. Das Geberpaar und die hintere Endmasse werden bei­spielsweise mit Hilfe einer Schraube fest am Schwinger fixiert. Der rotatorische Stromabnehmer dient in diesem Falle zur Strom­zuführung für das Ultraschall-Geberpaar, und er befindet sich im Falle eines abnehmbaren Ultraschallwandlers an dem an der Vor­richtung verbleibenden Teil der Spindel. Bevorzugterweise ist nur ein einziges Ultraschall-Geberpaar vorgesehen.Another variant of the invention is characterized in that that between the bearing of the vibrator removed from the ultrasonic processing tool and an inner end mass there is a pair of ultrasonic sensors and the spindle is equipped with a rotary current collector for this purpose. The pair of encoders is, in a known manner, piezo encoders that are electrically excited. The pair of encoders and the rear end mass are fixed, for example, with a screw to the transducer. In this case, the rotary current collector serves to supply current for the pair of ultrasound transmitters, and in the case of a removable ultrasound transducer, it is located on the part of the spindle remaining on the device. Preferably only a single pair of ultrasound transmitters is provided.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist durch eine zweifach gelagerte Spindel gekennzeichnet, wobei sich die Spindellager in Gebrauchslage der Vorrichtung oberhalb des Ultraschallwandlers befinden. An ihnen ist der auch im Falle eines abnehmbaren Ultra­schallwandlers verbleibende Teil der Spindel gelagert. Es muß sich um hochpräzise Lager handeln, weil einerseits die Drehzahl sehr hoch und andererseits der Ultraschallwandler gewissermaßen fliegend gelagert ist.A further embodiment of the invention is characterized by a double-bearing spindle, the spindle bearings being in the position of use of the device above the ultrasound transducer. The part of the spindle remaining in the case of a removable ultrasonic transducer is mounted on them. It must be a high-precision bearing, because on the one hand the speed is very high and on the other hand the ultrasonic transducer is on the fly so to speak.

Das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug, der Ultraschallwandler und die Spindel bzw. der über dem Ultraschallwandler befindliche Spindelteil sind in sehr vorteilhafter Weise mit einem gemeinsa­men Absaugkanal für das fließfähige Medium mit dem losen Korn ausgestattet. Der Bearbeitungsstelle wird das fließfähige Medium mit dem Korn - nachfolgend wird der Einfachheit halber lediglich noch von Suspension geredet, obwohl dies nicht einschränkend ge­meint ist - über einen geeigneten Zulauf, vorzugsweise ein Röhr­chen, in ausreichender Menge zugeführt. Aufgrund einer Sogwirkung im Bereich der Bearbeitungsstelle wird die Suspension in den Spaltraum zwischen Werkstück und Bearbeitungswerkzeug hineinge­saugt und über den vorzugsweise etwa zentrisch mündenden Absaug­kanal wegtransportiert. Somit ist jeweils frische und korrekt temperierte Suspension im Bereich der Bearbeitungsstelle. Die ab­gesaugte Suspension wird in geeigneter und bekannter Weise aufge­arbeitet, gereinigt und, soweit erforderlich, hinsichtlich des losen Korns erneuert.The ultrasound processing tool, the ultrasound transducer and the spindle or the spindle part located above the ultrasound transducer are very advantageously equipped with a common suction channel for the flowable medium with the loose grain. The processing point becomes the flowable medium with the grain - for the sake of simplicity only still talking about suspension, although this is not meant to be restrictive - supplied in sufficient quantity via a suitable inlet, preferably a tube. Due to a suction effect in the area of the processing point, the suspension is sucked into the gap between the workpiece and the processing tool and transported away via the suction channel, which preferably opens approximately centrally. Thus, there is fresh and correctly tempered suspension in the area of the processing point. The suctioned-off suspension is worked up in a suitable and known manner, cleaned and, if necessary, renewed with regard to the loose grain.

Zweckmäßigerweise durchsetzt der Kanal das Ultraschall-Bearbei­tungswerkzeug, den Ultraschallwandler und zumindest einen wesent­lichen Teil der Spindel in axialer Richtung, vorzugsweise zentrisch, wobei eine obere Kanalmündung mit einem Behälter ver­bunden ist oder sich innerhalb eines Behälters befindet. Bei zentrisch verlaufendem Absaugkanal muß dessen oberes Ende in we­nigstens einen Querkanal übergehen, falls der Austritt nicht an der Spindelstirnseite vorgesehen oder möglich ist.The channel expediently passes through the ultrasound processing tool, the ultrasound transducer and at least a substantial part of the spindle in the axial direction, preferably centrally, an upper channel opening being connected to a container or being located within a container. In the case of a centrally running suction channel, its upper end must merge into at least one transverse channel if the exit is not provided or possible on the end face of the spindle.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist durch einen Auffangbehälter am oberen Spindelende mit zumindest einer Abflußöffnung für das aufgefangene Medium gekennzeichnet. Die Abflußöffnung ist bei­spielsweise mit einem Vorratsbehälter verbunden oder auch nur mit einem Auslaufrohr, über welches die Suspension an eine geeignete Stelle abfließen kann. Zweckmäßigerweise befindet sich das obere Kanalende, insbesondere das obere Spindelende, innerhalb des Auf­fangbehälters.A further development of the invention is characterized by a collecting container at the upper end of the spindle with at least one drain opening for the collected medium. The drain opening is connected, for example, to a storage container or only to an outlet pipe through which the suspension can flow to a suitable point. The upper one is expediently located Channel end, especially the upper spindle end, inside the collecting container.

Eine weitere Variante der Erfindung kennzeichnet sich durch eine zweite Öffnung des Auffangbehälters, die über eine Leitung, einen Kanal od. dgl. mit der Druckseite einer Spülpumpe verbunden ist. Zum jeweils geeigneten oder auch notwendigen Zeitpunkt wird der Auffangbehälter jeweils gespült. Durch das Spülen wird eine An­sammlung des losen Korns im Auffangbehälter, insbesondere an des­sen Boden und/oder im Bereich des Abflusses, verhindert. Das Spü­len wird zweckmäßigerweise mit Suspension vorgenommen, so daß man eine Trennung des Spülmittels und der für die Bearbeitung benö­tigten Suspension vermeidet.Another variant of the invention is characterized by a second opening in the collecting container, which is connected to the pressure side of a flushing pump via a line, a channel or the like. The collecting container is rinsed at the appropriate or necessary time. Rinsing prevents the loose grain from accumulating in the collecting container, in particular at the bottom and / or in the region of the drain. The rinsing is expediently carried out with suspension, so that a separation of the washing-up liquid and the suspension required for processing is avoided.

Aus konstruktiven Gründen ist es besonders vorteilhaft, daß der Absaugkanal, zumindest im Bereich des Ultraschallwandlers, durch ein vorzugsweise zentrisches Röhrchen des letzteren gebildet ist. Es ragt an seinem unteren Ende in die Werkzeugaufnahme hinein und kann dort mit dem im Bearbeitungswerkzeug enthaltenen Teil des Kanals gekuppelt werden. Bei abnehmbarem Ultraschallwandler reicht das Röhrchen bis in den Bereich der Trennstelle, so daß dort in geeigneter Weise eine dichte hydraulische Verbindung mit einem weiterführenden Kanalteil im Innern der Spindel geschaffen werden kann.For constructional reasons, it is particularly advantageous that the suction channel, at least in the area of the ultrasound transducer, is formed by a preferably central tube of the latter. At its lower end, it protrudes into the tool holder and can be coupled there to the part of the channel contained in the machining tool. When the ultrasonic transducer is detachable, the tube extends into the area of the separation point, so that a tight hydraulic connection with a further channel part inside the spindle can be created in a suitable manner.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Spin­ del mit einer Vorrichtung zum Gewichtsausgleich verbunden. Über diese kann die Spindel mit sämtlichen daran gehaltenen Teilen, also insbesondere dem Ultraschallwandler und dem Bearbeitungs­werkzeug, aber auch den Spindellagern und dem rotatorischen Stromabnehmer entgegen der Schwerkraft belastet werden, so daß das freie Ende des Bearbeitungswerkzeugs zwar auf dem Werkstück aufliegt, auf dieses aber keine Druckkraft ausübt. Dies dient zur Festlegung eines Nullpunkts für den Anpreßdruck des Bearbeitungs­werkzeugs am Werkstück. Das Anheben, oder genau gesagt, die Ge­wichtsentlastung, kann mittels einer pneumatischen, hydraulischen oder magnetischen Hilfskraft erfolgen. Bei unveränderlichem Ge­wicht kann auch eine Federkraft Anwendung finden bzw. eine Feder oder Federeinheit die Vorrichtung zum Gewichtsausgleich bilden.In a preferred embodiment of the invention, the spin del connected to a weight balancing device. Through this, the spindle with all parts held on it, in particular the ultrasonic transducer and the processing tool, but also the spindle bearings and the rotary current collector, can be loaded against gravity, so that the free end of the processing tool rests on the workpiece, but not on it Exerts pressure. This serves to define a zero point for the contact pressure of the processing tool on the workpiece. The lifting, or more precisely, the weight relief, can be done by means of a pneumatic, hydraulic or magnetic auxiliary. If the weight remains unchanged, a spring force can also be used or a spring or spring unit can form the device for counterbalancing the weight.

Eine weitere Ausgestaltung kennzeichnet sich dadurch, daß die Vorrichtung zum Gewichtsausgleich zugleich auch eine Vorrichtung zur Anpressung des Bearbeitungswerkzeugs am Werkstück bildet oder sie damit verbunden ist. Insbesondere bei einer pneumatischen oder hydraulischen Hilfskraft bietet sich eine derartige Kombina­tion beider Vorrichtungen an, wobei man mit der einen Vorrichtung gewissermaßen den Nullpunkt festlegt und mit der anderen die er­forderliche Anpreßkraft aufbringt. Es kommt bei der Ultraschall­bearbeitung vor allen Dingen auf eine stets konstante Anpreßkraft des Bearbeitungswerkzeugs am Werkstoff bzw. Werkstück an, und man erreicht dies mit Hilfe einer entsprechenden Steuerung, welche beispielsweise über einen Wegaufnehmer die Bearbeitungsspindel um den Betrag nachstellt, um welchen das Bearbeitungswerkzeug in das Werkstück eingedrungen ist.Another embodiment is characterized in that the weight compensation device also forms a device for pressing the machining tool against the workpiece or is connected to it. Such a combination of both devices is particularly suitable for pneumatic or hydraulic assistants, with one device establishing the zero point to a certain extent and the required contact pressure being applied with the other. In ultrasound machining, the most important thing is always a constant contact pressure of the machining tool on the material or workpiece, and this is achieved with the aid of a corresponding control, which for example uses a displacement transducer to move the machining spindle adjusts the amount by which the processing tool has entered the workpiece.

Dementsprechend sieht eine weitere Variante der Erfindung vor, daß eine gemeinsame Vorrichtung zum Gewichtsausgleich und zur Werkzeuganpressung als pneumatische oder hydraulische Vorrichtung ausgebildet ist und einen doppeltwirkenden Arbeitszylinder oder zumindest eine in einem doppeltwirkenden Gehäuse eingespannte Membrane aufweist, wobei die beidseits des Kolbens des Arbeitszy­linders oder beidseits der Membrane gelegenen Räume mit je einer hydraulischen oder pneumatischen Druckquelle verbunden sind. Die erste Druckquelle dient zur Aufgabe des Druckes für den Gewichts­ausgleich, wobei sie mit dem unteren Hydraulik- oder Pneumatik­raum verbunden ist. Über die zweite Druckquelle gibt man dann den genau regelbaren Anpreßdruck auf. Den Druck für die Gewichtsent­lastung kann man rechnerisch festlegen.Accordingly, a further variant of the invention provides that a common device for weight compensation and for tool pressure is designed as a pneumatic or hydraulic device and has a double-acting working cylinder or at least one diaphragm clamped in a double-acting housing, with the piston on both sides of the working cylinder or on both sides of the Membrane-located rooms are each connected to a hydraulic or pneumatic pressure source. The first pressure source serves to relieve the pressure for the weight compensation, whereby it is connected to the lower hydraulic or pneumatic room. The precisely controllable contact pressure is then applied via the second pressure source. The pressure for weight relief can be calculated.

Eine Weiterbildung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß unterhalb der Membrane der gemeinsamen Vorrichtung eine zusätzli­che Membrane eingespannt und der Raum zwischen den Membranen mit einer der Druckquellen verbunden ist. Bei letzterem handelt es sich selbstverständlich um den Kompensationsdruck für den Ge­wichtsausgleich. Durch die Verwendung zweier, im Abstand hinter­einander geschalteter Membranen vermeidet man eine aufwendige Ab­dichtung des verschiebbaren, nach unten austretenden Elements ge­genüber einem ortsfesten Vorrichtungs-Gehäuseteil od. dgl. Im übrigen ist es ohne weiteres möglich und in nicht näher gezeigter Weise beim Ausführungsbeispiel auch vorgesehen, daß die gesamte Einheit einschließlich der gemeinsamen Vorrichtung zum Gewichts­ausgleich und zur Werkzeuganpressung insgesamt mittels eines Grobvorschubs hochgehoben oder abgesenkt werden kann, um sie ge­genüber einem Maschinenständer od. dgl. so verfahren zu können, daß Bearbeitungswerkzeuge unterschiedlicher Länge und/oder Werk­stoffe oder Werkstücke unterschiedlicher Höhe bearbeitet werden können.A further development of the invention is characterized in that an additional membrane is clamped below the membrane of the common device and the space between the membranes is connected to one of the pressure sources. The latter is of course the compensation pressure for the weight balance. The use of two diaphragms, which are connected in series at a distance, avoids complex sealing of the displaceable, downwardly emerging element against a stationary device housing part or the like Otherwise, it is easily possible and in a manner not shown in the exemplary embodiment also provided that the entire unit, including the common device for weight compensation and for tool pressure, can be lifted or lowered overall by means of a rough feed, so that it can be compared to a machine stand or the like to be able to proceed that machining tools of different lengths and / or materials or workpieces of different heights can be machined.

Die Werkzeugaufnahme ist vorteilhafterweise konisch ausgebildet und das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug weist einen passenden Gegenkonus am Befestigungsende auf. Es ist insbesondere vorgese­hen, daß das Bearbeitungswerkzeug einen Außenkonus in der Art ei­nes bekannten Morsekegels mit Selbsthemmung aufweist.The tool holder is advantageously conical and the ultrasonic machining tool has a matching counter-cone at the fastening end. In particular, it is provided that the processing tool has an outer cone in the manner of a known Morse cone with self-locking.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Drehantrieb der Spindel absatzweise einschaltbar ist. Dies ermöglicht ein Drehen des Bearbeitungswerkzeugs um einen vorgesehen Winkelbetrag, so daß man zum Beispiel bei einem nicht rotationssymmetrischen Querschnitt Durchbrüche erstellen kann, deren Querschnittsform sich aus mehreren Einzelquerschnit­ten der "Schneide" des Ultraschall-Bearbeitungswerkzeugs zusam­mensetzt. Lediglich beispielsweise sei ein sternförmiger Quer­schnitt erwähnt, der mittels eines Bearbeitungswerkzeugs erstellt werden kann, das eine oder zwei einander gegenüberliegende Schneiden aufweist, deren Querschnitt der Zackenquerschnittsform des Sterns entspricht.Another preferred embodiment of the invention provides that the rotary drive of the spindle can be switched on in batches. This enables the machining tool to be rotated by an intended angular amount, so that, for example in the case of a non-rotationally symmetrical cross section, it is possible to create openings whose cross-sectional shape is composed of several individual cross sections of the “cutting edge” of the ultrasonic machining tool. For example, a star-shaped cross section can be mentioned, which can be created by means of a processing tool, the one or two opposite one another Has cutting whose cross-section corresponds to the jagged cross-sectional shape of the star.

Eine andere, sehr wichtige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug und/oder der Werkstoff quer zur Spindelachse verlagerbar ist bzw. sind, wobei die Bewegung vorteilhafterweise senkrecht zur Spindellängsachse verläuft. Hierdurch ist es möglich, mit einem Werkzeug verhält­nismäßig geringen Bearbeitungsquerschnitts relativ große Durch­brüche oder Nuten und dgl. zu erstellen.Another, very important embodiment of the invention is that the ultrasound processing tool and / or the material can be displaced transversely to the spindle axis, the movement advantageously running perpendicular to the longitudinal axis of the spindle. This makes it possible to create relatively large openings or grooves and the like with a tool having a relatively small machining cross section.

Die Erfindung bezieht sich des weiteren auf ein Verfahren zur Be­arbeitung eines sehr harten Werkstoffs mit einer Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche. Bislang war es nur möglich, einen harten Werkstoff oder ein daraus gefertigtes Werk­stück entweder mit Ultraschall oder durch Schleifen mit festem oder losem Korn zu bearbeiten. Daneben gibt es selbstverständlich noch eine ganze Reihe weiterer, bekannter Bearbeitungsverfahren. Bei sehr hartem bzw. ultrahartem Werkstoff, wie beispielsweise Keramik, Sintermaterial, z. B. Hartmetall und dgl., gibt es bis­her nur die Möglichkeit der Ultraschall-Bearbeitung, wenn bei­spielsweise eine Kontur aus dem vollen Material geschaffen oder in letztere Bohrungen, Durchbrüche od. dgl. eingearbeitet werden sollen.The invention further relates to a method for processing a very hard material with a device according to at least one of the preceding claims. Until now, it was only possible to process a hard material or a workpiece made from it either with ultrasound or by grinding with solid or loose grain. In addition, there are of course a whole series of other known machining processes. With very hard or ultra-hard material, such as ceramic, sintered material, e.g. B. carbide and the like. So far, there is only the possibility of ultrasonic processing, for example if a contour is to be created from the full material or holes, openings or the like are to be incorporated into the latter.

Um nun auch bei diesen speziellen Materialien, und vor allen Din­gen beim Arbeiten ins Volle, die Bearbeitungszeit verkürzen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß bei einem Verfah­ren zum Bearbeiten eines sehr harten Werkstoffs mit einer Vor­richtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche der fließfähige Träger mit dem darin enthaltenen losen Korn über ei­nen Spaltraum zwischen dem mit hoher Umfangsgeschwindigkeit ro­tierenden Werkzeug und der Bearbeitungsstelle des Werkstoffs zur geometrischen Achse hin abgesaugt wird, wobei durch das lose Korn Werkstoffteilchen abgetragen werden, und daß der Spaltraum mit­tels Ultraschall periodisch verengbar ist, wodurch der Durch­strömbewegung des losen Korns das Bearbeiten verstärkende Stoßim­pulse überlagert werden. Das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug ar­beitet bei diesem Verfahren zugleich in der Art eines Läppdorns oder Schleifwerkzeugs für eine Schleifsuspension. Das lose Korn kann hierbei in doppelter Hinsicht von ein und demselben Werkzeug ausgenutzt werden. Wenn mit letzterem eine Bohrung erstellt wird, so ist deren Durchmesser im Gegensatz zur reinen Ultraschall-Be­arbeitung etwa um doppelte Kornstärke größer, weil sich die losen Körner nicht nur unterhalb dem freien Werkzeugende, sondern rings um dessen bearbeitenden Endbereich befinden.In order now to be able to shorten the machining time even with these special materials, and above all when working to the full, it is proposed according to the invention that in a method for machining a very hard material with a device according to at least one of the preceding claims, the flowable carrier with the loose grain contained therein is extracted via a gap between the tool rotating at high peripheral speed and the processing point of the material towards the geometric axis, material particles being removed by the loose grain, and that the gap space can be periodically narrowed by means of ultrasound, as a result of which the throughflow movement of the loose grain superimposed on the pulse amplifying the processing. With this method, the ultrasonic processing tool also works in the manner of a lapping mandrel or grinding tool for a grinding suspension. The loose grain can be used in two ways by one and the same tool. If the latter is used to drill a hole, its diameter is about twice the grain size, in contrast to pure ultrasonic machining, because the loose grains are not only below the free tool end, but also around its end area.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläu­tert. Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel. Hierbei stel­len dar:

  • Fig. 1: in schematisierter Darstellung einen Verikal­schnitt durch den wesentlichsten Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • Fig. 2: einen Ausschnitt im Bereich des Auffangsbehäl­ters in vergrößertem Maßstab.
The invention is explained below with reference to the drawing. The drawing shows an embodiment. Here represent:
  • 1: a schematic representation of a vertical section through the most essential part of the device according to the invention,
  • 2: a detail in the area of the collecting container on an enlarged scale.

An einem Gestell 1 od. dgl. der Vorrichtung ist ein Vorschubkopf 2 im Sinne des Doppelpfeils 3 auf und ab verstellbar sowie fest­stellbar. Die Verstellung erfolgt in bekannter Weise, insbeson­dere mit Hilfe eines Verstellmotors. Sie dient zum groben Aus­richten eines Ultraschall-Bearbeitungswerkzeugs 4 gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstoff 5 bzw. einem Werkstück. Dieses wird mittels eines symbolisch gezeichneten Werkstückhalters 6 gegen­über dem Bearbeitungswerkzeug 4 ausgerichtet. In nicht darge­stellter Weise kann man auch das Bearbeitungswerkzeug gegenüber dem Werkstoff quer zur Bewegungsrichtung 3 ausrichten. Wird je­doch der Werkstoff gegenüber dem Bearbeitungswerkzeug in die für die Bearbeitung korrekte Position gebracht, so kann man den Werk­stückhalter 6 beispielsweise im Sinne des Doppelpfeils 7 oder auch quer dazu auf einem Tisch 8 od. dgl. der Vorrichtung bzw. des Gestells 1 verlagern und anschließend arreteren. Beim zu be­arbeitenden Werkstoff handelt es sich bevorzugterweise um soge­nannten Ultrahartwerkstoff, also beispielsweise Hartmetall, Kera­mik oder anderes gesintertes oder auf ähnliche Weise hergestell­tes Material, das mit herkömmlichen Bearbeitungswerkzeugen nicht oder nur sehr unzulänglich bearbeitet werden kann. Die Be­arbeitungsvorrichtung besitzt eine Spindel 9, die mittels zweier übereinander angeordneter Lager 10 und 11 gelagert ist. Diese müssen die auftretenden Radial- und Axialkräfte übertragen. Die Spindel kann mittels eines Motors 12, insbesondere Elektromotors, angetrieben werden. Der Antrieb erfolgt beispielsweise über einen Zahnriemen 13, der Zahnräder am Motor sowie der Spindel 9 um­schlingt. Die Spindeldrehzahl ist verhältnismäßig hoch und kann in der Größenordnung von 5.000 bis 8.000 U/min. oder noch etwas höher liegen. Soweit erforderlich, kann man die Spindel auch mit etwas geringerer Drehzahl antreiben. Die Spindellager befinden sich in einem Vorrichtungsteil 14, das mit einer Pinole ver­gleichbar und im Sinne des Doppelpfeils 15 relativ zum Vorschub­kopf 2 auf und ab verschiebbar ist. Für eine leichtgängige Lage­rung sorgt ein Kugelrollkäfig 16. Die Verschiebebewegung in Rich­tung des Doppelpfeils 15, die nachstehend noch näher erläutert wird, ist gegenüber der Verschiebebewegung des Vorschubkopfs 2 äußerst minimal. Während der Betriebs wird über die Verschiebebe­wegung 15, beispielsweise das Werkzeug 4, um den Betrag zuge­stellt, um welchen es in den Werkstoff 5 eingedrungen ist. Die Zustellung erfolgt kontinuierlich über eine äußerst präzise Rege­lung, welche einen konstanten Auflagedruck des Ultraschall-Bear­beitungswerkzeugs auf dem Werksstoff gewährleistet.On a frame 1 or the like of the device, a feed head 2 can be adjusted and locked in the direction of the double arrow 3. The adjustment is carried out in a known manner, in particular with the aid of an adjustment motor. It serves for the rough alignment of an ultrasound processing tool 4 with respect to the material 5 to be processed or a workpiece. This is aligned with the machining tool 4 by means of a symbolically drawn workpiece holder 6. In a manner not shown, the machining tool can also be aligned transversely to the direction of movement 3 relative to the material. However, if the material is brought into the correct position relative to the machining tool, the workpiece holder 6 can be moved, for example in the sense of the double arrow 7 or transversely thereto, on a table 8 or the like of the device or the frame 1 and then lock. The material to be processed is preferably so-called ultra-hard material, that is to say, for example, hard metal, ceramic or other sintered or similarly produced material, which is produced using conventional processing tools cannot be processed or can only be processed very inadequately. The processing device has a spindle 9 which is mounted by means of two superposed bearings 10 and 11. These must transmit the radial and axial forces that occur. The spindle can be driven by means of a motor 12, in particular an electric motor. The drive takes place, for example, via a toothed belt 13, which wraps around toothed wheels on the motor and the spindle 9. The spindle speed is relatively high and can be in the order of 5,000 to 8,000 rpm. or a little higher. If necessary, the spindle can also be driven at a slightly lower speed. The spindle bearings are located in a device part 14 which is comparable to a quill and can be moved up and down relative to the feed head 2 in the sense of the double arrow 15. A ball bearing cage 16 ensures smooth movement. The displacement movement in the direction of the double arrow 15, which will be explained in more detail below, is extremely minimal compared to the displacement movement of the feed head 2. During operation, the amount by which it has penetrated into the material 5 is advanced via the displacement movement 15, for example the tool 4. The infeed takes place continuously via an extremely precise control, which ensures a constant contact pressure of the ultrasonic machining tool on the material.

Am freien Ende der Spindel 9 befindet sich ein vorzugsweise abnehmbarer Ultraschallwandler 17. Dieser ist mit einer Werkzeugaufnahme 18 für das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug 4 ausgestattet. Sie kann beispielsweise einen Innenkonus aufwei­sen, in welchen ein Außenkonus am Befestigungsende des Bearbei­tungswerkzeugs 4 eingreift, wobei der Keilwinkel so gewählt ist, daß eine Selbsthemmung gewährleistet ist, wie man das beispiels­weise von Zerspanungswerkzeugen mit Morsekegel kennt. Denkbar ist aber auch jede andere, insbesondere bei Ultraschall-Bearbeitungs­vorrichtungen bekannte Befestigungsart für das Ultraschall-Bear­beitungswerkzeug 4. Aus dem Vorstehenden ergibt sich im übrigen, daß der Ultraschallwandler 17 gewissermaßen den unteren Teil der Spindel 9 bildet. Um einen einwandfreien Rundlauf zu gewährlei­sten, ist zwischen dem Ultraschallwandler 17 und dem darüber be­findlichen Teil der Spindel 9 eine Zentrierung 19 vorgesehen.A preferably removable ultrasonic transducer 17 is located at the free end of the spindle 9 Tool holder 18 equipped for the ultrasonic machining tool 4. For example, it can have an inner cone, in which an outer cone engages at the fastening end of the processing tool 4, the wedge angle being selected such that self-locking is ensured, as is known, for example, from cutting tools with a Morse cone. However, any other type of fastening for the ultrasound machining tool 4, which is known in particular in the case of ultrasound machining devices, is also conceivable. From the above, it also follows that the ultrasound transducer 17 forms the lower part of the spindle 9 to a certain extent. In order to ensure perfect concentricity, a centering 19 is provided between the ultrasonic transducer 17 and the part of the spindle 9 above it.

Der Ultraschallwandler 17 ist mit einem Schwinger 20 bekannter Bauart ausgestattet. Dieser ist über zwei in Achsrichtung ver­setzte Lager 21 und 22 in einem vorzugsweise etwa hülenartigen Ultraschallwandler-Gehäuse 23 gelagert. Deren Vertikalabstand ist so gewählt, daß bei eingesetztem Bearbeitungswerkzeug 4 etwa in der Mitte jeder Lagerscheibe ein Schwingungsknoten der Schwingung λ des Schwingungssystems gelegen ist, so daß die Lagerscheiben gegenüber dem Gehäuse 23 in Ruhelage sind. Demgegenüber ist dem Bearbeitungsende des Bearbeitungswerkzeugs 4 ein Schwingungsbauch der Schwingung λ zugeordnet, so daß die Schwingungsenergie dort mit ihrem Maximalwert ausgekoppelt wird. Ein um λ hiervon ent­fernter Schwingungsbauch ist dem inneren Ende der hinteren Endmasse 24 zugeordnet. Unerhalb der letzteren befindet sich ein aus Ultraschall-Gebern 25 und 26 bestehendes Ultraschall-Geber­paar bekannter Bauart, wobei es sich beim Ausführungsbeispiel um sogenannte Piezo-Geber handelt. Sie werden über einen rotatori­schen Stromabnehmer 27 mit elektrischem Strom versorgt. Letzterer verbleibt bei abgenommenem Ultraschallwandler 17 am oberen Spin­delteil.The ultrasonic transducer 17 is equipped with an oscillator 20 of a known type. This is mounted in a preferably approximately sleeve-like ultrasonic transducer housing 23 via two bearings 21 and 22 offset in the axial direction. The vertical distance between them is selected so that when the machining tool 4 is inserted, an oscillation node of the oscillation λ of the oscillation system is located approximately in the middle of each bearing plate, so that the bearing plates are at rest with respect to the housing 23. In contrast, a vibration antinode of the vibration λ is assigned to the machining end of the machining tool 4, so that the vibration energy is decoupled there with its maximum value. An antinode distant from it by λ is the inner end of the rear Final mass 24 assigned. Underneath the latter is a pair of known types of ultrasound transducers consisting of ultrasound sensors 25 and 26, the exemplary embodiment being a so-called piezo sensor. They are supplied with electrical current via a rotary current collector 27. The latter remains on the upper spindle part when the ultrasonic transducer 17 is removed.

Die Ultraschall-Bearbeitung eines Werkstoffs oder Werkstücks er­fordert das Vorhandensein einer sogenannten Suspension. Diese be­steht aus einem fließfähigen Medium 28, welche "loses Korn" 29 mit sich führt. Das "lose Korn" besteht aus einzelnen sehr feinen und scharfkantigen Partikelchen, welche durch die Ultraschallwel­len wie winzige Meisel gegen die der freien Endfläche des Ultra­schall-Bearbeitungswerkzeugs 4 gegenüberliegende Teilfläche des Werkstoffs 5 gestoßen werden und dabei winzige Teilchen aus dem Werkstoff heraushauen. Wenn sich das Ultraschall-Bearbeitungs­werkzeug nicht dreht, so entsteht aufgrund des Ultraschall-An­triebs des Bearbeitungswerkzeug 4 im Werkstoff 5 eine Vertie­fung, deren Querschnittsform mit dem Querschnitt am Bearbeitungs­ende des Bearbeitungswerkzeugs 4 identisch ist.Ultrasonic processing of a material or workpiece requires the presence of a so-called suspension. This consists of a flowable medium 28 which carries "loose grain" 29 with it. The "loose grain" consists of individual, very fine and sharp-edged particles, which are pushed by the ultrasonic waves like tiny chisels against the partial surface of the material 5 opposite the free end face of the ultrasonic processing tool 4, thereby hitting tiny particles out of the material. If the ultrasound processing tool does not rotate, the ultrasound drive of the processing tool 4 creates a recess in the material 5, the cross-sectional shape of which is identical to the cross section at the processing end of the processing tool 4.

Die Suspension 29, 29 wird der Bearbeitungsstelle über eine sym­bolisch eingezeichnete Einrichtung 30 zugeführt. Über einen Kanal 31 kann die Suspension abgesaugt werden und dies ist zumindest bei rotierender Spindel 9 auch der Fall. Er durchsetzt das Bear­ beitungswerkzeug 4 , von dessen Bearbeitungs- zu dessen Befesti­gungsende und er setzt sich dann im Ultraschallwander 17 fort. Dort ist er in Form eines dünnen Röhrchens vorhanden. Dieses reicht bis etwa zur Zentrierung 19 oder geringfügig darüber hi­naus. Anschließend handelt es sich bevorzugterweise um eine zent­rische Bohrung in der Spindel 9, so wie dies auch beim Bearbei­tungswerkzeug 4 vorgesehen ist. Am oberen Ende kann der zentri­sche axiale Kanal in einen radialen übergehen, welcher nach außen mündet. Die angesaugte Suspension gelangt zunächst in einen Auf­fangbehälter 32 (Fig. 2), aus welchem es über eine, vorzugsweise dem Boden zugeordnete Öffnung 33 abgeführt werden kann.The suspension 29, 29 is fed to the processing point via a symbolically drawn device 30. The suspension can be sucked off via a channel 31 and this is also the case at least with the rotating spindle 9. It penetrates the bear processing tool 4, from its processing to its fastening end and it then continues in the ultrasonic migrator 17. There it is in the form of a thin tube. This extends up to approximately the centering 19 or slightly beyond. Subsequently, it is preferably a central bore in the spindle 9, as is also provided for the machining tool 4. At the upper end, the central axial channel can merge into a radial one, which opens outwards. The sucked-in suspension first arrives in a collecting container 32 (FIG. 2), from which it can be discharged via an opening 33, which is preferably assigned to the bottom.

Der Auffangbehälter 32 besitzt noch eine zweite Öffnung 34, zu welcher eine Leitung 35 führt. Diese ist in nicht näher gezeigter Weise mit der Druckseite einer Spülpumpe verbunden, so daß der Behälter 32 über die Leitung 35, vorzugsweise mit frischer bzw. aufgearbeiteter Suspension gespült werden kann. Im übrigen wird der Behälter gemäß Fig. 2 mittels einer Sicherung 36 gegen Drehen gesichert.The collecting container 32 also has a second opening 34, to which a line 35 leads. This is connected in a manner not shown to the pressure side of a flushing pump, so that the container 32 can be flushed via line 35, preferably with fresh or processed suspension. 2 is secured against rotation by means of a safety device 36.

Wie bereits angedeutet, ist die Spindel 9 mit einer Vorrichtung 37 zum Anpressen des Ultraschallwerkzeugs an den Werkstoff 5 aus­gestattet. Diese ist beim Ausführungsbeispiel mit einer Vorrich­tung 38 für einen Gewichtsausgleich kombiniert. Bevorzugterweise handelt es sich dabei um eine pneumatisch oder hydraulisch arbei­tende Vorrichtung, wobei im Falle des Ausführungsbeispiels der pneumatischen Hilfsenergie der Vorzug gegeben wird.As already indicated, the spindle 9 is equipped with a device 37 for pressing the ultrasound tool onto the material 5. In the exemplary embodiment, this is combined with a device 38 for weight compensation. It is preferably a pneumatically or hydraulically operating device, in which case the pneumatic auxiliary energy is preferred.

Die gegenüber dem Vorschubkopf 2 verschiebbaren zusammenhängenden Teile sind beispielsweise über einen Haltedorn 39 mit einem hy­draulischen oder pneumatischen Antrieb verbunden. Dabei kann es sich um einen doppeltwirkenden Arbeitszylinder oder wie beim Aus­führungsbeispiel um ein Gehäuse 40 mit wenigstens einer Membrane 41 handeln. Um Dichtungen am Durchtritt des Haltedorns 39 durch das Gehäuse 40 zu vermeiden, sieht eine bevorzugte Ausbildung der Vorrichtung vor, daß sich unterhalb der Membrane 41 eine zusätz­liche, nach unten hin abgestützte Membrane 42 befindet. Beide Membranen sind innen und außen dicht eingespannt. Der oberhalb der Membrane 41 gelegene Druckraum 43 ist mit einer Druckleitung 44 pneumatisch bzw. hydraulisch verbunden, während eine weitere Druckleitung 45 in den zweiten Druckraum 46 mündet. Weil die zu­sätzliche Membrane 42 nach unten hin nicht ausweichen kann, be­wirkt eine Erhöhung des Druckes im zweiten Druckraum 46 ein Anhe­ben des Haltedorns 39 und aller daran gehaltenen Teile im Sinne des Pfeils 47. Somit kann man über die Leitung 45 das Bearbei­tungswerkzeug 4 so weit vom Werkstoff 5 "abheben", daß es diesen zwar gerade noch berührt, aber keine aus dem Gewicht herrührende Druckkraft darauf ausübt. Demnach dient also die Vorrichtung 38 zum Gewichtsausgleich bzw. zur Festlegung eines Nullpunkts für die Anpressung des Bearbeitungswerkzeugs 4 am Werkstoff 5. Wenn die Auflagekraft des Bearbeitungswerkzeugs 4 auf Null einregu­liert ist, so kann man einen Weggeber 48 ebenfalls auf Null stel­ len. Mit seiner Hilfe kann man die Relativbewegung des Bearbei­tungswerkzeugs 4 gegenüber dem normalerweise feststehenden Vor­schubkopf 2 ermitteln. Diese gibt ein Maß für die Bearbeitungs­tiefe ab und zugleich auch ein Signal für das notwendige Nach­stellen des Bearbeitungswerkzeugs mit Hilfe der Vorrichtung 37. Letztere kann infolgedessen ein konstantes Andrücken des Ultra­schall-Bearbeitungswerkzeugs an den Werkstoff unabhängig von der jeweiligen Tiefe der Bearbeitung gewährleisten. Es ist leicht einzusehen, daß man durch eine Erhöhung des Druckes im Druckraum 43 das notwendige Nachstellen des Bearbeitungserkzeugs 4 bewirken kann. Hierbei ist zu beachten, daß mit dem Absinken des Bearbei­tungswerkzeugs und damit einem Durchbiegen der Membrane 41 nach unten der Druck im Raum 43 im Verhältnis zur Raumvergrößerung ab­fällt. Durch ständige Kompensation läßt sich dieser Druck kon­stant halten, was natürlich eine Überwachung des Druckes durch einen geeigneten Druckggeber voraussetzt, der über eine geeignete Steuerung die Zufuhr von Druckmedium über die Leitung 44 bewirkt. Im übrigen ist es wohl selbstverständlich, daß der Ultraschall­wandler 17 in bekannter Weise auch einen nicht näher gezeigten Ultraschalltransformator enthält.The connected parts that are displaceable relative to the feed head 2 are connected, for example, to a hydraulic or pneumatic drive via a holding mandrel 39. This can be a double-acting working cylinder or, as in the exemplary embodiment, a housing 40 with at least one membrane 41. In order to avoid seals at the passage of the holding mandrel 39 through the housing 40, a preferred embodiment of the device provides that an additional membrane 42 is supported below the membrane 41. Both membranes are tightly clamped inside and outside. The pressure space 43 located above the membrane 41 is pneumatically or hydraulically connected to a pressure line 44, while a further pressure line 45 opens into the second pressure space 46. Because the additional membrane 42 cannot move downwards, an increase in the pressure in the second pressure chamber 46 causes the holding mandrel 39 and all parts held on it to be raised in the direction of the arrow 47. Thus, the processing tool 4 can be moved as far from the line 45 "Lift off" material 5 so that it just touches it, but does not exert any pressure force from the weight. Accordingly, the device 38 is used for weight compensation or for establishing a zero point for the pressing of the processing tool 4 on the material 5. If the contact force of the processing tool 4 is adjusted to zero, a displacement sensor 48 can also be set to zero len. With its help you can determine the relative movement of the machining tool 4 relative to the normally fixed feed head 2. This gives a measure of the machining depth and at the same time also a signal for the necessary readjustment of the machining tool with the aid of the device 37. The latter can consequently ensure that the ultrasonic machining tool is constantly pressed against the material regardless of the respective depth of the machining. It is easy to see that an increase in the pressure in the pressure chamber 43 can bring about the necessary readjustment of the machining tool 4. It should be noted here that as the machining tool sinks and the membrane 41 bends downward, the pressure in the space 43 drops in relation to the enlargement of the space. This pressure can be kept constant by constant compensation, which of course requires the pressure to be monitored by a suitable pressure transmitter, which causes the supply of pressure medium via line 44 via a suitable control. Otherwise, it goes without saying that the ultrasound transducer 17 also contains an ultrasound transformer (not shown) in a known manner.

Es bleibt noch nachzutragen, daß ein oberes Lager 49 der Spindel 9 mittels einer Scheibe 50 vor einer Beschädigung durch die Sus­pension geschützt ist und eine weitere Scheibe 51 ein darüber be­findliches weiteres oberes Lager 52 in gleicher Weise schützt. Der Abstand der Scheiben vom Auffangbehälter 32 ist in vorteil­hafter Weise außerordentlich gering und im Sinne einer Spaltdich­ tung od. dgl. ausgeführt. Die obere Kanalmündung 53, über welche die angesaugte Suspension in den Auffangbehälter 32 gelangt, be­findet sich selbstverständlich zwischen den beiden Scheiben 50 und 51. Im übrigen erfolgt das Ansaugen durch die Erzeugung ei­nes entsprechenden Unterdrucks im Auffangbehälter 32.It remains to be added that an upper bearing 49 of the spindle 9 is protected from damage by the suspension by means of a disc 50 and a further disc 51 protects an additional upper bearing 52 located above it in the same way. The distance of the discs from the collecting container 32 is advantageously extremely small and in the sense of a gap tung or the like. The upper channel opening 53, via which the sucked-in suspension reaches the collecting container 32, is of course located between the two disks 50 and 51. In addition, the suction takes place by generating a corresponding negative pressure in the collecting container 32.

Wie vorstehend bereits erläutert wurde, kann mit dem Ultraschall-­Bearbeitungswerkzeug 4 im herkömmlicher Weise gearbeitet werden, wobei man es mit geringer Drehzahl oder auch nur absatzweise um einen bestimmten Winkelgrad drehen kann. Das Drehen mit geringer Drehzahl gewährleistet eine rotationssymmetrische Bohrung auch bei nicht hundertprozentig rundem oder bewußt unrundem Quer­schnitt des Bearbeitungswerkzeugs am freien Ende. Wenn man jedoch das Bearbeitungswerkzeug mit hoher Drehzahl antreibt, so daß ei­ne im Hinblick auf den zu bearbeitenden Werkstoff ausreichend große Umfangsgeschwindigkeit am Außenumfang des bearbeitenden En­des des Ultraschall-Werkzeugs 4 vorliegt, so wird der normalen Ultraschall-Bearbeitung eine weitere Bearbeitung überlagert, die ebenfalls von der zugeführten Suspension bzw. dem darin enthalte­nen losen Korn 29 bewirkt wird und zwar in der Weise, wie man das beim Läppen, Schleifen mit losem Korn oder vergleichbaren mecha­nischen Bearbeitungsverfahren kennt. Das lose Korn wird vom sich schnell drehenden Bearbeitungswerkzeug in Drehrichtung mitgenom­men und es findet damit auch eine Bearbeitung an der Bohrungswan­dung statt. Infolgedessen wird der Bohrungsdurchmesser um etwa zweifache Korngröße größer als es dem Durchmesser des Bearbei­ tungswerkzeugs 4 bzw. dessen Flugkreisdurchmesser entspricht. Diese kombinierte Ultraschall- und Schleif- oder Läppbearbeitung ermöglicht eine wesentliche Beschleunigung bei der Erstellung ei­ner Bohrung. Im übrigen kann man aus dieser Bohrung durchaus auch einen Längsschlitz machen, wenn man eine Relativbewegung zwischen Bearbeitungswerkzeug und Werkstück, beispielsweise im Sinne des Doppelpfeils 7 oder in anderer Querrichtung vorsieht. Bei einer geschlossenen Nut läßt sich so mit einem verhältnismäßig kleinen Bearbeitungswerkzeug ein großer Durchbruch sehr schnell schaffen. Dieser Durchbruch kann im Rahmen der Querverschiebemöglichkeit eine beliebige Form aufweisen. Selbstverständlich wird die Quer­verschiebung zweckmäßigerweise über eine Steuerung der Maschine bewirkt, wobei der Quervorschub entsprechend den zu berücksichti­genden Parametern wie Werkstoff, Querschnitt des Bearbeitungs­werkzeugs sowie Leistung des Drehantriebs und des Ultraschall-An­triebs festzulegen ist.As has already been explained above, the ultrasound processing tool 4 can be used in a conventional manner, whereby it can be rotated at a low rotational speed or only partially by a certain degree of angle. Turning at a low speed ensures a rotationally symmetrical drilling, even if the cross-section of the machining tool is not 100% round or deliberately out of round at the free end. If, however, the machining tool is driven at high speed, so that there is a sufficiently high peripheral speed with regard to the material to be machined on the outer periphery of the machining end of the ultrasound tool 4, then the normal ultrasound machining is superimposed on a further machining, which is also performed by of the supplied suspension or the loose grain 29 contained therein is effected in the manner known from lapping, grinding with loose grain or comparable mechanical processing methods. The loose grain is carried along in the direction of rotation by the rapidly rotating processing tool and processing takes place on the bore wall. As a result, the bore diameter becomes about twice the grain size larger than the diameter of the machining tion tool 4 or its flight circle diameter corresponds. This combined ultrasonic and grinding or lapping processing enables a significant acceleration in the creation of a hole. Otherwise, this bore can also be made into a longitudinal slot if a relative movement between the machining tool and the workpiece is provided, for example in the sense of the double arrow 7 or in another transverse direction. With a closed groove, a major breakthrough can be made very quickly with a relatively small machining tool. This breakthrough can have any shape within the scope of the possibility of transverse displacement. Of course, the transverse displacement is expediently effected via a control of the machine, the transverse advance being determined in accordance with the parameters to be taken into account, such as the material, cross section of the machining tool and the power of the rotary drive and the ultrasonic drive.

Claims (18)

1. Vorrichtung zur Bearbeitung von sehr hartem Werkstoff (5) mittels eines Bearbeitungswerkzeugs (4) und in einem fließfähigen Medium (28) enthaltenem losen Korn (29), wobei das Bearbeitungs­werkzeug (4) in einer Werkzeugaufnahme (18) einer rotierend an­treibbaren Spindel (9) gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Spindelende als Ultraschallwandler (17) ausgebildet oder mit einem solchen verbunden ist, wobei sich die Werkzeug-­Aufnahme (18) am Ende des Ultraschallwandlers (17) befindet.1. Device for processing very hard material (5) by means of a processing tool (4) and loose grain (29) contained in a flowable medium (28), the processing tool (4) in a tool holder (18) of a rotatably drivable spindle ( 9), characterized in that the free spindle end is designed as an ultrasonic transducer (17) or is connected to one, the tool holder (18) being located at the end of the ultrasonic transducer (17). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwander (17) abnehmbar gehalten ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the ultrasonic migrator (17) is held detachably. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (20) des Ultraschallwandlers (17) über zwei in Achsrichtung versetzte Lager (21, 22) in einem, insbesondere hül­senartigen, Ultraschallwandler-Gehäuse (23) gehalten ist, wobei der Abstand der Lager (21, 22) bei mitschwingendem Ultraschall-­Bearbeitungswerkzeug (4) etwa λ /2 beträgt und den Lagern (21, 22) benachbarte Schwingungsknoten zugeordnet sind.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the oscillator (20) of the ultrasonic transducer (17) via two axially offset bearings (21, 22) is held in a, in particular sleeve-like, ultrasonic transducer housing (23), wherein the distance between the bearings (21, 22) when the ultrasonic machining tool (4) is oscillating is approximately λ / 2 and adjacent bearings are assigned to the bearings (21, 22). 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem vom Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug (4) ent­fernten Lager (21) des Schwingers (20) und einer inneren Endmasse (24) ein Ultraschall-Geberpaar (25, 26) befindet und die Spindel (9) mit einem rotatorischen Stromabnehmer (27) hierfür ausgestat­tet ist.4. The device according to claim 3, characterized in that there is a pair of ultrasonic sensors (25, 26) between the bearing (21) of the vibrator (20) and an inner end mass (24) removed from the ultrasonic machining tool (4) and the spindle (9) with a rotary current collector (27) is equipped for this. 5. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprü­che, gekennzeichnet durch eine zweifach gelagerte Spindel (9), wobei sich die Spindellager (10, 11) in Gebrauchslage der Vor­richtung oberhalb des Ultraschallwandlers (17) befinden.5. The device according to at least one of the preceding claims, characterized by a double bearing spindle (9), wherein the spindle bearings (10, 11) are in the position of use of the device above the ultrasonic transducer (17). 6. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprü­che, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschall-Bearbeitungs­werkzeug (4), der Ultraschallwandler (17) und die Spindel (9) bzw. der über dem Ultraschallwandler befindliche Teil der Spindel mit einem gemeinsamen Absaugkanal (31) für das fließfähige Medium (28) mit dem losen Korn (29) ausgestattet sind.6. The device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the ultrasonic processing tool (4), the ultrasonic transducer (17) and the spindle (9) or the part of the spindle located above the ultrasonic transducer with a common suction channel (31) for the flowable medium (28) are equipped with the loose grain (29). 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (31) das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug (4), den Ultra­schall-Wandler (17) und zumindest einen wesentlichen Teil der Spindel (9) in axialer Richtung, vorzugsweise zentrisch, durch­setzt, wobei eine obere Kanalmündung (53) mit einem Behälter (32) verbunden ist oder sich innerhalb eines Behälters befindet.7. The device according to claim 6, characterized in that the channel (31) passes through the ultrasonic processing tool (4), the ultrasonic transducer (17) and at least a substantial part of the spindle (9) in the axial direction, preferably centrally, wherein an upper channel mouth (53) is connected to a container (32) or is located within a container. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Auf­ fangbehälter (32) am oberen Spindelende mit zumindest einer Ab­flußöffnung (33) für das aufgefangene Medium.8. The device according to claim 7, characterized by an up Collecting container (32) at the upper end of the spindle with at least one drain opening (33) for the collected medium. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine zweite Öffnung (34) des Auffangbehälters (32), die über eine Leitung (35), einen Kanal od. dgl. mit der Druckseite einer Spülpumpe verbunden ist.9. The device according to claim 8, characterized by a second opening (34) of the collecting container (32) which is connected via a line (35), a channel or the like. With the pressure side of a flushing pump. 10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Absaugkanal (31) zumindest im Be­reich des Ultraschallwandlers (17) durch ein vorzugsweise zentri­sches Röhrchen des letzteren gebildet ist.10. The device according to at least one of claims 6 to 9, characterized in that the suction channel (31) is formed at least in the region of the ultrasonic transducer (17) by a preferably central tube of the latter. 11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (9) mit einer Vorrichtung zum Gewichtsausgleich (38) verbunden ist.11. The device according to at least one of claims 5 to 10, characterized in that the spindle (9) is connected to a device for weight compensation (38). 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Gewichtsausgleich (38) zugleich auch eine Vorrichtung (37) zur Anpressung des Bearbeitungswerkzeugs (4) am Werkstoff (5) bildet oder sie damit verbunden ist.12. The apparatus according to claim 11, characterized in that the device for weight compensation (38) also forms a device (37) for pressing the processing tool (4) on the material (5) or it is connected thereto. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Vorrichtung (37, 38) zum Gewichtsausgleich und zur Werkzeuganpressung als pneumatische oder hydraulische Vor­richtung ausgebildet ist und einen doppelt wirkenden Arbeitszy­ linder oder zumindest eine in einem doppelt wirkenden Gehäuse (40) eingespannte Membrane (41) aufweist, wobei die beidseits des Kolbens des Arbeitszylinders bzw. beidseits der Membrane (41) ge­legene Räume (43 und 46) mit je einer hydraulischen oder pneuma­tischen Druckquelle verbunden (44, 45) sind.13. The apparatus according to claim 12, characterized in that a common device (37, 38) for weight compensation and for tool pressure is designed as a pneumatic or hydraulic device and a double-acting working cycle has lighter or at least one diaphragm (41) clamped in a double-acting housing (40), the spaces (43 and 46) located on both sides of the piston of the working cylinder or on both sides of the diaphragm (41) being connected to a hydraulic or pneumatic pressure source ( 44, 45). 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Membrane (41) der gemeinsamen Vorrichtung (37, 38) eine zusätzliche Membrane (42) eingespannt und der Raum (46) zwi­schen den Membranen (41, 42) mit einer der Druckquellen verbunden (45) ist.14. The apparatus according to claim 13, characterized in that below the membrane (41) of the common device (37, 38) an additional membrane (42) clamped and the space (46) between the membranes (41, 42) with one of the pressure sources connected (45). 15. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden An­sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugaufnahme (18) konisch ausgebildet ist und das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug (4) einen passenden Gegenkonus am Außenende aufweist.15. The device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the tool holder (18) is conical and the ultrasonic machining tool (4) has a matching counter cone at the outer end. 16. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden An­sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehantrieb (12) der Spindel (9) absatzweise einschaltbar ist.16. The device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the rotary drive (12) of the spindle (9) can be switched on in batches. 17. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden An­sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschall-Bearbei­tungswerkzeug (4) und/oder der Werkstoff (5) quer zur Spindelach­se verlagerbar ist bzw. sind.17. The device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the ultrasonic machining tool (4) and / or the material (5) is or can be displaced transversely to the spindle axis. 18. Verfahren zum Bearbeiten eines sehr harten Werkstoffs mit einer Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden An­sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der fließfähige Träger mit dem darin enthaltenen losen Korn über einen Spaltraum zwischen dem mit hoher Umfangsgeschwindigkeit rotierenden Werkzeug und der Bearbeitungsstelle des Werkstoffs zur geometrischen Achse hin ab­gesaugt wird, wobei durch das lose Korn Werkstoffteilchen abge­tragen werden, und daß der Spaltraum mittels Ultraschall perio­disch verengbar ist, wodurch der Durchströmbewegung des losen Korns das Bearbeiten verstärkende Stoßimpulse überlagert werden.18. A method for processing a very hard material with a device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the flowable carrier with the loose grain contained therein via a gap between the tool rotating at high peripheral speed and the processing point of the material to the geometric axis is suctioned out, material particles being removed by the loose grain, and that the gap space can be periodically narrowed by means of ultrasound, whereby the flow movement of the loose grain is superimposed on the machining-enhancing shock pulses.
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