EP2627474A2 - Werkzeugmaschine und werkstückbearbeitungsverfahren mit vibrationseinheit des werkstücktisches - Google Patents

Werkzeugmaschine und werkstückbearbeitungsverfahren mit vibrationseinheit des werkstücktisches

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EP2627474A2
EP2627474A2 EP11769867.0A EP11769867A EP2627474A2 EP 2627474 A2 EP2627474 A2 EP 2627474A2 EP 11769867 A EP11769867 A EP 11769867A EP 2627474 A2 EP2627474 A2 EP 2627474A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
vibration
workpiece
tool
machine tool
axes
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11769867.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Axel HESSENKÄMPER
Hans-Jörg PUCHER
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.)
Sauer Ultrasonic GmbH
Original Assignee
Sauer Ultrasonic 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 Sauer Ultrasonic GmbH filed Critical Sauer Ultrasonic GmbH
Publication of EP2627474A2 publication Critical patent/EP2627474A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23Q5/00—Driving or feeding mechanisms; Control arrangements therefor
    • B23Q5/02—Driving main working members
    • B23Q5/027—Driving main working members reciprocating members
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23B29/00—Holders for non-rotary cutting tools; Boring bars or boring heads; Accessories for tool holders
    • B23B29/04—Tool holders for a single cutting tool
    • B23B29/12—Special arrangements on tool holders
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    • B23B—TURNING; BORING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23P25/003—Auxiliary treatment of workpieces, before or during machining operations, to facilitate the action of the tool or the attainment of a desired final condition of the work, e.g. relief of internal stress immediately preceding a cutting tool
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    • 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
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    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26D—CUTTING; DETAILS COMMON TO MACHINES FOR PERFORATING, PUNCHING, CUTTING-OUT, STAMPING-OUT OR SEVERING
    • B26D7/00—Details of apparatus for cutting, cutting-out, stamping-out, punching, perforating, or severing by means other than cutting
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    • B26D7/086—Means for treating work or cutting member to facilitate cutting by vibrating, e.g. ultrasonically
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    • B23Q2230/00—Special operations in a machine tool
    • B23Q2230/004—Using a cutting tool reciprocating at high speeds, e.g. "fast tool"

Definitions

  • the invention relates to a machine tool and a workpiece machining method according to the preambles of the independent claims.
  • the vibrating ⁇ vibrate tools comparatively high frequency, for example, frequencies above 5 kHz or above 10 kHz or above 20 kHz. Because of the high vibration frequencies ⁇ which can lie ⁇ gen beyond human hearing, are often referred to as the processing ultrasonic machining and the machine as an ultrasound machine.
  • the vibration of the tool may be a translational or a rotational vibration. The tool can move parallel to the surface of the workpiece and then quasi filing materialpierlend but it can also act on the workpiece impact.
  • a disadvantage of the known machining methods, in particular with tools without a defined cutting edge, is that it is often difficult to put a tool into suitable vibration movements and that desired vibration patterns are often not adjustable.
  • a disadvantage of the known machining methods, in particular with tools with a defined cutting edge, is that in certain machining situations, in particular for certain workpiece materials, the removal rate is relatively low or the tool wear is relatively high or the surface quality of the machined workpiece is relatively poor. It was found that the breaking of chips during machining leaves comparatively rough and torn surfaces with conventional tools with a defined cutting edge, which are not mechanically optimally resistant and susceptible 'environmental influences (corrosion, rust).
  • the object of the invention is to specify a machine tool and a workpiece machining method, in particular for tools without a defined cutting edge, in which desired machining patterns and desired vibration patterns can be set efficiently.
  • a further object of the invention is to specify a machine tool and a workpiece machining method, in particular for tools with a defined cutting edge, which in certain machining situations provide improved removal performance and / or less tool wear and / or improved surface qualities, in particular smoother and more compacted surfaces on the workpiece result.
  • a first vibration unit is provided to vibrate the workpiece.
  • the workpiece table that is the area on which the workpiece rests or on which it is attached, vibrated.
  • the workpiece is vibrated for machining.
  • Tool vibration and workpiece vibration can be controllable at the same time, resulting in a total superimposed relative vibration between the workpiece and the tool.
  • Both tool and workpiece may be vibratable along or about multiple axes of vibration.
  • the vibrations can be controlled by a common control, they can be coordinated or made independently.
  • the vibrations can be caused for example with piezo elements, which are controlled by suitable signals.
  • the tool can be a tool with a defined sheath (eg drill, milling cutter, lathe, planer ...) or a tool without a defined cutting edge (eg.
  • the tool holder is designed accordingly.
  • Figure 1 shows schematically the side view of a machine tool 10.
  • 5 is a machine frame.
  • a workpiece table 3 is fixed or fastened.
  • a tool 2 can be fastened or fastened via a second vibration unit 12.
  • First and second vibration units can be interchangeable.
  • the tool 2 vibrating second Vibrati ⁇ onsaku 12 may be provided as structurally non-detachable unit with the tool 2 and may be releasably connected to the machine tool 10 via a serving as a coupling tool holder 4.
  • the vibration generated via the first vibration unit 11 may be a linear vibration or a torsional vibration.
  • a linear vibration of the first vibration unit 11 may have directional components parallel and / or perpendicular to the local workpiece plane.
  • a rotational vibration of the first vibrating unit 11 may be a pre-existing in the machine axis of rotation around it ⁇ follow. In particular, it can be around the same axis around like a possible rotational vibration of the tool.
  • a vibration unit can one or more vibrators, z. B. piezo elements having. You can receive the same or different signals. The difference can be a phase offset or an inversion.
  • Workpiece (table) 1, 3 and / or tool (holder) 2, 4 can translationally and / or rotationally along or be adjustable about respective axes in order to adjust the relative position of the workpiece and tool can.
  • These axes serve as positioning means, they are indicated in Fig. 1 by reference numerals 13 and 14 only qualitatively. They can be located between the tool holder 4 and Ma ⁇ schin frame 5 and between the first Vibrationsein ⁇ ness 11 and machine frame. 5 These can each be multiple axes.
  • the blocks 13 and 14 may represent multi-component components. During the actual workpiece machining by the tool, the axes 13, 14 can be held or moved.
  • ⁇ 15 symbolizes a controller, by means of which the individual components can be controlled or regulated. In particular, it controls the existing Vib ⁇ rationsakuen 11, 12 and the positioning devices 13, 14th
  • the controller indicates signals the respective actuators and receives signals from sensors (not shown).
  • the target specifications can come from digital workpiece definitions or from a processed machining program.
  • the sensors can include sensors on the vibration units 11, 12, position sensors on the individual axes of the positioning devices 13, 14, or depth sensors for the measurement of the work progress on the workpiece and üm technicallyssensorik.
  • Each of the vibration units 11, 12 can vibrati ⁇ on along one or about an axis or along several or cause several axes and accordingly suitably mounted vibrators.
  • suitable constructions are to be provided, which can be electrically controlled accordingly.
  • the vibration units may include piezo actuators that receive appropriate signals from the controller 15. But it can also be provided electromagnetic actuators / vibrators.
  • FIG. 2 schematically shows driving schemes possible in a machine as shown in FIG. Shown are four different areas A, B, C and D. Shown is the operation of the respective vibration ⁇ units 11 and 12.
  • the period A none of the vibration units is active.
  • period B only the first vibration unit 11 (the one on the tool table 3) is active.
  • period C only the second vibration unit 12 (the one on the tool 4) is active.
  • period D the first and second vibration units are active. So it can be operated individually each of the vibration units. However, it is tuned ge ⁇ successive jointly both or operated independently of one ⁇ other.
  • both vibration units are actuated together, results between tool 2 and workpiece 1 resulting from superposition of the individual movements total relative movement, which is composed of the two vibration components of the workpiece on the one hand and the tool on the other.
  • the individual vibration units number of translational and rotational axes, alignment of the axes
  • the most varied combinations are mög ⁇ Lich, not all of which must be possible useful or technically.
  • the individual vibration axes (translational, rotational) of the vibration units 11, 12 can be operated with adjustable frequencies, adjustable amplitudes einrtellbaren waveforms and relatively mutually adjustable phase angles.
  • the frequencies set on different axes may be the same or different from each other. If they are different, they can assume certain frequency ⁇ relationships, about 2: 1, 3: 1, 3: 2 'or ähnli ⁇ ches.
  • the phase position ' can also be adjustable here.
  • the waveform of the drive signals may be sine, rectangle, triangle or the like.
  • the relative movement between tool 2 and workpiece 1 caused by superimposition can, during operation along a plurality of vibration axes within a vibration unit or the two vibration units depending on the frequency relationships and phase angles yield Lissajous patterns which can represent the movement of an ideal tool center over the workpiece surface. This is shown schematically in FIG.
  • Fig. 3a shows single vibrations along an x-axis (arrow 32) and along a y-axis (arrow 31). If both vibrations with the same frequency to take place, the arrows 33 and 34, the superimposed Real ⁇ tivfest for phase position 0 ° or 180 °, while the circuit 35 for phase position shows the relative movement of 90 ° and 270 °. The circle is then looped clockwise or counterclockwise. If, for example, two translatory axes perpendicular to one another are actuated at the same frequency, depending on the phase positions of the signals, relative translational movements (phase position 0 ° or 180 °) or a rotational relative movement (phase position 90 ° or 270 °) result.
  • FIG. 36 indicates the total effective area of the tool on the workpiece.
  • Figure 37 shows an overall tool center point moving along the paths shown. For more complex frequency ratios (2: 1, 3: 1, 3: 2, 7), correspondingly more complex patterns occur, as shown in FIG. 3b for some frequency ratios and phase angles.
  • the first and / or the second vibration unit may each have a first vibration axis for vibration along or about this first vibration axis and a second vibration axis for vibration along or about this second vibration axis, whereby the vibrations along / around two vibration axes of a vibration unit 11 , 12 may be independently adjustable, in particular in respective amplitude and frequency and in their relative phase position.
  • the relative total vibration may have directional components parallel to the current workpiece surface and / or directional components perpendicular to the current workpiece surface.
  • the different components parallel, vertical
  • it can also be an actuator arranged and designed so that it generates vibration components parallel and perpendicular to the current workpiece surface.
  • the direction of one or more or all of the translatory or rotary vibrations can be locally at the point of engagement of the tool on the workpiece parallel to the current
  • the direction of one or more or all of the translational or rotational vibrations may be locally at the point of engagement of the tool on the workpiece but also perpendicular to the current workpiece surface, so that there is a relative movement component chiseling the instantaneous surface.
  • the direction of the vibrations can also be such that locally at the point of engagement of the tool on the workpiece at least one vibrating movement is parallel to the instantaneous workpiece surface, while at least one further relative movement is perpendicular to the instantaneous workpiece surface.
  • instantaneous workpiece surface an area to be understood that lies in or at the current real point of engagement of the tool on the workpiece, or a surface parallel to the central Reg ⁇ tung the vicinity of the point of engagement but (in this case in particular, without taking into account current gradations in the real surface because of the current processing).
  • a graphical user interface can be provided which would be regarded as part of the control / regulation 15. It can either be used to specifically set a workpiece machining, or a machining program can be written.
  • the graphical user interface may present selectable 37 on the workpiece surface possibly also taking into account the impact surface 36 ⁇ simultaneously or in succession a plurality of desired relative movement pattern of an ideal tool center.
  • the illustration may include the display of webs (Lisso's figures) as shown in FIG.
  • the representation of the relative movement can also be specific with respect to the respective workpiece or
  • Workpiece part done It is also possible to set individual parameters of the respective relative movement and then to influence the representation, for example, the orientation of a superimposed translational movement on the workpiece surface, or in the parameters such as the phase position of two vibrations of the same frequency.
  • the first vibration unit can be designed to be capable of vibration along all spatial axes (x, y, z).
  • the second vibration unit 12 may also be designed. It may also be translatable along a spatial axis (vertical axis from the tool to the workpiece to, z-axis) capable of vibration and designed to be rotatable about the same axis corresponding to a drill or to perform a rotational vibration.
  • the vibration operation along the individual axes within a vibration unit or the two vibration units may be synchronous or asynchronous with each other as needed.
  • the actuation of the vibration units 11, 12 can also take place in accordance with the control of the translatory or rotary axes 13, 14 or in accordance with sensor signals thereof. If, for example, a tool moves along a workpiece surface (which can be effected by actuation of a translatory axis), the activation of the vibration units can also change in accordance with the respective progress. The change may relate to frequencies, phase angles, amplitudes or vibration patterns. These dependencies can also be entered or set via a graphical user interface, so that they are stored as part of a machining program or directly for Workpiece machining can be adjusted. Also, the setting of control parameters of the vibration units directly in accordance with machining ⁇ tung can progress to the workpiece to be controllable, or they may be controllable, such as time-dependent.
  • the described features allow the variable setting of machining patterns of a tool on a workpiece surface.
  • the workpiece can be vibrated.
  • the tool can then be held without vibration or only be moved slowly by the displacement axes.

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Abstract

Eine Werkzeugmaschine (10) für die Bearbeitung eines Werkstücks (1) mit einem Werkzeug (2) hat ein Maschinengestell (5), eine mit dem Maschinengestell verbundenen Werkzeughalterung (4), einen mit dem Maschinengestell verbundenen Werkstücktisch (3) und eine erste Vibrationseinheit (11) zum Vibrieren des Werkstücktisches, vorzugsweise mit einer Frequenz über 5 kHz oder über 10 kHz.

Description

WERKZEUGMASCHINE, WERKSTÜCKBEARBEI UNGSVERFAHREN
Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine und ein Werkstückbearbeitungsverfahren nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Es ist bekannt, Werkstücke mittels vibrierender Werkzeuge ohne definierte Schneide (z. B. Ultraschallwerkzeuge) spanabhebend zu bearbeiten. Die vibrieren¬ den Werkzeuge vibrieren vergleichsweise hochfrequent, beispielsweise mit Frequenzen über 5 kHz oder über 10 kHz oder über 20 kHz. Wegen der hohen Vibrations¬ frequenzen, die jenseits des menschlichen Gehörs lie¬ gen können, werden die Bearbeitung häufig als Ultraschallbearbeitung und die Maschine als Ultraschallmaschine bezeichnet. Die Vibration des Werkzeugs kann eine translatorische oder eine rotatorische Vibration sein. Das Werkzeug kann flächenparallel am Werkstück entlangfahren und dann quasi feilend Material abtragen Es kann aber auch stoßend auf das Werkstück einwirken.
Wohlbekannt ist auch die Werkstückbearbeitung mit Werkzeugen mit definierter Scheide (z. B. Bohrer, Fräser, Drehmeisel, Hobel ...). Bei ihnen wird eine üblicherweise nicht reversierende Relativbewegung zwischen momentaner Werkstückoberfläche und dem Werkzeug (insbesondere dessen Schneidkante) hervorgerufen, indem das Werkzeug oder das Werkstück entsprechend angetrie- ben wird. Der Antrieb kann translatorisch (Hobel) oder rotatorisch (Bohrer, Drehbank) oder beides (Fräse) sein .
Ein Nachteil der bekannten Bearbeitungsverfahren insbesondere mit Werkzeugen ohne definierte Schneide ist es, dass es häufig schwierig ist, ein Werkzeug in geeignete Vibrationsbewegungen zu versetzen und dass gewünschte Vibrationsmuster häufig nicht einstellbar sind .
Ein Nachteil der bekannten Bearbeitungsverfahren insbesondere mit Werkzeugen mit definierter Schneide ist es, dass bei bestimmten Bearbeitungssituationen, insbesondere bei bestimmten Werkstückmaterialien, die Abtragsleistung relativ gering oder der Werkzeugverschleiß relativ hoch oder die Oberflächengüte des bearbeiteten Werkstücks relativ schlecht ist. Es zeigte sich, dass das Ausbrechen der Späne bei der Bearbeitung mit herkömmlichen Werkzeugen mit definierter Schneide vergleichsweise raue und aufgerissene Oberflächen hinterlässt, die mechanisch nicht optimal widerstandsfähig und anfällig gegenüber ' Umwelteinflüssen (Korrosion, Rost) sind.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Werkzeugmaschine und ein Werkstückbearbeitungsverfahren insbesondere für Werkzeuge ohne definierte Schneide anzugeben, bei dem gewünschte Bearbeitungsmuster und gewünschte Vibrationsmuster effizient eingestellt werden können . Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Werkzeugmaschine und ein Werkstückbearbeitungsverfahren insbesondere für Werkzeuge mit definierter Schnei- de anzugeben, die in bestimmten Bearbeitungssituationen eine verbesserte Abtragsleistung und/oder geringeren Werkzeugverschleiß und/oder verbesserte Oberflächengüten, insbesondere glattere und verdichtetere 0- berflachen am Werkstück ergeben.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhän¬ gigen Patentansprüche gelöst. Abhängige Patentansprü¬ che sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
In einer Werkzeugmaschine für die Bearbeitung eines Werkstücks ist eine erste Vibrationseinheit vorgesehen, um das Werkstück in Vibration zu versetzen.
Vorzugsweise wird hierbei der Werkstücktisch, also derjenige Bereich, auf dem das Werkstück aufliegt oder an dem es befestigt ist, in Vibration versetzt.
Bei einem Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Werkzeug wird das Werkstück für die Bearbeitung in Vibration versetzt.
Häufig kann es einfacher sein, das Werkstück anstatt das Werkzeug in Schwingung zu versetzen, beispielsweise dann, wenn das Werkstück im Vergleich zum Werkzeug klein ist oder wenn komplexe Resonanzfre¬ quenzmuster vorliegen.
Darüber hinaus kann wie in herkömmlichen Ultraschallmaschinen auch das Werkzeug vibrierbar sein. Werkzeugvibration und Werkstückvibration können gleichzeitig einsteuerbar sein, sodass sich eine insgesamt überlagerte Relativvibration zwischen Werkstück und Werkzeug ergibt.
Sowohl Werkzeug als auch Werkstück können längs oder um mehrere Vibrationsachsen vibrierbar sein. Die Vibrationen können durch eine gemeinsame Steuerung steuerbar sein, sie können aufeinander abgestimmt oder unabhängig voneinander vorgenommen werden. Die Vibrationen können beispielsweise mit Piezoelementen hervorgerufen werden, die mit geeigneten Signalen angesteuert werden.
Das Werkzeug kann ein Werkzeugen mit definierter Scheide (z. B. Bohrer, Fräser, Drehmeisel, Hobel ...) oder ein Werkzeuge ohne definierte Schneide (z. B.
Ultraschallwerkzeuge) sein. Die Werkzeugaufnahme ist entsprechend ausgelegt.
Nachfolgend werden Bezug nehmend auf die Zeichnung einzelne Ausführungs formen der Erfindung beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine,
Fig. 2 schematisch mögliche Ansteuerschemata der einzelnen Vibrationseinheiten, und
Fig. 3 Beispiele überlagerter Relativschwingungs- muster .
Figur 1 zeigt schematisch die Seitenansicht einer Werkzeugmaschine 10. 5 ist ein Maschinengestell. An ihm ist einerseits über eine erste Vibrationseinheit 11 ein Werkstücktisch 3 befestigt bzw. befestigbar. Zum anderen kann über eine zweite Vibrationseinheit 12 ein Werkzeug 2 befestigt sein oder befestigbar sein. Erste und zweite Vibrationseinheit können austauschbar sein. Die das Werkzeug 2 vibrierende zweite Vibrati¬ onseinheit 12 kann als baulich nicht lösbare Einheit mit dem Werkzeug 2 vorgesehen sein und kann mit der Werkzeugmaschine 10 über eine als Kupplung dienende Werkzeughalterung 4 lösbar verbindbar sein.
Die über die erste Vibrationseinheit 11 erzeugte Vibration kann eine lineare Vibration oder eine Dreh¬ vibration sein.
Eine lineare Vibration der ersten Vibrationseinheit 11 kann Richtungskomponenten parallel und/oder senkrecht zur lokalen Werkstückebene haben. Eine Drehvibration der ersten Vibrationseinheit 11 kann um eine in der Maschine schon vorhandene Drehachse herum er¬ folgen. Insbesondere kann sie um die gleiche Achse herum erfolgen wie eine mögliche Drehvibration des Werkzeugs .
Eine Vibrationseinheit kann ein oder mehrere Vib- ratoren, z. B. Piezoelemente, aufweisen. Sie können gleiche oder unterschiedliche Signale empfangen. Der Unterschied kann ein Phasenversatz sein oder eine Invertierung .
Werkstück (tisch) 1, 3 und/oder Werkzeug (halterung) 2, 4 können translatorisch und/oder rotatorisch längs bzw. um entsprechende Achsen verstellbar sein, um die Relativposition von Werkstück und Werkzeug einstellen zu können. Diese Achsen dienen als Positionierungseinrichtungen, sie sind in Fig. 1 mit Bezugsziffern 13 und 14 nur qualitativ angedeutet. Sie können sich zwischen Werkzeughalterung 4 und Ma¬ schinengestell 5 bzw. zwischen erster Vibrationsein¬ heit 11 und Maschinengestell 5 befinden. Es kann sich hierbei jeweils um mehrere Achsen handeln. Die Blöcke 13 und 14 können mehrgliedrige Komponenten repräsentieren. Während der eigentlichen Werkstückbearbeitung durch das Werkzeug können die Achsen 13, 14 festgehalten sein oder bewegt werden.
■ 15 symbolisiert eine Steuerung, mittels derer die einzelnen Komponenten gesteuert bzw. geregelt werden können. Sie steuert insbesondere die vorhandenen Vib¬ rationseinheiten 11, 12 und die Positionierungseinrichtungen 13, 14 an. Die Steuerung gibt Signale an die jeweiligen Aktoren aus und empfängt Signale von (nicht gezeigten) Sensoren. Die Sollvorgaben können aus digitalen Werkstückdefinitionen bzw. aus einem abgearbeiteten Bearbeitungsprogramm kommen. Die Sensorik kann Sensorik an den Vibrationseinheiten 11, 12, Lage- sensorik an den einzelnen Achsen der Positionierungs¬ einrichtungen 13, 14, Form- bzw. Tiefensensorik für die Vermessung des Arbeitsfortschritts am Werkstück und ümgebungssensorik umfassen.
Jede der Vibrationseinheiten 11, 12 kann Vibrati¬ on längs einer oder um eine Achse oder längs mehrerer oder um mehrere Achsen bewirken und dementsprechend geeignet angebrachte Vibratoren aufweisen. Hierzu sind geeignete Konstruktionen vorzusehen, die entsprechend elektrisch angesteuert werden können. Die Vibrationseinheiten können Piezo-Aktoren aufweisen, die geeignete Signale von der Steuerung/Regelung 15 empfangen. Es können aber auch elektromagnetische Aktoren/Vibratoren vorgesehen sein.
Fig. 2 zeigt schematisch Ansteuerschemata, die in einer Maschine wie in Fig. 1 gezeigt möglich sind. Gezeigt sind vier verschiedene Bereiche A, B, C und D. Dargestellt ist der Betrieb der jeweiligen Vibrations¬ einheiten 11 bzw. 12. Im Zeitraum A ist keine der Vibrationseinheiten aktiv. Im Zeitraum B ist lediglich die erste Vibrationseinheit 11 (diejenige am Werkzeugtisch 3) aktiv. Im Zeitraum C ist lediglich die zweite Vibrationseinheit 12 (diejenige am Werkzeug 4) aktiv. Im Zeitraum D sind erste und zweite Vibrationseinheit aktiv. Es kann also jede der Vibrationseinheiten einzeln betätigt werden. Es können aber auch beide ge¬ meinsam aufeinander abgestimmt oder unabhängig vonein¬ ander betrieben werden.
Wenn beide Vibrationseinheiten gemeinsam betätigt werden, ergibt sich zwischen Werkzeug 2 und Werkstück 1 eine durch Überlagerung der einzelnen Bewegungen entstehende Gesamt-Relativbewegung, die sich aus den beiden Vibrationskomponenten des Werkstücks einerseits und des Werkzeugs andererseits zusammensetzt. In Abhängigkeit davon, welche Vibrationsmoden die einzelnen Vibrationseinheiten zulassen (Anzahl der translatorischen und rotatorischen Achsen, Ausrichtung der Achsen) , sind die unterschiedlichsten Kombinationen mög¬ lich, von denen nicht alle sinnvoll bzw. technisch möglich sein müssen.
Die einzelnen Vibrationsachsen (translatorisch, rotatorisch) der Vibrationseinheiten 11, 12 können mit einstellbaren Frequenzen, einstellbaren Amplituden einsrtellbaren Wellenformen und relativ untereinander einstellbaren Phasenlagen betrieben werden. Die an verschiedenen Achsen eingestellten Frequenzen können gleich sein oder unterschiedlich zueinander. Wenn sie unterschiedlich sind, können sie bestimmte Frequenz¬ verhältnisse einnehmen, etwa 2:1, 3:1, 3:2' oder ähnli¬ ches. Die Phasenlage' kann auch hier einstellbar sein. Die Wellenform der Ansteuersignale kann Sinus, Rechteck, Dreieck oder ähnliches sein.
Die durch Überlagerung bewirkte Relativbewegung zwischen Werkzeug 2 und Werkstück 1 kann beim Betrieb längs mehrerer Vibrationsachsen innerhalb einer Vibrationseinheit oder der beiden Vibrationseinheiten je nach Frequenzverhältnissen und Phasenlagen Lissajous- Muster ergeben, die die Bewegung eines idealen Werk- zeugmittelpunkts über der Werkstückoberfläche darstellen können. In Fig. 3 ist dies schematisch gezeigt.
Fig. 3a zeigt Einzelvibrationen längs einer x- Achse (Pfeil 32) und längs einer y-Achse (Pfeil 31) . Wenn beide Vibrationen mit gleicher Frequenz stattfinden, zeigen die Pfeile 33 und 34 die überlagerte Rela¬ tivbewegung bei Phasenlage 0° oder 180°, während der Kreis 35 die Relativbewegung bei Phasenlage 90° und 270° zeigt. Der Kreis wird dann im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn durchlaufen. Wenn beispielsweise zwei translatorische, rechtwinklig zueinander stehende Achsen mit gleicher Frequenz angesteuert werden, ergeben sich je nach Phasenlagen der Signale translatorische Relativbewegungen (Phasenlage 0° oder 180°) oder eine rotatorische Relativbewegung (Phasenlage 90° oder 270°). 36 deutet die Gesamteinwirkfläche des Werkzeugs auf das Werkstück an. 37 zeigt einen i- dealen Werkzeugmittelpunkt, der sich längs der gezeigten Bahnen bewegt . Bei komplexeren Frequenzverhältnissen (2:1, 3:1, 3:2, ...) stellen sich entsprechend komplexere Muster ein, wie dies in Fig. 3b zu einigen Frequenzverhältnissen und Phasenlagen gezeigt ist.
Durch die Wahl von Ansteuerfrequenzen, Ansteueramplituden, relativen Phasenlagen und Ansteuerwellenform können dementsprechend beim Vibrationsbetrieb längs mehrerer Vibrationsachsen gewünschte Bearbeitungsmuster des Werkzeugs auf der Werkstückoberfläche herbeigeführt werden.
Die erste und/oder die zweite Vibrationseinheit können je eine erste Vibrationsachse zur Vibration längs dieser oder um diese erste Vibrationsachse und je eine zweite Vibrationsachse zur Vibration längs dieser oder um diese zweite Vibrationsachse aufweisen, wobei auch die Vibrationen längs/um zwei Vibrationsachsen einer Vibrationseinheit 11, 12 unabhängig voneinander einstellbar sein können, insbesondere in jeweiliger Amplitude und Frequenz und in ihrer relativen Phasenlage.
Die relative Gesamtvibration kann Richtungskomponenten parallel zur momentanen Werkstückoberfläche und/oder Richtungskomponenten senkrecht zur momentanen Werkstückoberfläche haben. Die unterschiedlichen Komponenten (parallel, senkrecht) können getrennt durch unterschiedliche Aktoren erzeugt werden. Es kann aber auch ein Aktor so angeordnet und ausgelegt sein, dass er Vibrationskomponenten parallel und senkrecht zur momentanen Werkstückoberfläche erzeugt. Die Richtung einer oder mehrerer oder aller translatorischer oder rotatorischer Vibrationen kann lokal am Eingriffspunkt des Werkzeugs am Werkstück parallel zur momentanen
Werkstückoberfläche liegen, so dass sich eine die momentane Oberfläche schleifende Relativbewegungskompo¬ nente ergibt. Die Richtung einer oder mehrerer oder aller translatorischer oder rotatorischer Vibrationen kann lokal am Eingriffspunkt des Werkzeugs am Werkstück aber auch senkrecht zur momentanen Werkstückoberfläche liegen, so dass sich eine die momentane O- berfläche meißelnde Relativbewegungskomponente ergibt. Die Richtung der Vibrationen kann auch so sein, dass lokal am Eingriffspunkt des Werkzeugs am Werkstück mindestens eine Vibrationsbewegung parallel zur momentanen Werkstückoberfläche liegt, während mindestens eine weitere Relativbewegung senkrecht zur momentanen Werkstückoberfläche liegt.
Unter „momentaner Werkstückoberfläche" kann eine Fläche verstanden werden, die beim oder am momentanen realen Eingriffspunkt des Werkzeugs am Werkstück liegt, oder eine Fläche, die parallel zur mittleren Ausrich¬ tung der näheren Umgebung des Eingriffspunkts (hierbei aber insbesondere ohne Berücksichtigung von momentanen Stufungen in der realen Oberfläche wegen der momentanen Bearbeitung) liegt. Für die Einstellung der gewünschten Ansteuergrö- ßen (Frequenz, Amplitude, Phasenlage, ...) kann eine graphische Benutzeroberfläche vorgesehen sein, die als Teil der Steuerung/Regelung 15 anzusehen wäre. Mit ihr kann entweder konkret eine Werkstückbearbeitung eingestellt werden, oder es kann ein Bearbeitungsprogramm verfasst werden. Die graphische Benutzeroberfläche kann gleichzeitig oder nacheinander mehrere gewünschte Relativbewegungsmuster einer idealen Werkzeugmitte 37 auf der Werkstückoberfläche ggf. auch unter Berück¬ sichtigung der Einwirkfläche 36 auswählbar darstellen. Die Darstellung kann die Anzeige von Bahnen (Lissa- ous-Figuren) wie in Fig. 3 gezeigt umfassen.
Die Darstellung der Relativbewegung kann auch konkret in Bezug auf das jeweilige Werkstück bzw.
Werkstückteil erfolgen. Es können auch einzelne Para¬ meter der jeweiligen Relativbewegung einstellbar sein und dann die Darstellung beeinflussen, etwa vom Ergebnis her kommend die Ausrichtung einer überlagerten translatorischen Bewegung auf der Werkstückoberfläche, oder in den Parametern etwa die Phasenlage zweier Vibrationen gleicher Frequenz.
Wenn dann eine gewünschte Relativbewegung definiert und gewählt ist, können nach Maßgabe dieser Wahl die einzelnen Ansteuerparameter der einzelnen Vibrationsaktoren in den Vibrationseinheiten 11, 12 ermittelt und als Teil eines Bearbeitungsprogramm abgelegt oder unmittelbar eingestellt werden. Die erste Vibrationseinheit kann translatorisch längs aller Raumachsen (x, y, z) vibrationsfähig ausgelegt sein. Die zweite Vibrationseinheit 12 kann e- benso ausgelegt sein. Sie kann auch translatorisch längs einer Raumachse (vertikale Achse vom Werkzeug auf das Werkstück zu, z-Achse) vibrationsfähig sein und um die gleiche Achse drehbar entsprechend einem Bohrer ausgelegt sein oder eine Drehvibration ausführen .
Der Vibrationsbetrieb längs der einzelnen Achsen innerhalb einer Vibrationseinheit oder der beiden Vibrationseinheiten kann nach Bedarf synchron oder asynchron zueinander sein.
Die Ansteuerung der Vibrationseinheiten 11, 12 kann auch nach Maßgabe der Ansteuerung der translatorischen oder rotatorischen Achsen 13, 14 bzw. nach Maßgabe von Sensoriksignalen hiervon erfolgen. Wenn sich beispielsweise ein Werkzeug längs einer Werkstückoberfläche bewegt (was durch Betätigung einer translatorischen Achse bewirkt werden kann) , kann nach Maßgabe des jeweiligen Fortschritts sich auch die Ansteuerung der Vibrationseinheiten ändern. Die Änderung kann Frequenzen, Phasenlagen, Amplituden oder Schwingungsmuster betreffen. Auch diese Abhängigkeiten können über eine graphische Benutzeroberfläche eingebbar bzw. einstellbar sein, sodass sie als Teil eines Bearbeitungsprogramms gespeichert oder unmittelbar zur Werkstückbearbeitung eingestellt werden können. Auch kann die Einstellung von Ansteuerparametern der Vibrationseinheiten unmittelbar nach Maßgabe von Bearbei¬ tungsfortschritten am Werkstück regelbar sein, oder sie können steuerbar sein, etwa zeitabhängig.
Die beschriebenen Merkmale erlauben das variable Einstellen von Bearbeitungsmustern eines Werkzeugs auf einer Werkstückoberfläche. Mit der beschriebenen Vor¬ richtung kann in Fällen, in denen das Arbeiten mit einem vibrierenden Werkzeug schwierig ist, anstelle des Werkzeugs das Werkstück vibriert werden. Das Werkzeug kann dann ohne Vibration festgehalten werden oder nur durch die Verschiebeachsen langsam verschoben werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Werkzeugmaschine (10) für die Bearbeitung ei nes Werkstücks (1) mit einem Werkzeug (2), mit
einem Maschinengestell (5) ,
einer mit dem Maschinengestell verbundenen Werk zeughalterung (4),
einem mit dem Maschinengestell verbundenen Werk stücktisch ( 3 ) , gekennzeichnet durch eine erste Vibrationseinheit (11) zum Vibrieren des Werkstücktisches, vorzugsweise mit einer Frequenz über 5 kHz oder über 10 kHz.
2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, gekennzeich net durch eine zweite Vibrationseinheit (12) zum Vibrieren des Werkzeugs (2) oder der Werkzeugalterung, vorzugsweise mit einer Frequenz über 5 kHz oder über 10 kHz.
3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Vibrationseinheit je eine erste Vibrationsachse zur Vibration längs dieser ersten Vibrationsachse aufweist und je eine zweite Vibrationsachse zur Vibration längs dieser zweiten Vibrationsachse aufweisen können, wobei die Vibrationen längs zweier Vibrationsachsen einer Vibrationseinheit unabhängig voneinander ein- stellbar sein können, insbesondere in jeweiliger Amplitude und Frequenz und in ihrer relativen Phasenlage.
4. Werkzeugmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationen der beiden Vibrationseinheiten unabhängig voneinander einstellbar sein können, insbesondere in jeweiliger Amplitude und Frequenz und in ihrer relativen Phasenlage.
5. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steue¬ rung oder Regelung (15), die zur unabhängig voneinander einstellbaren Ansteuerung der Vibrationseinheiten (11, 12) und der Vibrationsachsen darin ausgelegt ist.
6. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung 'die einzelnen Vibrationsachsen mit Signalen gleicher Frequenz und einstellbarer Phasenlage ansteuert .
7. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung die einzelnen Vibrationsachsen mit Signalen unterschiedlicher Frequenz ansteuert.
8. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung eine Zeitsteuerung aufweist, die Steuerungs- Parameter der einzelnen Vibrationsachsen zeitveränderlich einstellt.
9. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Positionierungseinrichtungen (13, 14), die längs einer oder mehrerer translatorischer oder rotatorischer Achsen die Relativposition zwischen Werkstück (1) und Werkzeug (2) ändern und einstellen können und die zwischen Werkzeug (2) und Maschinenrahmen (5) und/oder zwischen Werkstücktisch (3) und Maschinenrahmen (5) vorgesehen sind und die durch die Steuerung steuerbar oder regelbar sind.
10. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (15) eine grafische Benut eroberfläche aufweist, die die Auswahl oder Festlegung von Ansteue- rungsmustern der einzelnen Vibrationseinheiten (11,
12) bzw. der Vibrationsachsen darin vorzugsweise auch relativ zum Werkstück ermöglicht.
11. Werkzeugmaschine nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die grafische Benutzeroberfläche die Auswahl oder Festlegung von Ansteuerungs- mustern der einzelnen Vibrationsachsen und die Auswahl von Relativpositionen von Wekstück und Werkzeug relativ zueinander zulässst.
12. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vibrationseinheint eine oder zwei in horizontalen Richtungen oder drei in drei Raumrichtungen trans¬ latorisch vibrierende Vibrationsachsachsen aufweist und/oder die zweite Vibrationseinheint eine in vertikaler Richtung translatorisch vibrierende Vibrationsachsachse und/oder eine um die vertikale, Richtung rotatorisch vibrierende Vibrationsachse aufweist.
13. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeughalterung zur Aufnahme eines Werkzeugs ohne definierte Schneide und/oder zur Aufnahme eines Werk¬ zeugs mit definierter Schneide ausgelegt ist.
14. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Werkzeug, bei dem. das Werkstück für die Bearbeitung in Vibration versetzt wird.
15. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Werkzeug, vorzugsweise nach Anspruch 14, wie es durch die Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 implementiert ist.
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