Werkzeughalteeinrichtung, Werkzeugmaschine mit einer Werkzeughaltevorrich¬ tung und Bohrverfahren, insbesondere zum Tieflochbohren.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeughalteeinrichtung, eine Werkzeugma¬ schine mit einer Werkzeughaltevorrichtung sowie ein Bohrverfahren, insbesondere zum Tieflochbohren.
Das Bohren eines Loches in ein Werkstück gehört zu den spanenden Bearbeitungs¬ verfahren mit geometrisch bestimmten Schneiden. Bei einem spanenden Verfahren werden vom Werkstück durch das Werkzeug Späne auf mechanischem Wege abge¬ trennt, um eine bestimmte Werkstückform zu erreichen. Unter Bohren versteht man das Spanen mit ein- oder mehrschneidigem Werkzeug, wobei der Drehbewegung des Bohrwerkzeuges um eine Drehachse eine Vorschubbewegung entlang der Drehachse überlagert wird, und sich so das Bohrwerkzeug in das Werkstück schneidet und eine Bohrung schafft bzw. eine bereits vorhandene Bohrung bearbeitet.
Ein Problem des Bohrens besteht darin, die erzeugten Späne aus dem Bohrloch abzutransportieren. Dieses Problem gewinnt an Bedeutung mit der Länge des Bohr¬ lochs. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Span kurzbrüchig ist. Bei schwer spanbaren Werkstoffen läßt sich ein kurzbrüchiger Span jedoch nicht in einfacherweise errei¬ chen. Weiterhin kann die Spanabfuhr durch die Verwendung eines Kühlmittels oder eine Schmierung verbessert werden.
Durch die ständig im Eingriff stehende Werkzeugschneide beim Bohren können bei duktilen Werkstoffen sehr lange Fließspäne entstehen. Diese lassen sich nur schwer vom Werkzeug entfernen und setzen es unter ungünstigen Bedingungen sogar zu. Die Probleme der Spanentfernung nehmen dabei mit zunehmender Bohrlochtiefe zu. Weiterhin stellt die Bearbeitung; insbesondere von schwer spanbaren Materialien, die immer mehr an Bedeutung gewinnen, den Fertigungstechniker vor große Zerspa¬ nungsprobleme. Die geforderte Qualität und notwendige Produktivität können durch auftretende erhöhte Zerspankräfte; verbunden mit erhöhtem Werkzeugverschleiß bis hin zum Werkzeugbruch, aber auch ungünstigen Spanbildungsmechanismen meist nicht realisiert werden.
Bei besonders tiefen Bohrungen ist es zum Teil notwendig, diese in mehreren Stufen auszuführen, d.h. den Bohrvorgang zu unterbrechen, den Bohrer aus dem Bohrloch zurückzuziehen, um das Bohrloch von Spänen zu reinigen und nachfolgend den Bohrer wieder einzuführen, um den Bohrvorgang fortzusetzen. Eine derartige stufen¬ weise Bohrung erhöht die Bearbeitungszeit jedoch erheblich, so daß eine entspre¬ chende Bohrung hohe Kosten verursacht.
Weiterhin sind im Stand der Technik Bearbeitungsverfahren bekannt, bei denen Ultraschallschwingungen der Drehbewegung des Werkzeugs überlagert werden, so daß die Ultraschallschwingung als Schnittbewegung dient. Bei diesen Verfahren werden partikelbestückte Stiftwerkzeuge verwendet, die eine geometrisch unbestimm¬ te Schneide bilden. Diese Werkzeuge benötigen in der Regel speziell angepasste Maschinentechnik und erlauben aufgrund des geringen Materialabtrags gegenüber dem Spanen mit einer geometrisch bestimmten Schneide nur eine geringe Produktivi¬ tät.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Werkzeughalteeinrichtung, eine Werkzeugmaschine mit einer Werkzeughaltevorrichtung sowie ein Bohrverfahren, insbesondere zum Tieflochbohren zu schaffen die auf einfache und kostengünstige Weise einsetzbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Werkzeughalteeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Weiterhin wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Werkzeug¬ maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16.
Weiterhin wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Bohrverfah¬ ren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Werkzeughalteeinrichtung,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Werkzeughalteeinrichtung.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Werkzeughalteeinrichtung. Diese Werkzeughalteeinrichtung weist einen Spindelbefestigungsabschnitt 9 auf, der in üblicher Weise zur Befestigung an einem Spindelantrieb eines Bearbeitungszentrums (nicht gezeigt) ausgebildet ist. Dieser Spindelbefestigungsabschnitt 9 ist im wesentli¬ chen rotationssymmetrisch bezüglich der Drehachse X ausgebildet. Dieser Spindelbe¬ festigungsabschnitt 9 ist an einem Gehäuseabschnitt 8 befestigt bzw. ausgebildet. Der Gehäuseabschnitt 8 des Ausführungsbeispiels ist im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und symmetrisch bezüglich der Drehachse X angeordnet. In diesem Gehäuseabschnitt 8 ist ein Ultraschallschwingungsgenerator 3 sowie ein Teil einer Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 aufgenommen, wie dies nachfolgend noch im Detail erläutert wird. Der Gehäuseabschnitt 8 wird durch einen Deckel 7 verschlossen, wie dies in Fig 1 gezeigt ist. Der Spindelbefestigungsabschnitt 9, der Gehäuseabschnitt 8 sowie der als Deckel ausgebildete Lagerabschnitt 7 bilden im einen Träger 2, an dem die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 gelagert ist.
Die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 umfaßt einen Werkzeugaufnahmeabschnitt 4, einen Widerlagerabschnitt 5 und einen Verbindungsabschnitt 6, der den Widerlager¬ abschnitt 5 mit dem Werkzeugaufnahmeabschnitt 4 verbindet. Der Werkzeugaufnah¬ meabschnitt 4 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist ebenfalls symmetrisch zu der Drehachse X ausgebildet und weist einen Basisabschnitt und einen Vorsprungs¬ abschnitt auf, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Die beiden Abschnitte des Werkzeugauf¬ nahmeabschnitts 4 sind jeweils im zylindrisch ausgebildet, wobei der Vorsprungsab¬ schnitt eine Öffnung koaxial zu der Drehachse X aufweist, in der ein Bohrwerkzeug a eingesetzt werden kann. Der Basisabschnitt des Werkzeughalteabschnitts 4 ist an dem Lagerdeckel 7 gelagert.
Der Verbindungsabschnitt 6 erstreckt sich in eine Öffnung des Werkzeughalteab¬ schnitts 4, wobei dieser Verbindungsabschnitt 6 ebenfalls im wesentlichen zylindrisch und koaxial zu der Drehachse X ausgebildet ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Widerlagerabschnitt 5 scheibenförmig und integral mit dem Verbindungsabschnitt 6 ausgebildet und ebenfalls symmetrisch zu der Drehachse X. Dieser Widerlagerab¬ schnitt 5 erstreckt sich in radialer Richtung bezüglich der Drehachse X, wobei zwi¬ schen dem Widerlagerabschnitt 5 und dem Lagerdeckel 7 der Ultraschallschwin¬ gungsgenerator 3 angeordnet ist.
Der in Fig. 1 gezeigte Ultraschallschwingungsgenerator 3 ist ebenfalls zylinderförmig ausgebildet und koaxial zu der Drehachse X angeordnet, wobei sich der Verbin¬ dungsabschnitt 6 durch eine zentrale Öffnung des Ultraschallschwingungsgenerators 3 erstreckt. Der Ultraschallschwingungsgenerator 3 wird, wie in Fig. 1 gezeigt, durch den Widerlagerabschnitt 5 an dem Lagerdeckel 7 festgehalten.
Die Werkzeughalteeinrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist mit einer Kühlmitteleinrichtung versehen, die einen Kühlmittelkanal 10 umfaßt, der koaxial zu der Drehachse X angeordnet ist. Dieser Kühlmittelkanal 10 wird zumindest teilwei¬ se durch eine Hülse bestimmt, die sich durch den Spindelaufnahmeabschnitt 9, den Widerlagerabschnitt 5 in den Verbindungsabschnitt 6 erstreckt, so daß unter Druck stehendes Kühlmittel zu dem Teil des Kühlmittelkanals zugeführt werden kann, der direkt in dem Verbindungsabschnitt 6 ausgebildet ist und sich in Richtung zu dem Bohrwerkzeug a erstreckt. Ausgehend von dem Kühlmittelkanal 10 wird das Kühlmittel in bekannter Weise (nicht im Detail dargestellt) zu dem Bohrwerkzeug a und der Bearbeitungsstelle zugeführt.
Der Ultraschallschwingungsgenerator 3 ist als piezokeramischer Schwinger ausgebil¬ det und erzeugt eine Ultraschallschwingung, im wesentlichen in Richtung der Dreh¬ achse X.
In der Werkzeughalteeinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 1 gezeigt, kann mit einem konventionellen Bohrer als Bohrwerkzeug a verwendet werden und ist insbesondere für das Tieflochbohren einsetzbar. Dabei wird, wie beim
konventionellen Bohren, der Drehbewegung des Bohrwerkzeugs eine Vorschubbewe¬ gung in Richtung der Drehachse X überlagert. Dieser Vorschubbewegung in Richtung der Drehachse wird eine Ultraschallschwingung überlagert. Dabei ist die Amplitude der Schwingung im wesentlichen in Richtung der Drehachse X gerichtet und die Schwingung wird in entsprechenderweise durch den Ultraschallschwingungsgenera¬ tor 3 erzeugt und direkt in die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 eingekoppelt.
Die Werkzeughalteeinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist für das ultraschallunterstützte Bohren bzw. Tiefbohren einsetzbar, wobei die Drehbe¬ wegung mit Drehzahlen bis zu 10.000 U/min ausgeführt wird und die innere Kühlmit¬ telzufuhr durch hohe Drücke bis 150 bar erfolgt bzw. erfolgen kann. Bei dem Ausfüh¬ rungsbeispiel wird das Wirkprinzip des konventionellen Bohrens bzw. des Tiefloch¬ bohrens mit der Ultraschallschwingung als zusätzliches Wirkprinzip überlagert. Das Bohrwerkzeug wird dabei zusätzlich zu seiner Rotation in axiale Schwingungen versetzt. Diese Schwingungen erfolgen dabei mit einer Frenquenz im Ultraschallbe¬ reich, d.h. mit Frequenzen größer als 16 KHz.
Bei dem Bohrverfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Vorschub¬ bewegung die orthogonal zu der Schneidrichtung ist, durch eine axial gerichtete Schwingung im Bohrer überlagert. Somit werden die Schneidkanten (geometrisch bestimmte Schneide) des Bohrwerkzeugs a durch die axiale Schwingung in Vorschub¬ richtung bewegt, so daß sich die axiale Schwingung und die Vorschubbewegung addieren. Auf diese Weise überlagern sich beide Geschwindigkeiten. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird eine maximale Schwingungsgeschwindigkeit bis zu 150 m/min erzeugt, wobei eine relativ kleine Amplitude von 10 μm und eine Frequenz im Bereich von 40 KHz verwendet wird.
Es ist offensichtlich, daß die Schnittgeschwindigkeit an der Schneidkante mit dem Werkzeugradius abnimmt. Die Schnittgeschwindigkeit ist tangential zum Werkzeug, insbesondere zur Schneidkante gerichtet, so daß die Schnittgeschwindigkeit auf der Drehachse X Null ist. Die überlagerte Ultraschallschwingung jedoch ist unabhängig von dem Werkzeugradius und somit konstant über den ganzen Bereich der Schneid¬ kante. Daraus ergibt sich eine Schnittgeschwindigkeit auf der Drehachse X und eine
Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit in Bereichen radial beabstandet von der Dreh¬ achse X.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Länge des Bohrwerkzeugs a gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Ultraschallwellenlänge. Dadurch ergibt sich, daß sich an beiden Enden des Werkzeugs ein lokales Amplitudenmaxi¬ mum ergibt, so daß die Zerspanung verbessert ist. Der Bohrvorgang wird dabei unter Resonanzbedingungen durchgeführt. In praktischen Fällen lässt sich dies Resonanz¬ bedingung nicht immer exakt erreichen, doch es ist vorteilhaft, die Bohrbearbeitung nahe der genannten Resonanzbedingung durchzuführen.
Durch die Werkzeughalteeinrichtung bzw. das Bohrverfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist es möglich, ein ultraschallunterstütztes Bohren an einer konventionellen Werkzeugmaschine durchzuführen, wobei die Werkzeughalteeinrich¬ tung gemäß dem Ausführungsbeispiel auf die Bohrspindel der Werkzeugmaschine aufgesetzt wird. Die Energieversorgung und Steuerung des Ultraschallgenerators hat dabei über entsprechende Schleifkontakte Erfolg.
Weiterhin schafft die Werkzeughalteeinrichtung bzw. das Bohrverfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel die Möglichkeit, tiefe Bohrungen mit speziellen Tiefbohrwerkzeu¬ gen wie Einlippenbohrer unter der Nutzung des zusätzlichen Wirkmechanismus des Ultraschalls bei Einhaltung der erforderlichen hohen Kühlschmierstoffdrücke von bis zu 150 bar zu realisieren. Dabei können auch die erforderlichen hohen Drehzahlen, insbesondere für das Arbeiten mit kleinen Bohrungsdurchmessern, realisiert werden.
Das erste Ausführungsbeispiel beschreibt ein Modul zur Ergänzung der konventionel¬ len Maschinentechnik, wodurch ein wirtschaftliches und kostengünstiges Bearbei¬ tungsverfahren geschaffen wird. Durch die Überlagerung der konventionellen mecha¬ nischen Zerspanung mit der Ultraschallschwingung treten in Abhängigkeit der Werk¬ stoffeigenschaften der zu spanenden Materialien eine Verbesserung des Spanbru¬ ches und Spanabtransportes, eine Verringerung der Vorschubkräfte und/oder der Bearbeitungstemperaturen, eine Standzeiterhöhung der Bohrwerkzeuge und vermin¬ dertes Werkzeugversagen, eine Verbesserung der Prozeßstabilität und Oberflächen-
qualität und eine Verminderung der Gratbildung, insbesondere beim Bohreraustritt auf.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Werkzeughalteeinrichtung gezeigt. Dieses zweite Ausführungsbeispiel ist in seinen wesentlichen Elementen identisch mit dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, so daß nachfolgend nur die wesentli¬ chen Unterschiede beschrieben werden.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Bohrwerkzeug a eine, zur Drehachse X koaxiale Öffnung auf, in die ein Vorsprungsabschnitt der Halteeinrich¬ tung 1 aufgenommen ist.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine maximale Schwingungsge¬ schwindigkeit von 50 bis 80 m/min erzeugt, wobei eine relativ kleine Amplitude von 5 bis 10 μm und eine Frequenz von 25 KHz verwendet wird.
Die Ausführungsbeispiele zeigen eine Werkzeughalteeinrichtung mit einer Bohrwerk¬ zeughaltevorrichtung 1 zum Halten eines Bohrwerkzeugs a, insbesondere eines konventionellen Bohrers, einem Träger 2, an dem die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 gelagert ist, und einem Ultraschallschwingungsgenerator 3 zum Erzeugen einer Ultraschallschwingung, die auf die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 aufgebracht wird, wobei die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 in Richtung einer Drehachse X des Bohr¬ werkzeugs a schwingbar an dem Träger 2 gelagert ist.
Die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 weist einen Werkzeugaufnahmeabschnitt 4, einen Widerlagerabschnitt 5 und einen Verbindungsabschnitt 6 auf. Der Werkzeug¬ aufnahmeabschnitt 4 ist in Richtung der Drehachse X von dem Widerlagerabschnitt 5 beabstandet. Der Verbindungsabschnitt 6 erstreckt sich in Richtung der Drehachse X und verbindet den Werkzeugaufnahmeabschnitt 4 mit dem Widerlagerabschnitt 5, wobei sich der Verbindungsabschnitt 6 durch den Ultraschallgenerator 3 erstreckt. Der Ultraschallschwingungsgenerator 3 ist zwischen dem Widerlagerabschnitt 5 und einem Lagerabschnitt 7 des Trägers 2 angeordnet ist. Der Werkzeugaufnahmeab¬ schnitt 4, der Verbindungsabschnitt 6 und der Widerlagerabschnitt 5 sind symmetrisch bezüglich der Drehachse X ausgebildet.
Eine Kühlmittelzufuhreinrichtung ist vorgesehen, die einen Kühlmittelzufuhrkanal 10 aufweist, der sich durch den Widerlagerabschnitt 5, den Verbindungsabschnitt 6 und den Werkzeugaufnahmeabschnitt 4 erstreckt. Der Kühlmittelzufuhrkanal 10 ist koaxial zu der Drehachse X angeordnet.
Der Werkzeugaufnahmeabschnitt 4 weist eine Werkzeugaufnahmeöffnung auf, in die das Bohrwerkzeug a drehfest und unverschiebbar einsetzbar ist.
Alternativ weist der Werkzeugaufnahmeabschnitt 4 einen Werkzeugbefestigungsvor- sprung auf, der in eine Öffnung des Bohrwerkzeugs a drehfest und unverschiebbar einsetzbar ist.
Der Träger 2 weist einen Gehäuseabschnitt 8 auf, und der Ultraschallschwingungsge¬ nerator 3 in dem Gehäuseabschnitt 8 aufgenommen ist. Weiterhin weist der Träger 2 einen Spindelbefestigungsabschnitt 9 auf.
Der Ultraschallschwingungsgenerator 3 ist ein piezokeramischer Schwingungsgenera¬ tor. Der Ultraschallschwingungsgenerator 3 erzeugt eine Ultraschallschwingung. Die Bohrerlänge entspricht einem ganzzahligen Vielfachen der halben Ultraschallwellen¬ länge. Der Ultraschallschwingungsgenerator 3 ist zum Erzeugen einer Ultraschall¬ schwingung mit einer Amplitude in Richtung der Drehachse X vorgesehen. Insbeson¬ dere ist der Ultraschallschwingungsgenerator 3 zum Erzeugen einer Ultraschall¬ schwingung mit einer maximalen Schwingungsgeschwindigkeit von 50 m/min bis 150 m/min und einer Amplitude von 5 μm bis 10 μm bei einer Frequenz von 20 bis 40 KHz vorgesehen.
Die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 ist für ein Bohrwerkzeug mit einem Radius bis zu 5 mm und einem Längen- Durchmesser-Verhältnis von 45 vorgesehen ist.
Ausführungsbeispiele können mit einer konventionellen Werkzeugmaschine, insbe¬ sondere zum Tief lochbohren, verwendet werden. Die Werkzeugmaschine weist auf eine Werkzeughalteeinrichtung mit einer Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 zum Halten eines Bohrwerkzeugs a, einen Träger 2, an dem die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1
gelagert ist, eine erste Antriebseinrichtung zum Drehen der Bohrwerkzeughaltevor¬ richtung 1 um eine Drehachse X, und eine zweiten Antriebseinrichtung zum Verschie¬ ben der Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 in Richtung der Drehachse X. Weiterhin ist ein Ultraschallschwingungsgenerator 3 zum Erzeugen einer Ultraschallschwingung, die auf die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 aufgebracht wird angeordnet, wobei die Bohrwerkzeughaltevorrichtung 1 in Richtung der Drehachse X schwingbar an dem Träger 2 gelagert ist.
Weiterhin zeigen die Ausführungsbeispiele ein Bohrverfahren, insbesondere zum Tief lochbohren, wobei ein Bohrwerkzeug a um eine Drehachse X drehend angetrie¬ ben wird, und in Richtung der Drehachse X in ein Werkstück verschoben wird, und eine Ultraschallschwingung erzeugt wird, die auf das Bohrwerkzeug a in Richtung der Drehachse X aufgebracht wird. Die Ultraschallschwingung und die Verschiebung des Bohrwerkzeugs a in Richtung der Drehachse X werden überlagert.
Ein ganzzahliges Vielfaches der halben Ultraschallwellenlänge der Ultraschallschwin¬ gung entspricht einer Bohrerlänge. Die Ultraschallschwingung wird mit einer Amplitu¬ de in Richtung der Drehachse X erzeugt. Die Ultraschallschwingung weist eine maximale Schwingungsgeschwindigkeit von 50 m/min bis 150 m/min und einer Amplitude von 5 μm bis 10 μm bei einer Frequenz von 20 bis 40 KHz auf.
Das Bohrwerkzeug weist einen Radius bis zu 5 mm und einem Längen- Durchmes¬ ser-Verhältnis von 45 auf.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind der Werkzeigaufnahmeabschnitt 4, der Deckel 7, der Gehäuseabschnitt 8 und der Spindelbefestigungsabschnitt 9 als einzel¬ ne Element ausgebildet, die miteinander verbunden sind. Alternativ zu den gezeigten Ausführungsbeispielen können der Werkzeigaufnahmeabschnitt 4 und der Deckel 7 und/oder der Gehäuseabschnitt 8 und der Spindelbefestigungsabschnitt 9 auch integral ausgeführt sein.