WO2012007583A1 - Werkzeugmaschine und werkstückbearbeitungsverfahren - Google Patents

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WO2012007583A1
WO2012007583A1 PCT/EP2011/062163 EP2011062163W WO2012007583A1 WO 2012007583 A1 WO2012007583 A1 WO 2012007583A1 EP 2011062163 W EP2011062163 W EP 2011062163W WO 2012007583 A1 WO2012007583 A1 WO 2012007583A1
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tool
movement
vibration
machine tool
cutting
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PCT/EP2011/062163
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Axel HESSENKÄMPER
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Sauer Ultrasonic Gmbh
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    • B23Q1/25—Movable or adjustable work or tool supports
    • B23Q1/26—Movable or adjustable work or tool supports characterised by constructional features relating to the co-operation of relatively movable members; Means for preventing relative movement of such members
    • B23Q1/34—Relative movement obtained by use of deformable elements, e.g. piezoelectric, magnetostrictive, elastic or thermally-dilatable elements
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23C—MILLING
    • B23C2270/00—Details of milling machines, milling processes or milling tools not otherwise provided for
    • B23C2270/10—Use of ultrasound

Definitions

  • the invention relates to a machine tool and a workpiece machining method according to the preambles of the independent claims.
  • the vibrating tools are rough, work abrasive and vibrate relatively high frequency (vibrational motion), for example at frequencies above 5 kHz or above 10 kHz or above 20 kHz. Because of Of the high vibration frequencies, which may be beyond the human ear, the processing is often referred to as ultrasonic processing and the machine as an ultrasonic 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 material ablate. But it can also act impacting on the workpiece.
  • a disadvantage of the known machining methods 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 with conventional tools with a defined cutter leaves behind ver ⁇ same manner rough and torn surfaces which are not mechanically optimally resistant and susceptible to environmental influences (corrosion, rust) are.
  • the object of the invention is to specify a machine tool and a workpiece machining method which, in certain machining situations, provide improved removal performance and / or less tool wear and / or improved surface qualities, in particular smoother and more compact surfaces. Chen surfaces or surfaces with relatively high compressive residual stress on the workpiece.
  • a machine tool has a cutting tool for workpiece machining with a cutting movement of the tool relative to the workpiece and a vibration ⁇ unit for generating a vibrating movement between the tool and the workpiece.
  • a cutting movement and simultaneously or alternately to a Vibrationsbe ⁇ movement caused relatively between a cutting tool and a workpiece.
  • the combination of cutting and vibrating machining has the advantage that the removal of the chips from the workpiece with the defined cutting edge of the tool with variable relative movements between the workpiece and the cutting edge.
  • the dissolution of the chips happens thereby less tearing, but increasingly cutting. This results in less rough surfaces, and the workpiece surface has a relatively high residual compressive stress after processing and is less torn and scored after processing, which is in terms of hardness and resistance. surface is better than environmental and mechanical stress.
  • the vibration unit is preferably located close to the tool. It can have one or more piezoelectric actuators or electromagnetic actuators.
  • the vibration frequency can be over 5 kHz, over 10 kHz, over 20 kHz or over 40 kHz.
  • the machine tool may be a drill, a milling machine, a lathe, a planer, or the like.
  • the direction of the vibratory motion may be parallel and / or perpendicular to the cutting motion of the tool or at an angle therebetween. It can be parallel to the local instantaneous workpiece surface or have a certain angle greater than 0 ° relative thereto. It can be perpendicular to the workpiece surface.
  • the tool may be adapted to the possible vibratory motion, such as by roughening, serrating or otherwise modifying certain surfaces or edges thereof, as compared to conventional tools.
  • the modification may be such that the tool has or avoids certain resonant frequencies.
  • the vibration unit can be part of a quick-change (automatically exchangeable) tool and then receive energy through suitable equipment.
  • a wireless (inductive) energy transmission can be provided.
  • a controller may control the cutting motion and the vibratory motion.
  • the process parameters can be returned to the controller.
  • the controls of cutting motion and vibratory motion may follow each other independently or interleaved with each other.
  • the one can be controlled or regulated in accordance with driving or measuring parameters of the other.
  • Cutting movement and vibration movement can be controlled simultaneously with each other or alternatively independently of each other.
  • FIG. 1 is a schematic view of a machine tool
  • FIG. 1 schematically shows a machine tool 10. It has a machine frame 1.
  • the workpiece 6 and at the other hand, the tool 7 fixed ⁇ are different intermediate members on Ma ⁇ schin frame 1 on one hand. It can be provided for static adjustment of the translational and / or rotational positions of the tool and / or the workpiece several adjusting axles 2a, 2b. It can be provided between machine frame 1 and tool table 4 adjusting axles 2a and / or adjusting axles 2b between machine frame 1 and tool. 7
  • the drive may be electrically and have a mechanical transla ⁇ wetting or reduction.
  • the tool may be a milling cutter, in particular an end mill, which is set in rotary motion during workpiece machining in an electrically driven manner.
  • the drive 3b may be, for example, an electric motor with a gear that causes the drill 7 or the drill chuck to rotate.
  • Drehma ⁇ machine 3a of the drive may be a geared electric motor which sets the spin chuck in rotation.
  • a drive 3 a can lie between the machine frame 1 and the workpiece 6, and / or it can be a drive 3b between the machine frame 1 and the tool 7.
  • the tool 7 can be exchangeable via a quick coupling 5, 5a and / or via a tool interface 5b, so that it can be exchanged quickly and possibly also automatically.
  • the quick-coupling 5, 5a may be a conventional cone clutch with egg ⁇ nem tool side tapered surface 5a and a corresponding machine-side recording or the like.
  • the tool interface 5b may lie directly on eigentli- chen tool and having a receptacle for a drive shaft and generating ⁇ may comprise a collet or the like.
  • the workpiece 6 may lie on a workpiece table 4 and may be clamped there.
  • FIG. 1 schematically shows an embodiment in which the vibration unit 11 is located at the end of the machine frame of a quick coupling 5a.
  • the vibration unit may also be located closer to the tool, for example on the tool side of the quick-action coupling 5, wherein the said further tool interface 5b may then be located between the vibration unit 11 and the tool.
  • the vibration unit 11 can also be located in the vicinity of the work table 4, for example between the work table 4 and drive 3a or the actuators 2a or the machine frame. 1
  • the vibration unit 11 is designed to operate the tool 7 vibrie ⁇ rend.
  • the vibration may be a linear vibration or a rotational vibration.
  • a linear vibration may have directional components parallel and / or perpendicular to the local workpiece plane.
  • the vibration can take place along the drill axis.
  • the vibration can take place along the drill axis.
  • the lathe tool can be vibrated. With a milling cutter, the milling tool or the workpiece can be vibrated.
  • a rotary vibration can be made to an existing machine in the axis of rotation and are introduced by a suitably mounted and driven vibration ⁇ unit. It can generally be introduced into the component of the machine which has already been subjected to the rotational movement (eg drill chuck or drill). But it can also - around the same axis - generally introduced into the respective opposite of the component acted upon by the rotational movement (in the case of a drill so in the workpiece table or in the workpiece).
  • the lathe chuck be beat with a rotating vibration around the axis of rotation beauf ⁇ beat.
  • the milling tool can be acted upon by a rotary vibration around its axis of rotation.
  • vibrations and in particular Drehvibra ⁇ tion and linear vibration, can at the same time and will be superimposed on a ⁇ brought over several vibration units. If several vibration units are provided, they can partly attack on the workpiece or on the workpiece table and partly on the tool or on the tool holder.
  • 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.
  • the vibration frequency may be above 5 kHz or above 10 kHz or above 20 kHz or above 40 kHz.
  • Vib ⁇ rationstician 11 and driving 3a, 3b may be alternately betae ⁇ tigbar actuated simultaneously or individually.
  • the controller may be the ⁇ (alternately shared) designed for both Radio
  • the machine tool 10 may generally include sensor 14 for detecting process parameters.
  • the sensor system can have one or more sensors distributed over the machine tool. Via lines 16 the signals are returned to the control / regulation 12 and there logged and / or output and / or taken into account for controlling the various machine components.
  • the controller 12 has control lines 15 to the individual components of the machine, ie in particular to the drives 3a, 3b, adjusting axles 2a, 2b and the vibration unit. 11th
  • an output unit can be present for operating personnel.
  • 13 symbolizes a data memory (eg semiconductor and / or disk), which on the one hand contains, for example, a machining program for the workpiece, but on the other hand also characteristic values for the cutting movement, for the vibration movements or for the dependencies of control parameters, in particular for the cutting movement and for the vibration movement of input parameters or determined / measured parameters (tabular, formula ⁇ moderate).
  • the controller can have access to the memory, where access for example to two or Modi ⁇ dimensional tables for determining manipulated variables from input variables.
  • the individual parameters may be adjustable / controllable, in particular vibration frequency, vibration amplitude, waveform of the driving signals, vibration direction, and the like. Individual or several parameters can be be corrected in accordance with recorded, josgeScience ⁇ ten values.
  • Figure 2 shows schematically the control engineering part of a control.
  • 12 symbolizes the controller of Figure 1.
  • the program-technical part which may also be present. He may have a Be ⁇ processing program stored which controls the individual ⁇ nen machine components and each driving ⁇ parameters and specifies target values for controls and regulations.
  • the controller 12 may be digitally constructed and may include analog-to-digital converters, not shown, at the interface to the process. Depending on the respective operating state, the controller 12 or control 12 can each receive default values, which are for example taken from a memory 13 or determined by the mentioned control program.
  • the controller 12 is shown schematically as consisting of two parts, namely on the one hand a controller 21 for the conventional drive 3b of the cutting tool 7, so for example an electric ⁇ motor for a drill.
  • the real process is in so far ⁇ symbolized by box 3b.
  • 14a symbolizes sensors relating to the conventional cutting movement, which is returned via line 16a.
  • Cutting motion are simultaneously controlled or alternately controlled.
  • the controls of the individual movements can be carried out independently of each other on the control or regulation level according to respective individual specifications, or they can be performed entangled, for example by also introducing output signals 15a for the conventional cutting movement drive into the controller 22 for the vibratory drive ( Line 23) and / or vice versa, by
  • Output signals 15b for the vibratory drive 11 are input to the controller 21 for the cutting drive (line 24). Also, the feedback of signals 16a, 16b, if provided, can also be done "crosswise", ie by the controller 22 for the vibration drive receives process signals relating to the cutting movement (line 16a) and / or vice versa, by the controller 21 for the Cutting movement receives process signals relating to the vibration movement (line 16b)
  • the linking and interleaving of the individual parameters can be carried out in a formula or on the basis of tables which are suitably deposited and kept in stock. However, it may also be provided a comparatively simple control, which controls the cutting movement and the vibrational movement simply in accordance with default values without any feedback, but of course the default values with respect to each other may have been determined.
  • One or more vibration units 11 may be provided.
  • a first vibration unit 11 may be provided near the tool 7, and a second vibration unit 11 near the
  • Workpiece 6 or workpiece table 4. They may be individually controllable or controllable in relation to each other, as explained with reference to cutting movement control 21 and vibration movement control 22 with reference to FIG.
  • a single vibration unit 11 can also be designed for vibration along several axes, wherein the individual axes can be controlled independently of one another.
  • Figure 2 shows only parts of the overall control. Not shown are the control of conventional components (eg adjusting axles, tool changers), which may also be present.
  • the controller 12 may be part of a process computer equipped according to the requirements.
  • the sensors in the machine tool 10 may have one or more of the following sensors, in which respect the term "sensor” may also include more complex evaluation mechanisms: sensor for
  • FIG. 3 schematically shows an embodiment of a quickly exchangeable tool unit 30. It has the actual tool 7, for example an end mill. In addition, it has the vibration unit 11. It further has an energy supply ⁇ 31 and a coupling part 5a to the
  • the coupling part 5 a can be a conventional one
  • Vibration unit 11 and 7 tool can the
  • Tool interface 5b may be provided, the
  • the vibration unit 11 may be an electro-mechanically operated vibrating unit or a pie ⁇ zoelektrisch operated vibrating unit.
  • electrical energy is needed. It can be supplied via a conventional electrical connection, which in the case of rotating tools, however, would then have to be designed to be abrasive and thus relatively complicated.
  • the energy supply can also be wireless, for example inductively, by providing an induction coil 32 in the tool unit, for example, relative to which an external magnetic field, indicated by arrow 33, changes.
  • the coil 32 can lie in a plane perpendicular to the axis of rotation of a rotating tool and can be penetrated by an external magnetic field changing with a certain frequency.
  • FIG. 3 shows schematically a representation for explaining directional information in a milling cutter as a tool 7. Shown is schematically a progressing from left to right on a workpiece surface end mill (arrow 74). It rotates counterclockwise about axis 43 as indicated by arrow 42. 71 are the cutting edges of the end mill. The relative cutting movement between cutter 7 and workpiece 6 also runs in the direction of arrow 74 (x-direction).
  • the vibration movement may be perpendicular to it, approximately perpendicular to the plane of the drawing (y-direction).
  • the Vibra ⁇ tion device may be as shown also different, generally along the x-direction or along the z-direction, or may be oblique to these directions.
  • FIG. 4b schematically shows a representation for explaining directions in a drill as a tool 7. Shown schematically is a drill 7 stuck in a workpiece 6. 71 symbolizes a cutting edge of the drill. In conventional operation, the drill 7 rotates about its axis 73 as indicated by arrow 74. Every point on the
  • Cutting edge 71 then performs a circular
  • FIG. 4b shows an embodiment in which the vibratory movement takes place along arrow 75, that is to say in the direction of the drill axis 73 (z-direction).
  • the rerachse 73 (z-direction).
  • the vibratory motion 75 is not parallel to the cutting movement direction 74. It may be to approximately at right angles or insbeson ⁇ particular in the direction of the drill axis. It is not parallel to the local workpiece surface under the drill cutting edge in the embodiment shown.
  • the tool can be laid out in comparison to conventional tools on the also vibrating movement ⁇ out.
  • certain areas or edges of the tool may be roughened or in a particular way compared to conventional tools be modifi ⁇ ed.
  • the clamping ⁇ surface of a tool or the cutting edge of a tool or the flank of a tool may be roughened or toothed, at least partially, in order to adjust the effectiveness of the vibratory motion in a desired manner.
  • the tool can also be designed so that in view of the desired vibration excitation certain resonance frequencies of the tool are given or avoided in certain frequency ranges.
  • Steps implementing devices shall be understood, and descriptions of particular devices and components shall also be understood as describing method steps implemented by these devices and components.

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Abstract

Eine Werkzeugmaschine (10) hat ein Schneidwerkzeug (7) zur Werkstückbearbeitung mit einer Schneidbewegung (76) des Werkzeugs (7) relativ zum Werkstück (6) und eine Vibrationseinheit (11) zum Erzeugen einer Vibrationsbewegung (75) zwischen Werkzeug (7) und Werkstück (6). Bei einem Werkstückbearbeitungsverfahren werden relativ zwischen einem Schneidwerkzeug (7) und einem Werkstück (6) eine Schneidbewegung (76) und gleichzeitig oder abwechselnd dazu eine Vibrationsbewegung (75) hervorgerufen.

Description

WERKZEUGMASCHINE UND WERKSTÜCKBEARBEITUNGSVERFAHREN
Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine und ein Werkstückbearbeitungsverfahren nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Es ist bekannt, Werkstücke mit Werkzeugen mit definierter Schneide spanabhebend zu bearbeiten." Die bekanntesten Verfahren sind hierbei das Bohren, das Drehen, das Fräsen und das Hobeln. Die zugehörigen Werkzeuge haben eine oder einige deutlich definierte, klar beschreibbare Schneidkanten. Durch eine Relativbewegung zwischen Werkzeug, insbesondere Schneidkante des¬ selben, und Werkstück (Schneidbewegung) wird die spanabhebende Bearbeitung bewirkt. Sie erfolgt mit einer gewissen Abtragsleistung unter einem gewissen Werkzeugverschleiß und hinterlässt Oberflächen mit in gewissen Grenzen vorhersehbaren Eigenschaften. Beim Boh¬ ren wird in der Regel das Werkzeug bewegt, beim Drehen das Werkstück. Beim Fräsen dreht sich in der Regel das Fräswerkzeug, während es oder das Werkstück selbst verfahren wird. Beim Hobeln können das Werkzeug oder das Werkstück verfahren werden.
Es ist weiterhin bekannt, Werkstücke mittels vibrierender Werkzeuge ohne definierte Schneide zu bearbeiten. Die vibrierenden Werkzeuge sind rau, arbeiten schleifend und vibrieren vergleichsweise hochfrequent (Vibrationsbewegung) , beispielsweise mit Frequenzen über 5 kHz oder über 10 kHz oder über 20 kHz. Wegen der hohen Vibrationsfrequenzen, die jenseits des menschlichen Gehörs liegen 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.
Ein Nachteil der bekannten Bearbeitungsverfahren 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 ver¬ gleichsweise raue und aufgerissene Oberflächen hinter- lässt, die mechanisch nicht optimal widerstandsfähig und anfällig gegenüber Umwelteinflüssen (Korrosion, Rost) sind.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Werkzeugmaschine und ein Werkstückbearbeitungsverfahren anzugeben, die in bestimmten Bearbeitungssituationen eine verbesserte Abtragsleistung und/oder geringeren Werkzeugverschleiß und/oder verbesserte Oberflächengüten, insbesondere glattere und verdichtetere Oberflä- chen bzw. Oberflächen mit relativ hoher Druckeigenspannung am Werkstück ergeben.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhän¬ gigen Patentansprüche gelöst. Abhängige Patentansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
Eine Werkzeugmaschine hat ein Schneidwerkzeug zur Werkstückbearbeitung mit einer Schneidbewegung des Werkzeugs relativ zum Werkstück und eine Vibrations¬ einheit zum Erzeugen einer Vibrationsbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Bei einem Werkstückbearbei¬ tungsverfahren werden relativ zwischen einem Schneidwerkzeug und einem Werkstück eine Schneidbewegung und gleichzeitig oder abwechselnd dazu eine Vibrationsbe¬ wegung hervorgerufen.
Die Kombination von schneidender und vibrierender Bearbeitung hat den Vorteil, dass das Herauslösen der Späne aus dem Werkstück mit der definierten Schneide des Werkzeugs mit variablen Relativbewegungen zwischen Werkstück und Schneidkante erfolgt. Das Herauslösen der Späne geschieht dadurch weniger reißend, sondern verstärkt schneidend. Dadurch entstehen weniger raue Oberflächen, und die Werkstückoberfläche hat nach der Bearbeitung eine relativ hohe Druckeigenspannung und ist nach der Bearbeitung weniger zerrissen und gefurcht, was im Hinblick auf Härte und Widerstandsfä- higkeit der Oberfläche gegenüber Umwelteinflüssen und mechanischer Beanspruchung wünschenswert ist.
Die Vibrationseinheit befindet sich vorzugsweise nahe am Werkzeug. Sie kann einen oder mehrere Piezo- Äktoren oder elektromagnetische Aktoren aufweisen. Die Vibrationsfrequenz kann über 5 kHz, über 10 kHz, über 20 kHz oder über 40 kHz liegen. Die Werkzeugmaschine kann eine Bohrmaschine, eine Fräsmaschine, eine Drehmaschine, eine Hobelmaschine oder Ähnliches sein. Die Richtung der Vibrationsbewegung kann parallel und/oder rechtwinklig zur Schneidbewegung des Werkzeugs sein oder einen winkel dazwischen haben. Sie kann parallel zur lokalen momentanen Werkstückoberfläche sein oder einen bestimmten Winkel relativ dazu größer 0° haben. Sie kann rechtwinklig zur Werkstückoberfläche sein.
Das Werkzeug kann auf die mögliche Vibrationsbewegung hin angepasst sein, etwa indem bestimmte Flächen oder Kanten desselben aufgeraut, gezahnt oder sonst wie gegenüber herkömmlichen Werkzeugen modifiziert sind. Die Modifikation kann so sein, dass das Werkzeug bestimmte Resonanzfrequenzen hat oder vermeidet .
Die Vibrationseinheit kann Teil eines schnell- wechselbaren (automatisch wechselbaren) Werkzeugs sein und dann durch geeignete Einrichtungen Energie empfangen. Beispielsweise kann eine drahtlose (induktive) Energieübertragung vorgesehen sein. Eine Steuerung/Regelung kann die Schneidbewegung und die Vibrationsbewegung steuern bzw. regeln.
Es kann Sensorik zur Ermittlung von Prozessparametern vorgesehen sein, wobei die Prozessparameter zur Steuerung zurückgeführt werden können. Die Steuerungen von Schneidbewegung und Vibrationsbewegung können unabhängig voneinander oder verschränkt miteinander folgen. Die eine kann nach Maßgabe von Ansteuer- oder Messparametern der anderen gesteuert bzw. geregelt werden .
Schneidbewegung und Vibrationsbewegung können gleichzeitig miteinander oder wahlweise unabhängig voneinander jeweils einzeln eingesteuert werden.
Nachfolgend werden Bezug nehmend auf die Zeich¬ nung einzelne Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch die Ansicht einer Werkzeugmaschine ,
Fig. 2 schematisch eine Steuerung der Werkzeugmaschine ,
Fig. 3 schematisch ein Werkzeug,
Fig. 4 schematisch Richtungsangaben Figur 1 zeigt schematisch eine Werkzeugmaschine 10. Sie weist einen Maschinenrahmen 1 auf. Im Betrieb sind über verschiedene Zwischenglieder am Ma¬ schinenrahmen 1 einerseits das Werkstück 6 und ande¬ rerseits das Werkzeug 7 befestigt. Es können mehrere Stellachsen 2a, 2b zur statischen Einstellung der translatorischen und/oder rotatorischen Positionen des Werkzeugs und/oder des Werkstücks vorgesehen sein. Es können Stellachsen 2a zwischen Maschinenrahmen 1 und Werkzeugtisch 4 vorgesehen sein und/oder Stellachsen 2b zwischen Maschinenrahmen 1 und Werkzeug 7.
Weiterhin ist mindestens ein Antrieb 3a, 3b für das Schneidwerkzeug oder den Werkstücktisch oder die Werkstückeinspannung vorgesehen. Allgemein kann der Antrieb elektrisch sein und eine mechanische Überset¬ zung oder Untersetzung aufweisen. Das Werkzeug kann eine Fräse, insbesondere ein Schaftfräser sein, der bei der Werkstückbearbeitung elektrisch angetrieben in Drehbewegung versetzt wird. Im Falle eines Bohrers kann der Antrieb 3b beispielsweise ein Elektromotor mit Getriebe sein, der den Bohrer 7 oder das Bohrfutter in Drehbewegung versetzt. Im Falle einer Drehma¬ schine kann der Antrieb 3a ein Elektromotor mit Getriebe sein, der das Drehfutter in Drehung versetzt. Allgemein kann ein Antrieb 3a zwischen Maschinenrah¬ men 1 und Werkstück 6 liegen, und/oder es kann ein An¬ trieb 3b zwischen Maschinenrahmen 1 und Werkzeug 7 liegen . Das Werkzeug 7 kann über eine Schnellkupplung 5, 5a und/oder über eine Werkzeugschnittstelle 5b austauschbar sein, so dass es schnell und gegebenenfalls auch automatisch gewechselt werden kann. Die Schnellkupplung 5, 5a kann eine übliche Kegelkupplung mit ei¬ nem werkzeugseitigen Kegel 5a und einer entsprechenden maschinenseitigen Aufnahme oder Ähnliches sein. Die Werkzeugschnittstelle 5b kann unmittelbar am eigentli- chen Werkzeug liegen und eine Aufnahme für einen Werk¬ zeugschaft aufweisen und kann eine Spannzange oder ähnliches aufweisen. Das Werkstück 6 kann auf einem Werkstücktisch 4 liegen und kann dort festgespannt sein .
Es ist eine Vibrationseinheit 11 vorgesehen, die zusätzlich zur herkömmlichen Schneidbewegung zwischen Werkzeug 7 und Werkstück 6 eine Vibrationsbewegung relativ zwischen ihnen hervorruft. In Figur 1 ist sche- matisch eine Ausführungsform gezeigt, bei der sich die Vibrationseinheit 11 am maschinenrahmenseitigen Ende einer Schnellkupplung 5a befindet. Es sind aber auch andere Positionen der Vibrationseinheit 11 im Kraft- fluss möglich. Die Vibrationseinheit kann sich auch näher am Werkzeug befinden, etwa werkzeugseitig der Schnellkupplung 5, wobei sich dann zwischen Vibrationseinheit 11 und Werkzeug noch die genannte weitere Werkzeugschnittstelle 5b befinden kann. Die Vibrationseinheit 11 kann sich auch in der Nähe des Werk- stücktischs 4 befinden, etwa zwischen Werkstücktisch 4 und Antrieb 3a oder bei den Stellgliedern 2a oder am Maschinenrahmen 1.
In der gezeigten Ausführungsform ist die Vibrationseinheit 11 dazu ausgelegt, das Werkzeug 7 vibrie¬ rend zu betätigen. Die Vibration kann eine lineare Vibration oder eine Drehvibration sein.
Eine lineare Vibration kann Richtungskomponenten parallel und/oder senkrecht zur lokalen Werkstückebene haben. Im Falle einer Bohrmaschine kann die Vibration längs der Bohrerachse erfolgen. Im Falle einer Bohrmaschine kann die Vibration längs der Bohrerachse erfolgen. Bei einer Drehmaschine kann der Drehmeißel in Vibration versetzt werden. Bei einer Fräse kann das Fräswerkzeug oder das Werkstück in Vibration versetzt werden .
Eine Drehvibration kann um eine in der Maschine schon vorhandene Drehachse herum erfolgen und durch eine geeignet angebrachte und angesteuerte Vibrations¬ einheit eingebracht werden. Sie kann allgemein in die schon mit der Drehbewegung beaufschlagte Komponente der Maschine (z. B. bei einer Bohrmaschine Bohrfutter bzw. Bohrer) eingeleitet werden. Sie kann aber auch - um die gleiche Achse herum - allgemein in das jeweilige Gegenüber der mit der Drehbewegung beaufschlagten Komponente eingeleitet werden (im Falle einer Bohrmaschine also in den Werkstücktisch bzw. in das Werkstück) . Bei einer Drehmaschine kann das Drehfutter mit einer Drehvibration um die Drehachse herum beauf¬ schlagt sein. Bei einer Fräsmaschine kann das Fräswerkzeug mit einer Drehvibration um seine Drehachse herum beaufschlagt sein.
Mehrere Vibrationen, und insbesondere Drehvibra¬ tion und lineare Vibration, können gleichzeitig und sich überlagernd über mehrere Vibrationseinheiten ein¬ gebracht werden. Wenn mehrere Vibrationseinheiten vorgesehen sind, können sie teils am Werkstück bzw. am Werkstücktisch und teils am Werkzeug bzw. an der Werk- zeughalterung angreifen.
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 .
Die Vibrationsfrequenz kann über 5 kHz oder über 10 kHz oder über 20 kHz oder über 40 kHz liegen. Vib¬ rationseinheit 11 und Antrieb 3a, 3b können gleichzeitig betätigbar oder jeweils einzeln abwechselnd betä¬ tigbar sein. Die Steuerung kann für beide Betriebsmo¬ den (gemeinsam, abwechselnd) ausgelegt sein
Die Werkzeugmaschine 10 kann allgemein Senso- rik 14 zur Erfassung von Prozessparametern aufweisen. Die Sensorik kann einen oder mehrere Sensoren verteilt über die Werkzeugmaschine aufweisen. Über Leitungen 16 werden die Signale zur Steuerung/Regelung 12 zurückgeführt und dort protokolliert und/oder ausgegeben und/oder ihrerseits zur Ansteuerung der diversen Maschinenkomponenten berücksichtigt. Die Steuerung 12 hat Ansteuerleitungen 15 hin zu den einzelnen Komponenten der Maschine, also insbesondere hin zu den Antrieben 3a, 3b, Stellachsen 2a, 2b und zur Vibrationseinheit. 11.
Daneben kann eine nicht gezeigte Ausgabeeinheit für Bedienpersonal vorhanden sein. 13 symbolisiert einen Datenspeicher (z. B. Halbleiter und/oder Platte), der einerseits beispielweise ein Bearbeitungsprogramm für das Werkstück enthält, andererseits aber auch Kennwerte für die Schneidbewegung, für die Vibrationsbewegungen oder für die Abhängigkeiten von Ansteuerparametern, insbesondere für die Schneidbewegung und für die Vibrationsbewegung von Eingabeparametern oder ermittelten/gemessenen Parametern (tabellarisch, formel¬ mäßig) . Die Steuerung kann Zugriff auf den Speicher haben und dort beispielsweise auf zwei- oder mehrdi¬ mensionale Tabellen zur Ermittlung von Stellgrößen aus Eingangsgrößen zugreifen.
Bei der Vibrationseinheit 11 können die einzelnen Parameter einstellbar/ansteuerbar sein, insbesondere Vibrationsfrequenz, Vibrationsamplitude, Wellenform der ansteuernden Signale, Vibrationsrichtung, und Ähnliches. Einzelne oder mehrere Parameter können regel- bar sein, also nach Maßgabe von erfassten, rückgeführ¬ ten Werten korrigiert werden.
Figur 2 zeigt schematisch den regelungstechnischen Teil einer Steuerung. 12 symbolisiert den Regler der Figur 1. Nicht gezeigt ist der programmtechnische Teil, der ebenso vorhanden sein kann. Er kann ein Be¬ arbeitungsprogramm gespeichert haben, das die einzel¬ nen Maschinenkomponenten steuert und jeweils Ansteuer¬ parameter und Sollwerte für Steuerungen und Regelungen vorgibt. Die Steuerung 12 kann digital aufgebaut sein und kann an der Schnittstelle hin zum Prozess nicht gezeigte Analog-/Digitalwandler aufweisen. Abhängig vom jeweiligen Betriebszustand kann die Steuerung 12 bzw. Regelung 12 jeweils Vorgabewerte erhalten, die beispielweise einem Speicher 13 entnommen sind oder vom genannten Steuerungsprogramm ermittelt werden.
In Figur 2 ist die Steuerung 12 schematisch als aus zwei Teilen bestehend gezeigt, nämlich einerseits einem Regler 21 für den herkömmlichen Antrieb 3b des Schneidwerkzeugs 7, also beispielsweise eines Elektro¬ motors für einen Bohrer. Der reale Prozess ist inso¬ weit durch Kasten 3b symbolisiert. 14a symbolisiert Sensorik betreffend die herkömmliche Schneidbewegung, die über Leitung 16a zurückgeführt wird.
Es ist ein weiterer Regler 22 vorgesehen, der die erfindungsgemäße Vibrationsbewegung steuert bzw. re¬ gelt. Er gibt über Leitung 15b Signale an den realen Prozess ab, insbesondere an die Vibrationseinheit 11. 14b symbolisiert Sensorik für vibrationsspezifische Werte, die über Leitung 16b zurückgeführt werden können .
Grundsätzlich können Vibrationsbewegung und
Schneidbewegung gleichzeitig eingesteuert werden oder abwechselnd eingesteuert werden. Die Steuerungen der einzelnen Bewegungen können auf Steuerungs- bzw. Rege- lungsebene unabhängig voneinander nach Maßgabe jeweiliger individueller Vorgaben erfolgen, oder sie kann verschränkt erfolgen, indem beispielsweise Ausgabesignale 15a für den herkömmlichen Schneidbewegungsantrieb auch in den Regler 22 für den Vibrationsantrieb einge- führt werden (Leitung 23) und/oder umgekehrt, indem
Ausgabesignale 15b für den Vibrationsantrieb 11 in den Regler 21 für den Schneidantrieb eingegeben werden (Leitung 24) . Auch kann die Rückführung von Signalen 16a, 16b, wenn sie vorgesehen ist, auch „über Kreuz" erfolgen, also indem der Regler 22 für den Vibrationsantrieb Prozesssignale betreffend die Schneidbewegung erhält (Leitung 16a) und/oder umgekehrt, indem der Regler 21 für die Schneidbewegung Prozesssignale betreffend die Vibrationsbewegung erhält (Leitung 16b) . Die Verknüpfung und Verschränkung der einzelnen Parameter kann formelmäßig oder anhand von Tabellen erfolgen, die geeignet hinterlegt sind und vorgehalten werden . Es kann aber auch eine vergleichsweise einfache Steuerung vorgesehen sein, die gegebenenfalls auch völlig ohne Rückführung die Schneidbewegung und die Vibrationsbewegung einfach nach Maßgabe von Vorgabewerten steuert, wobei aber natürlich die Vorgabewerte in Bezug aufeinander ermittelt worden sein können.
Es können eine oder mehrere Vibrationseinheiten 11 vorgesehen sein. Es kann zum Beispiel eine erste Vibrationseinheit 11 nahe am Werkzeug 7 vorgesehen sein und eine zweite Vibrationseinheit 11 nahe am
Werkstück 6 oder Werkstücktisch 4. Sie können einzeln steuerbar/regelbar oder in Bezug aufeinander steuerbar/regelbar ausgelegt sein, ähnlich wie dies bezugnehmend auf Schneidbewegungssteuerung 21 und Vibrati- onsbewegungssteuerung 22 Bezug nehmend auf Figur 2 erläutert wurde. Es kann eine einzelne Vibrationseinheit 11 auch für die Vibration längs mehrerer Achsen ausgelegt sein, wobei die einzelnen Achsen unabhängig voneinander ansteuerbar sein können.
Es sei darauf verwiesen, dass Figur 2 nur Teile der Gesamtsteuerung zeigt. Nicht gezeigt sind die An- steuerung herkömmlicher Komponenten (z. B. Stellachsen, Werkzeugwechsler) , die aber ebenso vorhanden sein können. Die Steuerung 12 kann Teil eines Prozessrechners sein, der entsprechend den Anforderungen ausgestattet ist . Die Sensorik in der Werkzeugmaschine 10 kann einen oder mehrere der folgenden Sensoren aufweisen, wobei insoweit der Begriff „Sensor" auch komplexere Auswertungsmechanismen mit enthalten kann: Sensor für
Vibrationsamplitude oder Vibrationsamplitudenänderung im Bereich der Frequenz der Vibrationseinheit 11, Sensor für Spannung und/oder Strom an einem der Antriebe, insbesondere am Vibrationsantrieb 11, gegebenenfalls auch für die Phasenlage zwischen Spannung an Strom am jeweiligen Antrieb, und gegebenenfalls die Änderungen der jeweiligen Werte (Strom, Spannung, Phase), Sensor für die Vorschubgeschwindigkeit der Schneidbearbeitung. Weitere Sensoren können vorgesehen sein.
Figur 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer schnell wechselbaren Werkzeugeinheit 30. Sie weist das eigentliche Werkzeug 7 auf, beispielsweise einen Schaftfräser . Darüber hinaus weist sie die Vibrationseinheit 11 auf. Sie weist weiter eine Energie¬ zuführung 31 auf und ein Kupplungsteil 5a, um die
Werkzeugeinheit 30 mit der Werkzeugmaschine verbinden zu können. Die Kupplungsteil 5a kann eine übliche
Kegelkupplung oder Ähnliches sein. Zwischen
Vibrationseinheit 11 und Werkzeug 7 kann die
Werkzeugschnittstelle 5b vorgesehen sein, die den
Austausch des Werkzeugs 7 erlaubbt.
Die Vibrationseinheit 11 kann eine elektromecha- nisch betätigte Vibrationseinheit sein oder eine pie¬ zoelektrisch betätigte Vibrationseinheit. In beiden Fällen ist elektrische Energie von Nöten. Sie kann ü- ber eine herkömmliche elektrische Verbindung zugeführt werden, die im Falle von sich drehenden Werkzeugen dann allerdings schleifend und damit relativ kompli- ziert ausgelegt sein müsste. Die Energiezuführung kann aber auch drahtlos erfolgen, beispielsweise induktiv, indem in der Werkzeugeinheit zum Beispiel eine Induktionsspule 32 vorgesehen ist, relativ zu der sich ein externes Magnetfeld, angedeutet durch Pfeil 33, ändert. Bspw. kann die Spule 32 in einer Ebene senkrecht zur Drehachse eines rotierenden Werkzeugs liegen und von einem sich mit einer bestimmten Frequenz ändernden äußeren Magnetfeld durchsetzt sein. Sie kann aber auch so ausgerichtet sein, dass sie in einem statischen äu- ßeren Magnetfeld schon aufgrund der Drehbewegung des Werkzeugs ein sich änderndes Magnetfeld durch die Spulenfläche hindurch erfährt. Es entsteht eine induzier¬ te Wechselspannung, die direkt auf die Aktoren gegeben werden kann. Es können aber auch weitere (nicht ge- zeigte) elektrische oder elektronische Elemente zur Spannungsformung .
Der Vorteil der Ausführungsform der Figur 3 ist es, dass eine so ausgebildete Werkzeugeinheit 30 rela- tiv einfach in einer herkömmlichen Werkzeugmaschine 10 verwendet werden kann. Insbesondere müssen nicht e- lektrische Kontakte vorgesehen werden. Zur Sicherung der hinreichenden Wirksamkeit der induktiven Kopplung kann es allerdings notwendig sein, lokal ein geeigne- tes Magnetfeld zu erzeugen. Figur 4a zeigt schematisch eine Darstellung zur Erläuterung von Richtungsangaben bei einem Fräser als Werkzeug 7. Gezeigt ist schematisch ein sich von links nach rechts über eine Werkstückoberfläche voranarbeitender Schaftfräser (Pfeil 74). Er dreht sich gemäß Pfeil 42 gegen den Uhrzeigersinn um Achse 43. 71 sind die Schneidkanten des Schaftfräsers . Die relative Schneidbewegung zwischen Fräser 7 und Werkstück 6 ver- läuft auch in Richtung des Pfeils 74 (x-Richtung) . Die Vibrationsbewegung kann rechtwinklig dazu sein, etwa senkrecht zur Zeichnungsebene (y-Richtung) . Die Vibra¬ tionsrichtung kann aber auch anders als gezeigt sein, etwa längs x-Richtung oder längs z-Richtung oder kann schräg zu diesen Richtungen liegen.
Figur 4b zeigt schematisch eine Darstellung zur Erläuterung von Richtungsangaben bei einem Bohrer als Werkzeug 7. Gezeigt ist schematisch ein in einem Werk- stück -6 steckender Bohrer 7. 71 symbolisiert eine Schneidkante des Bohrers. Im herkömmlichen Betrieb dreht sich der Bohrer 7 um seine Achse 73 wie durch Pfeil 74 angedeutet. Jeder Punkt auf der
Schneidkante 71 führt dann eine kreisförmige
Schneidbewegung wie durch Pfeil 74 angedeutet aus. Der Schneidbewegung, symbolisiert durch Pfeil 74, kann erfindungsgemäß eine Vibrationsbewegung 75 überlagert werden, oder die Bewegungen 75, 74 werden abwechselnd vollzogen. Figur 4b zeigt eine Ausführungsform, in der die Vibrationsbewegung längs Pfeil 75 erfolgt, also in Richtung der Bohrerachse 73 (z-Richtung). Die rerachse 73 ( z-Richtung) . Die Vibrationsbewegung 75 ist nicht parallel zur Schneidbewegungsrichtung 74. Sie kann in etwa rechtwinklig dazu sein oder insbeson¬ dere in Richtung der Bohrerachse. Sie ist in der gezeigten Aus führungsform nicht parallel zur lokalen Werkstückoberfläche unter der Bohrerschneidkante.
Vielmehr stößt sie ansatzweise in die Oberfläche hin¬ ein .
Das Werkzeug kann im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugen auf die auch vibrierende Bewegung hin aus¬ gelegt sein. Beispielsweise können bestimmte Flächen oder Kanten des Werkzeugs aufgeraut oder in bestimmter Weise im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugen modifi¬ ziert sein. Insbesondere kann beispielsweise die Span¬ fläche eines Werkzeugs oder die Schneidkante eines Werkzeugs oder die Freifläche eines Werkzeugs aufgeraut oder gezahnt sein, zumindest bereichsweise, um die Wirksamkeit der Vibrationsbewegung in gewünschter Weise einstellen zu können. Das Werkzeug kann auch so gestaltet sein, dass im Hinblick auf die gewünschte Vibrationsanregung bestimmte Resonanzfrequenzen des Werkzeugs gegeben oder in bestimmten Frequenzbereichen vermieden sind. Es kann eine vorgegebene Verstimmung (Unterschied) zwischen Resonanzfrequenz des Werkzeugs und Anregungsfrequenz der Vibration vorliegen, die ge¬ steuert sein und ggf. auch regelungstechnisch gehalten werden kann. Die Werkzeuggestaltung kann durch gezielte Materialhinzufügungen oder Materialwegnahmen am Werkzeug erfolgen. Merkmale, die in dieser Beschreibung zum Stand der Technik oder zur Erfindung dargestellt sind, sollen auch dann miteinander kombinierbar sein, wenn dies nicht ausdrücklich gesagt ist, soweit die Kombination technisch möglich ist. Beschreibungen zu Verfahrens¬ schritten sollen auch als Beschreibung von diese
Schritte implementierenden Einrichtungen verstanden werden, und Beschreibungen zu bestimmten Einrichtungen und Komponenten sollen auch als Beschreibung von von diesen Einrichtungen und Komponenten implementierten Verfahrensschritten verstanden werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Werkzeugmaschine (10) mit
einem Werkzeug (7) mit einer definierten Schneide (71) zur Werkstückbearbeitung mit einer Schneidbewegung (74) des Werkzeugs (7) relativ zum Werkstück (6), gekennzeichnet durch eine Vibrationseinheit (11) zum Erzeugen einer Vibrationsbewegung (75) zwischen Werkzeug (7) und Werkstück ( 6 ) .
2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Vibrationseinheit (11) dazu ausgelegt ist, das Werkzeug (7) oder den Werkstücktisch (6) in vibrierende Bewegung (75) zu versetzen.
3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationseinheit (11) zur Erzeugung einer längs einer Richtung reversieren- den Vibration (75) ausgelegt ist, wobei die Richtung parallel oder rechtwinklig zur Richtung der Schneidbewegung (74) ist oder unter einem bestimmten Winkel dazu verläuft.
4. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (7) ein Bohrer, ein Fräser, insbesondere ein schaftfräser, ein Hobel oder ein Drehmeißel ist.
5. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (7) ein Schaftfräser oder ein Bohrer ist und die Vibrationseinheit (11) zum Vibrieren des
Schaftfräsers bzw. des Bohrers (7) in einer Richtung (75) parallel oder senkrecht zu seiner Drehachse (73) oder unter einem bestimmten Winkel dazu ausgelegt ist.
6. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere ab¬ hängig oder unabhängig voneinander ansteuerbare Vibra¬ tionseinheiten (11).
7. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationseinheit (11) einen elektromagnetischen oder einen piezoelektrischen Antrieb aufweist und vorzugsweise mit einer Vibrationsfrequenz größer 5 kHz oder größer 10 kHz oder größer 20 kHz arbeitet.
8. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerung (12) zur Steuerung der Scheidbewegung (74) und zur Steuerung der Vibrationsbewegung (75) .
9. Werkzeugmaschine nach Anspruch 8, mit einer Einrichtung (21) zur Steuerung eines oder mehrerer einstellbarer Parameter der Schneidbewegung (74) nach Maßgabe eines oder mehrerer einstellbarer oder ermit- telter Parameter der Vibrationsbewegung (75), und/oder mit einer Einrichtung (22) zur Steuerung eines oder mehrerer einstellbarer Parameter der Vibrationsbewegung (75) nach Maßgabe eines oder mehrerer einstellbarer oder ermittelter Parameter der Schneidbewegung ( ) .
10. Werkzeugmaschine nach Anspruch 8 oder 9, ge¬ kennzeichnet durch einen oder mehrere Sensoren (14) zur Erfassung eines oder mehrerer Parameter betreffend die Schneidbewegung (74) und/oder betreffend die Vib¬ rationsbewegung (75), insbesondere von Vibrationsamplitude und/oder Spannung und/oder Strom an einem oder mehreren der Aktoren und/oder Phasenlage zwischen zweien von mechanischer Vibration, Spannung und Strom der Vibrationseinheit (11), und/oder von Vorschubgeschwindigkeit (77) der Schneidbearbeitung.
11. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (12) die Schneidbewegung (74) und die Vibra¬ tionsbewegung (75) gleichzeitig oder mit dem gleichen Werkzeug jeweils einzeln hervorrufen kann.
12. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (7) eine zumindest bereichsweise aufgeraute Spanfläche oder Freifläche oder Schneidkante aufweist.
13. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (7) auswechselbar ist und die Vibrationsein¬ heit (11) im auswechselbaren Werkzeug vorgesehen ist, wobei die Vibrationseinheit (11) vorzugsweise eine Einrichtung (31 - 35) zum drahtlosen Empfangen von E- nergie aufweist.
14. Werkstückbearbeitungsverfahren, bei dem rela¬ tiv zwischen einem Werkzeug mit einer definierten Schneide und einem Werkstück eine Schneidbewegung und eine Vibrationsbewegung hervorgerufen wird, wobei die Schneidbewegung und die Vibrationsbewegung sowohl gleichzeitig als auch jeweils einzeln verwendet werden können.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibration längs einer translatori¬ schen und/oder um eine rotatorische Achse herum erfolgt .
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