WO2014180786A1 - Vorrichtung zur erzeugung einer rotatorischen ultraschallschwingung an einem werkzeug - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung einer rotatorischen ultraschallschwingung an einem werkzeug Download PDF

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WO2014180786A1
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piezoelectric vibrating
axis
rotation
tool
ultrasonic vibration
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PCT/EP2014/059117
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Matthias Baur
Fabian Distel
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Technische Universität München
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    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D3/00—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive
    • F16D3/16—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts
    • F16D3/18—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts the coupling parts (1) having slidably-interengaging teeth

Definitions

  • the present invention relates to a device for generating a rotary ultrasonic vibration on a tool.
  • an ultrasonic vibration in the direction of rotation is generated with the device on a rotating tool.
  • High-performance materials such as high-temperature-resistant nickel-based alloys, titanium or chromium-cobalt alloys or fiber-reinforced plastics are increasingly used in various fields of technology.
  • the high-performance materials not only provide high resistance to the loads occurring during operation, but also the machining.
  • hybrid cutting devices have been developed in which the chip removal is supported by the superposition of ultrasonic vibrations.
  • DE 10 2008 052 326 A1 shows the use of a piezoelectric shear oscillator for generating rotary ultrasonic vibrations for machining.
  • the ultrasonic vibration acts in the direction of rotation of the tool.
  • piezoelectric shear oscillators can only produce a very low oscillation amplitude with a simultaneously unfavorable power flow.
  • the object is achieved by a device for generating a rotary ultrasonic vibration on a tool.
  • the device comprises a first part. This first part is designed for non-rotatably connecting the device to a spindle of a machine tool. This spindle rotates about a rotation axis.
  • the device comprises a second part. The second part is designed for non-rotatable connection of the device with a tool.
  • the two parts, so the first part and the second part of the device are rotatably connected to each other via a jaw clutch.
  • This dog clutch is formed as an integral part of the first and second parts. The dog clutch connects the two parts positively. This positive connection has at least one first flank on the first part and a second flank on the second part.
  • the device comprises at least one piezoelectric vibrating element.
  • the piezoelectric vibrating element is located between the two flanks of the dog clutch.
  • the same expands or contracts itself.
  • a rotary ultrasonic vibration can be generated about the axis of rotation.
  • the cutting forces in the machining can be reduced. This is done by interrupting the cut due to the ultrasonic vibration. This results in a more favorable compared to conventional machining machining without ultrasonic vibration chip formation.
  • the device according to the invention makes it possible to machine conventionally non-machinable or non-economically machinable materials. As cutting forces are reduced and reduced friction occurs, tool wear is reduced. At the same time, the rotary ultrasonic vibration enables a very fine surface roughness and a small burr formation on the workpiece. In particular, the reduced tool wear allows a better dimensional accuracy of the workpiece.
  • the first part preferably has a plurality of first jaws extending in the direction of the axis of rotation.
  • the second part has a plurality of second jaws extending in the direction of the axis of rotation.
  • Each of the first jaws has two first flanks.
  • Each of the second jaws has two second flanks.
  • the first and second jaws engage each other, so that the torque is transmitted from the first part to the second part over a plurality of flanks and thus over as large an area as possible.
  • a plurality of claws with a corresponding number of flanks are provided.
  • piezoelectric oscillating elements are preferably used between all flanks or between a plurality of flanks. The individual piezoelectric vibrating elements are then arranged in each case between a first and a second flank.
  • the at least one piezoelectric vibrating element is a thickness oscillator, that is to say a longitudinal or transversal oscillator.
  • the piezoelectric vibrating elements between the first and second Flanks of a dog clutch arranged. This makes it possible to use simple piezoelectric vibrating elements which increase or reduce their thickness when subjected to voltage.
  • the piezoelectric vibrating elements are preferably arranged so that they change their thickness tangentially to the circumferential direction of the device for generating the rotary ultrasonic vibration.
  • the circumferential direction is defined around the axis of rotation of the spindle. It therefore requires according to the invention no use of Scherschwingern.
  • the piezoelectric vibrating elements are preferably arranged concentrically around the axis of rotation.
  • the piezoelectric vibrating elements are preferably arranged as far as possible outside the axis of rotation in order to exert the greatest possible torque.
  • all the piezoelectric vibrating elements used are arranged with respect to their polarity and contacting in such a way to act in the same direction when generating the rotary ultrasonic vibration. As a result, the piezoelectric vibrating elements do not hinder each other.
  • the two parts of the device are connected to each other via at least one tension element.
  • This tension element preferably extends in the direction of the axis of rotation.
  • the tension element is arranged coaxially to the axis of rotation. By means of the tension element, the two parts are preferably screwed.
  • the at least one piezoelectric vibrating element rests simultaneously on the first flank and on the second flank. As a result, there is no play between the flanks and the at least one piezoelectric vibrating element.
  • first and the second flank are inclined with respect to the axis of rotation.
  • the respective surface normals of the flanks are inclined by an angle ⁇ with respect to the axis of rotation.
  • This angle ⁇ is in particular 45 ° to 89 °, particularly preferably 60 ° up to 85 °.
  • the surface normals are aligned tangentially to the circumferential direction.
  • opposite flanks are aligned parallel to each other.
  • respective opposite edges are not aligned parallel to each other, i. that their surface normals enclose an angle ⁇ and that the piezoelectric vibrating element arranged between two opposite flanks is wedge-shaped.
  • the opposite flanks are not inclined at the same angle ⁇ with respect to the axis of rotation.
  • the at least one piezoelectric vibrating element can be prestressed in the dog clutch. This is possible in particular when using the tension element.
  • the bias of the at least one piezoelectric vibrating element can be set variably.
  • At least one edge is used as the electrode of the at least one piezoelectric vibrating element.
  • the first and / or second part can be used in particular when using longitudinal oscillators as electrode / electrodes.
  • electrodes can be introduced between the piezoelectric vibrating elements and the claws.
  • electrodes are attached to the free end surfaces of the piezoelectric vibrating element.
  • the claws are preferably electrically insulated from the piezoelectric elements. This is preferably done with ceramic discs.
  • a control unit is preferably provided for voltage application of the at least one piezoelectric vibrating element.
  • the device is preferably operated in its resonance in order to achieve the highest possible vibration amplitude.
  • Piezoelectric vibrating elements are preferably arranged and driven in such a way that they mutually contract and expand.
  • the first part is designed for non-rotatable connection of the device to the spindle of the machine tool.
  • This connection preferably takes place via a steep cone or a hollow shaft cone.
  • the connection between the second part and the tool preferably takes place via collets or a shrink chuck.
  • the invention further comprises a machine tool, in particular a milling machine.
  • the machine tool has one of the devices just described.
  • the first part is rotatably connected to a rotating spindle of the machine tool.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention according to an embodiment in a side view
  • Fig. 2 shows an axial section of the device according to the invention according to the
  • Figs. 1 and 2 show two views of a device 1 for generating a rotary ultrasonic vibration on a tool.
  • the device 1 comprises a first part 11, a second part 12 and a plurality of piezoelectric vibrating elements 8.
  • the piezoelectric vibrating elements 8 are designed as longitudinal or transversal oscillators.
  • the device 1 comprises a control unit 18 for driving the piezoelectric vibrating elements 8.
  • the control unit 18 is shown purely schematically.
  • the first part 11 has a spindle connection 15 shown purely schematically.
  • this spindle connection 15 the first part 11 rotatably connected to a rotating spindle of a machine tool can be connected.
  • This spindle rotates about a rotation axis 2. Accordingly, the device 1 and an associated tool also rotate about the rotation axis 2.
  • the second part 12 has a tool connection 16 shown purely schematically.
  • the second part 12 rotatably connected to a tool, in particular a router.
  • a circumferential direction 3 is defined.
  • a dog clutch 10 is formed at the two parts 11, 12, a dog clutch 10 is formed.
  • the first part 11 comprises a plurality of first claws 4.
  • the second part 12 comprises a plurality of second claws 6.
  • a second edge 7 is defined on each side of each second claw 6. The claws 4, 6 engage in one another, so that a torque about the axis of rotation 2 from the first part 11 to the second part 12 can be transmitted via the flanks 5, 7.
  • one of the piezoelectric vibrating elements 8 is arranged.
  • this comprises corresponding electrodes and isolators.
  • the piezoelectric vibrating elements 8 change their thickness. As a result, an ultrasonic vibration can be transmitted to the second part 12 and thus to the tool. This ultrasonic vibration is aligned in the circumferential direction 3. The ultrasonic vibration thus superimposed on the rotational movement generated by the spindle.
  • the surface normals 17 on the first and second flanks 5, 7 are inclined at an angle ⁇ relative to the axis of rotation 2. Directly opposite flanks 5, 7 are aligned parallel to one another.
  • the device 1 further comprises a tension element 3.
  • This tension element 13 extends in the direction of the axis of rotation 2.
  • the two parts 11, 12 are screwed together.
  • the tension element 13 exerts a prestress on the piezoelectric vibrating elements 8 via the engaged flanks 5, 7.
  • an end-side pocket 14 is provided, which receives the head of the tension element 13.
  • the second part 12 has a corresponding thread for receiving the tension element 13.
  • the piezo-vibrating elements 8 each have two opposite bearing surfaces 9. These bearing surfaces 9 abut directly on the first flank 5 and on the second flank 7.
  • the embodiment shows that by means of the device 1, the rotational movement of a tool with a rotary ultrasonic vibration is superimposed.
  • the piezoelectric vibrating elements 8 used are thickness oscillators, that is, longitudinal or transversal oscillators. According to the invention, no translatory oscillation in the direction of the axis of rotation 2 is generated. There are also no piezoelectric shear effects needed.
  • the translatory oscillation would have the disadvantage that the surface quality of the workpiece during machining is bad.
  • the piezoelectric shear effects would have the disadvantage that only small amplitudes and correspondingly low machining forces are possible because the entire process force acts as a shearing force on the piezoceramics.
  • the piezoelectric vibrating elements 8 are acted upon in the pressure direction and can thus transmit significantly higher forces, which are possible with the apparatus 1 shown very high Zeitspanungsvolumina in ultrasound-assisted milling.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1 ) zur Erzeugung einer rotatorischen Uitraschaüschwingung an einem Werkzeug, umfassend ein erstes Teil (11), das zum drehfesten Verbinden mit einer um eine Drehachse (2) rotierenden Spindel einer Werkzeugmaschine ausgebildet ist, ein zweites Teil (12), das zum drehfesten Verbinden mit einem Werkzeug ausgebüdet ist, eine die beiden Teile (11, 12) drehfest miteinander verbindende Kiauenkupplung (10) mit einem Formschiuss aus zumindest einer ersten Flanke (5) am ersten Teil (11) und zumindest einer der ersten Flanke (5) gegenüberliegenden zweiten Flanke (7) am zweiten Teil (12), und zumindest ein zwischen den zwei Flanken (5, 7) der Kiauenkupplung (10) angeordnetes Piezoschwingelement (8) zum Erzeugen der rotatorischen Ultraschalischwingung um die Drehachse (2).

Description

Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Ultraschallschwingung
an einem Werkzeug
Beschreibung
Vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Ultraschallschwingung an einem Werkzeug. Insbesondere wird mit der Vornchtung an einem rotierenden Werkzeug eine Ultraschallschwingung in Rotationsrichtung erzeugt. In verschiedenen Bereichen der Technik werden vermehrt Hochleistungswerkstoffe, wie beispielsweise hochtemperaturbeständige Nickelbasislegierungen, Titan- oder Chrom- Kobaltlegierungen oder faserverstärkte Kunststoffe, eingesetzt. Die Hochleistungswerkstoffe setzen jedoch nicht nur den im Betrieb auftretenden Belastungen einen hohen Widerstand entgegen, sondern auch der spanenden Bearbeitung. Vor diesem Hintergrund wurden hybride Zerspanungsvorrichtungen entwickelt, bei denen der Spanabhub durch die Überlagerung von Ultraschallschwingungen unterstützt wird. So zeigt beispielsweise die DE 10 2008 052 326 A1 die Verwendung eines piezoelektrischen Scherschwingers zur Erzeugung rotatorischer Ultraschallschwingungen für die Zerspanung. Die Ultraschallschwingung wirkt dabei in der Rotationsrichtung des Werkzeugs. Allerdings können piezoelektrische Scherschwinger lediglich eine sehr geringe Schwingungsamplitude bei einem gleichzeitig ungünstigen Kraftfluss erzeugen.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Ultraschallschwingung an einem Werkzeug anzugeben, die bei kostengünstigem Aufbau und wartungsarmem Betrieb eine Ultraschallschwingung eines Werkzeugs in der Drehrichtung des Werkzeugs ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.
Somit wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Ultraschallschwingung an einem Werkzeug. Die Vorrichtung umfasst ein erstes Teil. Dieses erste Teil ist zum drehfesten Verbinden der Vorrichtung mit einer Spindel einer Werkzeugmaschine ausgebildet. Diese Spindel dreht sich um eine Drehachse. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung ein zweites Teil. Das zweite Teil ist zum drehfesten Verbinden der Vorrichtung mit einem Werkzeug ausgebildet. Die beiden Teile, also das erste Teil und das zweite Teil der Vorrichtung sind über eine Klauenkupplung drehfest miteinander verbunden. Diese Klauenkupplung ist als integraler Bestandteil des ersten und des zweiten Teils ausgebildet. Die Klauenkupplung verbindet die beiden Teile formschlüssig. Dieser Formschluss weist zumindest eine erste Flanke am ersten Teil und eine zweite Flanke am zweiten Teil auf. Diese beiden Flanken stehen sich so gegenüber, dass ein Drehmoment um die Drehachse vom ersten Teil auf das zweite Teil übertragbar ist. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung zumindest ein Piezoschwingelement. Das Piezoschwingelement befindet sich zwischen den beiden Flanken der Klauenkupplung. Durch eine entsprechende Spannungsbeaufschlagung des Piezoschwingelements dehnt sich selbiges aus oder zieht sich selbiges zusammen. Dadurch kann eine rotatorische Ultraschallschwingung um die Drehachse erzeugt werden. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zum einen das Drehmoment von der rotierenden Spindel der Werkzeugmaschine auf das Werkzeug übertragen und zum anderen erfolgt gleichzeitig eine Überlagerung dieser Drehbewegung mit der Ultraschallschwingung. Durch die erfindungsgemäße Überlagerung der Drehbewegung des Werkzeugs mit der Ultraschallschwingung können die Schnittkräfte bei der spanabhebenden Bearbeitung reduziert werden. Dies erfolgt durch ein Unterbrechen des Schnittes aufgrund der Ultraschallschwingung. Dadurch entsteht eine im Vergleich zur konventionellen spanenden Bearbeitung ohne Ultraschallschwingung günstigere Spanbildung. Des Weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Zerspanen konventionell nicht zerspanbarer oder nicht wirtschaftlich zerspanbarer Werkstoffe. Da die Schnittkräfte reduziert werden und eine verminderte Reibung auftritt, vermindert sich der Werkzeugverschleiß. Gleichzeitig ermöglicht die rotatorische Ultraschallschwingung eine sehr feine Oberflächenrauigkeit und eine geringe Gratbildung am Werkstück. Insbesondere der verringerte Werkzeugverschleiß ermöglicht eine bessere Maßhaltigkeit des Werkstücks.
Bevorzugt weist das erste Teil mehrere sich in Richtung der Drehachse erstreckende erste Klauen auf. Dementsprechend weist das zweite Teil mehrere sich in Richtung der Drehachse erstreckende zweite Klauen auf. Jede der ersten Klauen weist zwei erste Flanken auf. Jede der zweiten Klauen weist zwei zweite Flanken auf. An der Klauenkupplung greifen die ersten und zweiten Klauen ineinander, sodass das Drehmoment vom ersten Teil auf das zweite Teil über mehrere Flanken und somit über eine möglichst große Fläche übertragen wird. Der Fachmann versteht, dass zur Übertragung des Drehmoments zumindest eine erste Flanke und eine zweite Flanke vorhanden sein müssen. In vorteilhafter Ausbildung sind mehrere Klauen mit entsprechend vielen Flanken vorgesehen. Dementsprechend werden vorzugsweise zwischen alle Flanken oder zwischen mehrere Flanken Piezoschwingelemente eingesetzt. Das einzelne Piezoschwingelemente ist dann jeweils zwischen einer ersten und einer zweiten Flanke angeordnet.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das zumindest eine Piezoschwingelement ein Dickenschwinger, also ein Longitudinal- oder Transversalschwinger, ist. Erfindungsgemäß werden die Piezoschwingelemente zwischen den ersten und zweiten Flanken einer Klauenkupplung angeordnet. Dadurch ist es möglich, einfache Piezoschwingelemente zu verwenden, die bei einer Spannungsbeaufschlagung ihre Dicke vergrößern bzw. verkleinern. Die Piezoschwingelemente sind dabei bevorzugt so angeordnet, dass sie zur Erzeugung der rotatorischen Ultraschallschwingung tangential zur Umfangsrichtung der Vorrichtung ihre Dicke ändern. Die Umfangsrichtung ist dabei um die Drehachse der Spindel definiert. Es bedarf erfindungsgemäß also keiner Verwendung von Scherschwingern.
Bei Verwendung mehrerer Klauen und dementsprechend mehrerer Piezoschwingelemente, werden die Piezoschwingelemente bevorzugt konzentrisch um die Drehachse herum angeordnet. Die Piezoschwingelemente werden vorzugsweise möglichst weit außerhalb der Drehachse angeordnet, um ein möglichst großes Drehmoment auszuüben. Vorzugsweise sind alle verwendeten Piezoschwingelemente bezüglich ihrer Polarität und Kontaktierung derart angeordnet, um beim Erzeugen der rotatorischen Ultraschallschwingung in dieselbe Richtung zu wirken. Dadurch behindern sich die Piezoschwingelemente nicht gegenseitig. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die beiden Teile der Vorrichtung über zumindest ein Zugelement miteinander verbunden sind. Dieses Zugelement erstreckt sich bevorzugt in Richtung der Drehachse. Insbesondere ist das Zugelement koaxial zur Drehachse angeordnet. Mittels des Zugelements werden die beiden Teile vorzugsweise verschraubt.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass das zumindest eine Piezoschwingelement gleichzeitig an der ersten Flanke und an der zweiten Flanke anliegt. Es gibt infolgedessen kein Spiel zwischen den Flanken und dem zumindest einen Piezoschwingelement.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die erste und die zweite Flanke gegenüber der Drehachse geneigt sind. Hierzu ist definiert, dass die jeweiligen Flächennormalen der Flanken um einen Winkel α gegenüber der Drehachse geneigt sind. Dieser Winkel α beträgt insbesondere 45° bis 89°, besonders vorzugsweise 60° bis 85°. Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Flächennormalen tangential zur Umfangsrichtung ausgerichtet sind.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass jeweils gegenüberliegende Flanken parallel zueinander ausgerichtet sind. Alternativ ist vorgesehen, dass jeweils gegenüberliegende Flanken nicht parallel zueinander ausgerichtet sind, d.h. dass deren Flächennormalen einen Winkel χ einschließen und dass das zwischen zwei gegenüberliegenden Flanken angeordnete Piezoschwingelement keilförmig ausgebildet ist. In diesem Fall sind die gegenüberliegenden Flanken nicht um denselben Winkel α gegenüber der Drehachse geneigt.
Durch die Neigung der Flanken kann das zumindest eine Piezoschwingelement in der Klauenkupplung vorgespannt werden. Dies ist insbesondere bei Verwendung des Zugelements möglich. Vorzugsweise lässt sich die Vorspannung des zumindest einen Piezoschwingelements variabel einstellen.
Vorzugsweise wird zumindest eine Flanke als Elektrode des zumindest einen Piezoschwingelements verwendet. Das erste und/oder zweite Teil kann/können insbesondere bei der Verwendung von Longitudinalschwingern als Elektrode/Elektroden verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich können Elektroden zwischen die Piezoschwingelemente und die Klauen eingebracht werden.
Bei der Verwendung eines als Transversalschwinger ausgebildeten Piezoschwingelements werden vorzugsweise Elektroden an den freien Stirnflächen des Piezoschwingelements angebracht.
Bei der Verwendung von zusätzlichen Elektroden werden die Klauen vorzugsweise elektrisch gegenüber den Piezoschwingelementen isoliert. Dies erfolgt vorzugsweise mit Keramikscheiben.
Zur Spannungsbeaufschlagung des zumindest einen Piezoschwingelements ist vorzugsweise eine Steuereinheit vorgesehen. Mittels dieser Steuereinheit wird die Vorrichtung vorzugsweise in ihrer Resonanz betrieben, um eine möglichst große Schwingungsamplitude zu erreichen. Bei Verwendung von mehreren Piezoschwingelementen werden diese vorzugsweise so angeordnet und angesteuert, dass sie sich wechselseitig kontrahieren und expandieren.
Das erste Teil ist zum drehfesten Verbinden der Vorrichtung mit der Spindel der Werkzeugmaschine ausgebildet. Diese Verbindung erfolgt vorzugsweise über einen Steilkegel oder einen Hohlschaftkegel. Die Verbindung zwischen dem zweiten Teil und dem Werkzeug erfolgt vorzugsweise über Spannzangen oder ein Schrumpffutter.
Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Werkzeugmaschine, insbesondere eine Fräsmaschine. Die Werkzeugmaschine weist eine der soeben beschriebenen Vorrichtungen auf. Das erste Teil ist dabei drehfest mit einer rotierenden Spindel der Werkzeugmaschine verbunden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht, und Fig. 2 einen Axialschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem
Ausführungsbeispiel aus Fig. 1.
Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei Ansichten einer Vorrichtung 1 zur Erzeugung einer rotatorischen Ultraschallschwingung an einem Werkzeug.
Die Vorrichtung 1 umfasst ein erstes Teil 11 , ein zweites Teil 12 und mehrere Piezoschwingelemente 8. Die Piezoschwingelemente 8 sind als Longitudinal- oder Transversalschwinger ausgebildet. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 1 eine Steuereinheit 18 zum Ansteuern der Piezoschwingelemente 8. Die Steuereinheit 18 ist rein schematisch dargestellt.
Das erste Teil 11 weist einen rein schematisch dargestellten Spindelanschluss 15 auf. Über diesen Spindelanschluss 15 ist das erste Teil 11 drehfest mit einer rotierenden Spindel einer Werkzeugmaschine verbindbar. Diese Spindel rotiert um eine Drehachse 2. Dementsprechend rotieren auch die Vorrichtung 1 und ein zugehöriges Werkzeug um die Drehachse 2.
Das zweite Teil 12 weist einen rein schematisch dargestellten Werkzeuganschluss 16 auf. Über diesen Werkzeuganschluss 16 wird das zweite Teil 12 drehfest mit einem Werkzeug, insbesondere einem Fräser, verbunden.
Entsprechend der Drehachse 2 ist eine Umfangsrichtung 3 definiert. An den beiden Teilen 11 , 12 ist eine Klauenkupplung 10 ausgebildet. Das erste Teil 11 umfasst mehrere erste Klauen 4. Beidseitig einer jeden ersten Klaue 4 ist jeweils eine erste Flanke 5 definiert. Das zweite Teil 12 umfasst mehrere zweite Klauen 6. Beidseitig einer jeden zweiten Klaue 6 ist jeweils eine zweite Flanke 7 definiert. Die Klauen 4, 6 greifen ineinander, sodass über die Flanken 5, 7 ein Drehmoment um die Drehachse 2 vom ersten Teil 11 auf das zweite Teil 12 übertragen werden kann.
Jeweils zwischen einer ersten Flanke 5 und einer zweiten Flanke 7 ist eines der Piezoschwingelemente 8 angeordnet. Je nach Ausbildung des Piezoschwingelements 8 umfasst dieses entsprechende Elektroden und Isolatoren.
Durch eine Spannungsbeaufschlagung der Piezoschwingelemente 8 über die Steuereinheit 18 verändern die Piezoschwingelemente 8 ihre Dicke. Dadurch kann eine Ultraschallschwingung auf das zweite Teil 12 und somit auf das Werkzeug übertragen werden. Diese Ultraschallschwingung ist in der Umfangsrichtung 3 ausgerichtet. Die Ultraschallschwingung überlagert somit die durch die Spindel erzeugte Drehbewegung.
Die Flächennormalen 17 auf die erste und zweite Flanke 5, 7 sind um einen Winkel α gegenüber der Drehachse 2 geneigt. Direkt gegenüberliegende Flanken 5, 7 sind parallel zueinander ausgerichtet. Die Vorrichtung 1 umfasst ferner ein Zugelement 3. Dieses Zugelement 13 erstreckt sich in Richtung der Drehachse 2. Über das Zugelement 13 sind die beiden Teile 11 , 12 miteinander verschraubt. Gleichzeitig übt das Zugelement 13 über die angestellten Flanken 5, 7 eine Vorspannung auf die Piezoschwingelemente 8 aus. Im ersten Teil 11 ist eine stirnseitige Tasche 14 vorgesehen, die den Kopf des Zugelements 13 aufnimmt. Das zweite Teil 12 weist ein entsprechendes Gewinde zur Aufnahme des Zugelements 13 auf. Die Piezoschwingelemente 8 weisen jeweils zwei gegenüberliegende Auflageflächen 9 auf. Diese Auflageflächen 9 liegen direkt an der ersten Flanke 5 bzw. an der zweiten Flanke 7 an.
Das Ausführungsbeispiel zeigt, dass mittels der Vorrichtung 1 die rotatorische Bewegung eines Werkzeugs mit einer rotatorischen Ultraschallschwingung überlagerbar ist. Dies wird insbesondere zum ultraschallunterstützten Fräsen verwendet. Die verwendeten Piezoschwingelemente 8 sind Dickenschwinger, also Longitudinal- oder Transversalschwinger. Erfindungsgemäß wird dabei keine translatorische Schwingung in Richtung der Drehachse 2 erzeugt. Es sind auch keine piezoelektrischen Schereffekte nötig. Die translatorische Schwingung hätte zum Nachteil, dass die Oberflächenqualität des Werkstücks bei der spanenden Bearbeitung schlecht ausfällt. Die piezoelektrischen Schereffekte hätten zum Nachteil, dass nur geringe Amplituden und entsprechend geringe Bearbeitungskräfte möglich sind, da die komplette Prozesskraft als Scherkraft auf die Piezokeramiken wirkt. Dies wäre für die Piezoelemente eine ungünstige Belastung. Erfindungsgemäß werden die Piezoschwingelemente 8 in Druckrichtung beaufschlagt und können somit deutlich höhere Kräfte übertragen, wodurch mit der gezeigten Vorrichtung 1 sehr hohe Zeitspanungsvolumina bei ultraschallunterstütztem Fräsen möglich sind.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Drehachse
3 Umfangsrichtung
4 erste Klauen
5 erste Flanken
6 zweite Klauen
7 zweite Flanken
8 Piezoschwingelemente
9 Auflageflächen
10 Klauenkupplung
11 erstes Teil
12 zweites Teil
13 Zugelement
14 stirnseitige Tasche
15 Spindelanschluss
16 Werkzeuganschluss
17 Flächennormale
18 Steuereinheit

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1 ) zur Erzeugung einer rotatorischen Ultraschallschwingung an einem Werkzeug, umfassend
- ein erstes Teil (1 1), das zum drehfesten Verbinden der Vorrichtung (1) mit einer um eine Drehachse (2) rotierenden Spindel einer Werkzeugmaschine ausgebildet ist,
- ein zweites Teil (12), das zum drehfesten Verbinden der Vorrichtung (1) mit einem Werkzeug ausgebildet ist,
- eine die beiden Teile (1 1 , 12) drehfest miteinander verbindende Klauenkupplung (10) mit einem Formschluss aus zumindest einer ersten Flanke (5) am ersten Teil (1 1 ) und zumindest einer der ersten Flanke (5) gegenüberliegenden zweiten Flanke (7) am zweiten Teil (12), und
- zumindest ein zwischen den zwei Flanken (5, 7) der Klauenkupplung (10) angeordnetes Piezoschwingelement (8) zum Erzeugen der rotatorischen Ultraschallschwingung um die Drehachse (2).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Piezoschwingelement (8) ein Longitudinal- oder Transversalschwinger ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Piezoschwingelement (8) angeordnet ist, um zur Erzeugung der Ultraschallschwingung seine Dicke in einer Richtung tangential zur Umfangsrichtung (3) zu ändern, wobei die Umfangsrichtung (3) um die Drehachse (2) herum definiert ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle verwendeten Piezoschwingelemente (8) bezüglich ihrer Polarität und Kontaktierung derart angeordnet sind, um beim Erzeugen der rotatorischen Ultraschallschwingung in dieselbe Richtung zu wirken.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (1 1 , 12) über zumindest ein Zugelement (13) miteinander verbunden sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Zugelement (13) in Richtung der Drehachse (2) erstreckt.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Piezoschwingelement (8) gleichzeitig an der ersten Flanke (5) und an der zweiten Flanke (7) anliegt.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Flächennormalen der ersten und der zweiten Flanke(n) (5, 7) gegenüber der Drehachse (2) um einen Winkel α geneigt sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α zwischen 45° und 89°, vorzugsweise zwischen 60° und 85°, liegt.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Flanke (5) parallel zur gegenüberliegenden zweiten Flanke (7) ausgerichtet ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (18) zur Spannungsbeaufschlagung des zumindest einen Piezoschwingelements (8).
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil (11) mehrere sich in Richtung der Drehachse (2) erstreckende erste Klauen (4) und das zweite Teil (12) mehrere sich in Richtung der Drehachse (2) erstreckende zweite Klauen (6) umfasst, wobei die ersten und zweiten Klauen (4, 6) abwechselnd ineinander greifen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen einer ersten Klaue (4) und einer zweiten Klaue (6) ein Piezoschwingelement (8) angeordnet ist. Werkzeugmaschine, vorzugsweise Fräsmaschine, umfassend eine der vorhergehenden Vorrichtungen (1), wobei das erste Teil (11) drehfest mit einer rotierenden Spindel der Werkzeugmaschine verbunden ist.
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