DE102016000389A1

DE102016000389A1 - Powered impact compression system

Info

Publication number: DE102016000389A1
Application number: DE102016000389.8A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2016-01-15
Publication date: 2016-07-21
Also published as: DE202015000360U1; DE202015003249U1

Abstract

Das angetriebene Schlagverdichtungssystem, das aus einer CNC Werkzeugmaschine mit Möglichkeit zur Werkzeughalterung auf Drehspindel, die angetriebenen Schlagverdichtungseinheit (Vorrichtung) und CAM-Software zur Berechnung von Vorschub, Schlagfrequenz, Schlagkraft und kollisionsfreien Schlagbahnen besteht, das zur Oberflächenbearbeitung von einem metallischen Werkstück angewandt.The powered impact compacting system consisting of a CNC machine tool with possibility of tool mounting on spindle, the driven impact compacting unit (apparatus) and CAM software for calculating feed, impact frequency, impact force and collision-free impact tracks used for surface machining of a metallic workpiece.

Description

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Das angetriebene Schlagverdichtungsystem ist ein mechanisches Ergänzungssystem, das durch Schlagverdichtung die Oberfläche des Werkstücks verändert und dabei härtet. Hierbei wird die Oberflächengüte, wie Härte, Druckeigenspannung, Rauigkeit, usw. verbessert. Das System wird angewendet, um bessere Oberflächengüte von einem Werkstück zu erzielen. Es wird an der Drehspindel der Werkzeugmaschine mit passender Aufnahme montiert. Das Systemeinheit wandelt mit seinem Getriebe die Drehzahl der Drehspindel in Schlagfrequenz und Drehmoment in Schlagkraft um. Außerhalb von Werkzeugmaschinen kann es nur dann benutzt werden, wenn es einen Drehantrieb sowie eine Möglichkeit zur Aufnahme der Reaktionskräfte gibt. Die Schlageinheit ist wechselbar und wird je nach Gebrauch in unterschiedlicher Geometrie hergestellt, z. B. aus Stahl, Vollhartmetall, Industrie-Diamant oder anderen Werkstoffen. Das System ist als handelsübliches Werkzeug sowohl bei konventionellen, als auch bei CNC-Werkzeugmaschinen anwendbar. Es kann auch mit handelsüblichen CAM-Programmen als spezielles Werkzeug (Geometrie definiert) programmiert und an unterschiedlichen Werkstücken angewendet werden.The powered impact compaction system is a mechanical supplement system that changes the surface of the workpiece by impact compression and hardens it. Here, the surface quality, such as hardness, compressive residual stress, roughness, etc. is improved. The system is used to achieve better surface finish of a workpiece. It is mounted on the turning spindle of the machine tool with a suitable holder. The system unit uses its gearbox to convert the rotational speed of the rotary spindle into impact frequency and torque into impact force. Outside of machine tools, it can only be used if there is a rotary drive and a way to absorb the reaction forces. The beater unit is interchangeable and is made depending on the use in different geometry, eg. As steel, solid carbide, industrial diamond or other materials. The system can be used as a standard tool in both conventional and CNC machine tools. It can also be programmed with customary CAM programs as a special tool (geometry defined) and applied to different workpieces.

Stand der Technik:State of the art:

Im heutigen zustand der Fertigungstechnik wird metallische Werkstoffen Zerspanen (abtrennend), nach DIN 8580 auch Spanen (formgebend) genannt, in die gewünschte Form gebracht, indem überflüssiges Material in Form von Span abgetragen. Zu der klassischen Technik gehören Drehen, Fräsen, Bohren, Sägen und Schleifen. In alle spanenden Vorgängen von Fertigungstechnik wird den Werkstoff mit Schneidewerkzeug entfernt, geschliffen und abschließend Hochglanz poliert. Mit die klassische Fertigungstechnik gefertigte Werkstückstoff wird mikroskopisch an der Oberfläche belastet damit das Bauteil schneller zu Schaden führen. In der Fertigungsindustrie wird es nach einer voll automatisierten Lösung für die Schlagverdichtung gesucht, die einfach mit der vorhandenen Werkzeugmaschinen abkoppelbar ist. Die Herausforderung ist, die vorhandenen Maschinen mit dem Schlagverdichtungssysten zu ergänzen, sodass das zu bearbeitende Material stabiler und Oberflächen härter gefertigt wird.In today's state of production technology, metallic materials are being chipped (severed) DIN 8580 also called cutting (shaping), brought into the desired shape by removing excess material in the form of chip. The classical technique includes turning, milling, drilling, sawing and grinding. In all machining processes of production technology, the material is removed with a cutting tool, ground and finally polished to a high gloss. Workpiece material made using classical production technology is loaded microscopically on the surface so that the component can be damaged more quickly. The manufacturing industry is looking for a fully automated solution for impact compaction, which can easily be decoupled with existing machine tools. The challenge is to complement the existing machines with the impact compaction system, making the material to be processed more stable and surfaces harder.

Systembeschreibungsystem Description

Auf Werkzeugmaschinen wie Drehmaschinen und Fräsmaschinen sowie in Bearbeitungszentren werden durch Zerspanen Werkstücke gefertigt. Angetriebene Schlagverdichtungsysteme erweitern den Einsatzbereich vorgenannter Werkzeugmaschinen um ein neue Form der Werkstückbearbeitung, die
einerseits eine Ergänzung der bestehenden Verfahren darstellt und damit den Einsatzbereich von Werkzeugmaschinen erweitert und
andererseits eine mögliche Substitution bestimmter Bearbeitungsverfahren, nämlich Schlicht fräsen, Entgraten, Schleifen, Polieren und Randschichthärten bietet.On machine tools such as lathes and milling machines as well as in machining centers, workpieces are produced by machining. Powered impact compaction systems extend the field of application of the aforementioned machine tools to a new form of workpiece machining, the
on the one hand represents a supplement to the existing procedures and thus expands the field of application of machine tools and
on the other hand, offers a possible substitution of certain machining processes, namely finish milling, deburring, grinding, polishing and surface hardening.

Zu diesem Zweck wird ein speziell entwickelter Werkzeugkopf eingesetzt, der der Werkzeugmaschine im Werkzeugwechsler zur Verfügung gestellt werden kann.For this purpose, a specially developed tool head is used, which can be made available to the machine tool in the tool changer.

Der Werkzeugkopf einer angetriebenen Schlagverdichtungseinheit besteht im Wesentlichen aus einer Antriebseinheit und einem Vierdichtungsstößel, der so genannten Schlageinheit.The tool head of a driven percussion compression unit consists essentially of a drive unit and a four-seal ram, the so-called impact unit.

Die Antriebswelle wird mit der passenden Aufnahme an der Werkzeugmaschinenspindel montiert. Das auf der Antriebswelle gelagerte Antriebsgehäuse (14) muss stationär, also dreh frei, z. B. mit einer pneumatisch betriebenen Verdrehsicherung (12) an der Werkzeugmaschine (1) gelagert werden. Die Schlageinheit muss wechselbar sein und je nach Gebrauch in unterschiedlichen Geometrien bereitgestellt werden können. Je nach Bedarf können Schlageinheiten aus Stahl, Vollhartmetall, Industriediamant oder anderen Werkstoffen eingesetzt werden. Das spielfreie Lagerpaket ist so konzipiert, dass eine verlustarme Übertragung des Drehmoments gewährleistet ist.The drive shaft is mounted on the machine tool spindle with the appropriate mount. The drive housing mounted on the drive shaft ( 14 ) must be stationary, so free rotation, z. B. with a pneumatically operated anti-rotation device ( 12 ) on the machine tool ( 1 ) be stored. The beating unit must be interchangeable and can be provided in different geometries depending on use. Depending on requirements, impact units made of steel, solid carbide, industrial diamond or other materials can be used. The backlash-free bearing package is designed so that a low-loss transmission of torque is ensured.

Um eine betriebssichere Werkstückbearbeitung zu gewährleisten muss die Werkzeuglänge zwischen Drehspindel und Stößel spitze in der Maschinensteuerung dem Werkzeugkopf zugeordnet werden. Dies geschieht durch Zuordnung zur entsprechenden Werkzeugnummer.In order to ensure reliable workpiece machining, the tool length between the rotary spindle and plunger tip in the machine control must be assigned to the tool head. This is done by assignment to the corresponding tool number.

Weiterhin sind entsprechende Programmparameter für Vorschub, Schlagfrequenz, Schlagkraft, Schlagbahnen erforderlich. Diese werden anhand einer eigens für die Anwendung entwickelten CAM Software aus den 3D-Daten des Werkstückes generiert und an die CNC-Steuerung der Werkzeugmaschine übertragen, um auch komplexe Konturen präzise bearbeiten zu können. Die speziell entwickelte CAM-Software ist die Grundlage für optimale Ergebnisse mit dem Schlagverdichtungssystem.Furthermore, appropriate program parameters for feed, beat frequency, impact, impact tracks are required. These are generated from the 3D data of the workpiece using a CAM software specially developed for the application and transferred to the CNC control of the machine tool so that even complex contours can be precisely machined. The specially developed CAM software is the basis for optimum results with the impact compression system.

Anwendung des SystemsApplication of the system

Das Angetriebene Schlagverdichtungssystem wird angewendet zu Bearbeitung von metallische Werkstücken. Das System ist sowohl im Werkzeugbau, Modellbau auch zur Herstellung hoch beanspruchter Einzelteile wie zum Beispiel: Turbinenschaufel, Motorkomponenten, Antriebskomponenten etc. verwendbar. Die Erhöhung der Druckeigenspannung eines Bauteils führt zu einer gesteigerten Dauerfestigkeit, wodurch sich die Langlebigkeit beziehungsweise Standzeit eines Werkstücks erhöht.

Maschinelles Polieren von Freiformoberflächen (3- und 5-achsig)
Gezielte Texturierung von Oberflächen (z. B. Walzen, Biegewerkzeuge, ...)
Optimierung von Reib- und Schmiereigenschaften der Werkstückoberfläche (z. B. Motorenbau, Innenhochdruck-Umformung, ...)
Bessere Hafteigenschaften für Beschichtungen (z. B. Hartstoffschichten, ...)
Abbau von Zugspannungen in der Randschicht von Bauteilen (z. B. infolge von Schweißbearbeitung)
Minderung von Spannungsrisskorrosion
Erhöhung der Betriebssicherheit/Standzeit
Erschließung von Leichtbaupotenzial
Minderung der Rissbildungsneigung The Driven Impact Compaction System is used for machining metallic workpieces. The system is used in toolmaking, model making and also for the production of highly stressed individual parts such as: Turbine blade, engine components, drive components, etc. usable. Increasing the compressive residual stress of a component leads to increased fatigue strength, which increases the longevity or service life of a workpiece.

Machine polishing of free-form surfaces (3- and 5-axis)
Targeted texturing of surfaces (eg rollers, bending tools, ...)
Optimization of friction and lubrication properties of the workpiece surface (eg engine construction, hydroforming, ...)
Better adhesive properties for coatings (eg hard coatings, ...)
Degradation of tensile stresses in the surface layer of components (eg as a result of welding work)
Reduction of stress corrosion cracking
Increase of operational safety / service life
Development of lightweight potential
Reduction of cracking tendency

Die damit erreichten VorteileThe advantages achieved with it

Aufgrund der Nutzung modernster CNC-Technik bietet das Schlagverdichtungssystem eine hohe Prozesssicherheit in Form einer hohen Reproduzierbarkeit und einem sicheren Betrieb Um das zu bearbeitende Material zu formen, ist es sinnvoller, anstatt Material weg zu nehmen, es zu verdichten. Die höhere Schlagkräfte und Schlagfrequenzen (Getriebe ermöglicht über 1000 Herz) erzielen hohe Vorschubbearbeitung. Einfach zu steuern und zu verstehen, da es ähnlich wie handelsübliche Werkzeuge benutzt werden kann. Durch die Anwendung des angetriebenen Schlagverdichtungssystem an dem Werkstück werden folgende Vorteile erzielt:
Bessere Oberfläche (Güte wie Härte), Druckeigenspannung, geringe Rauigkeit. Nach Schlagverdichtung an der Oberfläche werden die Eigenschaftswerte vom Werkstoff gesteigert, besonders in Hinblick auf Verschleiß und Dauerbeanspruchung. Es wird an der Oberfläche eine homogene Härte gewährleistet. Die Druckeigenspannung vom Werkstoff wird erhöht. Lebensdauer des behandelten Werkstücks wird verbessert. Nach Anwendung des angetriebenen Schlagverdichtungssystems wird der Randbereich des Werkstücks mikro-geometrisch plastisch verformt, so dass die Dauerfestigkeit vom Werkstück erhöht wird. Das angetriebene Schlagverdichtungssystem gewährleistet eine Prozess sichere und automatisierte Fertigung, die umweltschonend ist, Zeit einspart und wirtschaftlich ist.Thanks to the use of state-of-the-art CNC technology, the impact compaction system offers high process reliability in the form of high reproducibility and safe operation. In order to form the material to be machined, it makes more sense to compact it instead of compacting it. The higher impact forces and impact frequencies (transmission allows over 1000 heart) achieve high feed machining. Easy to control and understand as it can be used much like standard tools. The use of the driven impact compaction system on the workpiece provides the following advantages:
Better surface (quality such as hardness), compressive residual stress, low roughness. After impact condensation at the surface, the property values of the material are increased, especially with regard to wear and permanent stress. It is guaranteed on the surface a homogeneous hardness. The compressive residual stress of the material is increased. Life of the treated workpiece is improved. After application of the driven impact compaction system, the edge region of the workpiece is micro-geometrically plastically deformed, so that the fatigue strength of the workpiece is increased. The powered impact compression system ensures a process safe and automated manufacturing that is environmentally friendly, saves time and is economical.

Vorschub, Schlagfrequenz, Schlagkraft, Schlagbahnen) werden anhand CAM Software generiert und sind direkt ohne Zusatz von Werkzeugmaschinen Steuerung kontrolliert ist das einfachste Prozess sicherer System der in Markt zu Verfügung ist Zusätzlich kann Mann mit selbe Vorschubarbeiten wie beim schlicht Bearbeitung deshalb wird es zeitsparend ressourcensparend (umweltfreundlich) und Wirtschaftlich von vielerlei Hinsicht: Kostengünstige Variante, Schulungsaufwand, geringere Umrüstung aufwand keine zusätzliche Steuerung notwendig.Feed, beat frequency, impact force, track) are generated by CAM software and are directly controlled without the addition of machine tools Control is the simplest process safer system available in market In addition, man with the same feed as the simple processing, therefore, it saves time resource saving ( environmentally friendly) and Economical in many ways: Cost-effective variant, training effort, less conversion effort required no additional control.

Die hoch komplexe manuelle Bearbeitung von Werkstücken (schleifen, Graten etc.) entfällt. Die Sicht eines Bauteils kann zur Verdichtung und Härtung verwendet werden. Das System führt daher zu einer Reduktion der verwendeten Rohmaterialressourcen. Die Oberfläche des bearbeiteten Werkstücks wird veredelt. Der Einsatzzyklus von bearbeiteten Werkzeugen wird verlängert.The highly complex manual processing of workpieces (grinding, burrs, etc.) is eliminated. The view of a component can be used for compaction and hardening. The system therefore leads to a reduction in the raw material resources used. The surface of the machined workpiece is finished. The use cycle of machined tools is extended.

1, eine Schematische Anordnung einer angetriebene Schlagverdichtungseinheit 1 , A Schematic arrangement of a powered impact compacting unit

2, Schnitt Darstellung von 1 2 , Sectional view of 1

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Werkzeugmaschinemachine tool
22: Drehspindelspindle
33: Antriebswelle mit AufnahmeDrive shaft with receptacle
44: Lagerpaket zwischen Gehäuse und AntriebswelleBearing package between housing and drive shaft
55: Zahnradgetriebegear transmission
66: Lager zur Lagerung der KurbelwelleBearing for bearing the crankshaft
77: Zahnradgetriebe um Drehzahl zu ÄndernGear transmission to change speed
88th: Kurbelwellecrankshaft
99: Mechanismus zu Einstellbares AnschlaghöheAdjustable stop height mechanism
1010: Wechselbares Schlageinheit.Removable beater unit.
1111: Werkstückworkpiece
1212: Flansch zur VerdrehsicherungFlange to prevent rotation
1313: Pneumatisch gesteuerte VerdrehsicherungPneumatically controlled anti-twist device
HH: Schlag HöheBlow height

Die Schlagverdichtungseinheit wird mit ihrer Antriebswelle (3) an der Drehspindel (2) der Werkzeugmaschine (1) oberhalb des zu bearbeitenden Werkstücks (11) montiert. Sie ist über eine pneumatisch gesteuerte Verdrehsicherung (13) dreh frei am Flansch (12) der Werkzeugmaschine gelagert. Das Lagerpaket (4) ist Spielarm ausgeführt und gewährleistet eine möglichst verlustfreie Übertragung des Drehmomentes. Die Getriebeeinheit mit den Zahnrädern (5) und (7) dient der Änderung der Drehrichtung und Übertragung der Drehzahl. Die Lagerung (6) mit Passscheibe gewährleistet einen sicheren Zahneingriff der Zahnräder (5) und (7) und die Harmonisierung des Zahnflankenspiels. Die Kurbelwelle (8) wird mit der der Schlageinheit (9) dergestalt verbunden, das die Drehzahl in die Schlagfrequenz umgewandelt wird. An der Lagerung der Schlageinheit (10) auf der Kurbelwelle (8) ist die Schlaghöhenverstelleinrichtung (9) eingebaut.The impact compression unit is equipped with its drive shaft ( 3 ) on the rotary spindle ( 2 ) of the machine tool ( 1 ) above the workpiece to be machined ( 11 ) assembled. It is controlled by a pneumatically controlled anti-twist device ( 13 ) rotates freely on the flange ( 12 ) of the machine tool stored. The stock package ( 4 ) is carried out play arm and ensures a loss-free transmission of torque. The gear unit with the gears ( 5 ) and ( 7 ) is used to change the direction of rotation and transmit the speed. Warehousing ( 6 ) with shim ensures a secure meshing of the gears ( 5 ) and ( 7 ) and the harmonization of backlash. The crankshaft ( 8th ) is used with the impact unit ( 9 ) connected in such a way that the speed is converted into the beat frequency. At the storage of the beating unit ( 10 ) on the crankshaft ( 8th ) is the Schlaghöhenverstelleinrichtung ( 9 ) built-in.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

DIN 8580 [0002]

Claims

The powered impact compacting system consisting of a CNC machine tool with possibility of tool mounting on spindle, the driven impact compacting unit (apparatus) and CAM software for calculating feed, impact frequency, impact force and collision-free impact tracks used for surface machining of a metallic workpiece.

Powered impact compaction system according to claim 1, characterized in that the compressive residual stresses generated on the surface of the metallic workpiece ( 11 ) are larger than before processing.

Driven impact compaction system according to claim 1, characterized in that the surface hardening of metallic workpiece ( 11 ) are larger and more homogeneous than before processing.

Driven impact compaction system according to claim 1, characterized in that in the surface roughness and notch stresses of metallic workpiece ( 11 ) degraded after processing and surface pores are closed.

The driven impact compression unit of the driven impact compression system according to claim 1, characterized in that mounted in the tool magazine of the CNC machine tool, the tool length deposited in the machine control with appropriate tool number, fully automatically by calling the tool number based on the machine control from the tool magazine attached to the rotary spindle tool holders.

The driven impact compression unit of the driven impact compression system according to claim 1, characterized in that with its drive shaft ( 3 ) of the power transmission to the rotary spindle ( 2 ) of the machine tool ( 1 ) mounted with its gear with the gears ( 5 ) and ( 7 ) for changing the direction of rotation and transmitting the speed and torque, the crankshaft ( 8th ) with the beating unit ( 10 ) so that there is a conversion of the speed in impact frequency and torques in the impact force and Schlaghöhenverstelleinrichtung ( 9 ).

The drive shaft according to claim 6, characterized in that the running with play arm bearing package ( 4 ) In a closed housing to ensure a virtually lossless transmission of the torque and to compensate for the radial and axial forces stored, which serves to transmit the rotational movement and the drive torque, the direction of rotation does not have the machine spindle authoritative.

The transmission according to claim 6, characterized in that the mutually angled input and output shafts, the mechanical form of bevel, Kegelschraubrad-, worm, Kronenrad-, Wälz- or hypoid or even compressed air or hydraulic transmission in use come, with the transmission gear ratio used the beat frequency is set.

The housing according to claim 7, characterized in that via a pneumatically controlled anti-rotation ( 13 ) stationary on the flange ( 12 ) of the machine tool attached.

The crankshaft according to claim 6, characterized in that the bearing ( 6 ) with the help of the shim axially adjustable in height.

The crankshaft bearing according to claim 10, characterized in that to ensure a secure meshing of the gears ( 5 ) and ( 7 ), the harmonization of the backlash and the smooth running of the driven impact compression unit contribute.