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WO2013142890A1 - Vorrichtung, maschine und verfahren zur mechanischen bearbeitung eines werkstücks - Google Patents

Vorrichtung, maschine und verfahren zur mechanischen bearbeitung eines werkstücks Download PDF

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WO2013142890A1
WO2013142890A1 PCT/AT2013/050076 AT2013050076W WO2013142890A1 WO 2013142890 A1 WO2013142890 A1 WO 2013142890A1 AT 2013050076 W AT2013050076 W AT 2013050076W WO 2013142890 A1 WO2013142890 A1 WO 2013142890A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cutting element
workpiece
vibration
mass
tool
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/AT2013/050076
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English (en)
French (fr)
Inventor
Friedrich Bleicher
Johannes BERNREITER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Wien
Original Assignee
Technische Universitaet Wien
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Wien filed Critical Technische Universitaet Wien
Priority to DE112013001707.5T priority Critical patent/DE112013001707A5/de
Publication of WO2013142890A1 publication Critical patent/WO2013142890A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B25/00—Accessories or auxiliary equipment for turning-machines
    • B23B25/02—Arrangements for chip-breaking in turning-machines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23B29/00—Holders for non-rotary cutting tools; Boring bars or boring heads; Accessories for tool holders
    • B23B29/04—Tool holders for a single cutting tool
    • B23B29/12—Special arrangements on tool holders
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    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B2270/00—Details of turning, boring or drilling machines, processes or tools not otherwise provided for
    • B23B2270/02—Use of a particular power source
    • B23B2270/027—Pneumatics

Definitions

  • the invention relates to a device, in particular cutting tool, with a cutting element for the mechanical processing of a workpiece, wherein the cutting element is connected to a Schwingvor ⁇ direction, which is adapted to the
  • Cutting element to move in a vibration whose frequency is lower than the frequency of ultrasound
  • a Ma ⁇ machine for mechanically machining a workpiece comprising a tool holder for the particular replaceable assembly of a device, in particular cutting tool, for machining a workpiece.
  • the invention relates to a method for machining a workpiece with a cutting element which is vibrated, wherein the frequency of the vibration of the cutting element is lower than the frequency of ultrasound.
  • a tool is usually vibrated in the ultrasonic range, wherein the natural frequency of the tool is preferably chosen as the oscillation frequency, so that intentionally resonant vibrations auftre ⁇ th, by which, in particular during the machining of a workpiece, a supporting effect is achieved.
  • EP 0 197 172 A1 shows a method of the type mentioned in the introduction, wherein a rotary tool oscillates along the line of the feed vectors , so that the feed rate of the tool changes in the course of the workpiece rotation.
  • the vibration frequency is ⁇ so in relation to the speed of the tool, that the wavelength or its integral multiple, plus a half wavelength is equal to the respective workpiece screen.
  • the disadvantage here is, in particular, that a dynamic embedding ⁇ zier ung which the tool-bearing device occurs, whereby it can be damaged, in particular by input from resonant frequencies.
  • this prior art is concerned with compensating for disturbing vibrations, but not with the use of vibrations to assist in machining the workpiece. Due to the different field of application is used in such different types of machine tools, a free-swinging mass-spring damping system for reducing vibrations.
  • EP 0 323 518 A1 relates to a different kind of oscillating table.
  • the present invention has for its object to provide an apparatus and a method for the mechanical processing of workpieces, with which or which the vibration profile can be reliably controlled independently of resonance amplifications.
  • the Schwingvor ⁇ direction has a vibrating in the opposite direction to the cutting element balancing mass.
  • a Impulsentkoppelung can be achieved, so that any frequency can be set for machining the workpiece, regardless of the natural frequency of the device.
  • an active control or forced control of the balancing mass is insbeson ⁇ particular provided relative to the vibration of the cutting element.
  • the balancing mass and the cutting element preferably have a common longitudinal axis, whereby advantageously ⁇ effects in the jerk decoupling can be avoided.
  • the balancing mass may have an identical to the cutting element mass; in this case, the balancing mass with the same Fre acid sequence and of the same acceleration as the cutting element, but vibrated with opposite direction of movement. If the cutting element and balancing mass do not have the same mass, a compensating inertia effect can be achieved by adjusting the acceleration. Provided that the balancing mass has a smaller mass than the cutting ⁇ element, it is thus advantageous way to ⁇ pulse is effected when the balancing mass with the same frequency swings like and a larger amplitude than the cutting element.
  • Demzu ⁇ result oscillates the balancing mass with the same frequency as the cutting element, but has a higher acceleration and thus sets at the same frequency a greater way back. Due to the comparatively high acceleration capacity, the process reaction forces can also be advantageously reduced. be acted upon.
  • the oscillation profile can be reliably controlled, since the amplitude of the oscillation can be adjusted in a targeted manner via the stroke during the excitation of the oscillation. During machining, therefore, the desired oscillation amplitude can be maintained independently of the coupling between the tool and the workpiece, so that the supporting effect of the oscillation is reliably achieved.
  • the mechanical machining of the workpiece can be supported in many ways. Under mechanical machining in connection with the present invention, each machining with geome ⁇ symmetrical certain or geometrically undefined cutting edges are in particular to be understood; This includes in particular turning, drilling, milling, reaming and grinding, honing, lapping and polishing.
  • the device similar to known devices in which, however, the tool is excited in the ultrasonic range - to support the mechanical processing of difficult-to-work materials, ie in particular long-chipping or hard and / or brittle materials, such as ceramic materials, in particular a variety of silicon Materials such as silicon nitride or silicon oxide, or glass, but also steel.
  • difficult-to-work materials ie in particular long-chipping or hard and / or brittle materials
  • ceramic materials in particular a variety of silicon Materials such as silicon nitride or silicon oxide, or glass, but also steel.
  • the device is designed as a chip removal tool.
  • chip chips can damage the workpiece surface; Furthermore, the chip removal is made more difficult.
  • relatively short chips can be separated when he ⁇ inventive clamping tool due to vibration of Schnei ⁇ delements which the drawbacks of the conventional systems are overcome.
  • the frequency of vibration of the Schneidele ⁇ ment less than 10 kHz, preferably less than 5 kHz, particularly especially less than 1 kHz, more preferably between 500 Hz and 50 Hz.
  • a resonance vibration as this may damage the device.
  • the oscillating device has drive means acting in the oscillation direction of the cutting element or the compensating mass.
  • drive means acting in the oscillation direction of the cutting element or the compensating mass.
  • the drive means of the oscillating device are connected to a control or regulating device which is adapted to control the oscillation of the cutting element, in particular the same as the oscillation of the balancing mass regulate.
  • the vibration of the cutting element is merely controlled.
  • the drive means is driven accordingly.
  • the controller is per ⁇ but embedded in a feedback loop to deviations of the actual vibration waveform of the desired
  • the measuring element and / or the balancing mass is assigned a measuring element, in particular a displacement and / or acceleration sensor, for measuring a characteristic oscillation variable whose measured values are transmitted as the actual variable to the regulating device ⁇ be averaged.
  • the control device compares the actual size of the characteristic oscillation variable with a predetermined one Target size, whereby the control difference is compensated.
  • the drive means of the oscillating device to ⁇ least a piezo element, in particular at least one piezo element for driving the cutting element and at least one further piezo element for driving the balancing mass, have.
  • the piezoelectric element is supplied with electrical pulses which cause a periodic variation in length of the piezo element, which in the vibration of the cutting element or is converted from ⁇ equal mass.
  • a fluid line having a linear drive preferably a hydraulic or pneumatic pulser, is provided, which is coupled to excite the vibration with the cutting element or the balancing mass.
  • a linear drive preferably a hydraulic or pneumatic pulser
  • Such hydraulic pulpers are described, for example, in the article “Hydraulische Pulser” by H. Lohrentz, published in the journal “O + P - ⁇ lhydraulik und Pneumatik” (1999), the entire contents of which are hereby incorporated by reference.
  • the linear drive can be double-acting or single-acting.
  • a compressed air tool may be provided, which is used in the prior art engraving pins.
  • the linear drive has an adjustable stroke frequency.
  • a drive means for the oscillating device and a mechanical drive for example with a cam control, or an electromechanical drive can be provided.
  • the fluid line of the linear drive has a Re ⁇ gelventil, which is connected to the control or regulating device.
  • the fluid line of the linear drive is in communication with a pressure chamber, which is connected to a displaceably mounted, coupled to the cutting element piston.
  • the pressure chamber is connected to a piston opposite the drive of the cutting element with another piston for driving the balancing mass.
  • the fluid pressure in the pressure chamber is in this case converted into the displacement of the two pistons in opposite directions.
  • the cutting element and the balancing mass can be driven via the common pressure chamber, so that can be dispensed with its own, second pressure chamber for the ⁇ equal mass.
  • the design effort for the arrangement of the vibration device is reduced;
  • the error rate of the linear drive is reduced, whereby the operating time can be extended.
  • Another advantage of this embodiment is that only a single control signal is needed with which the pressure in the common pressure chamber is adjusted. As a result, the control or regulation of the vibration can be considerably simplified, as can be dispensed with a synchronization of separate control or control signals for the drive of the cutting element or the balancing mass.
  • At least one compressible fluid which can be filled with a compressible fluid and which is associated with the cutting element or the balancing mass is provided which dampens the oscillation of the cutting element or the balancing mass during operation. Due to the compression chamber, the movement of the cutting element or the leveling compound can be braked in particular at Errei ⁇ chen the end positions of the movement process. By the lifting movement of the cutting element or the balancing mass, the fluid contained in the compression chamber is compressed, wherein a damping effect is achieved by the internal friction of the fluid. In this case, a pressure prevailing in the compression chamber of the fluid can be discharged via a throttle to the outside. According to a preferred embodiment, two compression chambers are provided, which are associated with the vibration of the cutting element or the opposite vibration of the balancing mass.
  • the filling pressure of the compression chamber is variable via a supply with a control valve. Due to the control valve, the base pressure can be set in the compression chamber so that the damping force in dependence can be varied by the Erfor ⁇ dernissen of the respective processing operation.
  • the cutting element is designed as a turning tool, the oscillation of the cutting element taking place in the longitudinal direction of the turning tool.
  • the vibration of the cutting element can be used to separate comparatively short chips from the workpiece, whereby the chip removal is considerably facilitated.
  • the advantages of the invention can also be used with other tools (e.g., drills, cutters, etc.).
  • Particular advantages also include a machine for the mechanical processing of a workpiece, which is equipped with the device described above ⁇ in the manner of a chip tool.
  • the machine has a tool holder in which the device is installed.
  • the device is in this case preferably designed as an insert, which can be arranged exchangeable in the corresponding tool holder of the machine.
  • Machines with suitable tool holders are known in the prior art in various designs, for example as a turning or milling machine.
  • the integration of the oscillating device in the insert part has the advantage that existing Ma ⁇ machines can be retrofitted.
  • the method for machining a workpiece of the type mentioned above is characterized in that a leveling compound is set in oscillation in the opposite direction to the cutting element.
  • the frequency of the oscillation of the cutting element is below 10 kHz, preferably below 5 kHz, in particular below 1 kHz, particularly preferably between 500 Hz and 50 Hz.
  • a chip in a turning operation, is separated from a rotating workpiece, wherein the oscillation of the cutting element is synchronized with the rotation of the workpiece such that a wave crest of a wave-shaped course of the penetration depth of the cutting element into the workpiece at a separation point with a trough a wave-shaped course of the surface of the lifted chip to ⁇ sammeutic.
  • the oscillation of the cutting element is synchronized with the rotation of the workpiece such that a wave crest of a wave-shaped course of the penetration depth of the cutting element into the workpiece at a separation point with a trough a wave-shaped course of the surface of the lifted chip to ⁇ sammeutic.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a device according to the invention for processing a workpiece
  • FIG. 2 shows a sectional view of a device according to a further embodiment of the invention
  • FIG. 3 schematically shows the principle of cutting short chips with a device such as a turning tool according to FIG. 1 or FIG. 2.
  • a device 1 for the mechanical processing of a (schematically drawn) workpiece 2 is shown, which is designed in the embodiment shown as a turning tool.
  • the device 1 comprises a cutting member 3 with a cutting edge 4, with which chips bring ⁇ lifted from the surface of the workpiece 2, after the workpiece 2 has been rotated.
  • the cutting element 3 of the device 1 shown is connected to a vibrating device 5, which is accommodated in a schematically shown housing 7 of the device 1.
  • the oscillating device 5 is adapted to the cutting element 3 in a vibration or in a vibrating movement verset ⁇ zen.
  • the frequency of the vibration of the cutting element between 500 Hz and 50 Hz, ie, a frequency that is lower than the frequency of ultrasound.
  • This may in particular ⁇ sondere the mechanical machining of hard and / or brittle materials such as ceramic materials, particularly a wide variety of silicon materials such as silicon nitride or silicon oxide, or glass, as well as of hardened steel or the like, are supported.
  • the balancing mass 6 and the cutting element 3 have the same longitudinal axis 1 ', so that the balancing mass
  • the drive means of the oscillating device 5 according to FIG. 1 have a piezoelectric element 8 for driving the cutting element 3 and a further piezoelectric element 8 'for driving the compensating mass 6.
  • substantially identical, rod-shaped piezo elements 8, 8 ' are provided.
  • the piezoelectric element 8 is coupled ge ⁇ with the cutting element. 3
  • the application of a suitable electrical voltage to the piezoelectric element 8 causes a periodic change in length, wel ⁇ che is converted into the vibration of the cutting element 3.
  • the further piezoelectric element 8 ' is coupled to the compensating mass 6, so that the compensating mass 6 is offset by a periodicconsmene ⁇ tion of the further piezoelectric element 8' in a opposite vibra ⁇ tion.
  • the piezoelectric element 8 is wound with a helical spring 9, which counteracts the longitudinal expansion of the piezoelectric element 8. Moreover, it is off Fig. 1 shows a return spring 10, which causes a restoring ⁇ force at a displacement of the balancing mass 6 from the rest position.
  • Fig. 1 shows a return spring 10, which causes a restoring ⁇ force at a displacement of the balancing mass 6 from the rest position.
  • the piezoelectric elements can be seen ⁇ instead of a piezo element 'in a (not shown), so that can be dispensed in the initial position of the arrangement of a spring element for returning the driving means.
  • the drive means of the oscillating device 5 are connected to a control or regulating device 11, which controls or controls the oscillation of the cutting element 3 in opposition to the oscillation of the balancing mass 6.
  • a generator 13 is actuated via the control or Re ⁇ gel means 11, which supplies the piezoelectric elements 8, 8 'by appropriate electrical pulses.
  • the electrical pulses are synchronized with one another in such a way that the desired counter-vibration of cutting element 3 and compensating mass 6 is produced.
  • the cutting element 3 is connected to a measuring element 12, so that a control loop is closed ⁇ sen.
  • the sensing element 12 detects a continuously charac ⁇ specific vibration magnitude.
  • the measured values of the oscillation variable are transferred as an actual variable to the control device 11 in order to determine a control deviation by comparison with a predetermined desired value, which is compensated by corresponding control of the drive means.
  • measuring element 12 insbeson ⁇ a particular distance and / or acceleration sensor is provided, which receives the distance traveled by the cutting element 3 path and / or its acceleration. .
  • the compensation ⁇ mass 6 associated measuring element '12 is provided to one of the balancing mass 6 associated characteristic vibration size - independently of the signal of the measuring element 12 - to detect. Accordingly, an actively controlled pulse decoupling can be achieved over which reliable resonant vibrations can be avoided.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the invention. in the following, only the differences from FIG.
  • the embodiment according to FIG. 2, as the drive means comprise a linear actuator 13, in particular in the form of a hydraulic or pneumatic pulser, on which is coupled to the excitation of the vibration with the cutting element 3 and with the balancing mass 6 ⁇ .
  • the linear drive 13 has a (schematically shown ⁇ table) fluid line 14, in which a preferably electromechanical control valve 15 is arranged with an actuator 15 ', via the control or regulating device
  • the pressure chamber 16 is connected to a feed or longitudinal direction 1 'of the cutting ⁇ elements 3 slidably mounted piston 17 in conjunction, which is coupled to the cutting element 3.
  • the pressure chamber 16 is controlled via the control or regulating device 11 with a periodic pressure curve, which is transmitted via the piston 17 to the cutting element 3 in order to set the cutting element 3 in the desired oscillation.
  • a further piston 1, displaceably mounted in the longitudinal direction 1 'of the device 1, is provided on a side of the pressure chamber 16 opposite the piston 17 for driving the cutting element 3, which is arranged to drive the compensating mass 6.
  • the fluid pressure in the pressure chamber 16 can therefore be converted into the displacement of the pistons 17, 18 in opposite directions, so that an opposite vibration of the cutting element 3 and leveling compound 6 is achieved.
  • the additional piston 18 which is coupled to the compensating mass 6 is also displaceably mounted in the piston 17 via a guide 19.
  • the housing 7 spring members 20 between the pistons of the Ver ⁇ displacement of the piston 17 from its starting position counter to reset the further piston 18 are corresponding Fe ⁇ the elements 20 is provided, which between the further piston 18 and the housing 7 act.
  • the housing 7 of the pre ⁇ device 1 each have a cutting element 3 or the off ⁇ equal mass 6 associated compression chamber 21 or 21 ', which via a feed 14' and 14 '' with a compressible fluid is supplied.
  • the supply 14 'or 14'' has ever ⁇ wells a control valve 22 and 23 respectively, each with an actuator 22' and 23 '.
  • the damping chambers 21 and 21 ' allow a targeted damping of the vibration of the cutting element 3 and the compensating mass 6.
  • the damping properties can be influenced by the filling pressure of the compression chamber 21 and 21', which is specified by the control or regulating device 11 ,
  • the device 1 described above can be used in conjunction with a machine such as a rotation system or a combinational ⁇ ned turning / milling machine, which has a suitable tool holder for the device. 1
  • a machine such as a rotation system or a combinational ⁇ ned turning / milling machine, which has a suitable tool holder for the device. 1
  • an existing operating fluid line of the machine in particular a hydraulic line or a cooling lubricant ⁇ line, is used to power the linear drive 13. So ⁇ with the device 1 can be retrofitted with little effort.
  • Fig. 3 the principle of operation of the device 1 during the separation of a comparatively short chip 24 from the workpiece 2 is illustrated.
  • the cutting element 3 is rotated by the oscillating device 5 in ⁇ a vibration which, as described above has a frequency below the ultrasonic.
  • the vibration of the cutting element 3 causes a time dependent on ⁇ pressing force F d (t) of the cutting element 3, so that the depth of penetration of the cutting element 3 a wavy course x d (t) follows, which depends on the amplitude and frequency of vibration.
  • the surface of the chip 24 has a raised ent ⁇ speaking, however, with regard to the cycle time T of the rotational movement of the workpiece 2 by a length E strigobenenen wavy course x d (tT).
  • a constant chip thickness h s is indicated by dashed lines in FIG. 3, which would be achieved with a constant contact force.
  • the vibration of the Cutting elements 3 is synchronized by means of the control or regulating device 11 with the rotation of the workpiece 2 such that a wave peak 25 of the undulating course x d (t) of the penetration depth of the cutting element 3 into the workpiece 2 at a separation point 27 with a trough 26 of Wavy curve x d (tT) of the surface of the lifted chip 24 coincides.
  • a chip 24 is obtained with a periodically tapered cross-section, which can be solved at each separation point 27.
  • a plurality of comparatively short chips 24 can be separated.

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Description

Vorrichtung, Maschine und Verfahren zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere Spanwerkzeug, mit einem Schneidelement zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks, wobei das Schneidelement mit einer Schwingvor¬ richtung verbunden ist, welche dazu eingerichtet ist, das
Schneidelement in eine Schwingung zu versetzen, deren Frequenz niedriger ist als die Frequenz von Ultraschall, sowie eine Ma¬ schine zum mechanischen Bearbeiten eines Werkstücks, mit einer Werkzeugaufnahme zur insbesondere austauschbaren Anordnung einer Vorrichtung, insbesondere Spanwerkzeug, zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Schneidelement, welches in Schwingung versetzt wird, wobei die Frequenz der Schwingung des Schneidelements niedriger ist, als die Frequenz von Ultraschall.
Im Stand der Technik sind verschiedenste Vorrichtungen und Verfahren zur sogenannten Hybridbearbeitung bzw. Ultraschall-unter- stützten Bearbeitung bekannt. Hierbei wird üblicherweise ein Werkzeug im Ultraschallbereich in Schwingung versetzt, wobei als Schwingungsfrequenz vorzugsweise die Eigenfrequenz des Werkzeugs gewählt wird, sodass gewollterweise Resonanzschwingungen auftre¬ ten, durch welche insbesondere bei der spanenden Bearbeitung eines Werkstücks eine unterstützende Wirkung erzielt wird.
Ein im Ultraschallbereich angeregtes Werkzeug ist beispielsweise aus der Publikation „Modeling of material removal rate in rotary ultrasonic machining: designed experiments" von P. Hu, J.M.
Zhang, Z.J. Pei, und Clyde Treadwell bekannt, das im Journal of Materials Processing Technology 129, 2002, 339-344 veröffent¬ licht wurde. Die Anregung des Werkzeugs erfolgt hierbei insbe¬ sondere im Bereich von Resonanzfrequenzen, so dass aufgrund von Resonanzeffekten die Amplitude der Schwingung verstärkt wird. Die Anregung der Schwingung über Resonanzfrequenzen im Ultraschallbereich ist jedoch nachteiligerweise schwer kontrollierbar; bei einer starken mechanischen Kopplung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück kann die Resonanzverstärkung geschwächt werden, wodurch die unterstützende Wirkung der Schwingung verlo- ren geht .
Die EP 0 197 172 AI zeigt ein Verfahren der eingangs erwähnten Art, wobei ein Drehwerkzeug entlang der Linie der Vorschubvekto¬ ren schwingt, so dass die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs sich im Verlauf der Werkstückumdrehung ändert. Die Schwingungs¬ frequenz steht so in Relation zur Drehzahl des Werkzeugs, dass die Wellenlänge oder ihr ganzzahliges Vielfaches zuzüglich einer halben Wellenlänge gleich dem jeweiligen Werkstückumfang ist. Nachteilig ist hierbei insbesondere, dass eine dynamische Beein¬ flussung der das Werkzeug tragenden Vorrichtung auftritt, wodurch diese, insbesondere durch Anregungen von Resonanzfrequenzen, beschädigt werden kann.
Aus der EP 2 269 781 A2 ist weiters ein andersartiger Bohr- bzw. Meisselhammer bekannt, bei welchem ein Schlagwerksmechanismus in Axialrichtung impulsartig antreibbar ist. Im Betrieb des Bohrbzw. Meisselhammers verursacht der Schlagwerksmechanismus bzw. das impulsartig beaufschlagte Werkzeug in einer Rückwirkung Vi¬ brationen im Bohr- bzw. Meisselhammer, insbesondere am Maschinengehäuse, oder in der Handgriffvorrichtung oder am Zusatzhandgriff. Diese Vibrationen werden mit einer Vorrichtung zur Reduktion von Vibrationen ausgeglichen, welche einen beweglich gelagerten Ausgleichskörper und einen Antriebsmechanismus aufweist.
Dieser Stand der Technik befasst sich daher damit, störende Vibrationen zu kompensieren, nicht jedoch mit der Nutzung von Schwingungen für die Unterstützung der Bearbeitung des Werkstücks. Aufgrund des unterschiedlichen Einsatzgebietes wird bei solchen andersartigen Werkzeugmaschinen ein frei schwingendes Masse-Feder-Dämpfungssystem zur Reduktion von Vibrationen verwendet .
In der EP 0 197 172 AI ist ein Verfahren zur Erzeugung von
Bruchspänen bei der Bearbeitung von Werkstücken beschrieben, bei welchem ein schwingendes Werkzeug verwendet wird.
Die EP 0 323 518 AI betrifft einen andersartigen Schwingtisch.
Schließlich ist in der DE-102006049867 AI eine Werkzeugmaschine mit einer Einspannung für ein Werkstück gezeigt. Die Einspannung ist mittels eines Piezoaktors bewegbar. Hiermit sollen für die Oberflächenqualität nachteilige Ratterschwingungen vermieden werden .
Demgegenüber hat die vorliegende Erfindung zum Ziel, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur mechanischen Bearbeitung von Werkstücken zu schaffen, mit welcher bzw. welchem der Schwingungsverlauf unabhängig von Resonanzverstärkungen zuverlässig kontrollierbar ist.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, dass die Schwingvor¬ richtung eine in entgegengesetzter Richtung zum Schneidelement schwingende Ausgleichsmasse aufweist. Mit Hilfe der zum Schneid¬ element gegengleich schwingenden Ausgleichsmasse kann somit eine Impulsentkoppelung erzielt werden, sodass unabhängig von der Eigenfrequenz der Vorrichtung jede beliebige Frequenz zur Bearbeitung des Werkstücks eingestellt werden kann. Somit ist insbeson¬ dere eine aktive Steuerung bzw. Zwangssteuerung der Ausgleichsmasse relativ zur Schwingung des Schneidelements vorgesehen. Die Ausgleichsmasse und das Schneidelement weisen vorzugsweise eine gemeinsame Längsachse auf, wodurch vorteilhafterweise Momenten¬ effekte bei der Ruckentkopplung vermieden werden können. Zur Kompensation der Trägheitskräfte des Schneidelements kann die Ausgleichsmasse eine zum Schneidelement idente Masse aufweisen; in diesem Fall wird die Ausgleichsmasse mit der gleichen Fre¬ quenz und der gleichen Beschleunigung wie das Schneidelement, jedoch mit entgegengesetzter Bewegungsrichtung in Schwingung versetzt. Wenn Schneidelement und Ausgleichsmasse nicht die gleiche Masse aufweisen, kann ein kompensierender Trägheitseffekt über eine Anpassung der Beschleunigung erzielt werden. Sofern die Ausgleichsmasse eine geringere Masse als das Schneid¬ element aufweist, ist es zum Impulsausgleich demzufolge vorteil¬ haft, wenn die Ausgleichsmasse mit der gleichen Frequenz wie und einer größeren Amplitude als das Schneidelement schwingt. Demzu¬ folge schwingt die Ausgleichsmasse mit der gleichen Frequenz wie das Schneidelement, weist jedoch eine höhere Beschleunigung auf und legt somit bei gleicher Frequenz einen größeren Weg zurück. Aufgrund des vergleichsweise hohen Beschleunigungsvermögens kann zudem den Prozess-Reaktionskräften auf vorteilhafte Weise entge- gengewirkt werden.
Wenn das Schneidelement in eine vergleichsweise niederfrequente Schwingung versetzt wird, kann der Schwingungsverlauf zuverläs¬ sig kontrolliert werden, da die Amplitude der Schwingung gezielt über den Hub bei der Anregung der Schwingung eingestellt werden kann. In der Bearbeitung kann daher die gewünschte Schwingungsamplitude unabhängig von der Kopplung zwischen Werkzeug und Werkstück aufrechterhalten werden, so dass die unterstützende Wirkung der Schwingung zuverlässig erreicht wird. Durch die Schwingung des Schneidelements kann die mechanische Bearbeitung des Werkstücks auf vielfältige Weise unterstützt werden. Unter mechanischen Bearbeitungen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind insbesondere jede spanende Bearbeitung mit geome¬ trisch bestimmter oder geometrisch unbestimmter Schneide zu verstehen; dies umfasst insbesondere Drehen, Bohren, Fräsen, Reiben sowie Schleifen, Honen, Läppen und Polieren. Insbesondere kann die Vorrichtung - ähnlich bekannten Vorrichtungen, bei welchen jedoch das Werkzeug im Ultraschallbereich angeregt wird - zur Unterstützung der mechanischen Bearbeitung von schwierig zu bearbeitenden Materialien, d.h. insbesondere von langspanenden bzw. harten und/oder spröden Materialien, wie z.B. Keramikmaterialien, insbesondere verschiedenste Silizium-Werkstoffe, wie Siliziumnitrid oder Siliziumoxid, oder Glas, aber auch Stahl eingesetzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist die Vorrichtung als Spanwerkzeug ausgebildet. Bei bekannten Spanwerkzeugen können während der Bearbeitung des Werkstücks lange, zusammenhängende Fließspäne entstehen, welche beispielsweise durch Knäuelbildung die automatischen Betriebsabläufe beeinträchtigen können. Zudem können Fließspäne die Werkstückoberfläche beschädigen; weiters wird der Spanabtransport erschwert. Demgegenüber können beim er¬ findungsgemäßen Spanwerkzeug aufgrund der Schwingung des Schnei¬ delements vergleichsweise kurze Späne abgetrennt werden, wodurch die Nachteile der herkömmlichen Systeme überwunden werden.
Für die verschiedensten Anwendungen hat es sich als günstig herausgestellt, wenn die Frequenz der Schwingung des Schneidele¬ ments weniger als 10 kHz, vorzugsweise weniger als 5 kHz, insbe- sondere weniger als 1 kHz, besonders bevorzugt zwischen 500 Hz und 50 Hz, beträgt. Im Gegensatz zu bekannten Ultraschall¬ schwingvorrichtungen, bei welchen die Erzielung einer Resonanzschwingung gewünscht ist, soll bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Resonanzschwingung vermieden werden, da dies zur Beschädigung der Vorrichtung führen könnte.
Zur Anregung der Schwingung des Schneidelements ist es von Vorteil, wenn die Schwingvorrichtung in Schwingungsrichtung des Schneidelements bzw. der Ausgleichsmasse wirkende Antriebsmittel aufweist. Je nach Anwendung können prinzipiell verschiedenste, im Stand der Technik in einem anderen Zusammenhang bekannte Antriebsmittel zum Einsatz kommen, welche dazu geeignet sind, die Schwingung des Schneidelements mit einer Frequenz unterhalb von Ultraschall hervorzurufen.
Zur gezielten Beeinflussung der Frequenz der Schwingung des Schneidelements ist es günstig, wenn die Antriebsmittel der Schwingvorrichtung mit einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung verbunden sind, welche dazu eingerichtet ist, die Schwingung des Schneidelements, insbesondere gegengleich zur Schwingung der Ausgleichsmasse, zu steuern bzw. zu regeln. In einer besonders einfachen Ausführung wird die Schwingung des Schneidelements lediglich gesteuert. Hierbei weist die Steuereinrichtung einer geeigneten Steuergröße, insbesondere Frequenz und/oder Amplitude der Schwingung, eine bestimmte Soll-Größe zu, welche an die An¬ triebsmittel der Schwingvorrichtung überliefert wird. Je nach Soll-Größe der Steuergröße wird das Antriebsmittel entsprechend angesteuert. Bevorzugt ist die Steuer- bzw. Regeleinrichtung je¬ doch in eine Rückkopplungsschleife eingebunden, um Abweichungen des tatsächlichen Schwingungsverlaufs von der gewünschten
Schwingung ausregeln zu können.
Zur Regelung der Schwingung des Schneidelements ist es günstig, wenn dem Schneidelement und/oder der Ausgleichsmasse ein Mess¬ element, insbesondere ein Weg- und/oder Beschleunigungssensor, zum Messen einer charakteristischen Schwingungsgröße zugeordnet ist, deren Messwerte als Ist-Größe an die Regeleinrichtung über¬ mittelt werden. Die Regeleinrichtung vergleicht die Ist-Größe der charakteristischen Schwingungsgröße mit einer vorgegebenen Soll-Größe, wobei die Regeldifferenz ausgeregelt wird.
Um Schwingungen der Werkzeugaufnahme im gewünschten Frequenzbe¬ reich auf einfache und zuverlässige Weise zu erzielen, ist es von Vorteil, wenn die Antriebsmittel der Schwingvorrichtung zu¬ mindest ein Piezoelement , insbesondere zumindest ein Piezoele- ment zum Antrieb des Schneidelements und zumindest ein weiteres Piezoelement zum Antrieb der Ausgleichsmasse, aufweisen. Das Piezoelement wird mit elektrischen Impulsen versorgt, die eine periodische Längenveränderung des Piezoelements hervorrufen, welche in die Schwingung des Schneidelements bzw. der Aus¬ gleichsmasse umgesetzt wird.
Hinsichtlich einer einfachen Regelung der Schwingung des Schneidelements und der Ausgleichsmasse ist es von Vorteil, wenn an der Ausgleichsmasse im Wesentlichen die gleiche Art und Anzahl an Piezoelementen angreift wie an dem Schneidelement.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Vorrichtung ist als Antriebsmittel der Schwingvorrichtung ein eine Fluidleitung aufweisender Linearantrieb, vorzugsweise ein hydraulischer oder pneumatischer Pulser, vorgesehen, der zur Anregung der Schwingung mit dem Schneidelement bzw. der Ausgleichsmasse gekoppelt ist. Im Stand der Technik wurden in einem anderen Zusammenhang verschiedenste Linearantriebe, insbesondere hydraulische Pulser, entwickelt, welche zur Anregung von Schwingungen im gewünschten Frequenzband geeignet sind. Solche hydraulischen Pulser werden beispielsweise in dem Artikel "Hydraulische Pulser" von H. Lohr- entz, erschienen in der Zeitschrift "O+P - Ölhydraulik und Pneumatik" (1999), deren vollständiger Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Der Linearantrieb kann doppeltwirkend oder einfachwirkend sein. Zur Ausbildung des Linearantriebs kann insbesondere auch ein Druckluftwerkzeug vorgesehen sein, welches im Stand der Technik bei Gravierstiften eingesetzt wird. Vorzugsweise weist der Linearantrieb eine verstellbare Hubfrequenz auf. Zudem kann als Antriebsmittel für die Schwingvorrichtung auch ein mechanischer Antrieb, beispielsweise mit einer Nockensteuerung, bzw. ein elektromechanischer Antrieb vorgesehen sein.
Zur Einstellung des zeitlichen Druckverlaufs des Linearantriebs ist es günstig, wenn die Fluidleitung des Linearantriebs ein Re¬ gelventil aufweist, das mit der Steuer- bzw. Regeleinrichtung verbunden ist.
Zur Kraftübertragung auf das Schneidelement ist es von Vorteil, wenn die Fluidleitung des Linearantriebs mit einer Druckkammer in Verbindung steht, die mit einem verschieblich gelagerten, mit dem Schneidelement gekoppelten Kolben verbunden ist.
Hinsichtlich einer konstruktiv einfachen, zuverlässig funktionierenden Ausführung ist es günstig, wenn die Druckkammer an einer dem Kolben zum Antrieb des Schneidelements gegenüberliegenden Seite mit einem weiteren Kolben zum Antrieb der Ausgleichsmasse verbunden ist. Der Fluiddruck in der Druckkammer wird hierbei in die Verschiebung der beiden Kolben in entgegengesetzte Richtungen umgesetzt. Somit können das Schneidelement und die Ausgleichsmasse über die gemeinsame Druckkammer angetrieben werden, so dass auf eine eigene, zweite Druckkammer für die Aus¬ gleichsmasse verzichtet werden kann. Hierdurch wird der konstruktive Aufwand für die Anordnung der Schwingungsvorrichtung verringert; zudem wird die Fehleranfälligkeit des Linearantriebs reduziert, wodurch auch die Betriebsdauer verlängert werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass lediglich ein einziges Steuer- bzw. Regelsignal benötigt wird, mit welchem der Druck in der gemeinsamen Druckkammer eingestellt wird. Hierdurch kann die Steuerung bzw. Regelung der Schwingung erheblich vereinfacht werden, da auf eine Synchronisierung getrennter Steuer- bzw. Regelsignalen für den Antrieb des Schneidelements bzw. der Ausgleichsmasse verzichtet werden kann.
Zur Verbesserung der Schwingungseigenschaften hat es sich als günstig erwiesen, wenn zumindest eine mit einem komprimierbaren Fluid befüllbare, dem Schneidelement bzw. der Ausgleichsmasse zugeordnete Kompressionskammer vorgesehen ist, welche im Betrieb die Schwingung des Schneidelements bzw. der Ausgleichsmasse dämpft. Aufgrund der Kompressionskammer kann die Bewegung des Schneidelements bzw. der Ausgleichsmasse insbesondere bei Errei¬ chen der Endlagen des Bewegungsvorgangs abgebremst werden. Durch die Hubbewegung des Schneidelements bzw. der Ausgleichsmasse wird das in der Kompressionskammer enthaltene Fluid komprimiert, wobei durch die innere Reibung des Fluids eine Dämpfungswirkung erzielt wird. Hierbei kann ein in der Kompressionskammer herrschender Überdruck des Fluids über eine Drossel nach außen abgeführt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführung sind zwei Kompressionskammern vorgesehen, welche der Schwingung des Schneidelements bzw. der gegengleichen Schwingung der Ausgleichsmasse zugeordnet sind.
Zur Anpassung der Dämpfungseigenschaften ist es von Vorteil, wenn der Fülldruck der Kompressionskammer über eine Zuführung mit einem Regelventil veränderbar ist. Aufgrund des Regelventils kann der Basisdruck in der Kompressionskammer eingestellt werden, so dass die Dämpfungskraft in Abhängigkeit von den Erfor¬ dernissen des jeweiligen Bearbeitungsvorgangs variiert werden kann .
Gemäß einer bevorzugten Anwendung ist das Schneidelement als Drehmeißel ausgebildet, wobei die Schwingung des Schneidelements in Längsrichtung der Drehmeißel erfolgt. Die Schwingung des Schneidelements kann dazu genutzt werden, vergleichsweise kurze Späne vom Werkstück abzutrennen, wodurch der Spanabtransport beträchtlich erleichtert wird. Die Vorteile der Erfindung können jedoch auch bei anderen Werkzeugen (z.B. Bohrer, Fräser, etc.) genutzt werden.
Besondere Vorteile birgt zudem eine Maschine zum mechanischen Bearbeiten eines Werkstücks, welche mit der vorstehend beschrie¬ benen Vorrichtung in der Art eines Spanwerkzeugs ausgestattet ist. Die Maschine weist eine Werkzeugaufnahme auf, in welcher die Vorrichtung installiert ist. Die Vorrichtung ist hierbei vorzugsweise als Einsatzteil ausgeführt, welcher austauschbar in der entsprechenden Werkzeugaufnahme der Maschine anordenbar ist. Maschinen mit geeigneten Werkzeugaufnahmen sind im Stand der Technik in verschiedensten Ausführungen, beispielsweise als Dreh- bzw. Fräsanlage, bekannt. Die Integration der Schwingvorrichtung in das Einsatzteil hat den Vorteil, dass vorhandene Ma¬ schinen nachgerüstet werden können.
Um die erfindungsgemäße Vorrichtung mit geringem Aufwand in ei¬ ner vorhandenen Maschine installieren zu können, ist es günstig, wenn der Linearantrieb der Schwingvorrichtung an eine Betriebs- fluidleitung der Maschine, insbesondere eine Hydraulikleitung oder einer Kühlschmiermittelleitung, angeschlossen ist. Die bekannten Maschinen verfügen vielfach über eine geeignete Be- triebsfluidleitung, welche dazu genutzt werden kann, den Linea¬ rantrieb der Schwingvorrichtung zu versorgen.
Das Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks der eingangs angeführten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgleichsmasse in entgegengesetzter Richtung zum Schneidelement in Schwingung versetzt wird. Durch die Schwingung der Ausgleichsmasse, welche gegengleich zur Schwingung des Schneidele¬ ments verläuft, werden Resonanzschwingungen vermieden, da der von der Schwingung des Schneidelements übertragene Impuls somit aktiv entkoppelt wird.
Zur Beeinflussung des Bearbeitungsvorgangs ist es von Vorteil, wenn die Frequenz der Schwingung des Schneidelements unter 10 kHz, vorzugsweise unter 5 kHz, insbesondere unter 1 kHz, besonders bevorzugt zwischen 500 Hz und 50 Hz, beträgt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung wird in einer Drehbearbeitung ein Span von einem rotierenden Werkstück abgetrennt, wobei die Schwingung des Schneidelements derart mit der Rotation des Werkstücks synchronisiert wird, dass ein Wellenberg eines wellenförmigen Verlaufs der Eindringtiefe des Schneidelements in das Werkstück an einer Abtrennstelle mit einem Wellental eines wellenförmigen Verlaufs der Oberfläche des abgehobenen Spans zu¬ sammenfällt. Hierdurch werden vergleichsweise kurze Späne abge¬ trennt, so dass die Entstehung von Fließspänen, welche den Arbeitsvorgang erschweren und ein Sicherheitsrisiko darstellen können, zuverlässig vermieden wird. Aufgrund der Synchronisation der Schwingung mit der Rotation des Werkstücks kann eine zuverlässige Abtrennung der Späne auch bei höheren Vorschüben erreicht werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie doch nicht beschränkt sein soll, noch näher erläutert. Im Ein zelnen zeigen in den Zeichnungen: Fig. 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks;
Fig. 2 eine Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einer weite¬ ren Aus führungs form der Erfindung; und
Fig. 3 schematisch das Prinzip beim Abtrennen von kurzen Spänen mit einer Vorrichtung in der Art einesr Drehmeißels gemäß Fig. 1 oder Fig. 2.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zur mechanischen Bearbeitung eines (schematisch eingezeichneten) Werkstücks 2 gezeigt, welche in der gezeigten Ausführung als Drehmeißel ausgeführt ist. Die Vorrichtung 1 weist ein Schneidelement 3 mit einer Schneide 4 auf, mit welcher Späne von der Oberfläche des Werkstücks 2 abge¬ hoben werden, nachdem das Werkstück 2 in Rotation versetzt wurde .
Bei der Drehbearbeitung mit herkömmlichen Spanwerkzeugen werden vielfach Fließspäne, d.h. lange, zusammenhängende Späne, gebil¬ det, welche den Arbeitsvorgang beeinträchtigen können. Demgegenüber ist das Schneidelement 3 der gezeigten Vorrichtung 1 mit einer Schwingvorrichtung 5 verbunden, welche in einem schematisch gezeigten Gehäuse 7 der Vorrichtung 1 aufgenommen ist. Die Schwingvorrichtung 5 ist dazu eingerichtet, das Schneidelement 3 in eine Schwingung bzw. in eine vibrierende Bewegung zu verset¬ zen. Für die verschiedensten Anwendungen hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Frequenz der Schwingung des Schneidelements zwischen 500 Hz und 50 Hz beträgt, d.h. eine Frequenz, die niedriger ist als die Frequenz von Ultraschall. Hiermit kann insbe¬ sondere die mechanische Bearbeitung von harten und/oder spröden Materialien, wie z.B. Keramikmaterialien, insbesondere verschiedenste Silizium-Werkstoffe wie Siliziumnitrid oder Siliziumoxid, oder Glas, aber auch gehärtetem Stahl oder dergleichen, unterstützt werden.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, erfolgt die Schwingung des Schneid¬ elements 3 in Längsrichtung 1' der Vorrichtung 1, welche der Vorschubrichtung des Schneidelements 3 entspricht (vgl. Doppel- pfeil 6) . Der Rotationsbewegung des Werkstücks 2 relativ zur Schneide 4 des Schneidelements 3 wird somit eine periodische Be¬ wegung des Schneidelements 3 im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks 2 überlagert. Hierdurch können während der Drehbearbeitung des Werkstücks 2 vergleichsweise kurze Späne ab¬ getrennt werden, wie im Zusammenhang mit Fig. 3 näher erläutert wird. Dies hat den Vorteil, dass der Abtransport der Späne we¬ sentlich verbessert werden kann. Zudem kann das Sicherheitsrisi¬ ko aufgrund von umherfliegenden, vergleichsweise langen Flie߬ spänen verringert werden. Dieses Sicherheitsrisiko besteht ei¬ nerseits darin, dass längere Späne Beschädigungen des Werkzeugs bzw. des Werkstücks hervorrufen könnten; zudem könnte das Bedienpersonal des Werkzeugs gefährdet werden.
Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, weist die Schwingvorrichtung
5 eine in entgegengesetzter Richtung zum Schneidelement 3 schwingende Ausgleichsmasse 6 auf, mit welcher die vom schwin¬ genden Schneidelement 3 eingeleiteten Trägheitsimpulse aktiv entkoppelt werden. Zur Anregung der Schwingung weist die
Schwingvorrichtung 5 in Schwingungsrichtung des Schneidelements
3 bzw. in Richtung der Schwingung der Ausgleichsmasse 6 wirkende Antriebsmittel auf. Die Ausgleichsmasse 6 und das Schneidelement 3 weisen dieselbe Längsachse 1' auf, so dass die Ausgleichsmasse
6 und das Schneidelement 3 in derselben Ebene schwingen.
Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, weisen die Antriebsmittel der Schwingvorrichtung 5 gemäß Fig. 1 ein Piezoelement 8 zum Antrieb des Schneidelements 3 und ein weiteres Piezoelement 8' zum Antrieb der Ausgleichsmasse 6 auf. In der gezeigten Ausführung sind im Wesentlichen idente, stabförmige Piezoelemente 8, 8' vorgesehen. Das Piezoelement 8 ist mit dem Schneidelement 3 ge¬ koppelt. Das Anlegen einer geeigneten elektrischen Spannung an das Piezoelement 8 bewirkt eine periodische Längenänderung, wel¬ che in die Schwingung des Schneidelements 3 umgesetzt wird. Das weitere Piezoelement 8' ist mit der Ausgleichsmasse 6 gekoppelt, so dass die Ausgleichsmasse 6 über eine periodische Längenände¬ rung des weiteren Piezoelements 8' in eine gegengleiche Schwin¬ gung versetzt wird. In der gezeigten Ausführung ist das Piezoelement 8 mit einer Schraubenfeder 9 umwunden, welche der Längenausdehnung des Piezoelements 8 entgegenwirkt. Zudem ist aus Fig. 1 eine Rückstellfeder 10 ersichtlich, welche bei einer Verschiebung der Ausgleichsmasse 6 aus der Ruhelage eine Rückstell¬ kraft hervorruft. Andererseits können in einer (nicht gezeigten) Ausführung anstelle des einen Piezoelements 8 bzw. 8' jeweils zwei in entgegengesetzte Richtungen wirkende Piezoelemente vor¬ gesehen sein, so dass auf die Anordnung eines Federelements zur Rückstellung der Antriebsmittel in die Ausgangslage verzichtet werden kann.
Wie aus Fig. 1 weiters schematisch ersichtlich, sind die Antriebsmittel der Schwingvorrichtung 5 mit einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung 11 verbunden, welche die Schwingung des Schneidelements 3 gegengleich zur Schwingung der Ausgleichsmasse 6 steuert bzw. regelt. Gemäß Fig. 1 wird über die Steuer- bzw. Re¬ geleinrichtung 11 ein Generator 13 angesteuert, welcher die Piezoelemente 8, 8' mit geeigneten elektrischen Impulsen versorgt. Die elektrischen Impulse sind derart miteinander synchronisiert, dass die gewünschte gegengleiche Schwingung von Schneidelement 3 und Ausgleichsmasse 6 hervorgerufen wird.
Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, ist das Schneidelement 3 mit einem Messelement 12 verbunden, so dass ein Regelkreis geschlos¬ sen wird. Das Messelement 12 erfasst laufend eine charakteristi¬ sche Schwingungsgröße. Die Messwerte der Schwingungsgröße werden als Ist-Größe an die Regeleinrichtung 11 übergeben, um durch Vergleich mit einer vorgegebenen Soll-Größe eine Regelabweichung zu bestimmen, welche durch entsprechende Ansteuerung der Antriebsmittel ausgeregelt wird. Als Messelement 12 ist insbeson¬ dere ein Weg- und/oder Beschleunigungssensor vorgesehen, welcher den vom Schneidelement 3 zurückgelegten Weg und/oder dessen Beschleunigung aufnimmt. Wie in Fig. 1 mit strichlierten Linien angedeutet ist, ist vorzugsweise ein weiteres, der Ausgleichs¬ masse 6 zugeordnetes Messelement 12' vorgesehen, um eine der Ausgleichsmasse 6 zugeordnete charakteristische Schwingungsgröße - unabhängig vom Signal des Messelements 12 - zu erfassen. Demnach kann eine aktiv gesteuerte Impulsentkoppelung erzielt werden, über welche zuverlässig Resonanzschwingungen vermieden werden können.
In Fig. 2 ist eine weitere Aus führungs form der Erfindung ge- zeigt, wobei im folgenden lediglich auf die Unterschiede zu Fig,
I eingegangen wird. Die Ausführung gemäß Fig. 2 weist als Antriebsmittel einen Linearantrieb 13, insbesondere in Form eines hydraulischen oder pneumatischen Pulsers, auf, der zur Anregung der Schwingung mit dem Schneidelement 3 und mit der Ausgleichs¬ masse 6 gekoppelt ist. Der Linearantrieb 13 weist eine (schema¬ tisch dargestellte) Fluidleitung 14 auf, in welcher ein vorzugsweise elektromechanisches Regelventil 15 mit einem Stellglied 15' angeordnet ist, das über die Steuer- bzw. Regeleinrichtung
II angesteuert wird.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, führt die Fluidleitung 14 des Linearantriebs 13 über das Regelventil 15 in eine Druckkammer 16 in¬ nerhalb des Gehäuses 7 der Vorrichtung 1. Die Druckkammer 16 steht mit einem in Vorschub- bzw. Längsrichtung 1' des Schneid¬ elements 3 verschieblich gelagerten Kolben 17 in Verbindung, welcher mit dem Schneidelement 3 gekoppelt ist. Die Druckkammer 16 wird über die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 11 mit einem periodischen Druckverlauf angesteuert, welcher über den Kolben 17 auf das Schneidelement 3 übertragen wird, um das Schneidelement 3 in die gewünschte Schwingung zu versetzen.
Wie aus Fig. 2 weiters ersichtlich, ist an einer dem Kolben 17 zum Antrieb des Schneidelements 3 gegenüberliegenden Seite der Druckkammer 16 ein weiterer in Längsrichtung 1' der Vorrichtung 1 verschieblich gelagerter Kolben 18 vorgesehen, welcher zum Antrieb der Ausgleichsmasse 6 eingerichtet ist. Der Fluiddruck in der Druckkammer 16 kann daher in die Verschiebung der Kolben 17, 18 in entgegengesetzte Richtungen umgesetzt werden, so dass eine gegengleiche Schwingung von Schneidelement 3 und Ausgleichsmasse 6 erzielt wird. Gemäß Fig. 2 ist der mit der Ausgleichsmasse 6 gekoppelte weitere Kolben 18 zudem über eine Führung 19 verschieblich im Kolben 17 gelagert.
Wie aus Fig. 2 weiters ersichtlich, sind zwischen dem Kolben 17 und dem Gehäuse 7 Federelemente 20 angeordnet, welche der Ver¬ schiebung des Kolbens 17 aus seiner Ausgangslage entgegenwirken Zur Rückstellung des weiteren Kolbens 18 sind entsprechende Fe¬ derelemente 20 vorgesehen, welche zwischen dem weiteren Kolben 18 und dem Gehäuse 7 wirken. Wie aus Fig. 2 weiters ersichtlich, weist das Gehäuse 7 der Vor¬ richtung 1 jeweils eine dem Schneidelement 3 bzw. der Aus¬ gleichsmasse 6 zugeordnete Kompressionskammer 21 bzw. 21' auf, welche über eine Zuführung 14' bzw. 14'' mit einem komprimierbaren Fluid versorgt wird. Die Zuführung 14' bzw. 14'' weist je¬ weils ein Regelventil 22 bzw. 23 mit jeweils einem Stellglied 22' bzw. 23' auf. Die Kompressionskammern 21 bzw. 21' ermöglichen eine gezielte Dämpfung der Schwingung des Schneidelements 3 bzw. der Ausgleichsmasse 6. Die Dämpfungseigenschaften können hierbei über den Fülldruck der Kompressionskammer 21 bzw. 21' beeinflusst werden, welcher von der Steuer- bzw. Regeleinrichtung 11 vorgegeben wird.
Die zuvor beschriebene Vorrichtung 1 kann in Verbindung mit einer Maschine, beispielsweise eine Drehanlage oder eine kombi¬ nierte Dreh-/Fräsanlage, verwendet werden, welche eine passende Werkzeugaufnahme für die Vorrichtung 1 aufweist. Bei der Ausfüh¬ rung der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 2 ist es hierbei von Vorteil, wenn eine bereits vorhandene Betriebsfluidleitung der Maschine, insbesondere eine Hydraulikleitung oder einer Kühlschmiermittel¬ leitung, zur Versorgung des Linearantriebs 13 genutzt wird. So¬ mit kann die Vorrichtung 1 mit geringem Aufwand nachgerüstet werden .
In Fig. 3 ist das Funktionsprinzip der Vorrichtung 1 beim Abtrennen eines vergleichsweise kurzen Spans 24 vom Werkstück 2 veranschaulicht. Das Schneidelement 3 wird mittels der Schwing¬ vorrichtung 5 in eine Schwingung versetzt, die, wie oben beschrieben, eine Frequenz unterhalb von Ultraschall aufweist. Die Schwingung des Schneidelements 3 bewirkt eine zeitabhängige An¬ presskraft Fd(t) des Schneidelements 3, so dass die Eindringtiefe des Schneidelements 3 einem wellenförmigen Verlauf xd(t) folgt, welcher von der Amplitude und der Frequenz der Schwingung abhängt. Die Oberfläche des abgehobenen Spans 24 weist einen ent¬ sprechenden, jedoch hinsichtlich der Umlaufzeit T der Rotationsbewegung des Werkstücks 2 um eine Länge E verschobenenen wellenförmigen Verlauf xd(t-T) auf. Zum Vergleich ist in Fig. 3 strich- liert eine konstante Spandicke hs angedeutet, welche mit einer gleichbleibenden Anpresskraft erzielt würde. Die Schwingung des Schneidelements 3 wird mittels der Steuer- bzw. Regeleinrichtung 11 derart mit der Rotation des Werkstücks 2 synchronisiert, dass ein Wellenberg 25 des wellenförmigen Verlaufs xd(t) der Eindringtiefe des Schneidelements 3 in das Werkstück 2 an einer Abtrennstelle 27 mit einem Wellental 26 des wellenförmigen Verlaufs xd(t-T) der Oberfläche des abgehobenen Spans 24 zusammenfällt. Somit wird ein Span 24 mit einem periodisch verjüngten Querschnitt erhalten, welcher sich an jeder Abtrennstelle 27 lösen kann. Somit können während einer Umdrehung des Werkstücks 2 eine Vielzahl von vergleichsweise kurzen Spänen 24 abgetrennt werden.

Claims

Patentansprüche :
1. Vorrichtung (1), insbesondere Spanwerkzeug, mit einem Schnei¬ delement (3) zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks (2), wobei das Schneidelement (3) mit einer Schwingvorrichtung (5) verbunden ist, welche dazu eingerichtet ist, das Schneidelement (3) in eine Schwingung zu versetzen, deren Frequenz niedriger ist als die Frequenz von Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingvorrichtung (5) eine in entgegengesetzter Richtung zum Schneidelement (3) schwingende Ausgleichsmasse (6) auf¬ weist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Schwingung des Schneidelements (3) weniger als 10 kHz, vorzugsweise weniger als 5 kHz, insbesondere weniger als 1 kHz, besonders bevorzugt zwischen 500 Hz und 50 Hz, beträgt.
3. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingvorrichtung (5) in Schwingungs¬ richtung des Schneidelements (3) bzw. der Ausgleichsmasse (6) wirkende Antriebsmittel aufweist.
4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmittel der Schwingvorrichtung (5) mit einer Steuerbzw. Regeleinrichtung (11) verbunden sind, welche dazu einge¬ richtet ist, die Schwingung des Schneidelements (3), insbesonde¬ re gegengleich zur Schwingung der Ausgleichsmasse (6), zu steuern bzw. zu regeln.
5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schneidelement (3) und/oder der Ausgleichsmasse (6) ein Messelement (12, 12')/ insbesondere ein Weg- und/oder Beschleu¬ nigungssensor, zum Messen einer charakteristischen Schwingungsgröße zugeordnet ist, deren Messwerte als Ist-Größe an die Rege¬ leinrichtung (11) übermittelt werden.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmittel der Schwingvorrichtung zu¬ mindest ein Piezoelement (8; 8')/ insbesondere zumindest ein Piezoelement (8) zum Antrieb des Schneidelements (3) und zumin- dest ein weiteres Piezoelement (8') zum Antrieb der Ausgleichs¬ masse (6), aufweisen.
7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ausgleichsmasse (6) im Wesentlichen die gleiche Art und Anzahl an Piezoelementen (8, 8') angreift wie an dem Schneidelement (3) .
8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebsmittel der Schwingvorrichtung (5) ein eine Fluidleitung (14) aufweisender Linearantrieb (13), vorzugsweise ein hydraulischer oder pneumatischer Pulser, vorgesehen ist, der zur Anregung der Schwingung mit dem Schneidelement (3) bzw. der Ausgleichsmasse (6) gekoppelt ist.
9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (14) des Linearantriebs (13) ein Regelventil (15) aufweist, das mit der Steuer- bzw. Regeleinrichtung (11) verbunden ist.
10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (14) des Linearantriebs (13) mit einer Druckkammer (16) in Verbindung steht, die mit einem verschieblich gelagerten, mit dem Schneidelement (3) gekoppelten Kolben (17) verbunden ist.
11. Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (16) an einer dem Kolben (17) zum Antrieb des Schneidelements (3) gegenüberliegenden Seite mit einem wei¬ teren Kolben (18) zum Antrieb der Ausgleichsmasse (6) verbunden ist .
12. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine mit einem komprimierbaren Fluid befüllbare, dem Schneidelement (3) bzw. der Ausgleichsmas¬ se (6) zugeordnete Kompressionskammer (21; 21') vorgesehen ist, welche im Betrieb die Schwingung des Schneidelements (3) bzw. der Ausgleichsmasse (6) dämpft.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichn dass der Fülldruck der Kompressionskammer (21, 21') über eine Zuführung (14', 14'') mit einem Regelventil (22, 23) veränderbar ist .
14. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidelement (3) als Drehmeißel aus¬ gebildet ist, wobei die Schwingung des Schneidelements (3) in Längsrichtung (1') der Drehmeißel erfolgt.
15. Maschine zum mechanischen Bearbeiten eines Werkstücks, mit einer Werkzeugaufnahme zur insbesondere austauschbaren Anordnung einer Vorrichtung, insbesondere Spanwerkzeug, zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks, dadurch gekennzeichnet, dass in der Werkzeugaufnahme eine Vorrichtung (1), insbesondere Span¬ werkzeug, zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 angeordnet ist.
16. Maschine nach Anspruch 15 mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (13) der Schwingvorrichtung (5) an eine Betriebsfluidleitung der Maschine, insbesondere eine Hy¬ draulikleitung oder einer Kühlschmiermittelleitung, angeschlossen ist.
17. Verfahren zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks (2) mit einem Schneidelement (3), wobei das Schneidelement (3) in Schwingung versetzt wird und die Frequenz der Schwingung des Schneidelements (3) niedriger ist als die Frequenz von Ultra¬ schall, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgleichsmasse (6) in entgegengesetzter Richtung zum Schneidelement (3) in Schwingung versetzt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Schwingung des Schneidelements (3) unter 10 kHz, vorzugsweise unter 5 kHz, insbesondere unter 1 kHz, besonders bevorzugt zwischen 500 Hz und 50 Hz, beträgt.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Drehbearbeitung ein Span (24) von einem rotierenden Werkstück (2) abgetrennt wird, wobei die Schwingung des Schneidelements (3) derart mit der Rotation des Werkstücks (2) synchronisiert wird, dass ein Wellenberg (25) eines wellenförmigen Verlaufs (xd(t)) der Eindringtiefe des Schneidelements (3) in das Werkstück (2) an einer Abtrennstelle (27) mit einem Wellen¬ tal (26) eines wellenförmigen Verlaufs (xd(t-T)) der Oberfläche des abgehobenen Spans (24) zusammenfällt.
PCT/AT2013/050076 2012-03-28 2013-03-27 Vorrichtung, maschine und verfahren zur mechanischen bearbeitung eines werkstücks Ceased WO2013142890A1 (de)

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