[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bearbeitung von sehr hartem Werkstoff
mittels eines Bearbeitungswerkzeugs und in einem fließfähigen Medium enthaltenem losem
Korn, wobei das Bearbeitungswerkzeug in einer Werkzeugaufnahme einer rotierend antreibbaren
Spindel gehalten ist. Eine derartige Vorrichtung benutzt man beispielsweise, um aus
dem Werkstoff ein Werkstück her zustellen oder ein aus dem Werkstoff anderweitig
gefertigtes Werkstück weiterzubearbeiten. Während die erfindungsgemäße Vorrichtung
vor allen Dingen zur Bearbeitung von sehr hartem, vielfach als Ultrahartwerkstoff
bezeichnetem Werkstoff oder hieraus hergestellten Werkstücken vorgesehen ist, muß
es sich bei der vorbekannten Vorrichtung nicht in jedem Anwendungsfall um extrem hartes
Material handeln. Bei dem mit der Vorrichtung des Standes der Technik durchgeführten
Bearbeitung handelt es sich beispielsweise um das Läppen. Das Bearbeitungswerkzeug
ist in diesem Falle ein Läppdorn. Zwischen dessen rotierender Oberfläche und dem Werkstoff
oder Werkstück - nachfolgend wird der Einfachheit halber lediglich noch von Werkstoff
gesprochen, ohne daß dies einschränkend verstanden werden darf - befindet sich eine
Läppaste oder Läppsuspension, die aus dem fließfähigen Medium und darin eingelagertem,
losem Korn besteht. Jedes einzelne lose Korn bearbeitet aufgrund der ihm vom Bearbeitungswerkzeug
aufgezwungenen Relativbewegung zum Werkstück dessen Oberfläche an der betreffenden
Stelle. Insgesamt erfolgt eine sehr feine Bearbeitung durch das lose Korn insgesamt.
Man erhält eine sehr glatte Oberfläche, jedoch pro Zeiteinheit einen nur verhältnismäßig
geringen Abtrag des Werkstoffs.
[0002] Damit vergleichbar ist auch eine Vorrichtung zum Schleifen mit losem Korn, die zumindest
dem Prinzip nach gleich oder ähnlich arbeitet.
[0003] Das Bearbeitungsergebnis bei einer derartigen Vorrichtung ist zwar in aller Regel
sehr gut, jedoch dann besonders zeitaufwendig, wenn relativ viel Material abgetragen
werden soll und der Werkstoff besonders hart ist.
[0004] Die Aufgabe der Erfindung besteht infolgedessen darin, eine Vorrichtung der eingangs
beschriebenen Art so weiterzubilden, daß die Bearbeitungszeit ohne Beeinträchtigung
der Qualität der Bearbeitung reduziert werden kann.
[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Vorrichtung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechend dem kennzeichnenden Teil dieses
Anspruchs ausgebildet ist. Mit dieser Vorrichtung kann der herkömmlichen Bearbeitung
durch die Suspension mit dem losen Korn eine Bearbeitung mittels Ultraschall überlagert
werden, wodurch sich die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht und somit beispielsweise
eine Bohrung, ein Durchbruch od. dgl. in einem plattenförmigen Werkstoff oder Teil
eines Werkstücks erheblich schneller erstellt oder vergrößert werden kann. Theoretisch
ist es möglich, sowohl der herkömmlichen Bearbeitung im Sinne eines Läpp- oder Schleifvorgangs
die für sich allein bekannte Ultraschallbearbeitung zu überlagern oder aber nur eine
dieser beiden Bearbeitungsarten anzuwenden. Sofern es werkstoffgerecht ist und im
Sinne der Aufgabenstellung eine Beschleunigung der Bearbeitung verlangt wird, findet
eine überlagerte Bearbeitung aus beiden Arten statt.
[0006] Es ist zwar bereits bekannt, ein Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug in Drehung zu versetzen,
jedoch geschieht dies lediglich zum Zwecke einer exakt rotationssymetrischen Ausbildung
der zu erstellenden Bohrung. Man kann hierdurch eine unrunde Form des Bearbeitungswerkzeugs
kompensieren. Die Rotationsbewegung bzw. die Umfangsgeschwindigkeit am Außenumfang
des arbeitenden Endes des Bearbeitungswerkzeugs ist verhältnismäßig gering, so daß
das lose Korn hinsichtlich der Bearbeitungsgeschwindigkeit nichts bewirken kann und
die Vorrichtung gleich lange braucht wie eine vergleichbare Vorrichtung mit nicht
drehbarem Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug. Die Vorrichtung ist dem Prinzip nach
eine reine Ultraschall-Bearbeitungsvorrichtung für sehr harte Werkstoffe oder Werkstücke.
Die Drehzahl der Ausführungsform mit in Drehrichtung antreibbarem Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug
liegt in der Größenordnung von etwa 25 bis 50 Umdrehungen pro Minute.
[0007] Wenn die Suspension bzw. das in dieser Suspension enthaltene lose Korn eine aus der
Drehbewegung des Bearbeitungswerkzeugs resultierende Bearbeitung vornehmen können
soll, so muß die Drehzahl der Spindel eine Größenordnung erreichen, wie man sie bei
Schleifmaschinen, Läppmaschinen oder ähnlicher, mit einer solchen Suspension arbeitenden
Maschinen kennt. Bezogen auf die bei der Ultraschall-Bearbeitung üblicherweise verwendeten
Werkzeugquerschnitte - gemessen am freien Werkzeugende -, sind Spindeldrehzahlen
in der Größenordnung von 5.000 bis 8.000 Umdrehungen pro Minute erforderlich, wenn
der Ultraschall-Bearbeitung eine wirksame Rotationsbearbeitung überlagert werden
soll. Denkbar sind auch noch höhere Drehzahlen, wie beispielsweise 10.000 U/min. Bei
größeren Werkzeugquerschnitten kann auch eine geringere Drehzahl von beispielsweise
2.000 oder 3.000 U/min. für die zusätzliche "Rotationsbearbeitung" ausreichen. Maßgeblich
ist die Umfangsgeschwindigkeit, wobei der eine Rotationsbearbeitung ermöglichende
Wert materialabhängig ist. Dies legt gewissermaßen den unteren Grenzwert fest, während
ein oberer Grenzwert für die Maximaldrehzahl der Spindel eher von maschinenbaulichen
und/oder kostenmäßigen Überlegungen abhängt.
[0008] Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet erstmalig die Überlagerung einer Ultraschall-Bearbeitung
mit einer dem Schleifen oder Läppen ähnlichen Bearbeitung unter Ausnutzung des Ultraschall-Bearbeitungswerkzeugs
sowie der bei der Ultraschall-Bearbeitung ohnehin vorhandenen Einrichtung für die
Zufuhr und Abfuhr einer Schleifmittelsuspension od. dgl.
[0009] Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Ultraschallwandler abnehmbar
gehalten ist. Man kann ihn nicht nur zu Reparaturzwecken oder zum Austausch gegen
eine andere Ausführungsform abnehmen, vielmehr kann man diese Vorrichtung im Sonderfall
auch ohne den Ultraschallwandler betreiben, wenn man den Ultraschallwandler durch
eine entsprechende Werkzeugaufnahme ersetzt, in welche man ein für die Rotationsbearbeitung
brauchbares Werkzeug einsetzen kann oder wenn sich an der Trennstelle eine gegebenenfalls
zusätzliche Werkzeugaufnahme befindet. In gleicher Weise kann man, wie bereits erläutert,
natürlich auch den Drehantrieb stillsetzen und die Vorrichtung nur wie eine Ultraschall-Bearbeitungsvorrichtung
ohne Rotation des Ultraschall-Bearbeitungswerkzeugs benutzen. Nicht zuletzt bietet
sich noch die Möglichkeit an, in die anstelle des Ultraschall-Wandlers montierte
oder nach dessen Abnahme zugängliche Werkzeugaufnahme ein Bearbeitungswerkzeug mit
festem Korn, also beispielsweise einen Schleifer, einzusetzen und ohne oder auch
mit Suspension im Rotationsbetrieb zu arbeiten. Anstelle der Suspension kann auch
eine andere Flüssigkeit, beispielsweise Kühlflüssigkeit, treten, wenn eine entsprechende
Zuführmöglichkeit geschaffen wird oder vorhanden ist.
[0010] Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß der
Schwinger des Ultraschallwandlers über zwei in Achsrichtung versetzte Lager in einem
insbesondere hülsenartigen Ultraschallwandler-Gehäuse gehalten ist, wobei der Abstand
der Lager bei mitschwingendem Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug etwa λ /2 beträgt und
den Lagern benachbarte Schwingungsknoten zugeordnet sind. Hierdurch ist gewährleistet,
daß dem freien Ende des Ultraschall-Bearbeitungswerkzeugs ein Schwingungsbauch zugeordnet
ist und somit die maximal mögliche Leistung auf das Werkstück übertragen werden kann.
Ein weiterer Schwingungsbauch ist dem freien Ende der hinteren Endmasse zugeordnet.
Von dort bis zum freien Ende des Ultraschall-Bearbeitungswerkzeugs liegt eine gesamte
Wellenlänge λ des schwingungsfähigen Systems vor.
[0011] Eine weitere Variante der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen
dem vom Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug entfernten Lager des Schwingers und einer
inneren Endmasse ein Ultraschall-Geberpaar befindet und die Spindel mit einem rotatorischen
Stromabnehmer hierfür ausgestattet ist. Beim Geberpaar handelt es sich in bekannter
Weise um Piezogeber, die elektrisch erregt werden. Das Geberpaar und die hintere Endmasse
werden beispielsweise mit Hilfe einer Schraube fest am Schwinger fixiert. Der rotatorische
Stromabnehmer dient in diesem Falle zur Stromzuführung für das Ultraschall-Geberpaar,
und er befindet sich im Falle eines abnehmbaren Ultraschallwandlers an dem an der
Vorrichtung verbleibenden Teil der Spindel. Bevorzugterweise ist nur ein einziges
Ultraschall-Geberpaar vorgesehen.
[0012] Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist durch eine zweifach gelagerte Spindel
gekennzeichnet, wobei sich die Spindellager in Gebrauchslage der Vorrichtung oberhalb
des Ultraschallwandlers befinden. An ihnen ist der auch im Falle eines abnehmbaren
Ultraschallwandlers verbleibende Teil der Spindel gelagert. Es muß sich um hochpräzise
Lager handeln, weil einerseits die Drehzahl sehr hoch und andererseits der Ultraschallwandler
gewissermaßen fliegend gelagert ist.
[0013] Das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug, der Ultraschallwandler und die Spindel bzw.
der über dem Ultraschallwandler befindliche Spindelteil sind in sehr vorteilhafter
Weise mit einem gemeinsamen Absaugkanal für das fließfähige Medium mit dem losen
Korn ausgestattet. Der Bearbeitungsstelle wird das fließfähige Medium mit dem Korn
- nachfolgend wird der Einfachheit halber lediglich noch von Suspension geredet, obwohl
dies nicht einschränkend gemeint ist - über einen geeigneten Zulauf, vorzugsweise
ein Röhrchen, in ausreichender Menge zugeführt. Aufgrund einer Sogwirkung im Bereich
der Bearbeitungsstelle wird die Suspension in den Spaltraum zwischen Werkstück und
Bearbeitungswerkzeug hineingesaugt und über den vorzugsweise etwa zentrisch mündenden
Absaugkanal wegtransportiert. Somit ist jeweils frische und korrekt temperierte Suspension
im Bereich der Bearbeitungsstelle. Die abgesaugte Suspension wird in geeigneter und
bekannter Weise aufgearbeitet, gereinigt und, soweit erforderlich, hinsichtlich des
losen Korns erneuert.
[0014] Zweckmäßigerweise durchsetzt der Kanal das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug, den
Ultraschallwandler und zumindest einen wesentlichen Teil der Spindel in axialer Richtung,
vorzugsweise zentrisch, wobei eine obere Kanalmündung mit einem Behälter verbunden
ist oder sich innerhalb eines Behälters befindet. Bei zentrisch verlaufendem Absaugkanal
muß dessen oberes Ende in wenigstens einen Querkanal übergehen, falls der Austritt
nicht an der Spindelstirnseite vorgesehen oder möglich ist.
[0015] Eine Weiterbildung der Erfindung ist durch einen Auffangbehälter am oberen Spindelende
mit zumindest einer Abflußöffnung für das aufgefangene Medium gekennzeichnet. Die
Abflußöffnung ist beispielsweise mit einem Vorratsbehälter verbunden oder auch nur
mit einem Auslaufrohr, über welches die Suspension an eine geeignete Stelle abfließen
kann. Zweckmäßigerweise befindet sich das obere Kanalende, insbesondere das obere
Spindelende, innerhalb des Auffangbehälters.
[0016] Eine weitere Variante der Erfindung kennzeichnet sich durch eine zweite Öffnung des
Auffangbehälters, die über eine Leitung, einen Kanal od. dgl. mit der Druckseite einer
Spülpumpe verbunden ist. Zum jeweils geeigneten oder auch notwendigen Zeitpunkt wird
der Auffangbehälter jeweils gespült. Durch das Spülen wird eine Ansammlung des losen
Korns im Auffangbehälter, insbesondere an dessen Boden und/oder im Bereich des Abflusses,
verhindert. Das Spülen wird zweckmäßigerweise mit Suspension vorgenommen, so daß
man eine Trennung des Spülmittels und der für die Bearbeitung benötigten Suspension
vermeidet.
[0017] Aus konstruktiven Gründen ist es besonders vorteilhaft, daß der Absaugkanal, zumindest
im Bereich des Ultraschallwandlers, durch ein vorzugsweise zentrisches Röhrchen des
letzteren gebildet ist. Es ragt an seinem unteren Ende in die Werkzeugaufnahme hinein
und kann dort mit dem im Bearbeitungswerkzeug enthaltenen Teil des Kanals gekuppelt
werden. Bei abnehmbarem Ultraschallwandler reicht das Röhrchen bis in den Bereich
der Trennstelle, so daß dort in geeigneter Weise eine dichte hydraulische Verbindung
mit einem weiterführenden Kanalteil im Innern der Spindel geschaffen werden kann.
[0018] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Spin del mit einer Vorrichtung
zum Gewichtsausgleich verbunden. Über diese kann die Spindel mit sämtlichen daran
gehaltenen Teilen, also insbesondere dem Ultraschallwandler und dem Bearbeitungswerkzeug,
aber auch den Spindellagern und dem rotatorischen Stromabnehmer entgegen der Schwerkraft
belastet werden, so daß das freie Ende des Bearbeitungswerkzeugs zwar auf dem Werkstück
aufliegt, auf dieses aber keine Druckkraft ausübt. Dies dient zur Festlegung eines
Nullpunkts für den Anpreßdruck des Bearbeitungswerkzeugs am Werkstück. Das Anheben,
oder genau gesagt, die Gewichtsentlastung, kann mittels einer pneumatischen, hydraulischen
oder magnetischen Hilfskraft erfolgen. Bei unveränderlichem Gewicht kann auch eine
Federkraft Anwendung finden bzw. eine Feder oder Federeinheit die Vorrichtung zum
Gewichtsausgleich bilden.
[0019] Eine weitere Ausgestaltung kennzeichnet sich dadurch, daß die Vorrichtung zum Gewichtsausgleich
zugleich auch eine Vorrichtung zur Anpressung des Bearbeitungswerkzeugs am Werkstück
bildet oder sie damit verbunden ist. Insbesondere bei einer pneumatischen oder hydraulischen
Hilfskraft bietet sich eine derartige Kombination beider Vorrichtungen an, wobei
man mit der einen Vorrichtung gewissermaßen den Nullpunkt festlegt und mit der anderen
die erforderliche Anpreßkraft aufbringt. Es kommt bei der Ultraschallbearbeitung
vor allen Dingen auf eine stets konstante Anpreßkraft des Bearbeitungswerkzeugs am
Werkstoff bzw. Werkstück an, und man erreicht dies mit Hilfe einer entsprechenden
Steuerung, welche beispielsweise über einen Wegaufnehmer die Bearbeitungsspindel um
den Betrag nachstellt, um welchen das Bearbeitungswerkzeug in das Werkstück eingedrungen
ist.
[0020] Dementsprechend sieht eine weitere Variante der Erfindung vor, daß eine gemeinsame
Vorrichtung zum Gewichtsausgleich und zur Werkzeuganpressung als pneumatische oder
hydraulische Vorrichtung ausgebildet ist und einen doppeltwirkenden Arbeitszylinder
oder zumindest eine in einem doppeltwirkenden Gehäuse eingespannte Membrane aufweist,
wobei die beidseits des Kolbens des Arbeitszylinders oder beidseits der Membrane
gelegenen Räume mit je einer hydraulischen oder pneumatischen Druckquelle verbunden
sind. Die erste Druckquelle dient zur Aufgabe des Druckes für den Gewichtsausgleich,
wobei sie mit dem unteren Hydraulik- oder Pneumatikraum verbunden ist. Über die zweite
Druckquelle gibt man dann den genau regelbaren Anpreßdruck auf. Den Druck für die
Gewichtsentlastung kann man rechnerisch festlegen.
[0021] Eine Weiterbildung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß unterhalb der Membrane
der gemeinsamen Vorrichtung eine zusätzliche Membrane eingespannt und der Raum zwischen
den Membranen mit einer der Druckquellen verbunden ist. Bei letzterem handelt es sich
selbstverständlich um den Kompensationsdruck für den Gewichtsausgleich. Durch die
Verwendung zweier, im Abstand hintereinander geschalteter Membranen vermeidet man
eine aufwendige Abdichtung des verschiebbaren, nach unten austretenden Elements gegenüber
einem ortsfesten Vorrichtungs-Gehäuseteil od. dgl. Im übrigen ist es ohne weiteres
möglich und in nicht näher gezeigter Weise beim Ausführungsbeispiel auch vorgesehen,
daß die gesamte Einheit einschließlich der gemeinsamen Vorrichtung zum Gewichtsausgleich
und zur Werkzeuganpressung insgesamt mittels eines Grobvorschubs hochgehoben oder
abgesenkt werden kann, um sie gegenüber einem Maschinenständer od. dgl. so verfahren
zu können, daß Bearbeitungswerkzeuge unterschiedlicher Länge und/oder Werkstoffe
oder Werkstücke unterschiedlicher Höhe bearbeitet werden können.
[0022] Die Werkzeugaufnahme ist vorteilhafterweise konisch ausgebildet und das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug
weist einen passenden Gegenkonus am Befestigungsende auf. Es ist insbesondere vorgesehen,
daß das Bearbeitungswerkzeug einen Außenkonus in der Art eines bekannten Morsekegels
mit Selbsthemmung aufweist.
[0023] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Drehantrieb
der Spindel absatzweise einschaltbar ist. Dies ermöglicht ein Drehen des Bearbeitungswerkzeugs
um einen vorgesehen Winkelbetrag, so daß man zum Beispiel bei einem nicht rotationssymmetrischen
Querschnitt Durchbrüche erstellen kann, deren Querschnittsform sich aus mehreren Einzelquerschnitten
der "Schneide" des Ultraschall-Bearbeitungswerkzeugs zusammensetzt. Lediglich beispielsweise
sei ein sternförmiger Querschnitt erwähnt, der mittels eines Bearbeitungswerkzeugs
erstellt werden kann, das eine oder zwei einander gegenüberliegende Schneiden aufweist,
deren Querschnitt der Zackenquerschnittsform des Sterns entspricht.
[0024] Eine andere, sehr wichtige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug
und/oder der Werkstoff quer zur Spindelachse verlagerbar ist bzw. sind, wobei die
Bewegung vorteilhafterweise senkrecht zur Spindellängsachse verläuft. Hierdurch ist
es möglich, mit einem Werkzeug verhältnismäßig geringen Bearbeitungsquerschnitts
relativ große Durchbrüche oder Nuten und dgl. zu erstellen.
[0025] Die Erfindung bezieht sich des weiteren auf ein Verfahren zur Bearbeitung eines
sehr harten Werkstoffs mit einer Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche. Bislang war es nur möglich, einen harten Werkstoff oder ein daraus gefertigtes
Werkstück entweder mit Ultraschall oder durch Schleifen mit festem oder losem Korn
zu bearbeiten. Daneben gibt es selbstverständlich noch eine ganze Reihe weiterer,
bekannter Bearbeitungsverfahren. Bei sehr hartem bzw. ultrahartem Werkstoff, wie beispielsweise
Keramik, Sintermaterial, z. B. Hartmetall und dgl., gibt es bisher nur die Möglichkeit
der Ultraschall-Bearbeitung, wenn beispielsweise eine Kontur aus dem vollen Material
geschaffen oder in letztere Bohrungen, Durchbrüche od. dgl. eingearbeitet werden sollen.
[0026] Um nun auch bei diesen speziellen Materialien, und vor allen Dingen beim Arbeiten
ins Volle, die Bearbeitungszeit verkürzen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
daß bei einem Verfahren zum Bearbeiten eines sehr harten Werkstoffs mit einer Vorrichtung
nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche der fließfähige Träger mit dem
darin enthaltenen losen Korn über einen Spaltraum zwischen dem mit hoher Umfangsgeschwindigkeit
rotierenden Werkzeug und der Bearbeitungsstelle des Werkstoffs zur geometrischen
Achse hin abgesaugt wird, wobei durch das lose Korn Werkstoffteilchen abgetragen werden,
und daß der Spaltraum mittels Ultraschall periodisch verengbar ist, wodurch der Durchströmbewegung
des losen Korns das Bearbeiten verstärkende Stoßimpulse überlagert werden. Das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug
arbeitet bei diesem Verfahren zugleich in der Art eines Läppdorns oder Schleifwerkzeugs
für eine Schleifsuspension. Das lose Korn kann hierbei in doppelter Hinsicht von ein
und demselben Werkzeug ausgenutzt werden. Wenn mit letzterem eine Bohrung erstellt
wird, so ist deren Durchmesser im Gegensatz zur reinen Ultraschall-Bearbeitung etwa
um doppelte Kornstärke größer, weil sich die losen Körner nicht nur unterhalb dem
freien Werkzeugende, sondern rings um dessen bearbeitenden Endbereich befinden.
[0027] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung
zeigt ein Ausführungsbeispiel. Hierbei stellen dar:
Fig. 1: in schematisierter Darstellung einen Verikalschnitt durch den wesentlichsten
Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2: einen Ausschnitt im Bereich des Auffangsbehälters in vergrößertem Maßstab.
[0028] An einem Gestell 1 od. dgl. der Vorrichtung ist ein Vorschubkopf 2 im Sinne des Doppelpfeils
3 auf und ab verstellbar sowie feststellbar. Die Verstellung erfolgt in bekannter
Weise, insbesondere mit Hilfe eines Verstellmotors. Sie dient zum groben Ausrichten
eines Ultraschall-Bearbeitungswerkzeugs 4 gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstoff
5 bzw. einem Werkstück. Dieses wird mittels eines symbolisch gezeichneten Werkstückhalters
6 gegenüber dem Bearbeitungswerkzeug 4 ausgerichtet. In nicht dargestellter Weise
kann man auch das Bearbeitungswerkzeug gegenüber dem Werkstoff quer zur Bewegungsrichtung
3 ausrichten. Wird jedoch der Werkstoff gegenüber dem Bearbeitungswerkzeug in die
für die Bearbeitung korrekte Position gebracht, so kann man den Werkstückhalter 6
beispielsweise im Sinne des Doppelpfeils 7 oder auch quer dazu auf einem Tisch 8 od.
dgl. der Vorrichtung bzw. des Gestells 1 verlagern und anschließend arreteren. Beim
zu bearbeitenden Werkstoff handelt es sich bevorzugterweise um sogenannten Ultrahartwerkstoff,
also beispielsweise Hartmetall, Keramik oder anderes gesintertes oder auf ähnliche
Weise hergestelltes Material, das mit herkömmlichen Bearbeitungswerkzeugen nicht
oder nur sehr unzulänglich bearbeitet werden kann. Die Bearbeitungsvorrichtung besitzt
eine Spindel 9, die mittels zweier übereinander angeordneter Lager 10 und 11 gelagert
ist. Diese müssen die auftretenden Radial- und Axialkräfte übertragen. Die Spindel
kann mittels eines Motors 12, insbesondere Elektromotors, angetrieben werden. Der
Antrieb erfolgt beispielsweise über einen Zahnriemen 13, der Zahnräder am Motor sowie
der Spindel 9 umschlingt. Die Spindeldrehzahl ist verhältnismäßig hoch und kann in
der Größenordnung von 5.000 bis 8.000 U/min. oder noch etwas höher liegen. Soweit
erforderlich, kann man die Spindel auch mit etwas geringerer Drehzahl antreiben. Die
Spindellager befinden sich in einem Vorrichtungsteil 14, das mit einer Pinole vergleichbar
und im Sinne des Doppelpfeils 15 relativ zum Vorschubkopf 2 auf und ab verschiebbar
ist. Für eine leichtgängige Lagerung sorgt ein Kugelrollkäfig 16. Die Verschiebebewegung
in Richtung des Doppelpfeils 15, die nachstehend noch näher erläutert wird, ist gegenüber
der Verschiebebewegung des Vorschubkopfs 2 äußerst minimal. Während der Betriebs wird
über die Verschiebebewegung 15, beispielsweise das Werkzeug 4, um den Betrag zugestellt,
um welchen es in den Werkstoff 5 eingedrungen ist. Die Zustellung erfolgt kontinuierlich
über eine äußerst präzise Regelung, welche einen konstanten Auflagedruck des Ultraschall-Bearbeitungswerkzeugs
auf dem Werksstoff gewährleistet.
[0029] Am freien Ende der Spindel 9 befindet sich ein vorzugsweise abnehmbarer Ultraschallwandler
17. Dieser ist mit einer Werkzeugaufnahme 18 für das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug
4 ausgestattet. Sie kann beispielsweise einen Innenkonus aufweisen, in welchen ein
Außenkonus am Befestigungsende des Bearbeitungswerkzeugs 4 eingreift, wobei der Keilwinkel
so gewählt ist, daß eine Selbsthemmung gewährleistet ist, wie man das beispielsweise
von Zerspanungswerkzeugen mit Morsekegel kennt. Denkbar ist aber auch jede andere,
insbesondere bei Ultraschall-Bearbeitungsvorrichtungen bekannte Befestigungsart für
das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug 4. Aus dem Vorstehenden ergibt sich im übrigen,
daß der Ultraschallwandler 17 gewissermaßen den unteren Teil der Spindel 9 bildet.
Um einen einwandfreien Rundlauf zu gewährleisten, ist zwischen dem Ultraschallwandler
17 und dem darüber befindlichen Teil der Spindel 9 eine Zentrierung 19 vorgesehen.
[0030] Der Ultraschallwandler 17 ist mit einem Schwinger 20 bekannter Bauart ausgestattet.
Dieser ist über zwei in Achsrichtung versetzte Lager 21 und 22 in einem vorzugsweise
etwa hülenartigen Ultraschallwandler-Gehäuse 23 gelagert. Deren Vertikalabstand ist
so gewählt, daß bei eingesetztem Bearbeitungswerkzeug 4 etwa in der Mitte jeder Lagerscheibe
ein Schwingungsknoten der Schwingung λ des Schwingungssystems gelegen ist, so daß
die Lagerscheiben gegenüber dem Gehäuse 23 in Ruhelage sind. Demgegenüber ist dem
Bearbeitungsende des Bearbeitungswerkzeugs 4 ein Schwingungsbauch der Schwingung λ
zugeordnet, so daß die Schwingungsenergie dort mit ihrem Maximalwert ausgekoppelt
wird. Ein um λ hiervon entfernter Schwingungsbauch ist dem inneren Ende der hinteren
Endmasse 24 zugeordnet. Unerhalb der letzteren befindet sich ein aus Ultraschall-Gebern
25 und 26 bestehendes Ultraschall-Geberpaar bekannter Bauart, wobei es sich beim
Ausführungsbeispiel um sogenannte Piezo-Geber handelt. Sie werden über einen rotatorischen
Stromabnehmer 27 mit elektrischem Strom versorgt. Letzterer verbleibt bei abgenommenem
Ultraschallwandler 17 am oberen Spindelteil.
[0031] Die Ultraschall-Bearbeitung eines Werkstoffs oder Werkstücks erfordert das Vorhandensein
einer sogenannten Suspension. Diese besteht aus einem fließfähigen Medium 28, welche
"loses Korn" 29 mit sich führt. Das "lose Korn" besteht aus einzelnen sehr feinen
und scharfkantigen Partikelchen, welche durch die Ultraschallwellen wie winzige Meisel
gegen die der freien Endfläche des Ultraschall-Bearbeitungswerkzeugs 4 gegenüberliegende
Teilfläche des Werkstoffs 5 gestoßen werden und dabei winzige Teilchen aus dem Werkstoff
heraushauen. Wenn sich das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug nicht dreht, so entsteht
aufgrund des Ultraschall-Antriebs des Bearbeitungswerkzeug 4 im Werkstoff 5 eine
Vertiefung, deren Querschnittsform mit dem Querschnitt am Bearbeitungsende des Bearbeitungswerkzeugs
4 identisch ist.
[0032] Die Suspension 29, 29 wird der Bearbeitungsstelle über eine symbolisch eingezeichnete
Einrichtung 30 zugeführt. Über einen Kanal 31 kann die Suspension abgesaugt werden
und dies ist zumindest bei rotierender Spindel 9 auch der Fall. Er durchsetzt das
Bear beitungswerkzeug 4 , von dessen Bearbeitungs- zu dessen Befestigungsende und
er setzt sich dann im Ultraschallwander 17 fort. Dort ist er in Form eines dünnen
Röhrchens vorhanden. Dieses reicht bis etwa zur Zentrierung 19 oder geringfügig darüber
hinaus. Anschließend handelt es sich bevorzugterweise um eine zentrische Bohrung
in der Spindel 9, so wie dies auch beim Bearbeitungswerkzeug 4 vorgesehen ist. Am
oberen Ende kann der zentrische axiale Kanal in einen radialen übergehen, welcher
nach außen mündet. Die angesaugte Suspension gelangt zunächst in einen Auffangbehälter
32 (Fig. 2), aus welchem es über eine, vorzugsweise dem Boden zugeordnete Öffnung
33 abgeführt werden kann.
[0033] Der Auffangbehälter 32 besitzt noch eine zweite Öffnung 34, zu welcher eine Leitung
35 führt. Diese ist in nicht näher gezeigter Weise mit der Druckseite einer Spülpumpe
verbunden, so daß der Behälter 32 über die Leitung 35, vorzugsweise mit frischer bzw.
aufgearbeiteter Suspension gespült werden kann. Im übrigen wird der Behälter gemäß
Fig. 2 mittels einer Sicherung 36 gegen Drehen gesichert.
[0034] Wie bereits angedeutet, ist die Spindel 9 mit einer Vorrichtung 37 zum Anpressen
des Ultraschallwerkzeugs an den Werkstoff 5 ausgestattet. Diese ist beim Ausführungsbeispiel
mit einer Vorrichtung 38 für einen Gewichtsausgleich kombiniert. Bevorzugterweise
handelt es sich dabei um eine pneumatisch oder hydraulisch arbeitende Vorrichtung,
wobei im Falle des Ausführungsbeispiels der pneumatischen Hilfsenergie der Vorzug
gegeben wird.
[0035] Die gegenüber dem Vorschubkopf 2 verschiebbaren zusammenhängenden Teile sind beispielsweise
über einen Haltedorn 39 mit einem hydraulischen oder pneumatischen Antrieb verbunden.
Dabei kann es sich um einen doppeltwirkenden Arbeitszylinder oder wie beim Ausführungsbeispiel
um ein Gehäuse 40 mit wenigstens einer Membrane 41 handeln. Um Dichtungen am Durchtritt
des Haltedorns 39 durch das Gehäuse 40 zu vermeiden, sieht eine bevorzugte Ausbildung
der Vorrichtung vor, daß sich unterhalb der Membrane 41 eine zusätzliche, nach unten
hin abgestützte Membrane 42 befindet. Beide Membranen sind innen und außen dicht eingespannt.
Der oberhalb der Membrane 41 gelegene Druckraum 43 ist mit einer Druckleitung 44 pneumatisch
bzw. hydraulisch verbunden, während eine weitere Druckleitung 45 in den zweiten Druckraum
46 mündet. Weil die zusätzliche Membrane 42 nach unten hin nicht ausweichen kann,
bewirkt eine Erhöhung des Druckes im zweiten Druckraum 46 ein Anheben des Haltedorns
39 und aller daran gehaltenen Teile im Sinne des Pfeils 47. Somit kann man über die
Leitung 45 das Bearbeitungswerkzeug 4 so weit vom Werkstoff 5 "abheben", daß es diesen
zwar gerade noch berührt, aber keine aus dem Gewicht herrührende Druckkraft darauf
ausübt. Demnach dient also die Vorrichtung 38 zum Gewichtsausgleich bzw. zur Festlegung
eines Nullpunkts für die Anpressung des Bearbeitungswerkzeugs 4 am Werkstoff 5. Wenn
die Auflagekraft des Bearbeitungswerkzeugs 4 auf Null einreguliert ist, so kann man
einen Weggeber 48 ebenfalls auf Null stel len. Mit seiner Hilfe kann man die Relativbewegung
des Bearbeitungswerkzeugs 4 gegenüber dem normalerweise feststehenden Vorschubkopf
2 ermitteln. Diese gibt ein Maß für die Bearbeitungstiefe ab und zugleich auch ein
Signal für das notwendige Nachstellen des Bearbeitungswerkzeugs mit Hilfe der Vorrichtung
37. Letztere kann infolgedessen ein konstantes Andrücken des Ultraschall-Bearbeitungswerkzeugs
an den Werkstoff unabhängig von der jeweiligen Tiefe der Bearbeitung gewährleisten.
Es ist leicht einzusehen, daß man durch eine Erhöhung des Druckes im Druckraum 43
das notwendige Nachstellen des Bearbeitungserkzeugs 4 bewirken kann. Hierbei ist zu
beachten, daß mit dem Absinken des Bearbeitungswerkzeugs und damit einem Durchbiegen
der Membrane 41 nach unten der Druck im Raum 43 im Verhältnis zur Raumvergrößerung
abfällt. Durch ständige Kompensation läßt sich dieser Druck konstant halten, was
natürlich eine Überwachung des Druckes durch einen geeigneten Druckggeber voraussetzt,
der über eine geeignete Steuerung die Zufuhr von Druckmedium über die Leitung 44 bewirkt.
Im übrigen ist es wohl selbstverständlich, daß der Ultraschallwandler 17 in bekannter
Weise auch einen nicht näher gezeigten Ultraschalltransformator enthält.
[0036] Es bleibt noch nachzutragen, daß ein oberes Lager 49 der Spindel 9 mittels einer
Scheibe 50 vor einer Beschädigung durch die Suspension geschützt ist und eine weitere
Scheibe 51 ein darüber befindliches weiteres oberes Lager 52 in gleicher Weise schützt.
Der Abstand der Scheiben vom Auffangbehälter 32 ist in vorteilhafter Weise außerordentlich
gering und im Sinne einer Spaltdich tung od. dgl. ausgeführt. Die obere Kanalmündung
53, über welche die angesaugte Suspension in den Auffangbehälter 32 gelangt, befindet
sich selbstverständlich zwischen den beiden Scheiben 50 und 51. Im übrigen erfolgt
das Ansaugen durch die Erzeugung eines entsprechenden Unterdrucks im Auffangbehälter
32.
[0037] Wie vorstehend bereits erläutert wurde, kann mit dem Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug
4 im herkömmlicher Weise gearbeitet werden, wobei man es mit geringer Drehzahl oder
auch nur absatzweise um einen bestimmten Winkelgrad drehen kann. Das Drehen mit geringer
Drehzahl gewährleistet eine rotationssymmetrische Bohrung auch bei nicht hundertprozentig
rundem oder bewußt unrundem Querschnitt des Bearbeitungswerkzeugs am freien Ende.
Wenn man jedoch das Bearbeitungswerkzeug mit hoher Drehzahl antreibt, so daß eine
im Hinblick auf den zu bearbeitenden Werkstoff ausreichend große Umfangsgeschwindigkeit
am Außenumfang des bearbeitenden Endes des Ultraschall-Werkzeugs 4 vorliegt, so wird
der normalen Ultraschall-Bearbeitung eine weitere Bearbeitung überlagert, die ebenfalls
von der zugeführten Suspension bzw. dem darin enthaltenen losen Korn 29 bewirkt wird
und zwar in der Weise, wie man das beim Läppen, Schleifen mit losem Korn oder vergleichbaren
mechanischen Bearbeitungsverfahren kennt. Das lose Korn wird vom sich schnell drehenden
Bearbeitungswerkzeug in Drehrichtung mitgenommen und es findet damit auch eine Bearbeitung
an der Bohrungswandung statt. Infolgedessen wird der Bohrungsdurchmesser um etwa
zweifache Korngröße größer als es dem Durchmesser des Bearbei tungswerkzeugs 4 bzw.
dessen Flugkreisdurchmesser entspricht. Diese kombinierte Ultraschall- und Schleif-
oder Läppbearbeitung ermöglicht eine wesentliche Beschleunigung bei der Erstellung
einer Bohrung. Im übrigen kann man aus dieser Bohrung durchaus auch einen Längsschlitz
machen, wenn man eine Relativbewegung zwischen Bearbeitungswerkzeug und Werkstück,
beispielsweise im Sinne des Doppelpfeils 7 oder in anderer Querrichtung vorsieht.
Bei einer geschlossenen Nut läßt sich so mit einem verhältnismäßig kleinen Bearbeitungswerkzeug
ein großer Durchbruch sehr schnell schaffen. Dieser Durchbruch kann im Rahmen der
Querverschiebemöglichkeit eine beliebige Form aufweisen. Selbstverständlich wird die
Querverschiebung zweckmäßigerweise über eine Steuerung der Maschine bewirkt, wobei
der Quervorschub entsprechend den zu berücksichtigenden Parametern wie Werkstoff,
Querschnitt des Bearbeitungswerkzeugs sowie Leistung des Drehantriebs und des Ultraschall-Antriebs
festzulegen ist.
1. Vorrichtung zur Bearbeitung von sehr hartem Werkstoff (5) mittels eines Bearbeitungswerkzeugs
(4) und in einem fließfähigen Medium (28) enthaltenem losen Korn (29), wobei das Bearbeitungswerkzeug
(4) in einer Werkzeugaufnahme (18) einer rotierend antreibbaren Spindel (9) gehalten
ist, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Spindelende als Ultraschallwandler (17)
ausgebildet oder mit einem solchen verbunden ist, wobei sich die Werkzeug-Aufnahme
(18) am Ende des Ultraschallwandlers (17) befindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwander
(17) abnehmbar gehalten ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (20)
des Ultraschallwandlers (17) über zwei in Achsrichtung versetzte Lager (21, 22) in
einem, insbesondere hülsenartigen, Ultraschallwandler-Gehäuse (23) gehalten ist,
wobei der Abstand der Lager (21, 22) bei mitschwingendem Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug
(4) etwa λ /2 beträgt und den Lagern (21, 22) benachbarte Schwingungsknoten zugeordnet
sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem vom
Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug (4) entfernten Lager (21) des Schwingers (20) und
einer inneren Endmasse (24) ein Ultraschall-Geberpaar (25, 26) befindet und die Spindel
(9) mit einem rotatorischen Stromabnehmer (27) hierfür ausgestattet ist.
5. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch eine zweifach gelagerte Spindel (9), wobei sich die Spindellager (10, 11) in
Gebrauchslage der Vorrichtung oberhalb des Ultraschallwandlers (17) befinden.
6. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug (4), der Ultraschallwandler (17) und die
Spindel (9) bzw. der über dem Ultraschallwandler befindliche Teil der Spindel mit
einem gemeinsamen Absaugkanal (31) für das fließfähige Medium (28) mit dem losen Korn
(29) ausgestattet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (31) das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug
(4), den Ultraschall-Wandler (17) und zumindest einen wesentlichen Teil der Spindel
(9) in axialer Richtung, vorzugsweise zentrisch, durchsetzt, wobei eine obere Kanalmündung
(53) mit einem Behälter (32) verbunden ist oder sich innerhalb eines Behälters befindet.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Auf fangbehälter (32)
am oberen Spindelende mit zumindest einer Abflußöffnung (33) für das aufgefangene
Medium.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine zweite Öffnung (34) des
Auffangbehälters (32), die über eine Leitung (35), einen Kanal od. dgl. mit der Druckseite
einer Spülpumpe verbunden ist.
10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Absaugkanal (31) zumindest im Bereich des Ultraschallwandlers (17) durch
ein vorzugsweise zentrisches Röhrchen des letzteren gebildet ist.
11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spindel (9) mit einer Vorrichtung zum Gewichtsausgleich (38) verbunden ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum
Gewichtsausgleich (38) zugleich auch eine Vorrichtung (37) zur Anpressung des Bearbeitungswerkzeugs
(4) am Werkstoff (5) bildet oder sie damit verbunden ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Vorrichtung
(37, 38) zum Gewichtsausgleich und zur Werkzeuganpressung als pneumatische oder hydraulische
Vorrichtung ausgebildet ist und einen doppelt wirkenden Arbeitszy linder oder zumindest
eine in einem doppelt wirkenden Gehäuse (40) eingespannte Membrane (41) aufweist,
wobei die beidseits des Kolbens des Arbeitszylinders bzw. beidseits der Membrane (41)
gelegene Räume (43 und 46) mit je einer hydraulischen oder pneumatischen Druckquelle
verbunden (44, 45) sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Membrane
(41) der gemeinsamen Vorrichtung (37, 38) eine zusätzliche Membrane (42) eingespannt
und der Raum (46) zwischen den Membranen (41, 42) mit einer der Druckquellen verbunden
(45) ist.
15. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Werkzeugaufnahme (18) konisch ausgebildet ist und das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug
(4) einen passenden Gegenkonus am Außenende aufweist.
16. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Drehantrieb (12) der Spindel (9) absatzweise einschaltbar ist.
17. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ultraschall-Bearbeitungswerkzeug (4) und/oder der Werkstoff (5) quer zur
Spindelachse verlagerbar ist bzw. sind.
18. Verfahren zum Bearbeiten eines sehr harten Werkstoffs mit einer Vorrichtung nach
wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der fließfähige
Träger mit dem darin enthaltenen losen Korn über einen Spaltraum zwischen dem mit
hoher Umfangsgeschwindigkeit rotierenden Werkzeug und der Bearbeitungsstelle des Werkstoffs
zur geometrischen Achse hin abgesaugt wird, wobei durch das lose Korn Werkstoffteilchen
abgetragen werden, und daß der Spaltraum mittels Ultraschall periodisch verengbar
ist, wodurch der Durchströmbewegung des losen Korns das Bearbeiten verstärkende Stoßimpulse
überlagert werden.