Die Erfindung betrifft ein ultraschallerregtes eigenfrequent schwingendes Honwerkzeug mit einer freien Länge, die gleich dem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der Ultraschallschwingung ist, und mit einem Schneidmittelbelag, dessen Vorhaltekontur in Ruhestellung in Abweichung von der Arbeitskontur im erregten Arbeitszustand derart bestimmt ist, dass sich die Arbeitskontur bei Ultraschallerregung unter Berücksichtigung der Amplitude der radialen Schwingungskomponente aus der Vorhaltekontur ergibt.
Ein derartiges Honwerkzeug ist in der internationalen Anmeldung PCT/EP 91/02064 (EP-555285) beschrieben. Die Anmeldung ist Stand der Technik nach Art. 54 (3) EPÜ. Einzelne Merkmale sind bereits aus der DE-OS 39 19 895.2 bekannt geworden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Honwerkzeug dieser Art derart weiterzuentwickeln, dass die Schneidleistungen weiterhin verbessert werden.
Die Erfindung wird durch die im Patentanspruche 1 angegebenen Merkmale gelöst. Es hat sich gezeigt, dass eine solche Übergangskontur auf das sog. Transformationsverhältnis und das Schwingungsverhalten, sowie als konstruktiver Parameter eine vorteilhafte Wirkung hat.
Die Erfindung betrifft betrifft ferner verschiedene vorteilhafte Weiterbildungen. Diese sind in den Unteransprüchen definiert.
Die Erfindung macht sowohl eine Oberflächenverbesserung als auch eine verbesserte Formkorrektur von Bohrungen möglich. Insbesondere ist die verbesserte Formkorrektur hervorzuheben, da das Arbeiten mit einem erfindungsgemäß gestalteten Werkzeug höhere Abtragleistungen bei extremer Genauigkeit als bei den vorbekannten Werkzeugen ermöglicht.
Eine weitere Variante dieser Hochfrequenz-Honwerkzeuge ist auch bei unrunden Werkstücken anwendbar, so z. B. zur Bearbeitung von ovalen Bohrungen, Trochoiden oder Innenverzahnungen. Diese Werkzeuge werden dann nicht mehr, wie beim Honen üblich, gedreht, sondern nur noch ultraschallerregt und in Längsrichtung in die unrunden Innenformen eingeschoben.
Das in dieser Anmeldung dargestellte Hochfrequenz-Honwerkzeug ist aber auch zur Bearbeitung von Außenkonturen geeignet. Dazu ist ein glockenförmiges Werkzeug notwendig, welches seine unrunde Kontur und die Diamantbeschichtung innen aufweist. Derartige Werkzeuge sind für den Einsatz beim Bearbeiten von Außenverzahnungen und Polygonprofilen brauchbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer vorteilhafte Weiterbildungen werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:
Figur 1 zeigt ein Honwerkzeug 1, das mit seinem durch einen Außenkonus 2 gebildeten oberen Ende in dem Innenkonus 3 eines Schallübertragungskörpers 4 sitzt, der Teil einer Spindelanordnung 5 ist. Zu dieser Spindelanordnung gehört ein Gehäuse 6, das über ein Zahnrad 7 und einen Zahnriemen 8 drehangetrieben wird. Das Zahnrad 7 sitzt auf einem drehgelagerten Wellenstumpf 9. Die Spindelanordnung 5 zusammen mit dem (nicht gezeigten) Drehantrieb des Zahnriemens 9 kann an einer vertikalen Führung auf- und abbewegt werden, so daß das Honwerkzeug gleichzeitig eine Dreh- und eine Hubbewegung, wie durch die Pfeile 10,11 angedeutet, ausführen kann. Auf dem oberen Ende des Schallübertragungskörpers 4 sind zwei Schwingquarze (piezzoelektrische Elemente) 12,13 angeordnet, denen die Erregerspannung über eine Leitung 14 zugeführt wird, die durch eine Öffnung im Gehäuse 6 herausgeführt und dort über Schleifringe ihrerseits mit der erforderlichen Wechselspannung versorgt wird. Oberhalb der Schwingquarze ist eine Ausgleichsmasse 15 angeordnet. Der Schallübertragungskörper 4 weist Flansche 16,17 auf, die im Gehäuse 6 eingespannt sind, die aber - wie zeichnerisch dargestellt - verdünnte Stellen aufweisen, so daß damit der Schallübertragungskörper frei beweglich aufgehängt ist. Das Honwerkzeug 1 ist mit einem Flansch 21 versehen, der zum Abziehen ein Außengewinde aufweist. Bei Erregung der Schwingquarze 12,13 mit einer Erregungsfrequenz im Ultraschallbereich, z.B. zwischen 20 bis 24 kHz, entwickelt eine Ultraschallschwingung mit einer Komponente in axialer Richtung und einer Komponente in radialer Richtung. Rechts neben der Spindelanordnung sind die Amplitude AA der Schwingungskomponente in axialer Richtung und die Amplitude der Schwingungskomponente AR in radialer Richtung in ihrer räumlichen Lage im Verhältnis zur Spindelanordnung und Werkzeug aufgezeichnet. Es bildet sich somit im Schallübertragungskörper 4 und im Honwerkzeug eine eigenfrequente Ultraschallschwingung aus, d.h. das Honwerkzeug 1 überträgt die Schwingung nicht als gleichsam als starrer Körper, sondern gerät selbst in Schwingung. Dies erfolgt, wenn seine Länge, wie dargestellt, gleich der halben Wellenlänge (lambda/2) der anregenden Ultraschallschwingung oder einem ganzen Vielfachen (n= 1,2,...) davon ist. Die Einspannung des Honwerkzeugs 1 erfolgt derart, daß die Amplitude AA der Schwingungskomponente in axialer Richtung am Einspannende 30, d.h. in der Einspannebene E, sowie ferner am freien Ende 40 des Werkzeuges jeweils ein Maximum hat, während die Amplitude AR der Schwingungskomponente fR in radialer Richtung am Einspannende 30 und am freien Ende 40 jeweils gleich Null ist. Das Honwerkzeug 1 ist im Bereich seiner unteren Hälfte, also zwischen der Stelle L/2 und dem freien Ende 40, somit im Endbereich einer Viertelwellenlänge und mit einem Schneidbelag 20 versehen.
Figur 2 zeigt das Honwerkzeug 1 in vergrößerter Darstellung. Der Schneidbelag 20 soll im Arbeitszustand, d.h. bei Ultraschallerregung, definierte Arbeitskontur KA aufweisen, nämlich mit einen relativ langen zylindrischen Bereich KZ und einen sich daran anschließenden konischen Bereich KK. Diese Arbeitskontur KA ist in Figur 2 links außen neben dem Honwerkzeug herausgezeichnet. Diese Arbeitskontur bewirkt, daß das Werkzeug, wenn es in eine Bohrung in einem Werkstück eindringt, zunächst mit dem konischen Bereich KK geführt wird und danach mit dem zylindrischen Bereich KZ die eigentliche Bearbeitung mit einem Vorwärts- und einem Rückwärtshub durchführt. Um diese Arbeitskontur KA im ultraschallerregten Betriebszustand zu erhalten, muß man berücksichtigen, daß sich die Kontur des Schneidmittelbelages 20 entlang der Achse durch die Amplitude AR der Schwingungskomponente fR in radialer Richtung verändert. Die Arbeitskontur KA soll sich bei Ultraschallerregung als äußerste Hüllkurve der Schwingungsenden Schneidmittelbelages darstellen. Dies muß durch die in Ruhestellung vorgegebene Kontur des Schneidmittelbelages 20, die "Vorhaltekontur" KV, berücksichtigt werden. Diese Vorhaltekontur KV ist ebenfalls in Figur 2 links neben dem Honwerkzeug 1 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß sie von der Stelle L/2, die die halbe Werkzeuglänge angibt, an der die Schwingungskomponente fR in radialer Richtung ihr Maximum hat, nach außen hin bis zum Ende des Bereiches KZ leicht zunimmt und von dort dann linear abnimmt. Die Abweichungen im Durchmesser des Werkzeugs im Bereich des Schneidbelags zwischen der Vorhaltekontur KV und der Arbeitskontur KA, also D(KV) - D(KA) liegen etwa im Bereich deltaD = 6 bis 9 Mikrometer. Die Hälfte dieses Wertes entspricht dann etwa der maximalen bei der Abweichung zu berücksichtigenden Schwingungsamplitude AR in radialer Richtung. Bei der Auslegung ist noch das Transformationsverhältnis zu berücksichtigen, d.h. die Veränderung der Schwingungsamplitude von der Einspannstelle 30 zum freien Ende 40 aufgrund der Veränderung der Werkzeuggeometrie. Zwischen der Einspannstelle 30, an der der Durchmesser D1 eingezeichnet ist, und dem Teil des Honwerkzeuges 1, der mit dem Schneidmittelbelag 20 belegt ist, ergibt sich eine Übergangskontur KUE. Auch diese hat Einfluß auf das Transformationsverhältnis und das Schwingungsverhalten und ist als Parameter zur konstruktiven Auslegung des Honwerkzeuges 1 zu betrachten. Verschiedene mögliche Übergangskonturen KUE sind neben dem Honwerkzeug 1 rechts in Figur 2 eingezeichnet.
Je größer der Durchmesser D1 an der Einspannstelle im Verhältnis zum Durchmesser D2 am freien Ende des Honwerkzeuges 1 ist, desto größer ist das Transformationsverhältnis. Man möchte deshalb bei gegebenem Durchmesser des Schneidbelages 20 einen möglichst großen Durchmesser D1 an der Einspannstelle haben.
Ein derart gestaltetes Honwerkzeug 1 ist in Figur 3 dargestellt. Es unterscheidet sich von dem Honwerkzeug nach Figur 2 dadurch, daß die Aufnahme am Ende des Schallübertragungskörpers 4 durch einen Innenkonus 22 am Honwerkzeug 1 erfolgt, wobei dann entsprechend das Ende des Schallübertragungskörpers 4 mit einem Außenkonus 23 versehen ist. Die Amplituden AAO der Schwingungskomponente fA in axialer Richtung an der Einspannstelle 30 und die Amplitude AA1 am freien Ende 40 sind eingezeichnet. Bei der dargestellten geometrischen Auslegung ergibt sich somit sogar von der Einspannstelle 30 zum freien Ende 40 eine Amplitudenverstärkung, d.h. das Verhältnis AA1:AA0 ist größer 1, wie eingezeichnet.
Figur 4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel ein Honwerkzeug 100, versehen mit einem Schneidbelag 120. Bei Abnutzung des Schneidmittelbelages 120 erfolgt eine Nachjustierung durch plastische Verformung. Zu diesem Zweck ist das Honwerkzeug 100 im Bereich BGV seines größten Verschleißes, der den Übergangsbereich zwischen konischem Bereich KK und zylindrischen Bereich KZ einschließt, mit einer bauchigen Innenbohrung 121 versehen. Über im wesentlichen dieselbe axiale Länge erstreckt sich der bauchig verbreiterte Teil 121' der Innenbohrung 121. Zur Nachjustierung bringt man das Honwerkzeug 100 in der dargestellten Weise in einen Einspannkonus 130 ein, der an einem Gegenhalter 131 angeordnet ist. Dann wird in die vordere Öffnung 121'' der Innenbohrung 121 ein Druckstück 140 eingesetzt. Auf dieses Druckstück wird durch eine hydraulische Preßeinrichtung 141, die lediglich strichpunktiert angedeutet ist, Druck ausgeübt. Das Druckstück 140 ragt mit seinem vorderen als Dorn ausgebildeten Ende 140' in die Öffnung 121'' der Bohrung 121 hinein. Anschließend an das vordere Ende 140' weist das Druckstück 140 ein stufenförmig verbreitertes zylindrisches Teil 140'' auf. Der Durchmesser dieses zylindrisches Teils 140'' überdeckt jedoch nicht die gesamte Stirnfläche des vorderen Endes des Honwerkzeuges 100, sondern ist lediglich soweit verbreitert, daß sich eine problemlose Einleitung der von der hydraulischen Preßeinrichtung 141 ausgeübten Kraft in das Honwerkzeug 100 ergibt, jedoch derart, daß im Honwerkzeug 100 selbst Schubspannungen entstehen, die sich durch eine plastische Verformung in radialer Richtung und damit eine Aufweitung des Honwerkzeuges zur Kompensation des Verschleißes abbauen.
Zur Kompensation des Schneidbelages ist es aber auch möglich, die Eingangsamplitude AAO (vgl. Fig. 3) zu erhöhen, so daß damit - bei gleichbleibenden sonstigen Parametern - auch die Amplitude der Schwingungskomponente in radialer Richtung im Bereich BGV entsprechend erhöht wird.
Eine weitere Möglichkeit der Kompensation des Verschleißes des Schneidbelages besteht darin, die Parameter der Kinematik des Hubvorgangs, insbesondere die Hubgeschwindigkeit (Veränderung der Geschwindigkeit der Hin- und Herbewegung in Richtung des Pfeiles 11; vgl. Fig. 1) zu verändern. Es hat sich gezeigt, daß bei geringer Hubgeschwindigkeit vergleichsweise größere Durchmesserzuwachse erreicht werden können als bei hohen Hubgeschwindigkeiten. Das dürfte daran liegen, daß bei langsamer Bewegung der Schneidbelag sich freischneiden kann und somit ein höherer Materialabtrag, aber auch höhere Rautiefen entstehen.
Ein Werkzeug, wie es z.B. - ohne Drehbewegung - zur Bearbeitung unrunder Formen verwendet werden kann, ist in Figur 5 gezeigt. Das Werkzeug besteht aus einem Einspannkonus 150 und einem Werkzeugkörper 151. Die Übergangskontur zwischen Einspannkonus 150 und Werkzeugkörper 151 ist dabei fast rechtwinklig. Andere mögliche Übergangskonturen sind in Figur 5 links bei (a) dargestellt. Die sich dabei ergebende Amplitude über der Höhe ist bei (b) gezeigt. Auch hier ist sicherzustellen, daß, wie eingezeichnet, die Länge des Werkzeuges gleich der Hälfte der Wellenlänge der erregenden Ultraschallschwingung ist.