Werkzeugmaschine für Ultraschall-Werkstoffbearbeitung Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Werkzeugmaschine für Ultraschall-Werkstoffbearbei- tung. In die Bearbeitungszone solcher Maschinen wird eine Flüssigkeit eingeführt, die ein Schleifpulver enthält.
Die Bearbeitung des Werkstoffes erfolgt dabei durch das Schleifpulver, dem ein Werkzeug, das in der Richtung seines Vorschubs Schwingungen mit Ultraschallfrequenz vollführt, die Ultraschallschwin gungen abgibt.
Bekannt sind Werkzeugmaschinen für Ultra schallbearbeitung von der Kon.solbauart, mit einem Zweikoordinatentisch und einem auf senkrechten Pendelführungen verschiebbaren Werkzeugkopf. Die sen Maschinen sind viele Mängel eigen: Niedrige Schnittgeschwindigkeit, ungenügende Genauigkeit, sowie die Anwendung von unempfindlichen und be triebstechnisch unbequemen Vorrichtungen für den Werkzeugvorschub. Infolgedessen weisen diese Maschinen einen niedrigen Wirkungsgrad auf.
Die erfindungsgemäss vorgeschlagene Werkzeug- maschine ist frei von diesen Unzulänglichkeiten. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Erhöhung des Wirkungsgrades ein Schwingungsumformer im Werkzeugkopf mittels einer dünnwandigen Büchse aufgehängt ist, die mit dem Werkzeugkopf durch einen massiven Flansch verbunden ist.
Vorzugsweise kann .eine Röhre für die Ableitung der Kühlflüssigkeit aus dem Hohlraum des Umfor mers vorgesehen sein, wobei zweckmässig die Zapf öffnung dieser Röhre tiefer liegt als die Höhe der freien Stirnfläche des Umformers. Dadurch ist die Möglichkeit einer Ultraschallausstrahlung von .der freien (oberen) Umformer-Stirnfläche ausgeschlossen.
Das Gewicht des Werkzeugkopfes der Maschine ist vorteilhaft durch einen Elektromagneten ausgegli chen, der mit diesem mittels eines Hebelgestänges verbunden ist, wobei die Vorschubkraft durch Ände rung :der Zugkraft steuerbar ist. Diese Ausführungs variante der Maschine gewährleistet eine Herabset- zung der Werkzeug-Vorschubkraft.
In der Maschine kann ferner eine Düse für die Zuleitung der Schleifpulversuspension angeordnet sein, :die zweckmässig als gelochtes ringförmiges Rohr ausgebildet ist, das einen Konzentrator umfasst. Mit Hilfe einer derartigen Düse wird ,gleichmässiges Fördernder Suspension zur Bearbeitungszone erzielt.
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Werkzeugmaschine darge stellt.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Gesamtansicht der Maschine.
Fig. 2 zeigt den akustischen Werkzeugkopf der Maschine.
F.ig. 3 ist eine Ansicht des Kopfes in Pfeilrichtung Ader Fig. 2.
Fig. 4 zeigt schematisch das Werkzeug-Vorschub- werk.
Fig. 5 ist ein Schnitt längs<I>B -B</I> der Fig. 4. Fig. 6 zeigt :den Getriebeplan der Maschine.
Fig.7 zeigt den elektrischen Schaltplan des Motors für den Antrieb des Werkzeug-Vorschubwer- kes.
Fig. 8 zeigt schematisch die Schleifpulversuspen- sions-Förderpumpe. Die Hauptbauteile der Maschine sind: Der-=Stän- der 1 (Fig. 1), der Tisch 2, der akustische Werkzeug kopf 3, das Vorschubwerk 4, die Pumpe 5 und die Steuertafel 6.
Die Kinematik der Maschine ermöglicht eine senk- rechte Einstellverschiebung des Werkzeuges zusam men mit dem Kopf, einen Vorschub des Werkzeuges mit vorgegebener Vorschubkraft, eine .Schwenkung des Werkzeuges um seine Achse sowie Einstellver- schiebungen des Werkstückes zusammen, mit dem Tisch in der Horizontalebene. Vertikale Einstellver- schiebung;des Tisches kann gleichfalls vorgesehen werden.
Der Kopf 3 dient dazu, dem Werkzeug Schwin gungsbewegungen zu erteilen. Im Werkzeugkopf ist ein Zweistab-Magnetostriktionsumformer vorhan den, der aus oxydierten Alferplatten (Al-Fe-Legie- rung) oder aus einem anderen Werkstoff, der den Magnetostriktionseffekt besitzt, zusammengesetzt ist.
Der Kern 7 (Fig. 2) wird an den massiven Gliedern des Schwingsystems, zum Beispiel am Flansch 8, durch Widerstandsschweissung oder durch Hartlö- tung (mit einem Silber- oder anderen Hartlot) befe stigt.
In das Gewindeloch des Flansches wird der Kon- zentrator 9 eingeschraubt, der den Schwingungsaus schlag verstärkt und. das Werkzeug 10 trägt. Zur Er zielung der grösstmöglichen Schnittgeschwindigkeit muss -das Verhältnis des Durchmessers des dicken Konzentratorteiles zum Durchmesser dessen dünnen Teils im Bereich 1,8-3,5 liegen.
Der Umformerflansch hat aasgefeilte Flächen für einen Mutterschlüssel, mit welchem das Schwingsy stem beim Anschrauben eines Wech.selkonzentrators festgehalten wird, um eine übertragung der Ein schraubkraft auf das Schwingsystem und weiter auf die Präzisionsausführungen des Vorschubwerkes zu vermeiden.
Am Umformerflansch ist die dünnwandige Aufla gebüchse 11 befestigt, die den Umformer umfasst und in einen massiven Flansch übergeht. Die Länge des dünnwandigen Teiles der Auflagebüchse muss so be messen sein, dass die Stelle, wo die Büchse in den Flansch übergeht, dem Verschiebungsknoten der Lon- gitudinalschwingungen (Fig.2) entspricht. Zur Ver minderung des Einflusses der Transversalschwingun- gen am Umfang ihrer Bäuche ist im Flansch eine Nut ausgekehlt. Der Flansch der Büchse 11 wird an der Hülse 12 befestigt.
Ausser '.der Befestigung mittels der Auflagebüchse kann die Befestigung mit dem ,im Verschiebungskno ten des nicht auswechselbaren Teiles des Schwingsy stems angeordneten Flansch vorgesehen werden. Der nicht auswechselbare Teil stellt dabei einen Stufen- konzentrator dar mit einem Verstärkungsfaktor, der etwa zwei gleich ist.
Die Hülse 12 ist im Gehäuse 13 des Werkzeug kopfes mittels des Schneckengetriebes 14 (Fig.3) drehbar, wodurch die Einstellung eines Formwerk- zeuges inbezu,g auf das Werkstück erleichtert und eine Folgebearbeitung mit Schwenkung des Werkzeu- ges ermöglicht wird.
Die Kühlung des Umformers erfolgt mit fliessen dem Wasser. Um eine schädliche Ultraschallausstrah lung von der oberen Umformerstirnfläche abzuwen den, sind folgende Massnahmen getroffen, die das Nichteintauchen der oberen Stirnfläche des Umfor mers ins Wasser gewährleisten. Der Hohlraum des Kopfes ist vollkommen abgedichtet.
Das Wasser wird über Röhre 15 (Fig. 2) zugeleitet und fliesst über Röhre 16 ab, deren Zapföffnung tiefer liegt als die obere Umformerstirnfläche; das im Oberteil des Hohlraumes befindliche Luftkissen gibt dem Wasser nicht die Möglichkeit, die obere Stirnfläche des Um formers zu überschwemmen.
Ein anderes Kühlverfahren und zwar :die Wasser nebelkühlung, gewährleistet gleichfalls das Nichtauf treten von zusätzlichen Verlusten.
Der Werkzeugkopf wird am Gleitstück des Vor schubwerkes mit Hilfe der ,Schraubenklemme 17 be festigt oder wird eingebaut, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, unter der Voraussetzung, dass er nicht häufig ab genommen werden soll.
Zur Steigerung der Verschiebungsgenauigkeit des Gleitstückes 18 (Fig.4 und 5) des Werkzeug-Vor- schubwerkes .und zur Erleichterung seiner Bewegung sind Pendelführungen 19 vorgesehen, die eine hohe Empfindlichkeit des Vorschubwerkes gewährleisten.
Das Gewicht der beweglichen Teile ist durch die am Schwengel 21 angehängte Last 20 ausgeglichen, wobei zur Erzielung eines leichten Ganges Schneiden und für Sanftlaufzwecke der Öldruckdämpfer 22 vor gesehen ,sind bzw. ist. Das Vorhandensein eines Rückschlagventils im Dämpferkolben sichert ver schiedenen Dämpfungsgrad bei der Bewegung in ver schiedenen Richtungen.
Der Antrieb des Gleitstückes ist von einem Sole noid 23 gesteuert. Die Vorschubkraft ist gleich der Differenz von Mehrgewicht (gegenüber dem Gegen gewicht) der beweglichen Teile und .Solenoid-Zug- kraft.
Eine Änderung der Zugkraft wird durch Rege lung des Solenoidwicklungsstromes mittels des Spar transformators 24 bewirkt. Der Druckknopf 25 ist für den Eilrückzug des Werkzeuges vorgesehen; das Werkzeug muss nämlich periodisch zurückgezogen werden, um der Schnittzone, beispielsweise beim Tiefbohren, eine frische Portion Schleifpulversuspen- sion zuzuleiten. Anstatt der Druckknopfschaltung des periodischen Rücklaufes von Hand kann die Schal tung mit Hilfe eines Zeitrelais erfolgen, das auf eine vorgegebene Wechselfolge eingestellt ist.
Das Handkreuz 26 (Fig. 5) dient zur Ausführung der vertikalen Einstellverschiebung :des Gleitstückes. Beim Schwenken des Handkreuzes bewirkt die Büchse 27 mittels der Begrenzungseinrichtung 28 das Festkeilen des auf der Welle 30 frei umlaufenden Zahnstangenrades 29.
Die Federbremse 31 dient zum Sichern eines ruhi- gen Ganges bei manueller Verschiebung und zum Verriegeln.
Zur Herabsetzung der Vorschubkraft, die beim Bohren von Durchgangslöchern am Austritt benötigt wird, ist der verstellbare Anschlag 32 (Fig. 4), sowie der unter der Spannkraft der Feder 34 stehende Plunger 33 vorgesehen. Bei der Abwärtsbewegung des Gleitstückes stösst der Anschlag auf den Plunger und drückt die Feder zusammen, wodurch die Vor schubkraft vermindert wird.
Beim Umdrehen des Ringes 35 klemmt die Spannzange 36 das Gleitstück im Gehäuse 37 fest, was die Übertragung der Einspannungskraft des Werkzeuges auf ,die Präzisions-Pendelführungen be seitigt.
Inder Allzweck-Ausführung der Maschine, sowie in den Fällen, bei denen es notwendig ist, die Vor schubkraft nach vorgegebenem Programm zu ändern, kann der Antrieb des Gleitstückes von einem Elek tromotor mit sanft verlaufender Kennlinie erfolgen, der in der Bremsbetriebsart arbeitet.
Anstatt des oben beschriebenen Ausgleich-Block- systems mit einem Schwinghebel auf Schneiden, kann folgendes System angeordnet werden: Das Gleitstück wird von einem Elektromotor 38 über Untersetzungs.getriebe 39, 40 und ein Zahnstan- gengetriebe 41, 42 in Bewegung gesetzt. Das Gewicht der beweglichen Teile ist durch ein Gegengewicht 43 ausgeglichen, das an einem biegsamen Band 44 ange hängt ist; dieses Band ist auf einer Trommel 45 auf gewickelt, die durch Zahnstangenverkämmung mit .dem Gleitstück gekuppelt ist.
Ein Handhebel 46 dient zur Ausführung der Einstellverschiebungen des Gleitstückes. Zur Erzielung eines ruhigen Ganges des Gleitstückes ist der Öldruckdämpfer 47 vorgesehen.
Der Schaltplan des Elektromotors für den Fall, dass ein Asynchron-Servomotor zur Anwendung kommt, ist in Fig. 7 wiedergegeben. Das Potentiome- ter R dient zur Regelung der Vorschubkraft, der Dreifachschalter 37 zur Umschaltung der Vorschub richtung (Vorschub-stopp-Rückzug).
Die Schleifmittelsuspension wird von einer Schleuderpumpe zur Schnittzone gefördert. Ein Teil der aus einer Kammer 48 (Fig. 8) dem Pumpenbehäl ter zuströmenden Flüssigkeit wird zur Durchmi- schungder Schleifmittelsuspension benutzt.
Eine Schnecke 49 verhindert das Eindringen von Schleifmittel in den Elektromotor.
Einer anderen Ausführung gemäss wird derjenige Teil der von der Pumpe 5 (Fig. 1) geförderten Flüs sigkeit, der für die Durchmischung der Suspension bestimmt ist, idem Pumpenbehälter nicht durch öff- nungen ;der Druckkammer zugeführt; die Flüssigkeit wird vielmehr aus der gemeinsamen Rohrleitung 50 über zusätzliche Düsen 51 gefördert.
Von der Pumpe wird die Suspension über einen Schlauch zur Schnittzone entweder :durch einen Zer- stäubungstrichter 52, der den Konzentrator umfasst, oder durch Düsen gefördert.
Für den Ablauf der Suspension ist der Tisch in Form eines Gitters 53 :ausgeführt, und rings um den Tisch sind Schrägrillen ,geschlitzt. Durch die Gitterlö cher gelangt die Suspension in den Tischhohlraum, von wo sie über :einen Schlauch 54 in den Pumpenbe hälter zurückfliesst.
Ein Röhren- oder andersartiger Generator, der den akustischen Werkzeugkopf speist, ist als. selbstän dige Einrichtung angeordnet, deren Unterscheidungs merkmal die Anwendung eines Ausgangstransforma- tors ohne ferromagnetischen Kern ist. Die Anwen dung eines solchen Transformators erhöht den Wir- kungsgrad des Generators.