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.
Machine tool for ultrasonic material processing The present invention relates to a machine tool for ultrasonic material processing. A liquid containing an abrasive powder is introduced into the processing zone of such machines.
The material is processed by the grinding powder, to which a tool, which performs vibrations at an ultrasonic frequency in the direction of its advance, emits the ultrasonic vibrations.
Machine tools for ultrasonic machining of the Kon.solbauart are known, with a two-coordinate table and a tool head that can be moved on vertical pendulum guides. These machines have many shortcomings: Low cutting speed, insufficient accuracy, and the use of insensitive and technically inconvenient devices for tool feed. As a result, these machines are low in efficiency.
The machine tool proposed according to the invention is free from these inadequacies. It is characterized in that, in order to increase the efficiency, a vibration transducer is suspended in the tool head by means of a thin-walled sleeve which is connected to the tool head by a solid flange.
A tube can preferably be provided for the discharge of the cooling liquid from the cavity of the converter, the tap opening of this tube being expediently lower than the height of the free end face of the converter. This eliminates the possibility of ultrasound radiation from the free (upper) transducer face.
The weight of the tool head of the machine is advantageously compensated by an electromagnet, which is connected to this by means of a lever linkage, the feed force being controllable by changing the tensile force. This version of the machine ensures a reduction in the tool feed force.
In addition, a nozzle for the supply of the grinding powder suspension can be arranged in the machine, which is expediently designed as a perforated ring-shaped tube which comprises a concentrator. With the help of such a nozzle, uniform delivery of the suspension to the processing zone is achieved.
In the drawings, an embodiment of the machine tool according to the invention is Darge.
Fig. 1 shows schematically an overall view of the machine.
Fig. 2 shows the acoustic tool head of the machine.
F.ig. 3 is a view of the head in the direction of the arrow in FIG. 2.
4 schematically shows the tool feed mechanism.
Fig. 5 is a section along <I> B -B </I> of Fig. 4. Fig. 6 shows: the transmission plan of the machine.
Fig. 7 shows the electrical circuit diagram of the motor for driving the tool feed mechanism.
8 shows schematically the grinding powder suspension feed pump. The main components of the machine are: the stand 1 (Fig. 1), the table 2, the acoustic tool head 3, the feed mechanism 4, the pump 5 and the control panel 6.
The kinematics of the machine enable a vertical adjustment of the tool together with the head, a feed of the tool with a given feed force, a pivoting of the tool around its axis and adjustment of the workpiece together with the table in the horizontal plane. Vertical adjustment shift; the table can also be provided.
The head 3 is used to give the tool vibrational movements. In the tool head there is a two-rod magnetostriction converter, which is composed of oxidized Alfer plates (Al-Fe alloy) or of another material that has the magnetostriction effect.
The core 7 (FIG. 2) is attached to the solid members of the oscillating system, for example to the flange 8, by resistance welding or by brazing (with a silver or other brazing solder).
The concentrator 9 is screwed into the threaded hole of the flange, which amplifies the oscillation and. the tool 10 carries. To achieve the highest possible cutting speed, the ratio of the diameter of the thick concentrator part to the diameter of its thin part must be in the range 1.8-3.5.
The converter flange has chamfered surfaces for a nut wrench, with which the oscillating system is held in place when an exchangeable concentrator is screwed on, in order to prevent the screwing force from being transferred to the oscillating system and further to the precision versions of the feed mechanism.
On the converter flange, the thin-walled Aufla bushing 11 is attached, which includes the converter and merges into a solid flange. The length of the thin-walled part of the support bushing must be measured so that the point where the bushing merges into the flange corresponds to the displacement node of the longitudinal vibrations (Fig. 2). To reduce the influence of the transverse vibrations on the circumference of their bellies, a groove is cut into the flange. The flange of the sleeve 11 is attached to the sleeve 12.
Besides the attachment by means of the support bushing, attachment can be provided with the flange arranged in the displacement knot of the non-replaceable part of the Schwingsy stems. The non-replaceable part represents a step concentrator with a gain factor that is roughly equal to two.
The sleeve 12 can be rotated in the housing 13 of the tool head by means of the worm gear 14 (FIG. 3), which facilitates the setting of a molding tool on the workpiece and enables subsequent machining with pivoting of the tool.
The converter is cooled with flowing water. In order to avert harmful ultrasound radiation from the upper end of the converter, the following measures are taken to ensure that the upper end of the converter is not immersed in the water. The head cavity is completely sealed.
The water is fed in via pipe 15 (FIG. 2) and flows off via pipe 16, the tap opening of which is lower than the upper converter face; the air cushion in the upper part of the cavity does not give the water the opportunity to flood the upper face of the order formers.
Another cooling method, namely: water mist cooling, also ensures that additional losses do not occur.
The tool head is attached to the slide of the front pusher with the help of the screw clamp 17 BE or is installed, as shown in Fig. 4, provided that it should not be taken from frequently.
To increase the displacement accuracy of the slide 18 (FIGS. 4 and 5) of the tool feed mechanism and to facilitate its movement, pendulum guides 19 are provided which ensure a high sensitivity of the feed mechanism.
The weight of the moving parts is balanced by the load 20 attached to the handle 21, with cutting to achieve an easy gear and for smooth running purposes of the oil pressure damper 22 seen before, are or is. The presence of a check valve in the damper piston ensures different degrees of damping when moving in different directions.
The drive of the slider is controlled by a sole noid 23. The feed force is equal to the difference between the extra weight (compared to the counterweight) of the moving parts and the solenoid pulling force.
A change in the tensile force is effected by regulating the solenoid winding current by means of the transformer 24. The push button 25 is provided for the rapid withdrawal of the tool; the tool has to be withdrawn periodically in order to feed a fresh portion of grinding powder suspension to the cutting zone, for example when deep drilling. Instead of the push-button switching of the periodic return by hand, the scarf device can be done with the help of a timing relay that is set to a predetermined alternation.
The cross hand 26 (Fig. 5) is used to perform the vertical adjustment shift: the slide. When the cross-hand is pivoted, the bush 27, by means of the limiting device 28, wedges the rack wheel 29 freely rotating on the shaft 30.
The spring brake 31 is used to secure a steady gait during manual shifting and for locking.
The adjustable stop 32 (FIG. 4) and the plunger 33, which is under the tension force of the spring 34, are provided to reduce the feed force which is required when drilling through holes at the outlet. During the downward movement of the slider, the stop hits the plunger and compresses the spring, which reduces the forward thrust force.
When turning the ring 35, the collet 36 clamps the slider in the housing 37, which causes the transmission of the clamping force of the tool, the precision pendulum guides be.
In the general-purpose version of the machine, as well as in those cases where it is necessary to change the forward thrust force according to a preset program, the slide can be driven by an electric motor with a smooth characteristic that works in the braking mode.
Instead of the above-described compensating block system with a rocking lever on cutting edges, the following system can be arranged: The sliding piece is set in motion by an electric motor 38 via reduction gears 39, 40 and a rack and pinion gear 41, 42. The weight of the moving parts is balanced by a counterweight 43 which is attached to a flexible belt 44; this tape is wound on a drum 45, which is coupled with .dem slider by rack and pinion.
A hand lever 46 is used to perform the adjustment displacements of the slider. The oil pressure damper 47 is provided in order to achieve a smooth movement of the slider.
The circuit diagram of the electric motor in the event that an asynchronous servo motor is used is shown in FIG. 7. The potentiometer R is used to regulate the feed force, the triple switch 37 to switch over the feed direction (feed-stop-retraction).
The abrasive suspension is conveyed to the cutting zone by a centrifugal pump. Part of the liquid flowing into the pump container from a chamber 48 (FIG. 8) is used to mix the abrasive suspension.
A worm 49 prevents abrasives from entering the electric motor.
According to another embodiment, that part of the liquid conveyed by the pump 5 (FIG. 1) which is intended for mixing the suspension is not fed to the pressure chamber in the pump container through openings; rather, the liquid is conveyed from the common pipeline 50 via additional nozzles 51.
The suspension is conveyed from the pump via a hose to the cutting zone either: through an atomization funnel 52, which surrounds the concentrator, or through nozzles.
To allow the suspension to run off, the table is designed in the form of a grid 53: and oblique grooves are slotted around the table. The suspension passes through the grid holes into the table cavity, from where it flows back into the pump container via a hose 54.
A tube or other type of generator that feeds the acoustic tool head is called. Independent device arranged whose distinguishing feature is the use of an output transformer without a ferromagnetic core. The use of such a transformer increases the efficiency of the generator.