DE3919895A1

DE3919895A1 - Hochfrequenzhonen

Info

Publication number: DE3919895A1
Application number: DE19893919895
Authority: DE
Inventors: Oswald Kopp
Original assignee: KADIA DIAMANT
Current assignee: KOPP, OSWALD KOPP, VOLKER OSWALD, 7440 NUERTINGEN,
Priority date: 1989-06-19
Filing date: 1989-06-19
Publication date: 1990-12-20
Anticipated expiration: 2009-06-20
Also published as: DE3919895C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Bohrungen in Werkstücken, bei dem mit einem Schleifmittelbelag belegtes und durch radiale Aufweitung zustellbares Werkzeug gleichzeitig eine Drehbewegung und eine axiale Hubbewegung ausführt. Bei einem solchen Verfahren kann es sich um Honen, Läppen, Reiben oder Dornhonen handeln.

Aufgabe der Erfindung ist es, dieses Honverfahren so weiterzubilden, daß die Effektivität erheblich verbessert ist. Insbesondere soll damit auch eine Verbesserung der Geometrie (Vorweiten, Konizität, Tonnenform) der bearbeiteten Bohrungen besser möglich sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Hub- und der Drehbewegung eine hochfrequente Oszillation überlagert ist.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug in einem Schwingungserreger, ggf. unter Zwischenschaltung eines Amplitudenverstärkers aufgenommen ist, der eine Ultraschall-Schwingung erzeugt und auf das Werkzeug überträgt, daß der Schwingungserreger von der Drehspindel einer Honmaschine aufgenommen ist, wobei die Übertragung einer Drehbewegung als Stellbewegung für die Zustellung des Werkzeugs zwischen Drehzustellstange der Honmaschine und einem Zustellkörper im Werkzeug durch Kupplungselemente erfolgt, die eine Drehbewegung, jedoch keine axiale Bewegung übertragen.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.

Das Wesentliche der Erfindung beruht also darin, dem normalen, durch eine axiale Hubbewegung und Drehbewegung gekennzeichnete Honverfahren eine weitere Bewegung, namlich eine hochfrequente Oszillation, insbesondere ultraschallerregt, zu überlagern, wobei diese zusatzlich überlagerte Schwingung sowohl in axialer Richtung d.h. in Richtung der Hubbewegung als auch in tangentialer Richtung, d.h. in Richtung der Drehbewegung des Honwerkzeuges erfolgen kann. Beide Überlagerungen können auch miteinander kombiniert werden. Dabei kann sowohl das Honwerkzeug als auch das Werkstück in Oszillation versetzt werden. Die Schwingungen erfolgen im Ultraschallbereich mit Frequenzen von 16 bis 40 kHz und mit Amplituden von 5 bis 100. Man kann dabei die Dorn-Honwerkzeuge als auch Leisten-Honwerkzeuge verwenden. Die Zustellung des Honwerkzeuges auf die zu bearbeitende Fläche, d.h. radial (bezogen auf die Drehbewegung) kann durch Drehung einer Zustellstange der Honmaschine erfolgen, sofern gewährleistet ist, daß die zur Zustellung erforderliche Drehbewegung nicht die Ultraschall-Schwingung vom Werkzeug auf die Honmaschine zurücküberträgt. Es müssen also Kupplungselemente ohne axialen Kraftschluß vorgesehen sein.

Als Erreger für die überlagerte Hochfrequenzschwingung dienen Schwingungserreger bekannter Bauart. Die Verbindung des Werkzeugs bzw. des Werkzeugkörpers an den Schwingungserreger und/oder Amplitudenverstärker erfolgt über eine Konusverbindung oder über einen Gewindeanschluß. Die Kühlmittelzuführung (Wasser oder wassermischbare Kühlschmierstoffe) erfolgt konventionell von außen her. Die Verwendung von Öl erscheint dabei nicht vorteilhaft, da aufgrund der Viskosität des Schmieröls die Ultraschall-Schwingung gedämpft werden könnte.

Die Bearbeitung kann sowohl mit gebundenem und/oder losem Korn erfolgen. Bei Verwendung von losem Korn wird das abrasive Material über eine Suspension in die Werkstückbohrung geleitet. In jedem Fall ist die Verwendung von Kühlmittel erforderlich.

Die wesentlichen Vorteile dieses Verfahrens bestehen im Erreichen höherer geometrischer Genauigkeiten der bearbeiteten Bohrung, insbesondere hinsichtlich der Zylinderform, der Geradheit und der Rundheit. Darüberhinaus wird durch die hochfrequente Oszillation sichergestellt, daß die Diamant-Schneidbeläge sich nicht mit dem abgespanten Werkstoff zusetzen. Die Bearbeitung ist vollständig automatisierbar; es ergeben sich günstigere Bearbeitungszeiten und eine Erhöhung der Werkzeugstandzeiten.

Die freie Werkzeuglange, d.h. der Werkzeugteil, der sich außerhalb der Einspannstelle des Schwingungserregers bzw. des Amplitudenverstärkers der Honmaschine befindet, beträgt im Fall eines Aktivschwingers ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlange der anregenden Frequenz. Bei Ausbildung des Werkzeugs als Passivschwinger beträgt die freie Werkzeuglänge maximal ein ganzzahliges Vielfaches der Viertelwellenlängen. Grundsätzlich ist zu beachten, daß Werkzeug und Werkzeugaufnahme so ausgelegt werden, daß die Massenkonzentration und etwaige bewegliche Bauteile in Schwingungsknoten angeordnet sind.

Bei der Auswahl der Bewegungen im einzelnen sind verschiedene Variationen möglich. Die Rotation kann durch Links- bzw., Rechtslauf des Werkzeuges, aber auch des Werkstückes gegeben sein. Ebenso kann Hubbewegung sowohl durch das Werkzeug als auch durch das Werkstück ausgeführt werden. Gleichermaßen ist auch die Ultraschall-Erregung sowohl am Werkzeug als auch am Werkstück möglich. Das gilt für die Longitudinal- und auch Torsionsschwingungen, sowie für beliebig ausgebildete Formen der Überlagerung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beschreiben. Es stellen dar:

Fig. 1 die Kinematik;

Fig. 2 eine für das Verfahren geeignete Vorrichtung, einschließlich Werkzeug;

Fig. 3 die Vorrichtung an einer Honmaschine.

Fig. 1 zeigt ein Werkzeug 1, das wie üblich eine Drehbewegung, entsprechend Pfeil 2, und eine Hubbewegung, entsprechend Pfeil 3 ausführt. Beide Bewegungen können nun, entweder alternativ oder kumuliert, jeweils mit einer hochfrequenten Oszillation überlagert sein. Im Falle der Drehbewegung ist diese überlagerte Ultraschall durch die Pfeile 21 und 22 veranschaulicht; es handelt sich um eine Tangentialoszillation entlang des Umfangs des Werkzeuges 1; im Falle der Hubbewegung 3 ist diese Oszillation durch die Pfeile 31 und 32 veranschaulicht, es handelt sich um eine Axial-Oszillation des Werkzeuges 1, bezogen auf seine Drehrichtung. Das Werkstück 4 weist eine Bohrung 5, die bearbeitet wird, auf. Im dargestellten Fall hat die Bohrung 5 einen durch die Bearbeitung zu beseitigenden Formfehler, nämlich eine sog. Vorweite, d.h. der Durchmesser der noch unbearbeiteten Bohrung ist im mittleren Bereich geringer als an den Enden der Bohrung. Die Kinematik des durch die Überlagerung einer Oszillation geschaffenen Honverfahrens kann man dahingehend beschreiben, daß im üblichen Kreuzschliffmuster, das durch Hubbewegung und gleichzeitige Rotation (entsprechend den Zeilen 2, 3) bewirkt wird, jeweils noch in den Riefen eine Hin- und Herbewegung erfolgt, die eine besonders intensive und schnelle Verbesserung der Oberfläche einschließlich eines Materialabtrags und damit eine schnelle Formverbesserung bewirkt.

Fig. 2 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung an einer Honmaschine. Das Werkzeug 10 hat einen Werkzeugkörper 11, in dem radial verschiebbar Honleisten 12 angeordnet sind. Diese sind beispielsweise mit Diamantkorn belegt. Die Aufweitung in radialer Richtung erfolgt durch einen Keil 13, der mit einer Zustellstange 14 fest verbunden und axial verschiebbar ist. Die Honleisten 12 werden durch nicht gezeigte Federn radial nach innen auf den Keil 13 gezogen. Auf die Zustellstange 14 wirkt in axialer Richtung der mit einem Außengewinde versehener Zustellkörper 15, dessen oberes Ende als Außensechskant 16 ausgebildet ist. Er erstreckt sich in den Innensechskant 17 des Endes 18 der Drehzustellstange 19. Eine Drehung der Drehzustellstange 19 ergibt also eine Drehung des Zustellkörpers 15 und somit eine Verschiebung der Zustellstange 14 im Werkzeugkörper 11 in axialer Richtung und damit eine radiale Aufweitung der Honleisten 12. Wichtig ist an diesem Zusammenwirken von Außensechskant 16 und Innensechskant 17, daß zwar eine Kopplung in Drehrichtung zur Übertragung der Zustellbewegung erfolgt, aber keine kraftschlüssige Kopplung in axialer Richtung gegeben ist.

Der Werkzeugkörper 11 ist in einem Amplitudenverstärker 31 aufgenommen, über den die hochfrequente Oszillation von einem Schwingungserreger 20 auf das Werkzeug 10 übertragen wird. Der Schwingungserreger 20 besitzt eine ringförmige Grundplatte 25, die die Fesselungsebene darstellt und ihrerseits am Kopfteil 24 befestigt ist. Der Kopfteil 24 ist mit einem Flansch 27 versehen, an dem eine Überwurfmutter 26 angreift, die außerdem an einer (nicht gezeigten) Drehspindel einer Honmaschine befestigt ist. Beidseitig des Schwingungserregers 20 befinden sich die Endmassen 35, 36, die zusammen mit dem eigentlichen Schwingungserreger 20 das Schwingungssystem bilden. Der Amplitudenverstärker ist im Ausführungsbeispiel konisch ausgebildet, d.h. mit sich nach unten verjüngendem Querschnitt. Die geometrische Ausbildung des Amplitudenverstärkers ist maßgebend für eine Transformation der vom Schwingungssystem erzeugten Schwingung auf das Werkzeug 10. Dadurch kann auch die Überlagerung von Longitudinal- und Torsionsschwingungen bestimmt werden. Der Schwingungserreger kann piezoelektrisch, magnetostriktiv oder mechanisch arbeiten. Falls zur Schwingungserzeugung elektrische Energie erforderlich ist, erfolgt die Übertragung durch Kontaktring 28 und Schleifring 29. Links vom Werkzeug in Fig. 2 sind noch einmal die Drehbewegungen dargestellt. Der Kopfteil führt mit der Werkzeugspindel eine Hub- und eine Drehbewegung aus, während zu diesen beiden Bewegungen beim Werkzeug noch eine Axialoszillation und/oder eine Tangentialoszillation hinzutritt.

Fig. 3 zeigt schematisch eine solche Vorrichtung in einer Honmaschine 40. Sie trägt den Spindelkasten 41, von dem aus sich nach unten eine Drehspindel 42 erstreckt, an deren unterem Ende der Kopfteil 43, entsprechend dem Kopfteil 24 in Fig. 2, aufgenommen ist, der über die ringförmige Grundplatte 44 den Schwingungserreger 45 trägt, an dem ein Werkzeug 46 aufgenommen ist, dessen Schneidbelag 47 in ein Werkstück 48 eintaucht, das von einer kardanisch gelagerten Vorrichtung 49 aufgenommen ist. Die von Kopfteil 43 und Schwingungserreger 45 gebildete Einheit ist über eine elektrische Leitung 50 mit einem Generator 51, der die zur Erregung des Schwingungserreger bestimmte hochfrequente Spannung erzeugt, verbunden.

Das Werkzeug nach Fig. 2 ist beispielsweise so ausgelegt, daß die freie Werkzeuglänge ab Einspannstelle maximal 140 mm beträgt. Der Abstand von der Einspannstelle des Werkzeuges bis zum Tisch beträgt ca. 500 mm. Die Axialvorschubgeschwindigkeit des Werkzeuges beträgt 0,4 bis 4 mm/min. Die Drehzahl kann stufenlos auf maximal 5000 mm/min eingestellt werden.

Wenn die Amplitude der Oszillation eine bestimmte Größe erreicht, kann es sein, daß sich in dem beim Honen entstehenden Kreuzschliffmuster noch zusätzliche Rattermarken ausbilden. Ist dies der Fall, so muß anschließend an das "Hochfrequenz"-honen nochmal ein normaler Honvorgang stattfinden. Dies kann mit derselben Werkstückaufspannung und im selben Bearbeitungszyklus erfolgen.

Claims

1. Verfahren zum Bearbeiten von Bohrungen in Werkstücken, bei dem mit einem Schleifmittelbelag belegtes und durch radiale Aufweitung zustellbares Werkzeug gleichzeitig eine Drehbewegung und gleichzeitig eine axiale Hubbewegung ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub- und der Drehbewegung (2, 3) eine hochfreuquente Oszillation (21, 22; 31, 32) überlagert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillation durch Erregung des Werkzeuges (1) im Ultraschall-Bereich erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfrequente Oszillation (21,22) der Drehbewegung (2) überlagert ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfrequente Oszillation (31, 33) der Hubbewegung (3) überlagert ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Suspension bestehend aus einer Flüssigkeit und einem abrasiven Mittel verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension in dem Eingriffsbereich von Werkzeug und Werkstück von außen zugeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension durch ein im Werkzeug angeordnetes Saugrohr abgesaugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension über eine im Werkzeug angeordnete Zuführleitung zugeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfrequente Oszillation durch das Werkstück ausgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspurch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend ein Honvorgang ohne überlagerte hochfrequente Oszillation stattfindet.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (10) in einem Schwingungserreger (20), ggf. unter Zwischenschaltung eines Amplitudenverstärkers (31) aufgenommen ist, der eine Ultraschall-Schwingung erzeugt und auf das Werkzeug (10) überträgt, daß der Schwingungserreger (20) von der Drehspindel einer Honmaschine aufgenommen ist, wobei die Übertragung einer Drehbewegung als Stellbewegung für die Zustellung des Werkzeugs (10) zwischen Drehzustellstange (19) der Honmaschine und einem Zustellkörper (15) im Werkzeug (10) durch Kupplungselemente (16, 17, 18) erfolgt, die eine Drehbewegung, jedoch keine axiale Bewegung übertragen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (20) über eine die Fesselungsebene des Schwingungserregers (20, 35, 36) bildende ringförmige Grundplatte (25) mit einem Kopfteil (24) verbunden, der in der Drehspindel (42) der Honmaschine (40) aufgenommen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fesselungsebene bzw. -ebenen in einer oder mehreren Knotenebene der Schwingung liegt bzw. liegen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung elektrischer Energie zur Erregung des Schwingkopfes (20) über stationäre Schleifringe (29) durch am Kopfteil (24) vorgesehene Kontakte (28) erfolgt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit nicht rundem Querschnitt versehener Endbereich (16) der Zustellstange (14) des Werkzeugs (10) in einer mit demselben Querschnitt versehenen Ausnehmung (17) einer Drehzustellstange (19) axial verschiebbar, jedoch in Drehrichtung kraftschlüssig verbunden angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung vom Werkzeug zum Schwingungserreger kraft- und formschlüssig ausgeführt ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Erreger des Schwingungssystems piezoelektrisch, magnetostriktiv oder mechanisch aufgebaut ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Gleichachsigkeit von Werkstück und Werkzeug während der Bearbeitung eines der Bauteile Werkzeug und Werkstückaufnahme bezüglich der Lage seiner Drehachse fest und der anderen der Bauteile beweglich angeordnet ist.

19. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (10) als aktiver und/oder als passiver Schwinger ausgelegt ist.