DE3919895A1

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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

Abstract

The tool (10) is simultaneously moved relative the workpiece with radial and axial motion with overlayed onto each a high frequency, e.g. ultrasonic oscillation. The oscillation may be applied to the work piece. The tool may be held in an oscillation stimulator (20) possibly via an amplitude-amplifier (31). The stimulator produces an ultrasound oscillation transmitted to the tool, and may be mounted on the housing machine spindle. The stimulator may be piezoelectric, magnetostrictive, or mechanical. ADVANTAGE - Higher geometric accuracy of hole, esp. for cylindricality, straightness and roundness.

Description

Translated fromGerman

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.The invention relates to a method for processingBores in workpieces with an abrasive coatingoccupied tool that can be adjusted by radial expansiona rotary movement and an axial lifting movement at the same timeexecutes. Such a process can be honing,Lapping, rubbing or honing.

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.The object of the invention is so this honing processto further develop that the effectiveness is significantly improved.In particular, this should also improve the geometry (Expansion, taper, barrel shape) of the machined holesbe better possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Hub- und der Drehbewegung eine hochfrequente Oszillation überlagert ist.This object is achieved in that theStroke and the rotary movement a high-frequency oscillationis superimposed.

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.This is a device for performing the methodcharacterized in that the tool in a vibration exciter,if necessary with the interposition of an amplitude amplifieris recorded, which generates an ultrasonic vibration andtransfers to the tool that the vibration exciter from theRotary spindle of a honing machine is added, theTransfer of a rotary movement as an actuating movement for theInfeed of the tool between the rotary feed rod of theHoning machine and a feed body in the toolCoupling elements are made that have a rotational movement, but nonetransmit axial movement.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.Advantageous further developments are in the subclaimsAre defined.

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.The essence of the invention resides in the normal,characterized by an axial stroke movement and rotary movementHoning process another movement, namely a high frequencyOverlay oscillation, in particular ultrasonically excited,this additionally superimposed vibration both in axial direction i.e. in the direction of the lifting movement as welltangential direction, i.e. in the direction of the rotational movement of theHoning tool can be done. Both overlays can toocan be combined with each other. Both canHoning tool and the workpiece set in oscillationwill. The vibrations take place in the ultrasound rangeFrequencies from 16 to 40 kHz and with amplitudes from 5 to100. You can use the mandrel honing tools as wellUse ingot honing tools. The delivery of theHoning tool on the surface to be machined, i.e. radial(in relation to the rotary movement) can be rotated by aThe feed rod of the honing machine is provided, if guaranteedis that the rotational movement required for delivery is notthe ultrasonic vibration from the tool to the honing machineretransmitted. So there must be coupling elements without axialNon-positive connection may be provided.

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.Serve as the exciter for the superimposed high-frequency vibrationVibration exciter of known design. The connection of theTool or the tool body to the vibration exciterand / or amplitude amplifier takes place via aCone connection or via a threaded connection. TheCoolant supply (water or water-miscibleCooling lubricants) takes place conventionally from the outside. TheThe use of oil does not appear to be advantageous becausedue to the viscosity of the lubricating oilUltrasonic vibration could be dampened.

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.The processing can be done with bound and / or loose grainrespectively. If loose grain is used, it becomes abrasiveMaterial via a suspension in the workpiece boreheaded. In any case, the use of coolantrequired.

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.The main advantages of this method areAchieve higher geometrical accuracy of the machinedBore, especially with regard to the cylindrical shape, theStraightness and roundness. In addition, thehigh frequency oscillation ensures that theDiamond cutting surfaces are not compatible with the machined materialclog. Processing can be fully automated; itthis results in more favorable processing times and an increasethe tool life.

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.The free tool length, i.e. the tool part that isoutside the clamping point of the vibration exciter orAmplitude amplifier of the honing machine is inIn the case of an active transducer an integer multiple of thehalf wavelength of the exciting frequency. When training theTool as a passive transducer is the free tool lengtha maximum of an integer multiple of the quarter wavelengths.Basically it should be noted that tools andTool holder can be designed so that theMass concentration and any moving parts inVibration nodes are arranged.

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.When choosing the movements in detail are differentVariations possible. The rotation can be done by left orClockwise rotation of the tool, but also of the workpiecebe. Likewise, lifting movement through the tool as wellcan also be carried out by the workpiece. Is alikealso the ultrasonic excitation both on the tool and on theWorkpiece possible. That applies to the longitudinal and alsoTorsional vibrations, as well as for any shapethe overlay.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beschreiben. Es stellen dar:Embodiments of the invention and its advantageousFurther training is based on the attachedDescribe drawings. They represent:

Fig. 1 die Kinematik;FIG. 1shows the kinematics;

Fig. 2 eine für das Verfahren geeignete Vorrichtung, einschließlich Werkzeug;Fig. 2 is a suitable for the process device, including tool;

Fig. 3 die Vorrichtung an einer Honmaschine.Fig. 3 shows the device on a honing machine.

Fig. 1 zeigt ein Werkzeug1, das wie üblich eine Drehbewegung, entsprechend Pfeil2, und eine Hubbewegung, entsprechend Pfeil3 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 Pfeile21 und22 veranschaulicht; es handelt sich um eine Tangentialoszillation entlang des Umfangs des Werkzeuges1; im Falle der Hubbewegung3 ist diese Oszillation durch die Pfeile31 und32 veranschaulicht, es handelt sich um eine Axial-Oszillation des Werkzeuges1, bezogen auf seine Drehrichtung. Das Werkstück4 weist eine Bohrung5, die bearbeitet wird, auf. Im dargestellten Fall hat die Bohrung5 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 Zeilen2,3) 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. 1 shows a tool1 which, as usual, performs a rotary movement according to arrow2, and a lifting movement, according to arrow3. Both movements, either alternatively or cumulatively, can each be overlaid with a high-frequency oscillation. In the case of the rotary movement, this superimposed ultrasound is illustrated by the arrows21 and22 ; it is a tangential oscillation along the circumference of the tool1 ; in the case of the lifting movement3 , this oscillation is illustrated by the arrows31 and32 , it is an axial oscillation of the tool1 , based on its direction of rotation. The workpiece4 has a bore5 which is machined. In the case shown, the bore5 has a shape error to be eliminated by the machining, namely a so-called advance, ie the diameter of the still unfinished bore is smaller in the central region than at the ends of the bore. The kinematics of the honing process created by superimposing an oscillation can be described in such a way that in the usual cross-cut pattern, which is caused by lifting movement and simultaneous rotation (corresponding to lines2 ,3 ), a back and forth movement takes place in the grooves a particularly intensive and rapid improvement of the surface including material removal and thus a rapid improvement in shape.

Fig. 2 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung an einer Honmaschine. Das Werkzeug10 hat einen Werkzeugkörper11, in dem radial verschiebbar Honleisten12 angeordnet sind. Diese sind beispielsweise mit Diamantkorn belegt. Die Aufweitung in radialer Richtung erfolgt durch einen Keil13, der mit einer Zustellstange14 fest verbunden und axial verschiebbar ist. Die Honleisten12 werden durch nicht gezeigte Federn radial nach innen auf den Keil13 gezogen. Auf die Zustellstange14 wirkt in axialer Richtung der mit einem Außengewinde versehener Zustellkörper15, dessen oberes Ende als Außensechskant16 ausgebildet ist. Er erstreckt sich in den Innensechskant17 des Endes18 der Drehzustellstange19. Eine Drehung der Drehzustellstange19 ergibt also eine Drehung des Zustellkörpers15 und somit eine Verschiebung der Zustellstange14 im Werkzeugkörper11 in axialer Richtung und damit eine radiale Aufweitung der Honleisten12. Wichtig ist an diesem Zusammenwirken von Außensechskant16 und Innensechskant17, daß zwar eine Kopplung in Drehrichtung zur Übertragung der Zustellbewegung erfolgt, aber keine kraftschlüssige Kopplung in axialer Richtung gegeben ist.Fig. 2 shows the structure of a device on a honing machine. The tool10 has a tool body11 in which honing stones12 are arranged in a radially displaceable manner. These are covered with diamond grain, for example. The widening in the radial direction takes place by means of a wedge13 which is fixedly connected to a feed rod14 and is axially displaceable. The honing stones12 are drawn radially inwards onto the wedge13 by springs, not shown. On the feed rod14 acts in the axial direction of the feed body15 provided with an external thread, the upper end of which is designed as an external hexagon16 . It extends into the hexagon socket17 of the end18 of the rotary feed rod19 . A rotation of the rotary feed rod19 thus results in a rotation of the feed body15 and thus a displacement of the feed rod14 in the tool body11 in the axial direction and thus a radial expansion of the honing stones12 . What is important about this interaction of the hexagon socket16 and the hexagon socket17 is that there is a coupling in the direction of rotation for transmitting the infeed movement, but there is no non-positive coupling in the axial direction.

Der Werkzeugkörper11 ist in einem Amplitudenverstärker31 aufgenommen, über den die hochfrequente Oszillation von einem Schwingungserreger20 auf das Werkzeug10 übertragen wird. Der Schwingungserreger20 besitzt eine ringförmige Grundplatte25, die die Fesselungsebene darstellt und ihrerseits am Kopfteil24 befestigt ist. Der Kopfteil24 ist mit einem Flansch27 versehen, an dem eine Überwurfmutter26 angreift, die außerdem an einer (nicht gezeigten) Drehspindel einer Honmaschine befestigt ist. Beidseitig des Schwingungserregers20 befinden sich die Endmassen35,36, die zusammen mit dem eigentlichen Schwingungserreger20 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 Werkzeug10. 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 Kontaktring28 und Schleifring29. Links vom Werkzeug inFig. 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.The tool body11 is received in an amplitude amplifier31 , via which the high-frequency oscillation is transmitted from a vibration exciter20 to the tool10 . The vibration exciter20 has an annular base plate25 , which represents the bondage level and in turn is attached to the head part24 . The head part24 is provided with a flange27 on which a union nut26 engages, which is also fastened to a rotating spindle (not shown) of a honing machine. On both sides of the vibration exciter20 there are the end masses35 ,36 , which together with the actual vibration exciter20 form the vibration system. In the exemplary embodiment, the amplitude amplifier is conical, that is to say with a cross section tapering downward. The geometric design of the amplitude amplifier is decisive for a transformation of the vibration generated by the vibration system onto the tool10 . This also allows the superposition of longitudinal and torsional vibrations to be determined. The vibration exciter can work piezoelectrically, magnetostrictively or mechanically. If electrical energy is required to generate vibrations, the transmission takes place through contact ring28 and slip ring29 . The rotary movements are shown again to the left of the tool inFIG. 2. The head part carries out a lifting and a rotating movement with the tool spindle, while in addition to these two movements in the tool there is an axial oscillation and / or a tangential oscillation.

Fig. 3 zeigt schematisch eine solche Vorrichtung in einer Honmaschine40. Sie trägt den Spindelkasten41, von dem aus sich nach unten eine Drehspindel42 erstreckt, an deren unterem Ende der Kopfteil43, entsprechend dem Kopfteil24 inFig. 2, aufgenommen ist, der über die ringförmige Grundplatte44 den Schwingungserreger45 trägt, an dem ein Werkzeug46 aufgenommen ist, dessen Schneidbelag47 in ein Werkstück48 eintaucht, das von einer kardanisch gelagerten Vorrichtung49 aufgenommen ist. Die von Kopfteil43 und Schwingungserreger45 gebildete Einheit ist über eine elektrische Leitung50 mit einem Generator51, der die zur Erregung des Schwingungserreger bestimmte hochfrequente Spannung erzeugt, verbunden.Fig. 3 shows such a device schematically in a honing machine40th It carries the headstock41 , from which a rotary spindle42 extends downward, at the lower end of which the head part43 , corresponding to the head part24 inFIG. 2, is received, which carries the vibration exciter45 via the annular base plate44 , on which a tool is received46, the cutting layer47 is immersed in a workpiece48 which is received in a gimbal-mounted device49th The unit formed by the head part43 and the vibration exciter45 is connected via an electrical line50 to a generator51 , which generates the high-frequency voltage intended to excite the vibration exciter.

Das Werkzeug nachFig. 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.The tool according toFIG. 2 is designed, for example, so that the free tool length from the clamping point is a maximum of 140 mm. The distance from the clamping point of the tool to the table is approx. 500 mm. The axial feed speed of the tool is 0.4 to 4 mm / min. The speed can be continuously adjusted to a maximum of 5000 mm / min.

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.If the amplitude of the oscillation is a certain sizeachieved, it may be that during honingresulting cross-cut pattern still additional chatter marksform. If this is the case, then the"High frequency" honing again a normal honing processoccur. This can be done with the same workpiece clamping andin the same machining cycle.