Verfahren und Vorrichtung zur kalten Mikroschmiedetechnik von beliebigen 3-D-

Freiformflächen:

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Klopfvorrichtung und ein Klopfverfahren zwecks Glättung und Kaltverfestigung der Oberfläche von Werkzeugen, Maschinen- und anderen Teilen durch das Hämmern auf die Oberfläche der genannten Teile zur Aufnahme an einer Bearbeitungsmaschine oder einem Roboter.

Eine derartige Vorrichtung zeigt die Offenlegungsschrift DE 19732 790.7-14. Bei dieser Vorrichtung wird durch die Rotation einer in Umfangsrichtung wellenförmig ausgebildeten Scheibe auf einer nicht rotierenden, gegensinnig wellenförmig ausgebildeten zwei- ten Scheibe ein Stößel mit konstanter Amplitude axial bewegt. Am werkstückseitigen Ende des Stößels befindet sich ein kugelförmiger Kopf, der auf die Werkstückoberfläche schlägt.

Diese Vorrichtung weist in der Praxis erhebliche Nachteile auf. Die Schlagbewegungen werden mechanisch formschlüssig erzeugt. Dadurch ist die Vorrichtung dem enormen Abrieb der Kurven- bzw. Wellenscheibe unterworfen. Auf der Werkstückoberfläche schlägt der Kopf mit konstanter Amplitude, unabhängig von der Lage, Form und Steifigkeit bzw. Härtegrad der Oberfläche. Dies schränkt die Anwendung dieser Vorrichtung auf wenige Fälle ein.

Die Offenlegungsschrift DE 102 43 415 A1 beschreibt eine ähnliche Vorrichtung, bei der die Bewegung des Kopfes durch Umwandlung des Ultraschalls in eine mechanische Bewegung erfolgen soll. Diese Offenlegungsschrift offenbart jedoch nicht die Art und Weise der Umwandlung des Ultraschalls in die Bewegung des schlagenden Kopfes und geht mit keinem Wort auf die Amplitude des Schlages ein.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit einem Minimum an Verschleiß, Abrieb und Energieaufwand die Oberfläche von Werkzeugen, Werkstücken und Maschinenteilen durch variable Anpassung der Schlagfrequenz und

Schlagamplitude sowie variable Anpassung der Nullage bzw. des Nulldurchganges der Schlagfrequenz an die örtliche Form, Wandstärke und den Härtegrad der Teile zu glätten und zu verfestigen.

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Diese Aufgabe wird erfiπdungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.

Aufgrund der magnetischen Aufhängung mit variabler, jedoch definierter Ruhestellung des Schlagkopfes verbunden mit der Werkstoff- und geometrischen Parametern abhän- gigen, elektrischen und elektronischen Steuerung und/oder Regelung der Frequenz und Amplitude des Schlages wird erfindungsgemäß für jede Stelle einer Werkstückoberfläche die optimale Schlagfrequenz und Amplitude sowie die Ruhelage des Schlagkopfes derart ermittelt und eingestellt, dass das beste Resultat in kürzester Zeit mit einem Minimum an Energieaufwand erzielt wird.

In einfachster Ausführung besitzt eine erfindungsgemäße Vorrichtung einen in der Regel kugelförmigen Schlagkopf, der aus einem sehr harten Werkstoff besteht. Der Schlagkopf ist an einem Träger auswechselbar angeordnet. So kann er gegen einen anderen, z.B. stempeiförmigen Kopf, ausgewechselt werden, um texturierte Oberflä- chen zu erzeugen.

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Wenigstens ein Teil des Trägers des Schlagkopfes ist magnetisch leitend und wird durch einen ringschlauchförmigen magnetischen Fluß in einer bevorzugten Ruhestellung gehalten. Er ist seitlich durch Radiallager oder Magnetlager oder andere Lagerungsarten geführt und gehalten, so dass er aus seiner Ruhestellung axiale Ausschläge ausführen kann. Dieser erste magnetische Fluß wird entweder durch einen axial mag- netisierten Dauermagnetring erzeugt, der seinerseits axial verstellbar den magnetischen Teil des Trägers des Schlagkopfes koaxial umgibt oder durch eine mit geregeltem Strom durchflossene zylinderförmige Spule erzeugt, die sich koaxial um den magnetischen Teil des Trägers des Schlagkopfes befindet. Im letzteren Fall kann die Spule aus mehreren Teilwicklungen bestehen, die je nach Bedarf an magnetischer Feldstärke und Ruhelage des Schlagkopfes in Reihe, parallel oder entgegengesetzt geschaltet und mit Strom durchflössen werden.

Angeregt durch das Fließen eines geregelten und/oder gepulsten Stromes mit oder ohne einem Gleichstromanteil durch eine zweite, sich im selben Magnetfeld oder in einem zweiten Zweig, z.B. äußeren Fluß, desselben Magnetfeldes befindlichen Spule, die mit dem Träger des Schlagkopfes befestigt und diesbezüglich koaxial angeordnet ist, wird der Schlagkopf in axiale Schwingungen mit definierter Frequenz und Amplitude derart versetzt, dass die Mittenlage bzw. der Nulldurchgang der Schlagschwingungen sich beliebig regeln lässt. Somit wird die Schlagfrequenz, Schlagamplitude und die Mittenlage bzw. Nulldurchgang der Schlagschwingungen an die geometrischen Verhältnisse und mechanische Eigenschaften des Werkstücks angepasst.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass anstelle des Dauermagnetrings mehrere kleinere zylinderförmige Dauermagnete parallel zu einander auf einem Zylinder um den magnetischen Teil des Schlagkopfträgers angeordneten werden. In analoger Weise können die kleinen Dauermagnete jeweils durch gleichstrom- durchflossene Spulen ersetzt werden. Durch diese Konstellation der Dauermagnete bzw. der Spulen entstehen zwei verschiedene Magnetflüsse, ein innerer und ein äußerer Fluß. Der innere Magnetfluß sorgt dafür, dass der Träger des Schlagkopfes eine definierte Lage einnimmt. Die Windungen der Erregerspule kann in diesem Falle sich im inneren Magnetfluß, im äußeren Magnetfluß oder in den beiden Magnetflüssen befinden. Im letzteren Falle werden die Windungen der beiden Spulen entgegengesetzt gewickelt, da die Magnetflussrichtungen gegensinnig gerichtet sind.

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Eine derart konzipierte Vorrichtung kann die Oberflächen von Werkzeugen und Werkstücken partiell unterschiedlich bearbeiten, hämmern, glätten und kalt verfestigen. Durch programmgesteuerte und elektronische Anpassung des Abstandes der Schlag- schwingungsmittenlage zur Oberfläche des Werkstücks wird der Wirkungsgrad der Vorrichtung optimiert und somit die Verlustleistung minimiert. So werden beispielsweise die Kanten mit höherer Frequenz und kleineren Amplituden bearbeitet, um die Form und

Gestalt des Teils zu bewahren und die Bohrungsöffnungen nicht einzuengen.

Eine vorteilhaftere Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht die Kombination dieser elektromechanischen Vorrichtung mit einem eigens für diese Aufgabe entwickelten analytischen CAM-System als ein neues Verfahren vor.

Die handelsüblichen CAM-Systeme bearbeiten die Oberfläche eines Werkstücks stets durch die parallele Führung des Werkzeuges zur gewünschten Oberfläche des Werkstücks, das sogenannte Offset-Verfahren. Dagegen arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren mit einem analytischen CAM-System. Nach der Analyse der gewünschten 3- D-Oberfläche anhand der Geometriedaten wird der kleinste Krümmungsradius der Flä- che ermittelt und als größter Kugelradius des Werkzeuges bestimmt. Nach Wahl des

Werkzeugradius berechnet das erfindungsgemäße CAM-System die Bahn des Mittelpunktes des kugelförmigen Fräs- und Klopfwerkzeuges, in dem es eine Kugel gleichen Radius über die gesamte gewünschte Oberfläche abrollen lässt und den geometrischen Ort der Kugelmittelpunkte als neue 3-D-Fläche für die Führung des Werkzeugmittelpunktes ermittelt. Anschließend werden die Krümmungen der neuen 3-D-Fläche berechnet und analysiert und darauf die optimalen Führungsbahnen des Werkzeugmittelpunktes derart ermittelt, dass die Riefen beim Fräsen und die Wulstbildung beim Klop- fen minimiert werden.

Das erfindungsgemäße analytische CAM-System kennt somit zu jeder Zeit den momentanen Berührungspunkt des Werkzeuges mit der Oberfläche des Werkstücks und kann entsprechend agieren. Flache Bahnen werden mit einer anderen Strategie bearbeitet als stärker gekrümmte Bahnen oder Ecken von Bohrungen, Vertiefungen, Nuten oder Werkstückkanten.

Die Kombination und elektronische Koppelung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem beschriebenen analytischen CAM-System mit oder ohne Einbindung eines mecha- nischen oder berührungslosen Oberflächen-Messverfahrens, wie z.B. LASER-Messung der Werkstückoberfläche während der Bearbeitung, führt zu einem intelligenten und autonomen Fräs- und Klopf-Verfahren im Sinne der Regelungstechnik. Die gewünschten 3-D-Flächenformen, Form- und Lagetoleranzen sowie die partiellen Oberflächenrauhigkeiten und Festigkeiten werden gemäß dem Zeichnungsprogramm von diesem intelli- genten System übernommen und automatisch durchgeführt.

Dieses Intelligente System erkennt alle Kanten und andere Schwachstellen, wie z.B. dünnere Wandungen des Werkstücks und behandelt diese entsprechend schonend.

Da der tatsächliche momentane Berührungspunkt des Klopfwerkzeuges mit dem Werkstück bekannt ist, kann die Längsachse der Vorrichtung stets als Normale zur Flächentangente am Berührungspunkt der Werkstückoberfläche gerichtet und geführt werden. Dadurch erfolgt der optimalste Klopfvorgang und wird das derzeit beste Resultat erzielt.

Im Einzelnen zeigen:

Fig. 1 den Querschnitt durch die Erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer gehäusefesten Spule als Haltemagnet und einer axial beweglichen Erregerspule des Schlagkopfes,

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Fig.2 den Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem gehäusefesten Dauermagnetring oder mehreren kleineren Dauermagneten bzw. Spulen ringförmig um den Träger des Schlagkopfes als

Haltemagnet angeordnet und einer oder zwei axialbeweglichen Erregerspulen des Schlagkopfes.

Identische Teile haben die gleiche Ziffer oder den gleichen Buchstaben. Unterschiedli- che Indizes kennzeichnen verschiedene Bereiche oder unterschiedliche Ausführungen oder mehrfache Anordnung desselben Teils.

Gemäß Fig. 1 ist ein Schlagkopf (1a) an einem leichten und nicht magnetischen Träger (1 b), auswechselbar befestigt. Der Träger (1 b) ist im Gehäuse (2) radial gelagert, so dass er nur axiale Bewegungen in Richtung seiner Längsachse (A) ausführen kann. Das Gehäuse (2) wird durch eine entsprechende Aufnahme an eine Bearbeitungsmaschine wie z.B. eine Fräsmaschine oder an einem Roboter oder Hexapod befestigt. Der Träger des Schlagkopfes (1b) kann durchgehend hohl sein, um durch seine hohle Mitte

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Kabel, Messtaster oder Lichtstrahl führen zu können. An dem Träger (1 b) ist koaxial eine ferromagnetische Hülse (1c) befestigt, die in einem Magnetfeld (B1) eine bestimmte Position als Ruhestellung einnimmt.

Um die Hülse (1c) befindet sich koaxial eine am Gehäuse (2) befestigte, zentral angeordnete Spule (3a), die mit einem Gleichstrom (11 a)durchflossen wird, um ein Magnetfeld (B1 a) aufzubauen. Die Spule (3a) kann aus einer einzigen Spule oder aus mehre- ren kleineren Spulen bestehen, die je nach Bedarf elektronisch parallel oder in Reihe oder kombiniert geschaltet werden, um die Haltekraft und die Ruhelage des Schlagkopfes zu verändern. Die Spule (3a) kann auch mechanisch axial verstellbar gestaltet sein, um die Ruhelage des Schlagkopfes manuell oder elektromotorisch oder elektromagnetisch zu verändern.

Am Träger des Schlagkopfes (1 b) befindet sich eine zweite Spule (4a) derart, dass deren Drahtwindungen senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfeldes (B1a) stehen. Die Spule (4a) wird mit einem in der Frequenz und Amplitude geregelten Wechselstrom (I2a)und/oder gepulsten Strom (I2a)mit oder ohne einem Gleichstromanteil durchflos- sen. Dadurch bewegt sich der Schlagkopf mit definierter Frequenz und Amplitude auf und ab. Die Schlagfrequenz wird durch die Pulsfrequenz und die Schlagkraft durch die Pulshöhe und Pulsbreite bestimmt.

Gemäß Fig. 2 ist der mechanische Aufbau der Vorrichtung prinzipiell ähnlich dem der Fig. 1 , jedoch wird das Magnetfeld (B1a) entweder durch ein axial magnetisierter Dauermagnetring (3) oder durch mehrere um die Hülse (1 c) koaxial angeordneten kleinere zylinderförmige Dauermagnete erzeugt, die auch durch einzelne Spulen (3b, 3c, . . .) ersetzt werden können. Durch diese Anordnung des Dauermagnetringes bzw. der Dauermagnete oder der Spulen entstehen zwei ringschlauchförmige Magnetflüsse, ein innerer Magnetfluß (B1 b) und ein äußerer Magnetfluß (B2). Der innere Magnetfluß (B1 b) sorgt gemeinsam mit der Hülse (1c) für die Ruhestellung des Schlagkopfes, während die Spule (4b) mit dem Wechselstrom bzw. dem gepulsten Strom (I2b)sich im äußeren Magnetfluß (B2) befindet und für die auf und ab Bewegung des Schlagkopfes sorgt.

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Bei dieser Anordnung der Magnetfelder (B1 b, B2)kann eine weitere, sich am Träger (1 b) des Schlagkopfes befindliche, Erregerspule (4c) im inneren Magnetfeld (B1 b) platziert werden, deren Stromrichtung (I2c) jedoch der Stromrichtung (I2b)der ersten Erreger- spule (4b) entgegengesetzt fließt, da die Magnetfelder unterschiedliche Richtungen aufweisen.

Die in den vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offen- barten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein. Alle offenbarten Merkmale sind erfindungswesentlich.

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