DE102009017248A1

DE102009017248A1 - Ultraschalleinheit für die Materialbearbeitung

Info

Publication number: DE102009017248A1
Application number: DE200910017248
Authority: DE
Original assignee: AZARHOUSHANG BAHMAN
Current assignee: Azarhoushang Bahman De; TAWAKOLI, TAGHI, PROF. DR.-ING., DE
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2010-10-21

Abstract

Die Ultraschalleinheit mit der speziellen Blocksonotrode (4) ist eine selbstständige Einheit, die zwischen Werkzeugmaschinentisch und Werkstück bzw. Werkzeug gespannt wird. Die untere Seite bzw. die Füße (6) der Blocksonotrode schwingen nicht bzw. weisen sehr niedrige Schwingungsamplituden auf. Die obere Seite bzw. die Fläche der Blocksonotrode (4) mit allem, was darauf gespannt ist, besitzt die notwendigen Schwingungen mit geeigneten Amplituden für die Bearbeitung. Die Blocksonotrode hat in verschiedenen Richtungen Hohlräume (5), die diese positiven Eigenschaften ermöglichen.

Description

Einleitung
Eine neue und Erfolg versprechende Technik zur Erhöhung der Materialabtragsrate bei gleichzeitiger Verringerung der thermischen Schädigung des Werkstücks, Reduzierung der Zerspankräfte und des Werkzeugverschleißes und Verbesserung der Oberflächengüte ist der Einsatz der Ultraschallunterstützung bei der Zerspanung. Mit dieser Methode wird in der konventionellen Kinematik des Prozesses eine zusätzliche Schwingung im Mikrometerbereich bei Frequenzen im Ultraschallbereich überlagert. Obwohl die Vorteile der Ultraschallunterstützung schon längst bekannt sind, konnte bisher ein flexiblerer und wirtschaftlicher Einsatz der Ultraschallunterstützung bei der Zerspanung nicht realisiert werden.
Problemdarstellung
Bei den bisherigen industriellen Ultraschallmaschinen wurde immer das Werkzeug und nicht das Werkstück in Ultraschallschwingungen versetzt. Wenn in Ausnahmefällen Werkstücke mit einer Ultraschalleinheit in Schwingung gebracht werden, muss für jede Werkstückvariation eine spezielle Sonotrode konstruiert und gebaut werden. Die Verbindung des Werkstückes mit der Sonotrode ist problematisch; außerdem durften die Werkstücke bisher nur eine relativ niedrige Masse besitzen, in der Regel weniger als 1 kg.
Die Schwierigkeit dabei ist die optimale Erregung der Werkstücke unterschiedlicher Größe und Gewichte. Die Realisierung der Ultraschallschwingungen an einem rotierenden Werkzeug ist mit größeren Schwierigkeiten verbunden. Einerseits braucht man eine spezielle Spindel, die eine sehr hohe Genauigkeit erfordert. Andererseits müssen die Werkzeuge der Ultraschallmaschinen, die mit Ultraschallschwingungen versetzt werden, eine spezielle Konstruktion aufweisen, die die Schwingungen des rotierenden Werkzeuges gewährleisten. Diese speziell konstruierten Werkzeuge sind klein und benötigen infolgedessen eine sehr große Rotationsgeschwindigkeit, um eine hohe Schnittgeschwindigkeit zu erreichen. Desweiteren erhöht sich die Bearbeitungszeit bei einigen Verfahren (z. B. beim Schleifen) auf Grund der kleinen Abmessungen der speziellen Werkzeuge erheblich. Die Anschaffungskosten dieser Maschinen und die der Werkzeuge sind wesentlich höher als die Kosten von konventionellen Maschinen und Werkzeugen.
Aus diesem Grund soll eine günstige innovative Schwingungseinheit entwickelt werden, die die industriellen Werkstücke unterschiedlicher Größe und Gewichte in Ultraschallschwingungen versetzen kann. Es gibt zwar einige Erfindungen, bei der der Tisch mit der Ultraschallschwingung beaufschlagt wird, diese können aber aufgrund der folgenden Probleme nicht industriell eingesetzt werden:

• Der Tisch gehört nicht zur Schwingungskette (→ dead body), was zu einer sehr hohen Dämpfung der Schwingungen führt.
• Die Tischabmessungen sind sehr begrenzt, so dass mit diesen Ultraschallsystemen nur kleine Werkstücke mit kleinen Massen vibriert werden können. Zur Vergrößerung der Tischabmessungen braucht man eine hohe Anzahl von Piezo-Keramiken, wodurch das System sehr teuer wird.
• Wegen der hohen Dämpfung ist die Ultraschallamplitude in den vorhandenen Systemen sehr klein.

Lösungskonzept/Erfindung
Bei der hier vorgestellten Erfindung handelt es sich um eine Schwingungseinheit, die in jede Maschine unter das Werkstück (Werkzeug) eingebaut werden kann und somit eine herkömmliche Werkzeugmaschine in eine ultraschallunterstützte Maschine mit erheblich mehr Eigenschaften/Fähigkeiten umwandelt.
Bild 1 zeigt eine schematische Darstellung dieser neuen Ultraschalleinheit. Die Einheit besteht aus einem handelüblichen Generator, jeweils einem oder mehreren Schallwandlern (1), piezokeramischen Ringen (2), Bonstern (3) und einer speziellen Blocksonotrode (4). Schallwandler (1) und Booster (3) haben eine Längsachse und eine halbe Wellenlänge der Resonanz-Frequenz entlang der Längsachse. Das Herzstück der Erfindung ist die Blocksonotrode (4), die in der Regel eine kubische Form mit mehreren Höhlräumen (5) aufweist. Die Blocksonotrode wird mit dem Booster (3) verbunden und anschließend mit dämpfenden Distanz-Hülsen bzw. Füßen (6) am Werkzeugmaschinentisch bzw. an der Arbeitsplatte befestigt. Der Ultraschallgenerator wandelt den elektrischen Strom mit ca. 50 Hz in hochfrequente Impulse mit 20 kHz oder höher um. Diese hochfrequenten elektrischen Impulse gelangen zu einem piezoelektrischen Wandler und werden durch den piezoelektrischen Effekt in mechanische Schwingungen mit Ultraschall-Frequenz umgewandelt. Die Schallamplitude wird zuerst durch den Booster und dann durch die Blocksonotrode verstärkt und auf das Werkstück (Werkzeug), das an der Blocksonotrode angeschlossen ist, übertragen. Die Schallausbreitung erfolgt in Längsachse des Boosters und des Schallwandlers. Die Kontaktfläche mit dem Tisch bzw. der Arbeitsplatte erhält dabei keine Schwingungen. Im Gegensatz zu den Füßen der Blocksonotrode (6), die keine Schwingungen übertragen, weist die Oberseite bzw. die neue Arbeitsfläche je nach Konstruktion und Generatoreinstellung starke Schwingungen in Ultraschallbereich auf.
Die Blocksonotrode enthält einige Bohrungen mit definierten Durchmessern und Abständen. Wegen seines speziellen Entwurfs hat die Blocksonotrode die gleiche Resonanzfrequenz wie die anderen Teile der Schwingungskette, wie z. B. der Booster (3). Folglich werden die Ultraschallwellen vom Booster (3) aus auf die Blocksonotrode (4) ohne irgendeinen Widerstand übertragen, da die Dämpfung in diesem neuen System fast Null ist. Da die Blocksonotrode (4) ein Teil der Schwingungskette ist, gibt es keine Beschränkungen bei der Größe der Blocksonotrode (im Gegensatz zu den vorhandenen Systemen). Die Kontrolle des Systems ist einfach und da das System vollständig mit der Resonanzfrequenz arbeitet, ist nur eine geringe Anzahl an piezo-keramischen Ringen erforderlich. Das System ist zudem im Vergleich zu den vorhandenen Systemen sehr preiswert.
Bild 2 zeigt das gesamte System und Möglichkeiten für die Aufnahme von z. B. einem Werkstück (oder Werkzeug) (7) oder einem Schraubstock (8). Werkstücke (oder Werkzeuge) können mit Schrauben oder beliebigen Spannsystemen auf der Blocksonotrode (4) befestigt werden. Es könnte auch ein Schraubstock (8) auf der Blocksonotrode (4) angebracht werden, um die – rotierenden oder nicht rotierenden – Werkstücke oder Werkzeuge flexibel und einfach spannen zu können und das Werkstück bzw. den Schraubstock mit allen auf ihm gespannten Systemen bzw. Werkzeugen in Schwingung zu setzten. Auf der Oberseite der Blocksonotrode (4) können auch bestimmte Geräte wie Abrichteinheiten mit rotierenden oder stehenden Abrichtwerkzeugen befestigt werden.
Wirtschaftliche Bedeutung
Die neu entwickelte Einheit kann wie ein normaler Maschinentisch bzw. wie eine Arbeitsplatte benutzt werden. Es können Werkstücke (Werkzeuge) aufgespannt und mit Hilfe von Ultraschallunterstützung bearbeitet werden; so kann z. B. eine konventionelle Abrichteinheit auf der Blocksonotrode befestigt werden und das Abrichten mit Unterstützung und unter Nutzung der Vorteile der Ultraschallbearbeitung erfolgen. Diese Möglichkeiten hatte es vor unserer Erfindung bisher nicht gegeben.
Unsere Erfindung weist folgende neuen Eigenschaften auf:

– Integration der neu entwickelten Einheit in jede beliebige Maschine für Zerspanung, Umformung, Mischung, ....
– Einfache, schnelle und wirtschaftliche Integration in jegliche Maschine.
– Geeignet sowohl für kleine als auch große Werkstücke als auch kleine oder große Massen.
– Das Werkstück (Werkzeug), das auf der Blocksonotrode (4) befestigt wird, muss nicht gebohrt oder geklebt werden (das Werkstück muss nicht verändert oder einem System angepasst werden).
– Jedes Werkstück und Werkzeug kann mit dieser Einheit benutzt werden. Es besteht keine Notwendigkeit, ein spezielles Werkzeug zu konstruieren oder mit besonders konstruierten Werkstücken zu arbeiten, um die Vorteile der Ultraschallunterstützung nutzen zu können.

Einige Schleifversuche wurden mit verschiedenen Materialien (Hochleistungskeramik, nickel- und titanbasierte Legierungen und Hartstahl) mit CBN-, Diamant- und konventionellen Schleifscheiben und unterschiedlichen Schleifparametern durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse beweisen, dass die Anwendung von Ultraschallschwingung mit der entwickelten Ultraschalleinheit die thermischen Schädigungen auf dem Werkstück verhindern (durch Reduzierung der Schleiftemperaturen), den G-Faktor erhöhten (durch Verringerung vom Schleifscheibenverschleiß), die Oberflächenrauheit wesentlich verbessern und die Schleifkräfte deutlich verringern. Dadurch können eine höhere Materialabtragsrate erzielt und die Produktionskosten signifikant gesenkt werden.
Eine weitere sehr nützliche Anwendung für die entwickelte Ultraschalleinheit ist das ultraschallunterstützte Trockenschleifen. Die technologischen Hemmnisse können durch die Nutzung von ultraschallunterstütztem Trockenschleifen überwunden werden, da die Schleiftemperatur und die Schleifenergie durch diese Methode reduziert werden.
Die entwickelte Ultraschalleinheit kann auch für ultraschallunterstütztes Abrichten, Bohren und Fräsen eingesetzt werden. Die gesamte Abrichteinheit kann auf die Sonotrode installiert werden.

Claims

Die Ultraschalleinheit mit der speziellen Blocksonotrode (4) ist eine selbstständige Einheit, die zwischen Werkzeugmaschinentisch und Werkstück bzw. Werkzeug gespannt wird. Die untere Seite bzw. die Füße (6) der Blocksonotrode schwingen nicht bzw. weisen sehr niedrige Schwingungsamplituden auf. Die obere Seite bzw. die Fläche der Blocksonotrode (4) mit allem, was darauf gespannt ist, besitzt die notwendigen Schwingungen mit geeigneten Amplituden für die Bearbeitung. Die Blocksonotrode hat in verschiedenen Richtungen Hohlräume (5), die diese positiven Eigenschaften ermöglichen.
Auf die Blocksonotrode (4) in Anspruch 1 können Werkstücke gespannt werden, um diese durch Ultraschall (z. B. Zerspanen, Umformen, ...) bearbeiten zu können.
Auf die Blocksonotrode (4) in Anspruch 1 können Schraubstöcke befestigt werden, um die Werkstücke bzw. Werkzeuge, die mit der Oberseite der Blocksonotrode schwingen, einfach aufnehmen zu können.
Auf die Blocksonotrode (4) in Anspruch 1 können bestimmte Einheiten wie z. B. eine Abrichteinheit mit rotierenden oder stehenden Abrichtwerkzeugen angebracht werden, um das ultraschallunterstützte Abrichten zu ermöglichen.
Auf die Blocksonotrode (4) in Anspruch 1 können Bohr-, Fräs- und Dreheinheiten für Mikro- und Nanobearbeitung angebracht werden, die die Zerspanung mit definierter Schneide und Ultraschall ermöglichen.
Auf die Blocksonotrode (4) in Anspruch 1 können Werkzeuge, Einheiten oder Werkstücke mit kleine Gewichten oder Massen über 5 kg gespannt und in Schwingung versetzt werden.
Die Blocksonotrode (4) in Anspruch 1 kann in jede Werkzeugmaschine auf dem Maschinentisch befestigt werden, um die Maschine in eine ultraschallunterstützte Maschine umzuwandeln.