DE112004002942T5

DE112004002942T5 - Vorrichtung zur ultraschallunterstützten spanenden Bearbeitung

Info

Publication number: DE112004002942T5
Application number: DE112004002942T
Authority: DE
Inventors: Xiang Dong Liu; Xin Ding
Original assignee: Agency for Science Technology and Research Singapore
Current assignee: Agency for Science Technology and Research Singapore
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2007-08-09
Also published as: US7692360B2; WO2006022592A1; US20070257579A1; JP2008510631A; CN101014436A; MY140037A; CN100553835C; JP4746045B2

Abstract

Vorrichtung zur ultraschallunterstützten spanenden Bearbeitung bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfasst:
(a) einen Ultraschallwandler zum Erzeugen von Ultraschallwellen in einem Vibrationshorn;
(b) eine erste Klammer an dem Vibrationshorn an einem statischen Knoten der Ultraschallwellen; und
(c) eine zweite Klammer zwischen der ersten Klammer und einem untersten Ende des Vibrationshorns;
wobei die zweite Klammer ein Linearlager zum Verringern von Schwingungen des Vibrationshorns in einer Richtung seitlich von dem Vibrationshorn und zum Ermöglichen von Schwingungen des Vibrationshorns in der Richtung einer Längsachse des Vibrationshorns umfasst.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur ultraschallunterstützten spanenden Bearbeitung und bezieht sich insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich auf Vorrichtungen zur ultraschallunterstützten spanenden Bearbeitung von Metallen wie etwa Stahl und nichtrostender Stahl.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Eine ultraschallunterstützte spanende Bearbeitung weist mehrere wichtige Vorteile auf. Ein wichtiger Vorteil ergibt sich aus der reibungsreduzierenden Wirkung, welche eintritt, wenn die Schneidkante oder schneidende Spitze des Werkzeugs sich während jedes Schwingungszyklus vom Werkstück löst, und welche eine Ultraschall-Pumpwirkung hervorruft. Diese Pumpwirkung ermöglicht die Übertragung von Kühlfluiden zu allen Bereichen der Werkstückfläche. Das Kühlfluid kann Luft sein.
Eine normale spanende Bearbeitung weist eine Genauigkeit von mehr als 5 μm auf und erfolgt unter Verwendung gewöhnlicher Werkzeugmaschinen. Die ultraschallunterstützte spanende Bearbeitung wurde in den 60-er Jahren eingeführt, um Vorteile gegenüber der normalen spanenden Bearbeitung zu erzielen. Die erwarteten Vorteile wurden jedoch nicht realisiert, da sie weder die Werkzeugstandzeit erhöhte noch die Oberflächengüte verbesserte. Außerdem ist die Schneideffizienz niedrig, da die Schnittgeschwindigkeit kleiner sein muss als die Schwingungsgeschwindigkeit.
Seit 1980 wurde die Ultrapräzisionsbearbeitung entwickelt, um die Anforderungen der Herstellung komplizierter opti scher Systeme zu erfüllen. Ein Diamant-Werkzeugeinsatz (Diamantschneidplatte) ist der einzige Werkzeugeinsatz, der verwendet werden kann, um eine Oberflächenbearbeitung optischer Spiegel vorzunehmen. Ein Diamant-Werkzeugeinsatz kann jedoch auf Stahl aufgrund der starken chemischen Reaktion zwischen dem Diamanten und dem Stahl nicht verwendet werden. Die chemische Reaktion verursacht eine Graphitierung des Diamanten.
Bei Systemen nach dem Stand der Technik ist das Vibrationshorn an zwei statischen Knotenpunkten der Vibrationswelle festgeklemmt, wie in 1 dargestellt. Der Diamant-Werkzeugeinsatz ist am freien Ende des Vibrationshorns angebracht. Um eine Oberflächenbearbeitung eines Spiegels zu erzielen, muss die induzierte seitliche Schwingung des Horns (Trichters) in der radialen Richtung wesentlich reduziert werden.
Bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik mit dem Vibrationshorn mit zwei statischen Befestigungspunkten ist ein gewisser Abstand vom unteren statischen Knotenpunkt bis zu dem freien Ende vorhanden, wo der Werkzeugeinsatz angebracht ist. In einem solchen Falle weist der Punkt an dem freien Ende eine verminderte Steifigkeit in der seitlichen/radialen Richtung auf, und eine seitliche Schwingung in der seitlichen/radialen Richtung kann leicht hervorgerufen werden.
Um die seitliche Steifigkeit zu erhöhen, wird der Durchmesser des Trichters vergrößert, und die Leistung des Ultraschallschwingungsgenerators wird ihrerseits ebenfalls erhöht. Daher vergrößert sich die Gesamtgröße der Vorrichtung. Ferner erhöht sich die Betriebstemperatur der Vorrichtung infolge der größeren Leistung, und die Vorrichtung kann infolge der höheren Temperatur leicht beschädigt werden. Außerdem beschädigen die seitlichen (oder radialen) Schwingungen den Werkzeugeinsatz. Sie verursachen außerdem tiefere Schnitte und führen daher zu einer Oberflächengüte von geringerer Qualität. Solche seitlichen, radialen Schwingungen liegen normalerweise in der Größenordnung von 4 μm.
Um einen übermäßigen Werkzeugverschleiß zu verhindern, wurde ein zweistufiger Prozess vorgeschlagen, bei dem ein stromloses Plattieren oder Beschichten eines Werkstücks mit Nickel vor der spanenden Bearbeitung angewendet wird, wenn optische Werkzeugeinsätze für das Spritzgießen von Kunststofflinsen hergestellt werden. Solche Verfahren haben jedoch viele Nachteile. Außerdem ist es mit ihnen nicht möglich, Gießformen mit einer hohen Haltbarkeit herzustellen, da der Nickel dazu neigt, sich von dem Stahlwerkstück abzulösen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur ultraschallunterstützten spanenden Bearbeitung zu schaffen, wobei die oben genannten Nachteile vermieden werden.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie des Anspruches 3 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weitergestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur ultraschallunterstützten spanenden Bearbeitung bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Ultraschallwandler zum Erzeugen von Ultraschallwellen in einem Vibrationshorn; eine erste Klammer an dem Vibrationshorn an einem statischen Knoten der Ultraschallwellen; und eine zweite Klammer zwischen der ersten Klammer und einem untersten Ende des Vibrationshorns. Die zweite Klammer umfasst ein Linearlager zum Verringern von Schwingungen des Vibrations horns in einer Richtung seitlich von dem Vibrationshorn und zum Ermöglichen von Schwingungen des Vibrationshorns in der Richtung einer Längsachse des Vibrationshorns.
Das Linearlager kann von der ersten Klammer einen axialen Abstand aufweisen, der kleiner ist als eine halbe Wellenlänge der Ultraschallwellen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zur ultraschallunterstützten spanenden Bearbeitung bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Ultraschallwandler zum Erzeugen von Ultraschallwellen in einem Vibrationshorn; eine erste Klammer an dem Vibrationshorn an einem statischen Knotenpunkt der Ultraschallwellen; und eine zweite Klammer zwischen der ersten Klammer und einem untersten Ende des Vibrationshorns. Die zweite Klammer weist von der ersten Klammer einen axialen Abstand auf, der kleiner ist als eine halbe Wellenlänge der Ultraschallwellen.
Die zweite Klammer kann ein Linearlager zum Verringern von Schwingungen des Vibrationshorns in einer Richtung seitlich von dem Vibrationshorn und zum Ermöglichen von Schwingungen des Vibrationshorns in der Richtung einer Längsachse des Vibrationshorns umfassen.
Für beide Aspekte der Erfindung kann die zweite Klammer im Wesentlichen U-förmig sein und kann eine obere Klammer, eine untere Klammer und einen Zwischenabschnitt zwischen der oberen Klammer und der unteren Klammer umfassen. Die obere Klammer und die untere Klammer können relativ zu dem Linearlager radial einstellbar sein.
Die zweite Klammer kann auf eine demontierbare und einstellbare Weise in einem Befestigungsblock angebracht sein. Die erste Klammer kann auf eine demontierbare Weise an dem Befestigungsblock befestigt sein. Der Befestigungsblock kann auf eine demontierbare und einstellbare Weise an einem Werkzeughalter angebracht sein. Der Werkzeughalter kann umfassen: einen oberen Abschnitt, einen unteren Abschnitt, einen Spalt zwischen dem oberen Abschnitt und dem unteren Abschnitt und einen Einstellmechanismus zum Einstellen des Spalts.
Die Vorrichtung kann ferner einen Werkzeugeinsatz umfassen, der an dem Vibrationshorn am untersten Ende desselben lösbar befestigt ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Um ein vollständiges Verständnis und eine einfache praktische Realisierung der Erfindung zu ermöglichen, werden im Folgenden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die lediglich nicht einschränkende Beispiele darstellen, wobei die Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten, der Veranschaulichung dienenden Zeichnungen gegeben wird und wobei:
1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist;
2 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform ist;
3 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform ist; und
4 eine horizontale Schnittdarstellung einer bevorzugten Form eines Linearlagers ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Es wird auf 1 Bezug genommen; sie zeigt eine dem Stand der Technik entsprechende Vorrichtung 8. Hier ist ein Ultraschallwandler 10 mit einem Vibrationshorn 12 vorge sehen. Diese sind mit einer oberen Klammer 16 und einer unteren Klammer 18 an einem Befestigungsblock 14 angebracht. Der Werkzeugeinsatz 20 befindet sich am untersten Ende des Vibrationshorns 12. Der Ultraschallwandler 10 erzeugt Schallwellen 22 mit zum Beispiel 40 kHz. Die Wellen haben eine maximale Amplitude am Ultraschallwandler 10 und am Werkzeugeinsatz 20, um die Bewegung des Werkzeugeinsatzes 20 zu maximieren. Um das Vibrationshorn 12 in seiner Position zu halten und eine unerwünschte radiale (oder seitliche) Bewegung zu verhindern, ist das Vibrationshorn 12 am Befestigungsblock 14 mit der oberen Klammer 16 und der unteren Klammer 18 befestigt. Die Klammern 16, 18 sind an statischen Knotenpunkten 24 angeordnet, um ihre Funktion zu ermöglichen, ohne den Betrieb des Werkzeugeinsatzes 20 zu beeinträchtigen. Dies bedeutet jedoch, dass von Natur aus ein Spalt zwischen der unteren Klammer 18 und dem Werkzeugeinsatz 20 vorhanden ist. Dies ermöglicht, dass am Werkzeugeinsatz 20 eine unerwünschte Bewegung auftritt, wobei die unerwünschte Schwingung durch das Vibrationshorn 12 hervorgerufen wird.
Es wird nun auf 2 und 3 Bezug genommen; diese zeigen eine Vorrichtung 28 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Hier ist ein Werkzeughalter 30 vorhanden, der einen oberen Halter 32 und einen unteren Halter 34 mit einem Abstand 36 dazwischen aufweist. Ein Einstelldrehknopf 38 auf einer Gewindespindel (nicht dargestellt) angebrachter Einstelldrehknopf 38 wird verwendet, um den Spalt 36 einzustellen, um ein korrektes Ausrichten und Positionieren der Vorrichtung 28 zu ermöglichen.
Ein Ultraschallwandler 40 ist mit einem Vibrationshorn 68 versehen. Der Ultraschallwandler 40 erzeugt Schwingungswellen 44 in der axialen Richtung des Vibrationshorns 68. Die Wellen 44 erreichen ihre maximale Amplitude 98 am Ultraschallwandler 40 und am Werkzeugeinsatz 50, der am untersten Ende des Vibrationshorns 68 angebracht ist. Die Wellen 44 weisen einen einzigen statischen Knoten 46 auf. An dem statischen Knoten 46 ist ein Klemmring 42 vorgesehen. Auf diese Weise hält der Klemmring 42 das Vibrationshorn 68. Zwischen dem statischen Knoten 46 und der maximalen Amplitude 48 am Werkzeugeinsatz 50 befindet sich ein Linearlager 52. Das Linearlager 52 ermöglicht Schwingungen in der Richtung der Längsachse des Vibrationshorns 68, begrenzt jedoch die Schwingungen in der radialen (seitlichen) Richtung des Vibrationshorns 68 auf ein Minimum.
Das Linearlager 52 ist an dem Befestigungsblock 62 mittels einer U-förmigen Lagerhalterung 54 befestigt, welche eine obere Klammer 56 und eine untere Klammer 58 aufweist, die durch einen Zwischenabschnitt 60 verbunden sind. Der Zwischenabschnitt 60 ist auf eine demontierbare und einstellbare Weise an dem Befestigungsblock 62 angebracht. Der Befestigungsblock 62 ist auf eine demontierbare und einstellbare Weise an dem Werkzeughalter 30 angebracht.
Die obere Klammer 56 und die untere Klammer 58 sind jeweils gespalten und weisen jeweils einen Spalt 64 auf. Eine Spannschraube 66 wird verwendet, um die von den Klammern 56, 58 auf das Linearlager 52 ausgeübte Klemmkraft zu steuern. Auf diese Weise kann die radiale/seitliche Schwingung des Vibrationshorns 68 eingestellt und gesteuert werden.
Das Linearlager 52 kann von einer beliebigen bekannten Konstruktion sein, wie zum Beispiel das unter der Bezeichnung "KUGELBUCHSE" bekannte Linearlager, das von Hiwin Technologies Corp. mit Sitz in Glenview, Illinois, USA bezogen werden kann. Ein solches Linearlager 52 ist in 4 schematisch dargestellt. Es weist eine äußere Ummantelung 70 mit einem Spalt 72 darin auf. Die Ummantelung 70 ist normalerweise aus einem Metall wie zum Beispiel Stahl hergestellt und ist vorzugsweise relativ dünn. Innerhalb der Ummantelung befindet sich ein zylindrisches Gehäuse 74, in welchem mehrere Kugeln 76 drehbar gelagert sind. Das zylindrische Gehäuse 74 ist vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt. Die Kugeln 76 sind vorzugsweise aus einem Metall wie zum Beispiel Stahl hergestellt und werden in dem Gehäuse 74 in der Art einer Schnappverbindung gehalten. Die Kugeln 76 ragen über die innere Fläche 78 und die äußere Fläche 80 des Gehäuses 74 hinaus. Der Spalt 72 ermöglicht, die Klammern 56, 58 auf der Ummantelung 70 festzuziehen und somit die Klemmkraft, die durch das Gehäuse 74 auf das Vibrationshorn 68 ausgeübt wird, zu erhöhen.
Auf diese Weise kann das Vibrationshorn 68 eine verringerte axiale Länge aufweisen, da der Abstand zwischen den statischen Knotenpunkten 24 beseitigt wird. Außerdem ist der axiale Abstand zwischen der Einspannung durch die Klammer 42 und dem Linearlager 52 vorzugsweise kleiner als die halbe Wellenlänge der Wellen 44. Die unterste Stelle der Einspannung (durch die untere Klammer 58) ist vorzugsweise dem Werkzeugeinsatz 50 benachbart. Sie kann sich jedoch an einer beliebigen Stelle am Horn 68 befinden. Daher kann das Vibrationshorn 68 mit einem verringerten Durchmesser hergestellt werden, da es nicht die relativ hohe Konstruktionsfestigkeit des Vibrationshorns 12 nach dem Stand der Technik aufweisen muss. Zum Beispiel kann sich die untere Klammer 58 in dem Bereich 3 bis 15 mm vom Werkzeugeinsatz 50 befinden, vorzugsweise 10 mm. Indem man ein Vibrationshorn 68 mit einer kürzeren axialen Länge und einem kleineren Radius verwendet, kann die für den Ultraschallwandler 40 benötigte Leistung reduziert werden. Dadurch verringert sich die Wärmeerzeugung am Werkzeugeinsatz 50. Außerdem ermöglicht dies, die Vorrichtung mit Hochpräzisionsmaschinen zu verwenden.
Beispielsweise kann der Ultraschallwandler 40 mit 40 kHz arbeiten, und die Schwingungsamplitude kann innerhalb des Bereiches von 0 bis 24 μm, vorzugsweise von 2 bis 4 μm, variieren, in Abhängigkeit von den Schnittparametern. Die Schnittgeschwindigkeit kann weniger als 10 Meter pro Minute betragen, bei einer Schnitttiefe und Vorschubgeschwindigkeit, die kleiner als 10 Mikrometer bzw. 10 Mikrometer pro Umdrehung sind. Die seitlichen/radialen und zufälligen Schwingungen können im Bereich von 0,1 bis 0,2 μm liegen. Stahl kann daher bis zu einem hochglanzpolierten Zustand mit einem Ra < 8 nm bearbeitet werden.
Ferner kann die Standzeit des Werkzeugeinsatzes 50 aufgrund der verringerten Graphitbildung infolge der verminderten Temperatur verlängert werden. Es wurden Erhöhungen der Standzeit des Werkzeugeinsatzes bis auf das 600-fache erzielt.
Das Werkstück kann von einer beliebigen Größe sein, jedoch kann bei Größen von mehr als 40 mm im Durchmesser eine höhere Frequenz und/oder eine sehr lange Bearbeitungsdauer resultieren. Es war möglich, Werkstückgrößen mit einem Durchmesser bis hinunter zu 10 μm zu bearbeiten. Die Werkstücke können aus einem beliebigen geeigneten Material sein, wie zum Beispiel: Glas, Linsenglas, Stahl, nichtrostender Stahl, magnetisierbarer nichtrostender Stahl, Formen-/Werkzeugstahl und so weiter.
Obwohl in der obigen Beschreibung bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, ist für Fachleute auf dem relevanten technischen Gebiet klar, dass viele Varianten oder Modifikationen bei Einzelheiten der Gestaltung oder Konstruktion vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

8: Vorrichtung nach dem Stand der Technik
10: Ultraschallwandler
12: Vibrationshorn
14: Befestigungsblock
16: obere Klammer
18: untere Klammer
20: Werkzeugeinsatz
22: Wellen
24: statische Knotenpunkte
26: Orte maximaler Amplitude
28: Vorrichtung der Ausführungsform
30: Werkzeughalter
32: oberer Teil von 30
34: unterer Teil von 30
36: Spalt zwischen 32 und 34
38: Einstelldrehknopf
40: Ultraschallwandler
42: Klemmring an statischem Knoten
44: Wellen
46: statischer Knoten
48: maximale Amplitude
50: Werkzeugeinsatz
52: Linearlager
54: Lagerhalterung (U-förmig)
56: obere Klammer
58: untere Klammer
60: Zwischenabschnitt
62: Befestigungsblock
64: Spalt in 56, 58
66: Spannschraube
68: Vibrationshorn
70: Ummantelung
72: Spalt in 70
74: Gehäuse
76: Kugeln
78: innere Fläche von 74
80: äußere Fläche von 74

ZUSAMMENFASSUNG
Vorrichtung zur ultraschallunterstützten spanenden Bearbeitung, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Ultraschallwandler zum Erzeugen von Ultraschallwellen in einem Vibrationshorn; eine erste Klammer an dem Vibrationshorn an einem statischen Knoten der Ultraschallwellen; und eine zweite Klammer zwischen der ersten Klammer und einem untersten Ende des Vibrationshorns. Die zweite Klammer umfasst ein Linearlager zum Verringern von Schwingungen des Vibrationshorns in einer Richtung seitlich von dem Vibrationshorn und zum Ermöglichen von Schwingungen des Vibrationshorns in der Richtung einer Längsachse des Vibrationshorns.

Claims

Vorrichtung zur ultraschallunterstützten spanenden Bearbeitung bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfasst: (a) einen Ultraschallwandler zum Erzeugen von Ultraschallwellen in einem Vibrationshorn; (b) eine erste Klammer an dem Vibrationshorn an einem statischen Knoten der Ultraschallwellen; und (c) eine zweite Klammer zwischen der ersten Klammer und einem untersten Ende des Vibrationshorns; wobei die zweite Klammer ein Linearlager zum Verringern von Schwingungen des Vibrationshorns in einer Richtung seitlich von dem Vibrationshorn und zum Ermöglichen von Schwingungen des Vibrationshorns in der Richtung einer Längsachse des Vibrationshorns umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Linearlager von der ersten Klammer einen axialen Abstand aufweist, der kleiner ist als eine halbe Wellenlänge der Ultraschallwellen.
Vorrichtung zur ultraschallunterstützten spanenden Bearbeitung, wobei die Vorrichtung umfasst: (a) einen Ultraschallwandler zum Erzeugen von Ultraschallwellen in einem Vibrationshorn; (b) eine erste Klammer an dem Vibrationshorn an einem statischen Knoten der Ultraschallwellen; und (c) eine zweite Klammer zwischen der ersten Klammer und einem untersten Ende des Vibrationshorns; wobei die zweite Klammer von der ersten Klammer einen axialen Abstand aufweist, der kleiner ist als eine halbe Wellenlänge der Ultraschallwellen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die zweite Klammer ein Linearlager zum Verringern von Schwingungen des Vibrationshorns in einer Richtung seitlich von dem Vibrationshorn und zum Ermöglichen von Schwingungen des Vibrationshorns in der Richtung einer Längsachse des Vibrationshorns umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 4, wobei die zweite Klammer hauptsächlich U-förmig ist und eine obere Klammer, eine untere Klammer und einen Zwischenabschnitt zwischen der oberen Klammer und der unteren Klammer umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die obere Klammer und die untere Klammer relativ zu dem Linearlager einstellbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die zweite Klammer auf eine demontierbare und einstellbare Weise in einem Befestigungsblock angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die erste Klammer auf eine demontierbare Weise an dem Befestigungsblock befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Befestigungsblock auf eine demontierbare und einstellbare Weise an einem Werkzeughalter angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Werkzeughalter umfasst: (a) einen oberen Abschnitt; (b) einen unteren Abschnitt; (c) einen Spalt zwischen dem oberen Abschnitt und dem unteren Abschnitt; und (d) einen Einstellmechanismus zum Einstellen des Spalts.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welche ferner einen Werkzeugeinsatz umfasst, der an dem Vibrationshorn am untersten Ende desselben lösbar befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der statische Knoten der einzige statische Knoten zwischen dem Ultraschallwandler und dem untersten Ende des Vibrationshorns ist.