DE112008001823T5

DE112008001823T5 - Werkzeug und Verfahren zur thermoformbaren Ultraschallzerspanung

Info

Publication number: DE112008001823T5
Application number: DE112008001823T
Authority: DE
Inventors: Alain Curodeau; Louis Brault; Julie Guay
Original assignee: Universite Laval
Current assignee: Universite Laval
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2010-06-02
Also published as: JP2010533074A; WO2009009870A1; US8016644B2; US20090017732A1; CN101801604A; CN101801604B

Abstract

Verfahren für die Mikrozerspanung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem komplexen Oberflächenprofil, das gewünschte Profilmerkmale und feinere unerwünschte Profilmerkmale, die abgetragen werden sollen, enthält, umfassend:
Gestalten eines formbaren Polierwerkzeugs entweder unter Verwendung des Werkstücks selbst oder eines Duplikats des Werkstücks, so dass es mindestens die gewünschten Profilmerkmale aufweist; und
Verwenden des formbaren Polierwerkzeugs zum Mikrozerspanen der Oberfläche zum Abtragen der feineren unerwünschten Profilmerkmale, während die gewünschten Profilmerkmale beibehalten werden.

Description

GEBIET
Die vorliegenden, hierin beschriebenen Ausführungsformen betreffen das Gebiet der Zerspanung und insbesondere der Mikrozerspanung einer Oberfläche.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Es wurden eine Reihe von nichttraditionellen Zerspanungsprozessen entwickelt, um alternative Verfahren zum Herstellen von komplexen Werkstücken bereitzustellen. Solche Prozesse werden oftmals bei der Bearbeitung von Gussteilen, Schmiedeteilen, Composite- und Keramikteilen und als ein Nachbearbeitungsschritt an Werkstücken eingesetzt, wo eine Grobzerspanung unter Verwendung von konventionelleren Techniken durchgeführt wurde.
Eine solche Technik ist das Funkenerodieren (EDM – Electrical Discharge Machining). EDM gestattet das Entfernen von Metall von einem Werkstück durch die Energie eines zwischen einem Werkzeug und einer Oberfläche des Werkstücks überspringenden elektrischen Funkens. Während des Einsatzes sind sowohl das Werkzeug als auch das Werkstück in ein dielektrisches Fluid wie etwa Öl eingetaucht. Schnelle Stromimpulse werden dann an das Werkzeug geliefert, was bewirkt, dass Funken zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück überspringen oder überschlagen. Die Hitze von jedem Funken bewirkt das Schmelzen eines kleinen Metallstücks an dem Werkstück, wodurch es von dem Werkstück entfernt wird. Während das Metall so entfernt wird, wird es gekühlt und durch die Zirkulation des dielektrischen Fluids weggespült.
EDM kann im Allgemeinen dazu verwendet werden, komplexe und aufwendige Formen in einem Werkstück auszubilden. EDM ist jedoch mit einer Reihe von Beschränkungen behaftet. Zuerst muss das Werkstück stromleitend sein, um den elektrischen Kreis zu schließen, der erforderlich ist, um zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug einen Funken zu erzeugen. Somit eignet sich EDM nicht für den Einsatz an Werkstücken, die aus vielen Materialien hergestellt sind, wie etwa den meisten Keramiken oder Polymeren. Zweitens kann es schwierig sein, das gewünschte finale Finish an der Oberfläche eines Werkstücks unter Verwendung von EDM zu erzielen, und mit EDM behandelte Oberflächen weisen in der Regel das Aussehen einer „Orangenhaut” oder ein „sandgestrahltes” Aussehen auf. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, ein finales Oberflächenfinish mit einer Rauheit von 0,8 µm RMS (Root Mean Square – Effektivwert) oder eine glattere Oberflächenpolitur von etwa 0,02 µm RMS zu haben. EDM ergibt im besten Fall in der Regel ein Oberflächenfinish zwischen 0,8 µm und 3,2 µm RMS. Während EDM nützlich sein kann, um ein rauheres Finish zu erhalten, eignet es sich somit im Allgemeinen nicht für die Bereitstellung von hochpolierten Werkstücken.
Ein weiterer nichttraditioneller Zerspanungsprozess, der im Allgemeinen ein glatteres Finish liefert, ist Ultraschallpolieren, das auch als UIG (Ultrasonic Impact Grinding) bekannt ist. Ultraschallpolieren beinhaltet im Allgemeinen das Entfernen einer dünnen Materialschicht (zum Beispiel bis zu 50 µm dick oder weniger) zur Nachbearbeitung eines Werkstücks zu den gewünschten Abmessungen. Das Polieren beinhaltet das Entfernen von Welligkeit auf der Oberfläche des Werkstücks, in der Regel durch selektives Abtragen von unerwünschten halbfeinen Details (zum Beispiel der obere Abschnitt von Merkmalen mit einer Wellenform mit langer Amplitude, die auf der Oberfläche oder dem Werkstück vorliegen) und unerwünschter feiner Details oder Oberflächerauheit (zum Beispiel der obere Abschnitt von Merkmalen mit einer Wellenform mit kurzer Ampli tude, die auf der Oberfläche des Werkstücks vorliegen), während gewünschte Oberflächenmerkmale intakt gelassen werden.
Das Polieren des Werkstücks wird durch schnelle und kräftige Bewegung von feinen Schleifpartikeln bewirkt, die in einer Aufschlämmung suspendiert sind, die sich zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der Fläche eines Werkzeugs befindet. Um die Schleifpartikel in der Aufschlämmung während des Betriebs des Werkzeugs zu bewegen, wird das Werkzeug bei Frequenzen in Schwingungen versetzt, die im Allgemeinen zwischen 15 000 Hz und 40 000 Hz liegen, wenngleich es möglich ist, entsprechend den Erfordernissen einer bestimmten Anwendung viel höhere oder niedrigere Frequenzen zu verwenden.
Verschiedene Techniken können verwendet werden, um Schwingungen des Werkzeugs zu bewirken. Ein Verfahren besteht darin, einen magnetorestriktiven Aktuator zu verwenden, wobei ein Magnetfeld zyklisch an einen ferromagnetischen Kern angelegt wird. Das Anlegen des Felds bewirkt einen als Magnetorestriktion bekannten Effekt, wodurch sich die Kernlänge als Reaktion auf Fluktuationen bei der Intensität des Magnetfelds geringfügig ändert. Ein weiteres Verfahren zum Bewirken von Schwingungen verwendet einen piezoelektrischen Wandler, der als Reaktion auf das Anlegen eines elektrischen Felds oszilliert, wie in der Technik bekannt ist. Der Wandler wird dann in der Regel an ein Horn oder einen Konzentrator mit einem Werkzeug an dem Arbeitsende davon angeschlossen. Das Horn vergrössert die Schwingungsamplitude des Werkzeugs relativ zu der Schwingung des Aktuators oder Wandlers. Das Horn besitzt im Allgemeinen eine Kegelstumpfgestalt, wobei das Werkzeug mit dem schmaleren Arbeitsende verbunden ist und der Aktuator oder Wandler an dem breiteren oder größeren Ende befestigt ist.
Während des Betriebs bewirkt der magnetorestriktive Aktuator, dass das Werkzeug in einer Richtung allgemein parallel zu der Langsachse des Horns schwingt, die in der Regel normal zu der Oberfläche des Werkstücks verläuft. Während irgendeines einzelnen Zyklus bewegt sich das Werkzeug von seiner von der Oberfläche des Werkstücks am weitesten weg liegenden obersten Position P1 (wo das Werkzeug in Ruhe ist) durch eine mittlere Position P2 (wo sich das Werkzeug am schnellsten bewegt) zu der der Oberfläche des Werkstücks am nächsten liegenden untersten Position P3 (wo das Werkzeug wieder in Ruhe ist). Während der Zyklus weiter geht, bewegt sich das Werkzeug zurück durch die mittlere Position P2 zu der obersten Position P1 und so weiter. Bei einigen Ausführungsformen und je nach der Konfiguration einer bestimmten Ultraschallpoliervorrichtung liegt die Schwingungsamplitude des Werkzeugs von P1 bis P3 zwischen 13 und 62 µm, wenngleich es möglich ist, entsprechend den Anforderungen einer bestimmten Anwendung viel höhere oder niedrigere Amplituden zu verwenden.
Die Wechselwirkung zwischen der Fläche des Werkzeugs, dem Werkstück und der Schleifaufschlämmung hängt von der Größenbeziehung zwischen den Schleifpartikeln in der Aufschlämmung und dem Abstand zwischen dem Werkstück und der Werkzeugfläche während des Zyklus ab. Wenn die Schleifpartikel derart bemessen sind, dass sie groß genug sind, um von dem Werkzeug an der mittleren Position P2 kontaktiert zu werden, dann gibt es im Allgemeinen eine Wirkung auf das Schleifmittel, wenn sich das Werkzeug mit seiner höchsten Geschwindigkeit bewegt. Somit wird im Allgemeinen ein größeres Moment auf die Partikel übertragen. Wenn Schleifpartikel jedoch von geringerer Größe sind, wird es eine Wirkung auf sie geben, wenn sich das Werkzeug näher an der Oberfläche des Werkstücks befindet (zwischen P2 und P3) und sich somit mit einer geringeren Geschwindigkeit bewegt. Somit werden kleinere Schleifpartikel im Allgemeinen ein geringeres Moment von dem Werkzeug empfangen. Wenn die Schleifpartikel von größerer Größe sind, gibt es analog im Allgemeinen eine Wirkung auf sie durch das Werkzeug, bevor es seine größte Geschwindigkeit erreicht hat (zwischen P1 und P2). Es gibt somit in der Regel einen effektiven Bereich von Schleifpartikelgrößen (oder Korngrößen), die für jede bestimmte Kombination aus Werkzeug und Werkstück funktioniert, auf der Basis des Spalts zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug.
Während des Betriebs, wenn das Werkzeug auf irgendein bestimmtes Schleifpartikel wirkt, wird dieses Partikel durch die Wirkung des Werkzeugs gegen das Werkstück gedrückt. Dies bewirkt Stoßbeanspruchungen auf die Oberfläche sowohl des Werkstücks als auch des Werkzeugs. Diese Stoßbeanspruchungen bewirken gelegentlich, dass ein oder mehrere Schleifpartikel brechen, wodurch im Allgemeinen die Größe der Partikel abnimmt und was ein Grund dafür ist, dass es wünschenswert ist, frische Schleifpartikel in die Aufschlämmung einzuleiten, um sicherzustellen, dass die gewünschte Schleifmittelgröße beibehalten wird, um sicherzustellen, dass die Polierrate aufrecht erhalten wird. Das Einleiten von frischer Aufschlämmung unterstützt auch das Wegspülen von Werkstückbruchstücken von dem Spalt zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück.
Das schwingende Werkzeug wirkt somit effektiv als ein Hammer, der periodisch auf die Schleifpartikel schlägt und kleine Abschnitte des Werkstücks herausbricht. Material wird durch drei Hauptmodi von dem Werkstück entfernt: (a) ballistische oder Kavitationseffekte, die bewirken, dass die Schleifpartikel auf die Oberfläche des Werkstücks stoßen, (b) mechanische Effekte, die dadurch verursacht werden, dass Schleifpartikel allgemein parallel zu der Werkstückoberfläche hin und her strömen (durch die Bewegung der Aufschlämmung verursacht) und (c) mechanische Effekte, die dadurch bewirkt werden, dass Partikel über der Oberfläche des Werkstücks schwingen, oder durch eine Anhäufung von Schleifpartikeln, die die Oberfläche des Werkstücks durch Überbrücken des Spalts zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug zerstoßen.
Einer der Hauptvorteile des Ultraschallpolierens gegenüber EDM besteht darin, dass das Ultraschallpolieren nicht-thermisch, nicht-chemisch und nicht-elektrisch ist. Somit erfordert Ultraschallpolieren keine Änderungen bei den metallurgischen, chemischen oder physikalischen Eigenschaften des polierten Werkstücks und erzeugt sie auch nicht, außer dem Entfernen von Material. Das Ultraschallpolieren kann deshalb dazu verwendet werden, viele verschiedene Arten von Materialien zu formen, einschließlich harter Materialien und Materialien, die nicht stromleitend sind, wie etwa Keramiken und Glas, die unter Einsatz von EDM im Allgemeinen nicht geformt werden können.
Ultraschallpolieren kann auch ausgeführt werden, ohne dass das bei EDM erforderliche dielektrische Fluid notwendig wäre. In vielen Fällen wird lediglich eine einfache Aufschlämmungsmischung aus Schleifpartikeln in Wasser, Öl oder einer Emulsion benötigt.
Ultraschallpolieren kann auch zu viel glatteren Oberflächencharakteristiken an dem nachbearbeiteten Werkstück führen. Bei einer richtigen Auswahl von Schleifmittel, Schwingungsfrequenz, Schwingungsamplitude, Werkzeug und Abstand zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück kann Ultraschallpolieren zu Oberflächen mit Hochglanzpolitur führen (unter 0,25 µm RMS).
Das Ultraschallpolieren ist jedoch auch mit einer Reihe von Herausforderungen verbunden. Das Polieren erfolgt in der Regel viel langsamer als viele andere Materialabtragungstechniken wie etwa EDM. Somit kann es länger brauchen, um eine gewünschte Endoberfläche zu erhalten. Weiterhin ist das beim Ultraschallpolieren verwendete Werkzeug im Allgemeinen aus einem Material hergestellt, das allgemein weicher ist als das Werkstück. Dies kann zu sehr hohen Abnutzungsraten am Werkzeug im Vergleich zu der Materialabtragungsrate von dem Werkstück führen, was es erschweren kann, eine präzise Werkzeuggestalt aufrecht zu erhalten, um sicherzustellen, dass das Werkstück das gewünschte Profil erhält. Folglich ist es oftmals notwendig, nach dem Polieren eines einzelnen Werkstücks die Werkzeuge zu wechseln oder sogar während des Polierens des gleichen Werkstücks mehrere Werkzeuge zu verwenden. Werkzeuge, die abgenutzt worden sind, werden oftmals einfach weggeworfen, was teuer und verschwenderisch ist.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem verbesserten Verfahren und einer verbesserten Vorrichtung zum Herstellen von Werkstücken mit glatten polierten Oberflächen.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform wird folgendes bereitgestellt: ein Verfahren für die Mikrozerspanung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem komplexen Oberflächenprofil, das gewünschte Profilmerkmale und feinere unerwünschte Profilmerkmale, die abgetragen werden sollen, enthält, umfassend Gestalten eines formbaren Polierwerkzeugs entweder unter Verwendung des Werkstücks selbst oder eines Duplikats des Werkstücks, so dass es mindestens die gewünschten Profilmerkmale aufweist, und Verwenden des formbaren Polierwerkzeugs zum Mikrozerspanen der Oberfläche zum Abtragen der feineren unerwünschten Profilmerkmale, während die gewünschten Profilmerkmale beibehalten werden.
Bei einigen Ausführungsformen ist das formbare Polierwerkzeug so gestaltet, dass es mindestens die gewünschten Profilmerkmale aufweist, durch Pressen des formbaren Polierwerkzeugs entweder gegen das Werkstück selbst oder das Duplikat des Werkstücks, wenn sich das formbare Polierwerkzeug in einem formbaren Zustand befindet, und das formbare Polierwerkzeug wird zur Mikrozerspanung verwendet, wenn sich das formbare Polierwerkzeug in einem festen Zustand befindet.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst das formbare Polierwerkzeug ein thermoformbares Material, das sich bei einer ersten Temperatur in dem formbaren Zustand befindet und bei einer zweiten Temperatur in dem festen Zustand befindet, wobei die zweite Temperatur niedriger ist als die erste Temperatur, und das formbare Polierwerkzeug ist gestaltet worden durch Pressen des formbaren Polierwerkzeugs entweder gegen das Werkstück selbst oder das Duplikat des Werkstücks, während es sich bei der ersten Temperatur befindet, und dann Kühlen des formbaren Polierwerkzeugs auf die zweite Temperatur.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiterhin das Oszillieren des formbaren Polierwerkzeugs entweder gegen das Werkstück selbst oder das Duplikat des Werkstücks während des Kühlens des formbaren Polierwerkzeugs auf die zweite Temperatur, um das Profil des formbaren Polierwerkzeugs zu modifizieren. Dadurch kann ein größerer Spalt zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück hergestellt werden, um größere Partikel und/oder größere Amplituden einer Orbitalbewegung aufzunehmen. Weiterhin erzeugt dies im Allgemeinen einen Spalt über etwaigen Oberflächenmerkmalen auf dem Werkstück, die ansonsten eine mechanische Störung oder ein Klemmen des formbaren Polierwerkzeugs während des Kühlens auf die zweite Temperatur verursachen könnten.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiterhin das Bestimmen, dass das formbare Polierwerkzeug sich in einem abgenutzten Zustand befindet, und Zurückbilden des formbaren Polierwerkzeugs durch Erhitzen des formbaren Polierwerkzeugs auf die erste Temperatur, Pressen des formbaren Polierwerkzeugs entweder gegen das Werkstück selbst oder das Duplikat des Werkstücks, während es sich auf der ersten Temperatur befindet, und dann Kühlen des formbaren Polierwerkzeugs auf die zweite Temperatur.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiterhin das Bereitstellen einer Schleifaufschlämmung zwischen dem formbaren Polierwerkzeug und dem Werkstück, wobei die Verwendung des formbaren Polierwerkzeugs bewirkt, dass die Aufschlämmung das komplexe Oberflächenprofil des Werkstücks mikrozerspant.
Bei einigen Ausführungsformen wird eine Hilfsbewegung während der Mikrozerspanung der Oberfläche auf das formbare Polierwerkzeug angewendet zum Entfernen der feineren unerwünschten Profilmerkmale, während die gewünschten Profilmerkmale beibehalten werden, wobei die Hilfsbewegung angewendet wird, um eine Bewegung der Schleifaufschlämmung zu bewirken.
Bei einigen Ausführungsformen wird ein Verfahren bereitgestellt zum Herstellen einer Komponente aus einem Werkstück mit einem komplexen Oberflächenprofil mit gewünschten Profilmerkmalen und feineren unerwünschten Profilmerkmalen, die mikrozerspant werden sollen, umfassend: Gestalten eines formbaren Polierwerkzeugs entweder unter Verwendung des Werkstücks selbst oder eines Duplikats des Werkstücks, so dass es mindestens die gewünschten Profilmerkmale aufweist, Verwenden des formbaren Polierwerkzeugs zum Mikrozerspanen der feineren unerwünschten Profilmerkmale, während die gewünschten Profilmerkmale beibehalten werden, und dann Formen der Komponente unter Verwendung des Werkstücks.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Werkstück ein Formwerkzeug, und das Verfahren umfasst weiterhin das Ausformen der Komponente unter Verwendung des Formwerkzeugs.
Gemäß einiger Ausführungsformen wird eine Mikrozerspanungsvorrichtung für die Mikrozerspanung eines Werkstücks mit einem komplexen Oberflächenprofil bereitgestellt, das gewünschte Profilmerkmale und fei nere unerwünschte Profilmerkmale, die mikrozerspant werden sollen, enthält, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: ein formbares Polierwerkzeug, das konfiguriert ist, die feineren unerwünschten Profilmerkmale mikrozuzerspanen, während die gewünschten Profilmerkmale beibehalten werden, wobei das formbare Polierwerkzeug unter Verwendung entweder des Werkstücks selbst oder eines Duplikats des Werkstücks so geformt worden ist, dass es mindestens die gewünschten Profilmerkmale aufweist.
Gemäß einiger Ausführungsformen wird ein formbares Polierwerkzeug zur Verwendung mit einer Mikrozerspanungsvorrichtung für die Mikrozerspanung eines Werkstücks mit einem komplexen Oberflächenprofil bereitgestellt, das gewünschte Profilmerkmale und feinere unerwünschte Profilmerkmale, die mikrozerspant werden sollen, enthält, wobei: das formbare Polierwerkzeug konfiguriert ist, die feineren unerwünschten Profilmerkmale mikrozuzerspanen, während die gewünschten Profilmerkmale beibehalten werden, wobei das formbare Polierwerkzeug unter Verwendung entweder des Werkstücks selbst oder eines Duplikats des Werkstücks so geformt worden ist, dass es mindestens die gewünschten Profilmerkmale aufweist.
Gemäß einiger Ausführungsformen wird ein formbares Polierwerkzeug zur Verwendung mit einer Mikrozerspanungsvorrichtung für die Mikrozerspanung eines Werkstücks mit einem komplexen Oberflächenprofil bereitgestellt, das gewünschte Profilmerkmale und feinere unerwünschte Profilmerkmale, die mikrozerspant werden sollen, enthält, wobei: das formbare Polierwerkzeug konfiguriert ist, die feineren unerwünschten Profilmerkmale mikrozuzerspanen, während die gewünschten Profilmerkmale beibehalten werden, und wobei das formbare Polierwerkzeug unter Verwendung entweder des Werkstücks selbst oder eines Duplikats des Werkstücks so geformt worden ist, dass es mindestens die gewünschten Profilmerkmale aufweist.
Weitere Aspekte und Vorteile der hierin beschriebenen Ausführungsformen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein besseres Verständnis der hierin beschriebenen Ausführungsformen, und um deutlicher zu zeigen, wie sie effektiv ausgeführt werden können, wird nun lediglich beispielhaft auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die mindestens ein Ausführungsbeispiel zeigen. Es zeigen:
1 eine perspektivische Querschnittsansicht einer Mikrozerspanungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
2 eine Nahansicht der Mikrozerspanungsvorrichtung von 1;
3 eine Perspektivansicht eines Horns zur Verwendung in der Mikrozerspanungsvorrichtung von 1;
4A eine Perspektivansicht einer Werkzeughalterung und eines formbaren Polierwerkzeugs zum Sichern an dem Horn von 3;
4B eine Seitenansicht der Werkzeughalterung und des formbaren Polierwerkzeugs von 4A;
4C eine Seitenansicht eines Horns mit einem integrierten verjüngten Gewindeabschnitt gemäß einer Ausführungsform;
5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Formen eines formbaren Polierwerkzeugs zur Verwendung mit der Mikrozerspanungsvorrichtung von 1;
6A eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Formen eines formbaren Polierwerkzeugs unter Verwendung eines Sekundärprozesses zum Justieren der Gestalt des formbaren Polierwerkzeugs;
6B eine Querschnittsansicht eines unter Verwendung des in 6A beschriebenen Sekundärprozesses geformten formbaren Polierwerkzeugs;
7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Zurückbilden eines formbaren Polierwerkzeugs;
8A eine Profilansicht einer unter Verwendung eines Ultraschallmikrozerspanungsprozesses nachbearbeiteten Oberfläche;
8B eine Profilansicht einer ohne Verwendung eines Ultraschallmikrozerspanungsprozesses nachbearbeiteten Oberfläche;
9 eine Perspektivansicht einer Komponente, geformt unter Verwendung eines Werkstücks, das unter Verwendung der Mikrozerspanungsvorrichtung von 1 hergestellt ist;
10A eine Perspektivansicht einer Werkzeughalterung und eines formbaren Polierwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform;
10B eine Seitenansicht der Werkzeughalterung und des formbaren Polierwerkzeugs von 10A;
11A eine Perspektivansicht einer Werkzeughalterung gemäß einer Ausführungsform;
11B eine Seitenansicht der Werkzeughalterung von 11A;
11C eine Stirnansicht der Werkzeughalterung von 11A;
12A bis 12C eine schematische Darstellung einer sich in der Aufschlämmung infolge der Hilfsbewegung eines formbaren Polierwerkzeugs entwickelnden Welle;
13A eine Perspektivansicht einer Werkzeughalterung und eines formbaren Polierwerkzeugs gemäß einer weiteren Ausführungsform;
13B eine Seitenansicht der Werkzeughalterung und des formbaren Polierwerkzeugs von 13A;
14A eine Perspektivansicht einer Werkzeughalterung gemäß einer Ausführungsform;
14B eine Seitenansicht der Werkzeughalterung von 14A;
14C eine Stirnansicht der Werkzeughalterung von 14A;
15 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Bereitstellen einer Hilfsbewegung des formbaren Polierwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform und
16 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Kombinieren von Mikrozerspanung mit Funkenerodieren.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es versteht sich, dass aus Gründen der Einfachheit und Klarheit der Darstellung, wo dies als angemessen angesehen wird, Bezugszahlen unter den Figuren wiederholt werden können, um entsprechende oder analoge Elemente oder Schritte anzugeben. Außerdem sind zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele zu vermitteln. Der Durchschnittsfachmann versteht jedoch, dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen ohne diese spezifischen Details praktiziert werden können. In anderen Fällen sind wohlbekannte Verfahren, Prozeduren und Komponenten nicht im Detail beschrieben worden, um nicht die hierin beschriebenen Ausführungsformen zu verdunkeln. Zudem soll die vorliegende Beschreibung nicht so angesehen werden, als wenn sie den Schutzbereich der hierin beschriebenen Ausführungsformen in irgendeiner Weise beschränkt, sondern lediglich so, dass sie die Implementierung der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen beschreibt.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird ein verbessertes Verfahren zum Gestalten eines formbaren Polierwerkzeugs zur Verwendung bei der Mikrozerspanung eines Werkstücks bereitgestellt. Für den Zweck der vorliegenden Spezifikation und Ansprüche versteht sich, dass der Ausdruck Mikrozerspanung das Ultraschallpolieren und andere Formen der Ultraschallzerspanung beinhaltet, einschließlich das Abtragen von einer dünnen gleichförmigen Materialschichten hinunter zu den gewünschten Abmessungen (zum Beispiel Zerspanung eines Finish oder Finishing) und Polieren einer unerwünschten Oberflächenrauheit. Insbesondere beinhaltet die Mikrozerspanung das Polieren der Oberflächenrauheit auf einer Oberfläche, wie etwa das Herunterpolieren eines C3-Oberflächenfinish zu einem B1-Oberflächenfinish. Die Mikrozerspanung beinhaltet auch eine Zerspanung, die einen Materialabtrag Schicht für Schicht beinhaltet, wie etwa die Zerspanung einer glatten 0 bis 50 μm dicken Schicht aus Material, während gewünschte Profilmerkmale beibehalten werden.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst das formbare Polierwerkzeug mindestens einen Abschnitt oder eine Schicht, der oder die aus einem Material hergestellt ist, das einen formbaren Zustand aufweist, in dem das Material gestaltet werden kann, und einen festen Zustand, in dem das Material starr ist und sich einer Verformung widersetzt. Das formbare Material könnte ein Material enthalten, das einen schmiedbaren oder biegsamen Zustand aufweist, wie etwa ein thermoformbares Material (zum Beispiel ein Polymer), das bei Erwärmung durch Ausüben von Kraft gestaltet werden kann, sowie ein Material, das einen flüssigen oder andere Zustände aufweist, wobei das Material unter Verwendung einer Form gegossen werden und härten kann. Das Material des formbaren Polierwerkzeugs wird zuerst in dem formbaren Zustand bereitgestellt, und das formbare Polierwerkzeug wird dann unter Verwendung einer Form ausgeformt oder gestaltet. Bei einigen Ausführungsformen kann dies das Pressen eines formbaren Polierwerkzeugs, das sich in einem schmiedbaren oder biegsamen Zustand befindet, gegen die Form beinhalten. Bei anderen Ausführungsformen kann dies das Bereitstellen des Materials in einer flüssigen Form und dann das Gießen des formbaren Polierwerkzeugs in der Form beinhalten.
Bei einigen Ausführungsformen kann diese Form das tatsächliche Werkstück darstellen, das durch Mikrozerspanung unter Verwendung des formbaren Polierwerkzeugs bearbeitet werden wird. Bei anderen Ausführungsformen kann die Form ein Duplikat oder ein Modell des ganzen Werkstücks oder eines Segments davon sein, das durch Mikrozerspanung unter Verwendung des formbaren Polierwerkzeugs bearbeitet werden soll. Beispielsweise kann das formbare Polierwerkzeug nur als ein Ab schnitt eines bestimmten Werkstücks bereitgestellt werden, das durch Mikrozerspanung behandelt werden soll, und eine Reihe von unterschiedlich gestalteten formbaren Polierwerkzeugen muss möglicherweise verwendet werden, um die Mikrozerspanung des ganzen Werkstücks zu bewirken.
Das formbare Polierwerkzeug wird dann aus dem formbaren Zustand in den festen Zustand überführt. Je nach der in dem formbaren Polierwerkzeug verwendeten Materialart kann dies unter Einsatz verschiedener Techniken erfolgen. Wenn beispielsweise das Material ein Polymer oder ein anderes thermoformbares Material ist, kann das formbare Polierwerkzeug erwärmt werden, um den formbaren Zustand zu erreichen, und gekühlt werden, um den festen Zustand zu erreichen. Wenn alternativ das formbare Polierwerkzeug eine bestimmte Art von Duroplast ist, muss das formbare Polierwerkzeug möglicherweise erwärmt werden, um das Härten des Materials zu bewirken. Wenn das Material des formbaren Polierwerkzeugs in flüssiger Form gegossen wird, dann kann der Übergang aus dem formbaren Zustand zu dem festen Zustand durch Kühlen oder durch chemische Reaktion erfolgen. Alternativ könnten einige Duroplaste verwendet werden, wobei der Duroplast wiederholt geschmolzen werden kann, ohne sich zu verschlechtern, und kann größtenteils wie ein thermoplastisches Polymer erneut gestaltet werden.
Bei einigen Ausführungsformen kann das formbare Polierwerkzeug unter Verwendung von epoxidbasierten Materialien hergestellt werden. Ein Epoxidharz kann mit einem Füllmittel gemischt und dann in die Form (zum Beispiel Werkstück oder Duplikat) gegossen werden, während es sich als Flüssigkeit in dem formbaren Zustand befindet. Das Epoxid kann sich dann ohne Notwendigkeit für Erwärmen oder Kühlen verfestigen und in den festen Zustand übergehen. Alternativ kann das Harz oder das Füllmittel in der Form bereitgestellt werden und das andere dann zu der Form hinzugefügt werden, um den Übergang zu dem festen Zustand zu bewirken.
Nachdem das formbare Polierwerkzeug den festen Zustand erreicht hat, kann es dann dazu verwendet werden, die Oberfläche des Werkstücks zu bearbeiten, wie etwa durch Mikrozerspanung der Oberfläche des Werkstücks. Bei einigen Ausführungsformen kann dies durch Zusatz einer Schleifaufschlämmung zwischen einer Fläche des formbaren Polierwerkzeugs und der Oberfläche des Werkstücks erfolgen. Bei anderen Ausführungsformen können die Schleifpartikel in das formbare Polierwerkzeug eingearbeitet sein, was direkt auf die Oberfläche des Werkstücks angewendet werden kann ohne die Notwendigkeit einer Schleifaufschlämmung in dem Spalt. Das formbare Polierwerkzeug kann dann durch einen piezoelektrischen Wandler oder eine andere geeignete Technik in Schwingungen versetzt werden, um die Oberfläche des Werkstücks durch Mikrozerspanung zu bearbeiten.
Auf diese Weise kann das formbare Polierwerkzeug zur Mikrozerspanung von Werkstücken mit hochkomplexen Oberflächenprofilen verwendet werden, indem feinere unerwünschte Profilmerkmale abgetragen werden, um das gewünschte Oberflächenfinish zu erzielen. Allgemein enthält ein komplexes Oberflächenprofil Oberflächen, die mindestens eine Kombination aus einer oder mehreren primitiven geometrischen festen Körpergestalten aufweisen. Beispielsweise könnte ein komplexes Oberflächenprofil einen Zylinder mit einer V-Nut oder ein oder mehrere rechteckige Prismen mit abgerundeten Kanten aufweisen. Ein komplexes Oberflächenprofil kann auch eine Oberfläche enthalten, die ohne spezifische Bezugnahme auf grundlegende geometrische Formen ausgelegt und definiert ist, wie etwa ein Profil, das der Oberfläche eines physischen Objekts entsprechen soll, wie etwa einem menschlichen Finger oder einer Gliedmaße zur Verwendung beim Ausformen von Teilen einer künstlichen Gliedmaße.
Weiterhin könnte es sich bei dem Werkstück um eine beliebige Art eines gewünschten komplexen Teils wie etwa einer orthopädischen Prothese, von Turbinenschaufeln oder einer beliebigen 3D-Teilgeometrie handeln, die nicht notwendigerweise die Gestalt eines Formwerkzeughohlraums besitzen müssen. Beispielsweise erfordert ein begrenzter Bereich einer orthopädischen Prothese möglicherweise ein Polieren, um eine gute Lageroberfläche bereitzustellen. Ein formbares Polierwerkzeug könnte zum Mikrozerspanen eines lokalen Gebiets eines Teils wie etwa der orthopädischen Prothese verwendet werden, um die spezifische Lageroberfläche bereitzustellen. Die Mikrozerspanung könnte durchgeführt werden, ohne irgendwelche der umgebenden Oberflächen abzuändern, damit nur dort, wo dies ausdrücklich gewünscht ist, ein gewünschtes Oberflächenfinish erhalten wird.
Gemäß einiger Ausführungsformen gestattet die Verwendung eines formbaren Polierwerkzeugs auf die oben beschriebene Weise das Mikrozerspanen des komplexen Oberflächenprofils des Werkstücks, um eine feinere Ebene von unerwünschten Profilmerkmalen abzutragen, während eine gewünschte Ebene an Profildetail beibehalten wird. Dies könnte beispielsweise das Abtragen von unerwünschten dünnen gleichförmigen Materialschichten beinhalten, die über das Profilmerkmal hinausgehen, wie etwa eine weiße Schicht oder durch Hitze beeinflusste Zone, die durch EDM-Zerspanung zurückbleibt, sowie von unerwünschten Profilmerkmalen wie etwa Werkzeugspuren, die von einem konventionellen Zerspanungsprozess zurückbleiben, oder Kratern oder Vorsprüngen, die von dem EDM-Prozess zurückgelassen werden. Die gewünschten Profilmerkmale jedoch, wie etwa die gewünschte Geometrie des Formwerkzeugs (einschließlich etwaiger Krümmungen, Schnitte, Reliefmerkmale oder anderer Elemente des komplexen Oberflächenprofils) können beibehalten werden. Somit kann ein gewünschtes Oberflächenfinish erzielt werden.
Gemäß einiger Ausführungsformen kann das formbare Polierwerkzeug, während es sich abnutzt, nachbearbeitet werden, indem das formbare Polierwerkzeug in den formbaren Zustand zurückgeführt wird und dann der gleiche oder ein ähnlicher Formprozess wiederholt wird, um das formbare Polierwerkzeug nachzuarbeiten oder zurückzubilden.
Bei einigen Ausführungsformen wird das formbare Polierwerkzeug, wenn es sich im festen Zustand befindet, allgemein von geringfügig kleinerer Größe sein als die Form, die verwendet wurde, um es auszuformen, und zwar aufgrund der Kontraktion des formbaren Polierwerkzeugs beim Übergang aus dem formbaren Zustand in den festen Zustand. Wenn es bei einigen Ausführungsformen erwünscht ist, dass das formbare Polierwerkzeug unterschiedliche Abmessungseigenschaften besitzt, kann ein sekundärer Prozess durchgeführt werden, wodurch das formbare Polierwerkzeug in den formbaren Zustand zurückgeführt werden kann, nachdem es geformt worden ist, in die Form eingesetzt und dann in den festen Zustand zurückgeführt werden kann, während eine 3D-Orbitalbewegung angewendet wird. Auf diese Weise kann veranlasst werden, dass das formbare Polierwerkzeug eine noch geringere Größe besitzt oder mit einer positiven Spaltbreite über wieder eintretende Oberflächenmerkmale versehen wird, um während des Kühlens zu dem festen Zustand mechanische Störung oder Klemmen zu blockieren. Es versteht sich natürlich, dass dieser sekundäre Prozess möglicherweise nicht zur Verfügung steht, wenn es sich bei dem Material des formbaren Polierwerkzeugs um eine bestimmte Art von Duroplast handelt, als Beispiel, oder wenn das Material des formbaren Polierwerkzeugs nicht in einem schmiedbaren oder biegsamen Zustand bereitgestellt werden kann.
Bei einigen Ausführungsformen kann das formbare Polierwerkzeug über einen dünnen Film aus thermoplastischem oder elastomeren Material ausgebildet werden, das vor dem Ausformen des formbaren Polierwerk zeugs auf die Werkstückoberfläche aufgebracht wurde (wie etwa durch Thermoformen, Hydroformen, Sprühen oder Bürsten auf die Oberfläche).
Nachdem der dünne Film, in der Regel von allgemein gleichmäßiger Dicke, entweder die ganze Oberfläche oder einen Abschnitt der Oberfläche des Werkstücks bedeckt, kann das formbare Polierwerkzeug über diesem Film ausgeformt werden.
Nachdem sich das formbare Polierwerkzeug verfestigt hat, können das formbare Polierwerkzeug und der Film (die nun ein einzelnes Composite-Teil bilden) von dem Werkstück entfernt werden. Der Film kann dann entfernt werden (wie etwa durch mechanisches Entfernen des Films oder Lösen des Films in einem Lösemittel), um das formbare Polierwerkzeug mit den gewünschten Profiloberflächenabmessungen bereitzustellen.
Beispielsweise könnte ein dünner Film aus wasserlöslichem thermoplastischem Material wie etwa einem zellulosebasierten wasserlöslichen Polymer oder einem anderen wasserlöslichen Thermokunststoff, die mit einer Hydroxygruppe(-OH) terminiert formuliert sind, über der Oberfläche des ganzen Hohlraums eines Formwerkzeugs thermoformiert werden, bevor ein formbares Polierwerkzeug geformt wird, das eine UHMWPE-Polymermatrix umfasst, die mit 10% Aluminiumoxid gefüllt ist. Nachdem der wasserlösliche Film und das UHMWPE-formbare Polierwerkzeug ausgeformt werden, sich verfestigen und von dem Werkstück entfernt werden, könnte das formbare Polierwerkzeug dann in kochendes Wasser getaucht werden, um den Film aufzulösen, wodurch ein formbares Polierwerkzeug mit einer geringeren Gesamtgröße zurückbleibt, die allgemein proportional zu den anfänglichen Werkstückabmessungen minus der Filmdicke ist.
Bei einem anderen Beispiel könnte das formbare Polierwerkzeug über einer dünnen flexiblen Silkonmembran, die über das Werkstück gespannt ist, ausgeformt werden. Mit steigendem Formwerkzeugdruck nimmt die Membran die Gestalt des Werkstücks an, und ein formbares Polierwerkzeug mit Untermaß wird proportional zu den Werkstückabmessungen minus der Dicke der gespannten Membran hergestellt. Nach dem Ausbilden kann die Membran von dem formbaren Polierwerkzeug entfernt werden, indem einfach die Membran von dem formbaren Polierwerkzeug abgezogen wird.
Bei einigen Ausführungsformen kann das formbare Polierwerkzeug, nachdem es geformt worden ist, für eine vorbestimmte Zeitdauer in ein Lösemittel getaucht oder diesem anderweitig ausgesetzt werden, um eine vorgeschriebene Materialmenge von der Oberfläche des formbaren Polierwerkzeugs aufzulösen, wodurch das Werkzeug ein kleineres Gesamtprofil erhält. Beispielsweise kann ein formbares Polierwerkzeug, das aus 90% ABS und 10% Aluminiumoxid besteht, mehrere Sekunden lang in Methanol oder Aceton getaucht und dann mit Wasser abgespült werden, um den Auflösungsprozess zu stoppen. Dadurch können die Abmessungen des formbaren Polierwerkzeugs proportional zu der Zeit, während der das formbare Polierwerkzeug dem Lösemittel ausgesetzt war, gleichförmig reduziert werden.
Bei einigen Ausführungsformen, wie etwa wenn das formbare Polierwerkzeug einen allgemein festen Kern besitzt, kann während des anfänglichen Formens des formbaren Polierwerkzeugs eine 3D-Schwingbewegung ausgeübt werden, während es aus dem formbaren Zustand in den festen Zustand übergeführt wird. Dieses Verfahren kann gestatten, dass formbare Polierwerkzeuge aus unterschiedlichen Materialien, einschließlich aus bestimmten Duroplastmaterialien hergestellte formbare Polierwerkzeuge, mit den gewünschten Abmessungen geformt werden.
Der Fachmann versteht, dass zwar im Verlauf dieser Spezifikation der Ausdruck Ultraschall verwendet wird, es spezifisch in Betracht gezogen wird, dass mit hierin beschriebenen Ausführungsformen verschiedene andere Frequenzen verwendet werden können. Insbesondere könnten Schwingungen bei Frequenzen, die in den Bereich des menschlichen Gehörs fallen würden (zum Beispiel Schallschwingungen), oder bei Frequenzen, die noch niedriger sind, ebenfalls verwendet werden, einschließlich Wellen vom reinen P-Typ (Druckwellen, auch als Wellen vom L-Typ oder Longitudinalwellen bekannt) sowie Wellen vom S-Typ (Scherwellen, auch als Wellen vom T-Typ oder Transversalwellen bekannt) oder eine Kombination von beiden Typen. Analog könnten auch Frequenzen, die viel höher sind als die Frequenzen, die üblicherweise als Ultraschall bezeichnet werden (zum Beispiel ungefähr bis zu 40 000 Hz) gemäß den Anforderungen der gewünschten Anwendung verwendet werden.
Nun unter Bezugnahme auf 1 wird eine Mikrozerspanungsvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform bereitgestellt. Die Mikrozerspanungsvorrichtung 10 kann zum Bearbeiten der Oberfläche eines Werkstücks durch Mikrozerspanung verwendet werden, um einer Oberfläche eines Werkstücks ein gewünschtes Oberflächenfinish zu geben, indem gewünschte Profilmerkmale zurückbleiben, während feinere unerwünschte Profilmerkmale abgetragen werden.
Die Mikrozerspanung erfordert im Allgemeinen zuerst eine Umwandlung der Netzspannung (zum Beispiel 120 V oder 220 V bei 60 Hz) in eine hochfrequente elektrische Energie (zum Beispiel 20 000 Hz) durch Verwenden eines nicht gezeigten Leistungswandlers, wie in der Technik bekannt ist. Diese hochfrequente elektrische Energie wird dann an einen Ultraschallwandler 12 geliefert, der derart mit einem Stützrahmen 14 verbunden ist und von diesem gestützt wird, dass sich der Ultraschallwandler 12 relativ zum Stützrahmen 14 bewegen kann. Der Ultraschallwandler 12 ist konfiguriert, als Reaktion auf das Anlegen der elektrischen Energie, wie unten ausführlicher erörtert, eine Schwingungsbewegung in einer bestimmten Richtung zu generieren.
Der Ultraschallwandler 12 ist an einen auch als Horn 16 bekannten Verstärker in einem oberen Abschnitt 40 des Horns 16 gekoppelt. Das Horn 16 besitzt auch ein Arbeitsende 44, das an eine Werkzeughalterung 18 oder direkt an ein formbares Polierwerkzeug 20 gekoppelt ist. Wie in 1 gezeigt, kann das formbare Polierwerkzeug 20 an einem distalen Ende 21 der Werkzeughalterung 18 befestigt sein.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Ultraschallwandler 12 einen magnetoresistiven Aktuator mit einem ferromagnetischen Kern, der seine Länge als Reaktion auf ein variierendes Anlegen eines Magnetfelds ändert, das durch den Einsatz der elektrischen Energie generiert wird, um die gewünschte Schwingbewegung zu entwickeln. Bei anderen Ausführungsformen umfasst der Ultraschallwandler 12 ein oder mehrere piezoelektrische Elemente, die als Reaktion auf das Anlegen der elektrischen Energie schwingen, wie unten ausführlicher beschrieben.
Beim Einsatz schwingt das formbare Polierwerkzeug 20 als Reaktion auf die Schwingungen des Ultraschallwandlers 12, die durch das Anlegen von elektrischer Energie hervorgerufen werden. Bei einigen Ausführungsformen verlaufen die Schwingungen des Wandlers 12 und des formbaren Polierwerkzeugs 20 primär parallel zu einer Langsachse A der Bearbeitungsvorrichtung 10, wie in 1 gezeigt. Allgemein wird der Ultraschallwandler 12 mit einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz des Wandlers 12, des Horns 16, der Werkzeughalterung 18 und des formbaren Polierwerkzeugs 20 angesteuert, um in dem Ultraschallwandler 12 den gewünschten Amplitudengang zu liefern, wenn die hochfrequente elektrische Energie in nutzbare mechanische Energie umgewandelt wird.
Die von dem Ultraschallwandler 12 generierte mechanische Energie wird dann verstärkt und von dem Horn 16 übertragen, um das formbare Polierwerkzeug 20 anzutreiben. Wie am besten in 3 gezeigt, besitzt das Horn 16 bei einigen Ausführungsformen eine allgemein kegelstumpfförmige Gestalt, wobei die Längsrichtung des Horns 16 im Allgemeinen auf die Langsachse A der Mikrozerspanungsvorrichtung 10 ausgerichtet ist.
Das Horn 16 ist allgemein breiter oder größer im Durchmesser, wo es an den Ultraschallwandler 12 gekoppelt ist, und schmaler im Durchmesser am Arbeitsende 44, wo es an das formbare Polierwerkzeug 20 gekoppelt ist. Diese Größenänderung vergrößert im Allgemeinen die Amplitude der Schwingungen des Ultraschallwandlers 12, was für eine größere Bewegung des formbaren Polierwerkzeugs 20 während des Betriebs sorgt.
Es versteht sich, dass das Horn 16 diverse unterschiedliche Konfigurationen besitzen kann und nicht von kegelstumpfförmiger Gestalt sein braucht. Beispielsweise könnte das Horn 16 eine allgemein abgestufte, konische, kettenlinienförmige, Fourier- oder exponentielle Gestalt aufweisen oder kann eine gerade Gestalt besitzen. Es ist allgemein wünschenswert, dass das Arbeitsende 44 des Horns 16 einen kleineren Durchmesser (oder Querschnitt) aufweist als der obere Abschnitt 40 des Horns, um eine Verstärkung der Bewegung des formbaren Polierwerkzeugs 20 bezüglich des Ultraschallwandlers 12 zu erleichtern.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Hornlänge H_L des Horns 16 so gewählt, dass sie etwa λ/2 beträgt, wobei λ die Ultraschallwellenlänge innerhalb des Hornmaterials ist, um eine vergrößerte Amplitude der Ultraschallwelle an dem Arbeitsende 44 des Horns zu erhalten. Wenn im Gegensatz dazu die Hornlänge H_L so ausgewählt würde, dass sich das Arbeitsende 44 des Horns an einem Knoten ungefähr gleich λ/4 oder 3λ/4 befinden würde, dann würde es an dem Arbeitsende 44 des Horns 16 wenig bis keine Bewegung geben.
Das Horn 16 kann unter Verwendung verschiedener Kopplungsmechanismen an dem Ultraschallwandler 12 gesichert werden. Beispielsweise kann der obere Abschnitt 40 des Horns 16 durch den Einsatz von Schweißen, Löten, Hartlöten oder irgendeinem anderen permanenten oder halbpermanenten Prozess permanent an dem Ultraschallwandler 12 befestigt werden. Alternativ kann, wie in 1 gezeigt, das Horn 16 unter Verwendung eines ersten Kopplers 17 entfernbar an dem Ultraschallwandler 12 angebracht werden. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der erste Koppler 17 eine Gewindestange, die eine separate Komponente oder ein integraler Teil des Horns 16 oder des Ultraschallwandlers 12 sein kann. Beispielsweise kann der erste Koppler 17 einen von dem Wandler 12 vorstehenden Abschnitt mit Außengewinde umfassen, der mit einem entsprechenden Abschnitt 17a mit Innengewinde in Eingriff tritt, der sich innerhalb des Horns 16 befindet (wie in 3 gezeigt).
Nun unter Bezugnahme auf 2 ist der untere Abschnitt der Bearbeitungsvorrichtung 10 ausführlicher gezeigt. Die Werkzeughalterung 18 ist an das Horn 16 gekoppelt gezeigt. Die Werkzeughalterung 18 kann unter Verwendung verschiedener geeigneter Techniken an das Horn 16 gekoppelt sein, einschließlich permanent durch Hartlöten, Schweißen oder Löten oder durch Ausbilden der Werkzeughalterung 18 als einen integralen Abschnitt des Horns 16. Alternativ kann, wie am besten in 2 gezeigt, die Werkzeughalterung 18 entfernbar an dem Horn 16 angebracht sein, wie etwa durch Verwenden eines zweiten Kopplers 19, der ein Schraubverbindungsstück sein könnte. Beispielsweise kann, wie in 4A und 4B gezeigt, die Werkzeughalterung 18 an dem zweiten Koppler 19 mit einem Gewindeabschnitt 19a und einem gewindelosen Abschnitt 19b befestigt sein. Wenn mit dem Horn 16 verbunden, kann der Gewindeabschnitt 19a des zweiten Kopplers 19 mit einem entsprechenden Gewindeabschnitt auf der Innenseite des Arbeitsendes 44 des Horns 16 in Eingriff treten, um die Werkzeughalterung 18 an ihrem Platz zu sichern.
Das formbare Polierwerkzeug 20 kann mechanisch an der Halterung 18 an dem distalen Ende 21 der Werkzeughalterung 18 befestigt werden.
Dieses Befestigen kann auf unterschiedliche Weisen erzielt werden, einschließlich permanenten Verfahren, wo das formbare Polierwerkzeug 20 tatsächlich eine integrale Komponente der Werkzeughalterung 18 ist und an der Werkzeughalterung 18 ausgebildet ist oder wo das formbare Polierwerkzeug 20 Teil des Horns 16 ist. Alternativ kann das formbare Polierwerkzeug 20 durch andere geeignete Techniken wie etwa Schweißen, Hartlöten oder Löten des formbaren Polierwerkzeugs 20 an der Halterung 18 oder durch den Einsatz eines Klebers befestigt werden. Bei anderen Ausführungsformen kann das formbare Polierwerkzeug 20 auf entfernbare Weise mechanisch an der Halterung 18 befestigt werden, wie etwa durch Schrauben des formbaren Polierwerkzeugs 20 auf die Halterung 18.
Bei einigen Ausführungsformen kann, wie in 4C gezeigt, das Horn 16 mit einem verjüngten Gewindeabschnitt 44a versehen sein, der sich an dem Arbeitsende 44 des Horns 16 befindet. Dieser verjüngte Gewindeabschnitt 44a kann das Bereitstellen einer effizienten Übertragung mechanischer Energie von dem Horn 16 zu dem formbaren Polierwerkzeug 20 unterstützen. Der verjüngte Gewindeabschnitt 44a kann diverse unterschiedliche Winkel aufweisen, wie bei θ angegeben (gemessen ab einer Linie parallel zu der Langsachse A). Beispielsweise kann bei einigen Ausführungsformen θ etwa 45 Grad betragen, während θ bei anderen Ausführungsformen etwa 30 Grad oder etwa 60 Grad betragen kann. Während des Formens des formbaren Polierwerkzeugs 20 kann das formbare Polierwerkzeug 20 über diesen verjüngten Gewindeabschnitt 44a verfestigen, was im Allgemeinen den Effekt der Wärmekontraktion auf die Bindungsstärke zwischen dem formbaren Polierwerkzeug 20 und dem Horn 16 reduziert. Weiterhin überträgt der verjüngte Gewindeabschnitt 44a im Allgemeinen die Ultraschallenergie auf divergente Weise von dem Wandler 12 durch das formbare Polierwerkzeug 20. Dies kann das Verhindern einer vorzeitigen Verschlechterung der Polymer-Metall-Grenzflächen zwischen dem formbaren Polierwerkzeug 20 und dem Horn 16 oder der Halterung 18 unterstützen. Bei einigen Ausführungsformen könnten die Gewinde des verjüngten Gewindeabschnitts 44a entweder ein scharfes dreieckiges Profil oder ein Profil mit abgerundeter Kante aufweisen.
Wenn das formbare Polierwerkzeug 20 auf der Oberfläche des Horns 16 ausgeformt wird, könnte zusätzlich die Oberfläche des Horns 16 zuerst etwa durch Sandstrahlen, chemisches Ätzen oder auf andere Weisen texturiert werden, um die Bindungsstärke der Grenzfläche und die Effizienz der Energieübertragung durch die Grenzfläche zwischen dem formbaren Polierwerkzeug 20 und dem Horn 16 zu verbessern.
Wie am besten in 2 gezeigt, steht das formbare Polierwerkzeug 20 während des Einsatzes mit einem Werkstück 22 in Eingriff. Das Werkstück 22 ruht auf einer Arbeitsplatte 24 und ist daran befestigt. Bei einigen Ausführungsformen kann das Werkstück an der Arbeitsplatte 24 durch einen Koppler 23 befestigt sein, der zusammenwirkende Gewindeabschnitte umfassen kann. Bei anderen Ausführungsformen kann das Werkstück 22 an der Arbeitsplatte 24 über einen Elektromagneten oder eine andere geeignete Befestigungsstruktur befestigt sein.
Gemäß einiger Ausführungsformen kann das Werkstück 22 ein Formwerkzeug oder ein anderes ähnlich gestaltetes Objekt sein, das unter Verwendung der Bearbeitungsvorrichtung 10 mikrozerspant werden soll. Bei einigen Ausführungsformen (wie am besten in 9 gezeigt) kann das Werkstück 22 in der oberen Oberfläche eine allgemein konkave Öffnung 88 aufweisen, die dafür ausgelegt ist, ein vorstehendes Profil auf dem formbaren Polierwerkzeug 20 aufzunehmen. Bei anderen Ausführungsformen kann das Werkstück 22 eine allgemein konvexe Gestalt aufweisen, die dafür ausgelegt ist, mit einem entsprechenden konkaven formbaren Polierwerkzeug 20 zusammenzupassen. Bei einigen Ausfüh rungsformen kann das Werkstück 22 eine Kombination aus einem oder mehreren konkaven und konvexen Abschnitten aufweisen.
Bei einigen Ausführungsformen enthält der untere Abschnitt der Mikrozerspanungsvorrichtung 10 im Allgemeinen auch eine das Werkstück 22 umgebende Schleifmittelkammer 28 zum Liefern der Schleifaufschlämmung S während der Mikrozerspanung des Werkstücks 22. Während des Einsatzes sind das formbare Polierwerkzeug 20 und das Werkstück 22 im Allgemeinen innerhalb eines Hohlraums 38 vorgesehen, wie durch die Innenwände der Schleifmittelkammer 28 definiert.
Bei einigen Ausführungsformen sind Abschnitte des Werkstücks 22, wo keine Mikrozerspanung gewünscht ist, vor der Wirkung der Aufschlämmung S und des formbaren Polierwerkzeugs 20 durch eine Schutzplatte 26 geschützt, die in dem oberen Abschnitt eine Öffnung aufweist zum Aufnehmen des formbaren Polierwerkzeugs 20 und bemessen ist, dem Außenumfang des Hohlraums 38 zu entsprechen. Die Schutzplatte 26 hält das formbare Polierwerkzeug 20 und die Aufschlämmung S davon ab, jene Abschnitte des Werkstücks 22, wo keine Mikrozerspanung gewünscht wird, oder anderweitig zu beschädigen zu mikrozuzerspanen.
Die Schleifmittelkammer 28 enthält einen Aufschlämmungseinlass 32 zum Aufnehmen sauberer Aufschlämmung S und zum Liefern der sauberen Aufschlämmung S in den Hohlraum 38, wo sie während der Mikrozerspanung verwendet werden kann. Die Schleifmittelkammer 28 enthält auch einen Aufschlämmungsauslass 34 zum Abführen der Aufschlämmung S aus dem Hohlraum 30, nachdem sie durch Partikulate, die während des Mikrozerspanungsprozesses erzeugt worden sind, kontaminiert worden ist.
Während des Einsatzes arbeitet die Schleifmittelaufschlämmung S dahingehend, dass sie gestattet, dass Schleifpartikel zu dem Hohlraum 38 pas sieren, um das Abführen der Abnutzungsprodukte aus dem Hohlraum 38 zu fördern und um frische Schleifpartikel mit der korrekten Größe zu liefern, wie oben beschrieben. Die Aufschlämmung S kann auch das Kühlen des formbaren Polierwerkzeugs 20 und des Werkstücks 22 während des Mikrozerspanungsprozesses unterstützen. Das Schleifmittel in der Aufschlämmung S liefert auch die akustische Verbindung zwischen dem formbaren Polierwerkzeug 20 und dem Werkstück 22, um die Mikrozerspanung des Werkstücks 22 zu bewirken.
Die Schleifmittelkammer 28 enthält auch Dichtringe 36, die in der Regel O-Ringdichtungen sind, die aus Silikon, BUNA-N, Viton, anderen Arten von elastomerem Material oder sogar Weichmetallen hergestellt sind. Die Dichtringe 36 befinden sich zwischen den Innenwänden der Schleifmittelkammer 28 und der Schutzplatte 26 und helfen, ein Austreten von Aufschlämmung S aus der Kammer 38 während des Einsatzes zu verhindern, während gleichzeitig die Absorption von Ultraschallenergie minimiert wird.
Nunmehr unter Bezugnahme auf das formbare Polierwerkzeug 20 selbst kann bei einigen Ausführungsformen das formbare Polierwerkzeug 20 aus einem oder mehreren Abschnitten oder Schichten aus Komponenten aus einem einzelnen Material hergestellt sein, wie etwa einem thermoformbaren Material (was thermoplastische Polymere, einige Duroplaste und einige Metalle beinhalten kann) sowie anderen duroplastischen Materialien, Metallen oder Keramiken. Bei anderen Ausführungsformen kann das formbare Polierwerkzeug 20 aus einem Composite hergestellt sein, das ein Matrixmaterial und ein Verstärkungsmaterial umfasst. Die Verwendung eines Verstärkungsmaterials macht das formbare Polierwerkzeug 20 im Allgemeinen beständiger gegenüber mechanischen Beanspruchungen, die durch Resonanzschwingungen induziert werden, und fördert eine effiziente Ausbreitung der von dem Horn 16 erzeugten Schallwellen. Bei dem Matrixmaterial kann es sich um ein beliebiges geeignetes Material handeln, wie etwa ein Polymer entweder vom thermoplastischen oder duroplastischen Typ, ein Metall oder eine Keramik.
Das formbare Polierwerkzeug 20 kann auch mit einem elektrisch leitenden Composite-Material geformt werden, das ein Polymer-Composite mit Graphitpulver oder Kupferpulver als Füllmittel enthalten kann. Wenn man ein formbares Polierwerkzeug 20 aus stromleitendem Composite hat, gestattet dies die Verwendung des formbaren Polierwerkzeugs 20 zum Ausführen eines EDM-Prozesses sowie eines Ultraschallmikrozerspanungsprozesses. Beispielsweise könnte, wie unten bezüglich 16 beschrieben, ein EDM-Prozess mit einem Ultraschallmikrozerspanungsprozess innerhalb der gleichen Vorrichtung 10 kombiniert werden, wobei das gleiche formbare Polierwerkzeug 10 entweder alternativ oder sogar simultan verwendet wird, um die von jedem Prozessen gelieferten Vorzüge zu nutzen.
Bei einigen Ausführungsformen versieht das Verstärkungsmaterial das formbare Polierwerkzeug 20 mit einer härteren Oberfläche. Bei einer anderen Ausführungsform verleiht das Verstärkungsmaterial dem formbaren Polierwerkzeug 20 eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit. Bei einem Ausführungsbeispiel werden 90 Volumenprozent thermoplastische Polystyrolmatrix mit 10 Volumenprozent Aluminiumoxidkeramik als Verstärkungsmaterial und als Promoter für eine effizientere Schallenergieübertragung verwendet. Bei anderen Ausführungsformen können eine Siliziumcarbidverstärkung und Schleifmaterial innerhalb eines weichen elastomeren Siliziummaterials verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsformen könnten bestimmte duroplastische Polymere verwendet werden, die Eigenschaften besitzen können, die ähnlich denen von Thermoplasten sind. Beispielsweise sind PBT-Oligomere von geringem Molekulargewicht thermoplastische Formen von Polyester, die zum Polymerisieren eine chemische Reaktion erfordern (wie ein Durop last), die aber größtenteils wie ein thermoplastisches Material bis zu einer bestimmten Temperatur geschmolzen werden können, bevor sie zu einem regelmäßigen Polyester-Duroplast werden.
Bei einigen Ausführungsformen könnte eine Metalllegierung mit niedrigem Schmelzpunkt zum Formen des formbaren Polierwerkzeugs 20 verwendet werden. Beispielsweise könnten als das formbare Polierwerkzeug 20 ganz wie Polymere Legierungen mit einem niedrigen Schmelzpunkt wie etwa Cerrolow-117-Bismuth-Legierung (44,7% Bi, 22,6% Pb, 8,3% Sn, 5,3% Cd, 19,1% In) mit einem Schmelzpunkt von nur 48 Grad Celsius verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsformen kann das formbare Polierwerkzeug 20 einen Abschnitt oder eine Schicht enthalten, der oder die aus einem oder mehreren thermoplastischen Polymeren hergestellt sind, wie etwa Polyethylen (LDPE, HDPE, UHMWPE), Polypropylen, Nylon, PEEK und anderen. Bei einigen Ausführungsformen können Additive wie etwa 20% festes Füllmittel (zum Beispiel Aluminiumoxidpulver oder -korn, Aluminiumpulver oder -korn, Holzpulver, Rußpulver, Siliziumpulver oder schwarze oder grüne Siliziumcarbidschleifmittel-Pulver oder -korn) dem Polymer zugesetzt werden, um die Steifheit des Polymers, die Wärmeleitfähigkeit und/oder die Schallgeschwindigkeit in dem Material zu steuern. Bei einigen Ausführungsformen können 3–7 mm lange Fasern oder Haarkristalle (wie etwa Faserglas, Kohlenstoff oder sogar Holz) zugesetzt werden, um die Festigkeit des formbaren Polierwerkzeugs 20 zu steuern.
Bei einigen Ausführungsformen ist es wünschenswert, die Schallgeschwindigkeit zwischen dem Horn 16 und dem formbaren Polierwerkzeug 20 anzupassen, da dies im Allgemeinen die effiziente Übertragung der Schallenergie oder der mechanischen Energie fördert. Das Bereitstellen von Additiven in einem aus thermoplastischen Materialien hergestellten formbaren Polierwerkzeug 20 könnte somit dazu verwendet werden, den Frequenzgang des formbaren Polierwerkzeugs 20 wie gewünscht „abzustimmen”.
Das formbare Polierwerkzeug 20 kann unter Einsatz mehrerer verschiedener Techniken geformt werden. Bei einigen Ausführungsformen besitzt das formbare Polierwerkzeug 20 mindestens einen Abschnitt oder mindestens eine Schicht, die aus einem ausformbaren Material hergestellt ist, das aus einem formbaren Zustand, in dem das formbare Polierwerkzeug 20 biegsam ist und durch das Ausüben von ausreichendem Druck ausgeformt oder gestaltet werden kann, in einen festen Zustand überführt werden kann, in dem das formbare Polierwerkzeug 20 fest ist und sich einem Ausformen oder Gestalten widersetzt.
Der Übergang von dem formbaren Zustand zu dem festen Zustand kann auf andere Weise gemäß der Natur des ausformbaren Materials bewerkstelligt werden. Wenn beispielsweise das ausformbare Material ein thermoformbares Material wie etwa ein Thermokunststoff ist, dann kann das Material in den formbaren Zustand versetzt werden, indem das Material auf eine ausreichende erste Temperatur über der Glasübergangstemperatur des Polymers erhitzt wird. Das Material kann dann erstarren, indem das Material auf eine zweite Temperatur unter der Glasübergangstemperatur des Polymers herunter gekühlt wird. Bei anderen Ausführungsformen, wo zum Ausbilden des formbaren Polierwerkzeugs 20 eine thermoformbare Metalllegierung mit niedrigem Schmelzpunkt verwendet wird, würde der Übergang von dem formbaren Zustand zu dem festen Zustand in der Nähe des Schmelzpunktes oder des Solidus-Liquidus-Punkts des formbaren Polierwerkzeugs 20 anstatt der Glasübergangstemperatur für Polymere erfolgen. Somit würde das Material in einem formbaren Zustand über dem Schmelzpunkt bereitgestellt und dann auf den festen Zustand unter dem Schmelzpunkt gekühlt werden.
Bei anderen Ausführungsformen, wo das verwendete Material ein Duroplast ist, kann das Material durch eine Wirkung einer chemischen Reaktion verfestigen, wie etwa durch eine vernetzende Polymerisation. Um eine Verfestigung herbeizuführen, kann es erforderlich sein, das Duroplast zu erhitzen, um die Vernetzung auszulösen und den festen Zustand zu erhalten. Bei anderen Ausführungsformen kann das Material ein Harz und ein Füllmittel enthalten, die sich beim Mischen verfestigen, um von dem formbaren Zustand in den festen Zustand zu wechseln.
Ein Verfahren 100 zum Gestalten des formbaren Polierwerkzeugs 20 ist allgemein in 5 gezeigt. Bei 102 wird das formbare Polierwerkzeug 20 mit einem Abschnitt bereitgestellt, der sich in einem formbaren Zustand befindet. Wie allgemein oben beschrieben, kann dies das Erhitzen des formbaren Polierwerkzeugs 20 auf eine bestimmte Temperatur oder das Bereitstellen einer Mischung in einem bestimmten chemischen Stadium beinhalten.
Bei 104 wird das formbare Polierwerkzeug 20 dann unter Verwendung einer Form gestaltet. Gemäß einiger Ausführungsformen kann das formbare Polierwerkzeug 20 gestaltet werden durch Pressen des formbaren Polierwerkzeugs 20 gegen eine Form, während sich das formbare Polierwerkzeug 20 in dem formbaren Zustand befindet und schmiedbar oder biegsam ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die Form das Werkstück 22, das poliert werden soll. Bei anderen Ausführungsformen ist die Form ein Modell oder ein Duplikat von der ganzen gewünschten Gestalt des Werkstücks 22 oder eines Abschnitts davon. Da sich das formbare Polierwerkzeug 20 in einem formbaren Zustand befindet und schmiedbar ist, wenn ausreichend Druck ausgeübt wird, nimmt das formbare Polierwerkzeug 20 eine Gestalt oder ein Profil an, die oder das zu der Form komplementär ist, gegen die oder das das formbare Polierwerkzeug 20 gepresst wird. Bei anderen Ausführungsformen kann das formbare Polierwerkzeug 20 unter Verwendung der Form bei 104 aus einem flüssigen Material gegossen werden.
Bei 106 wird das formbare Polierwerkzeug 20 von dem formbaren Zustand in den festen Zustand überführt. Bei einigen Ausführungsformen kann dies das Kühlen des formbaren Polierwerkzeugs 20 unter die Glasübergangstemperatur oder das Bewirken einer chemischen Reaktion (wie etwa Vernetzen eines Duroplasts) beinhalten, während das formbare Polierwerkzeug 20 gegen die Form festgehalten wird. Bei einigen Ausführungsformen ist das Material des formbaren Polierwerkzeugs 20 selbst in dem formbaren Zustand ausreichend viskos, dass, nachdem das gewünschte komplementäre Profil erreicht worden ist, das formbare Polierwerkzeug 20 aus der Form genommen werden kann, bevor der Übergang zu dem festen Zustand eintritt.
Bei 108 hat das formbare Polierwerkzeug 20 den festen Zustand erreicht, und das formbare Polierwerkzeug 20 wird zur Mikrozerspanung des Werkstücks 22 verwendet.
Gemäß einiger Ausführungsformen kommt es während des Übergangs von dem formbaren Zustand zu dem festen Zustand zu einer Kontraktion des formbaren Polierwerkzeugs 20 bei den Abmessungen. Diese Kontraktion erzeugt eine geringfügige Differenz bei der Profilgeometrie des formbaren Polierwerkzeugs 20 und der zum Formen des formbaren Polierwerkzeugs 20 verwendeten Form. Diese geringfügige Differenz fungiert als ein Hohlraum oder Spalt zwischen dem formbaren Polierwerkzeug 20 und dem Werkstück 22 während des Betriebs. Während der Mikrozerspanung kann dieser Hohlraum mit der Schleifaufschlämmung S gefüllt werden, um die Mikrozerspanung des Werkstücks 22 zu bewirken.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Größe des Spalts oder des Hohlraums, der durch die dimensionale Kontraktion des formbaren Polierwerkzeugs 20 erzeugt wird, für eine bestimmte Anwendung möglicherweise nicht groß genug. In solchen Fällen kann die Größe des Spalts oder Hohlraums vergrößert werden, indem ein sekundärer Prozess zum erneuten Gestalten des formbaren Polierwerkzeugs 20 verwendet wird. Dies kann beispielsweise dann notwendig sein, wenn die Größe des Spalts im Vergleich zu der Schleifpartikelgröße klein ist, die bei einem bestimmten Mikrozerspanungsprozess verwendet wird, oder wenn das Werkstück 22 wiedereintretende Oberflächenmerkmale aufweist, die einen derartigen sekundären Prozess erfordern, um zu verhindern, dass das formbare Polierwerkzeug 20 das Werkstück 22 mechanisch stört, sich daran festsetzt oder festklemmt.
Ein Verfahren 140 zum Durchführen des sekundären Prozesses wird allgemein unter Bezugnahme auf 6A als eine Variation des in 5 gezeigten Verfahrens 100 beschrieben. Das Verfahren 140 läuft ab als Verfahren 100 bei 102 durch Bereitstellen des formbaren Polierwerkzeugs 20 in einem formbaren Zustand, bei 104 durch Gestalten des formbaren Polierwerkzeugs 20 gegen eine Form und bei 106 durch Umwandeln des formbaren Polierwerkzeugs 20 in den festen Zustand.
Bei 142 erfolgt eine Bestimmung dahingehend, ob sich das formbare Polierwerkzeug 20 genügend zusammengezogen hat, um die gewünschten Abmessungen zu erzielen, um einen ausreichenden Spalt oder Hohlraum zur Verwendung bei der Mikrozerspanung des Werkstücks 22 zu liefern. Wenn das formbare Polierwerkzeug 20 die gewünschten Abmessungen besitzt, dann kann das Verfahren 140 weitergehen zu 108, wo es zur Mikrozerspanung des Werkstücks 22 kommt. Wenn sich jedoch das formbare Polierwerkzeug 20 nicht in einem ausreichenden Ausmaß zusammengezogen hat, dann geht das Verfahren 140 weiter zu 144, wo ein Abschnitt des formbaren Polierwerkzeugs 20 in den formbaren Zustand zurückgeführt wird.
Beispielsweise könnte, wie in 6B gezeigt, das formbare Polierwerkzeug 20 als ein Composite-Thermokunststoff mit einer Polystyrolmatrix und Aluminiumoxid als einem Verstärkungsmaterial geformt werden. Nachdem das formbare Composite-Polierwerkzeug 20 bei 106 gestaltet worden ist, wird es ein allgemein als 20a angegebenes erstes Oberflächenprofil aufweisen. Dieses erste Oberflächenprofil 20a sorgt allgemein für eine erste Spaltbreite G1 zwischen dem ersten Oberflächenprofil 20a und dem Werkstück 22, die durch die thermische Kontraktion des formbaren Polierwerkzeugs 20 verursacht wird. Wenn bei 142 bestimmt wird, dass die erste Spaltbreite G1 nicht ausreichend groß ist, dann kann das formbare Polierwerkzeug 20 bei 144 Strahlungswärme ausgesetzt werden, um den äußeren Abschnitt oder die äußere Schicht zu erweichen, um das erste Oberflächenprofil 20a des formbaren Polierwerkzeugs 20 zu modifizieren. Alternativ könnte das formbare Polierwerkzeug 20 gegen das Werkstück 22 oder eine Form gepresst werden, das oder die auf eine Temperatur in der Nähe der spezifischen Glasübergangstemperatur dieses Polymers vorgeheizt worden ist.
Bei Schritt 146 kann, nachdem das formbare Polierwerkzeug 20 den formbaren Zustand wieder angenommen hat, das erste Oberflächenprofil 20a des formbaren Polierwerkzeugs 20 nun erneut so gestaltet werden, dass es ein allgemein als 20b angegebenes kleineres zweites Oberflächenprofil aufweist. Bei einigen Ausführungsformen kann dieses Gestalten erfolgen, nachdem die Außenschicht des formbaren Polierwerkzeugs 20 erhitzt worden ist, um eine ausreichende Schmiedbarkeit zu erhalten, indem das formbare Polierwerkzeug 20 in die Form eingesetzt wird (zum Beispiel entweder das Werkstück 22 selbst oder ein Duplikat des Werkstücks). Während beispielsweise das formbare Polierwerkzeug 20 in den festen Zustand übergeht (zum Beispiel abkühlen gelassen wird), kann eine 3D-Bewegung (wie etwa eine Orbital- oder eine andere Schwingungsbewegung) von bekannter vorbestimmter Amplitude dem formbaren Polierwerkzeug 20 aufgezwungen werden. Dies verursacht eine Störung zwischen der Oberfläche des formbaren Polierwerkzeugs 20 und dem Werkstück 22 oder der Form, wodurch der Druck gegen die Oberfläche des formbaren Polierwerkzeugs 20 vergrößert wird und die das zweite Oberflächenprofil 20b mit geringfügig kleineren Abmessungen proportional zu der Amplitude der aufgezwungenen 3D-Bewegung geformt wird. Wie in 6B gezeigt, sorgt das geringfügig kleinere zweite Oberflächenprofil 20b für eine zweite Spaltbreite von G2 zwischen dem formbaren Polierwerkzeug 20 und dem Werkstück 22, der allgemein grösser als G1 ist.
Es versteht sich natürlich, dass zum Verwenden des sekundären Prozesses gemäß dem Verfahren 140 das formbare Polierwerkzeug 20 aus einem Material hergestellt sein muss, das aus dem festen Zustand in einen formbaren Zustand zurückgeführt werden kann. Somit kann ein formbares Polierwerkzeug 20, das aus einem oder mehreren thermoformbaren Materialien (wie etwa einem thermoplastischen Polymer) hergestellt ist, das durch Ausüben von Wärme erweicht werden kann, mit diesem Verfahren 140 verwendet werden. Ein aus anderen Materialien wie etwa bestimmten duroplastischen Polymeren hergestelltes formbares Polierwerkzeug 20 ist jedoch möglicherweise nicht in der Lage, leicht in den formbaren Zustand zurückzukehren und eignet sich somit möglicherweise nicht zur Verwendung mit dem Verfahren 140.
Bei einer alternativen Ausführungsform jedoch kann es möglich sein, den sekundären Prozess von Verfahren 140 zu integrieren, indem die 3D-Bewegung während des anfänglichen Formens des formbaren Polierwerkzeugs 20 angewendet wird. Dies kann eine größere Kontrolle über die Kontraktion des formbaren Polierwerkzeugs 20 während des anfänglichen Formungsstadiums gestatten und kann das Verwenden eines sekundären Prozesses gestatten, wenn das formbare Polierwerkzeug 20 aus zusätzlichen Materialien einschließlich wärmehärtenden Polymermaterialien hergestellt ist.
Gemäß einiger Ausführungsformen kann das formbare Polierwerkzeug 20 unter Verwendung eines mehrstufigen Prozesses geformt werden. Bei sol chen Ausführungsformen kann das formbare Polierwerkzeug 20 anfänglich aus Basismaterial in feiner Pulverform ausgeformt werden, das durch Taumeln im trockenen Zustand vermischt und dann als eine Pulvermischung, in der Regel bei niedrigen Drücken von unter 2500 psi, in eine rauhe Form formgepresst wird. Bei solchen Ausführungsformen kann die rauhe Form des formbaren Polierwerkzeugs 20 dann einem oder beiden des Verfahrens 100 und des Verfahrens 140 unterzogen werden, um das gewünschte Endprofil des formbaren Polierwerkzeugs 20 zu erhalten.
Nachdem das formbare Polierwerkzeug 20 unter Verwendung von einem oder mehreren der oben beschriebenen Verfahren gestaltet worden ist, kann die Mikrozerspanung des Werkstücks 22 beginnen. Wenn die zum Gestalten des formbaren Polierwerkzeugs 20 verwendete Form das Werkstück 22 war, dann kann dies erfordern, dass das formbare Polierwerkzeug 20 aus dem Hohlraum 30 herausgenommen wird, nachdem das Gestalten abgeschlossen ist, und dann die Schutzplatte 26 über dem Werkstück 22 eingesetzt wird. Alternativ kann bei einigen Ausführungsformen die Schutzplatte 26 während des Formens des formbaren Polierwerkzeugs 20 vorliegen. Eine Schleifmittellösung oder Schleifaufschlämmung S wird dann dem Hohlraum 38 und/oder dem Werkstück 22 zugesetzt oder dort hinein injiziert, und die Mikrozerspanung kann beginnen. Das formbare Polierwerkzeug 20 wird dann zurück in den Hohlraum 38 hinunter zu einer vorbestimmten Tiefe eingesetzt. Bei einigen Ausführungsformen ist diese Tiefe durch Justieren der Höhe des Stützrahmens 14 relativ zur Arbeitsplatte 24 gesteuert, was dadurch geschehen kann, dass der Stützrahmen 14 und/oder die Arbeitsplatte 24 justiert werden. Diese Justierung kann die gewünschte Spaltbreite zwischen der Fläche des formbaren Polierwerkzeugs 20 und der Oberfläche des Werkstücks 22 liefern, wodurch die Schleifaufschlämmung S sich allgemein gleichmäßig in dem Spalt zwischen dem formbaren Polierwerkzeug 20 und dem Werkstück 22 verteilen kann.
Dann wird der Ultraschallwandler 12 mit einer gewünschten Frequenz (in der Regel zwischen 20 000 und 40 000 Hz) und einer gewünschten Schwingungsamplitude betätigt, um eine mechanische Bewegung des formbaren Polierwerkzeugs 20 bezüglich des Arbeitsstücks 22 zu bewirken, die im Allgemeinen normal zu der Oberfläche des Werkstücks 22 und entlang der Längsachse A ist, wodurch eine Mikrozerspanung des Werkstücks 22 bewirkt wird.
Bei einigen Ausführungsformen kann während der Mikrozerspanung frische Schleifaufschlämmung S dem Hohlraum 38 zugefügt werden, indem die Aufschlämmung S durch den Aufschlämmungseinlass 32 gepumpt wird. Die Aufschlämmung S kann dann in den Hohlraum zwischen der Schutzplatte 26 und der Oberfläche des formbaren Polierwerkzeugs 20 weiterlaufen, wo sie dann über die oberen Kanten des formbaren Polierwerkzeugs 20 laufen kann, um den Spalt zwischen dem formbaren Polierwerkzeug 20 und dem Werkstück 22 zu infiltrieren.
Bei einigen Ausführungsformen kann das formbare Polierwerkzeug 20, nachdem ein gewünschtes Ausmaß an Mikrozerspanung ausgeführt worden ist, aus dem Hohlraum 38 herausgenommen werden und die Schleifmittelgröße (oder Qualität) und/oder der Typ des Schleifmittels in der Aufschlämmung S wird verändert. In der Regel werden mit dem Fortschreiten des Mikrozerspanungsprozesses Schleifmittelpartikel feinerer Qualität für die früheren (größeren) Partikel von rauherer Qualität substituiert, was von einer entsprechenden Justierung der Spaltgröße begleitet werden kann. Rauhere Partikel in der Aufschlämmung S können unter Einsatz verschiedener Verfahren entfernt werden, einschließlich Strahlen von Luft, Wasser oder einer Öl-Wasser-Emulsion, die in den Hohlraum 30 gerichtet sind, oder Ultraschallwirbelbetttechniken zum Ausspülen der Partikel. Die Mikrozerspanung kann dann unter Verwendung der Aufschlämmung von feinerer Qualität fortgesetzt werden.
Bei einigen Ausführungsformen, wie unter Bezugnahme auf 7 erörtert, kann das formbare Polierwerkzeug 20 bei einer Unterbrechung bei der Mikrozerspanung unter Verwendung des Verfahrens 120 neu gestaltet oder zurückgebildet werden. Dies kann beispielsweise erfolgen, wenn bestimmt wird, dass das formbare Polierwerkzeug 20 hinreichend abgenutzt ist, dass es nicht langer ein ausreichend präzises Profil liefert, wie es erforderlich ist, um die gewünschte Mikrozerspanung des Werkstücks 22 zu bewirken.
Gemäß dem Verfahren 120 wird bei 122 das Werkstück unter Verwendung eines formbaren Polierwerkzeugs 20 poliert. Bei einem gewissen Stadium wie etwa während eines Wechsels der Aufschlämmung S, nachdem ein oder mehrere Werkstücke fertig gestellt worden sind, oder anderweitig an einem bestimmten Punkt während des Mikrozerspanungsprozesses wird bei 124 eine Bestimmung durchgeführt, ob das formbare Polierwerkzeug 20 ausreichend abgenutzt ist, so dass es zurückgebildet oder nachbearbeitet werden sollte. Wenn keine Nacharbeitung erforderlich ist, dann kehrt das Verfahren 120 zu 122 zurück und die Mikrozerspanung kann fortgesetzt werden.
Wenn jedoch eine Nachbearbeitung des formbaren Polierwerkzeugs 20 erforderlich ist, dann geht das Verfahren 120 weiter zu 126, wo ein Abschnitt des formbaren Polierwerkzeugs 20 in den formbaren Zustand zurückgeführt wird. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Abschnitt eines formbaren Polymer-Polierwerkzeugs 20 über die Glasübergangstemperatur des Polymers erhitzt wird.
Bei 128 kann ein Abschnitt des formbaren Polierwerkzeugs 20 dann unter Verwendung der Form nachgearbeitet werden, wenn sich das formbare Polierwerkzeug 20 in dem formbaren Zustand befindet. Bei einigen Ausführungsformen, wie etwa dann, wenn das formbare Polierwerkzeug 20 aus einem thermoformbaren Material (zum Beispiel einem thermoplasti schen Polymer) hergestellt ist, erfolgt dies durch Pressen des formbaren Polierwerkzeugs 20 gegen die Form, um das formbare Polierwerkzeug 20 zu der gewünschten Form nachzuformen. Wie bei dem oben beschriebenen Verfahren 100 kann die Form das Werkstück 22 selbst oder ein Duplikat davon sein. Weiterhin kann wie beim Verfahren 140 das formbare Polierwerkzeug 20 optional während des Formens bei 128 mit einer 3D-Bewegung versehen werden, um die Abmessungen für das gewünschte formbare Polierwerkzeug 20 zu erreichen.
Bei 130 wird das formbare Polierwerkzeug 20 dann in den festen Zustand zurückgeführt. Bei einigen Ausführungsformen, ob das formbare Polierwerkzeug 20 ein thermoplastisches Polymer umfasst, erfolgt dies allgemein durch Kühlen des formbaren Polierwerkzeugs 20 auf eine Temperatur unter der Glasübergangstemperatur des Polymers. Das formbare Polierwerkzeug 20 wird zu dem gewünschten Oberflächenprofil zurückgekehrt sein, und die Mikrozerspanung des Werkstücks kann bei 122 wieder aufgenommen werden.
Wenn das formbare Polierwerkzeug 20 auf diese Weise aufgearbeitet wird, kann das Profil des formbaren Polierwerkzeugs 20 so nahe wie möglich an dem gewünschten Profil des Werkstücks 22 gehalten werden, um ein vorhersagbares und gleichförmiges Oberflächenfinish zu erhalten. Weiterhin kann ein derartiges Aufarbeiten gestatten, dass das formbare Polierwerkzeug 20 für Änderungen in der Oberfläche des Werkstücks 22 während der Mikrozerspanung für den Fall justiert wird, dass sich das Werkstück 22 während der Mikrozerspanung verändert. Weiterhin können bei einigen Ausführungsformen Partikulate in der Schleifaufschlämmung S möglicherweise an der Oberfläche des formbaren Polierwerkzeugs 20 haften, und es könnte schwierig sein, sie zu entfernen, wenn die Schleifkorngröße zu einer feineren Qualität verändert wird. Das Aufarbeiten des formbaren Polierwerkzeugs 20 kann ein leichteres Entfernen der Partikulate gestatten oder kann alternativ gestatten, dass durch Aufarbei ten des formbaren Polierwerkzeugs 20 etwaige solche Partikulate mit der Matrix des formbaren Polierwerkzeugs 20 verschmelzen.
Bei einigen Ausführungsformen sollte, nachdem die unerwünschte Welligkeit der Oberfläche des Werkstücks 22 beseitigt worden ist, diese Welligkeit nicht auf dem formbaren Polierwerkzeug 20 erscheinen, da nur die gewünschten Oberflächenmerkmale zum Formen der Oberfläche des formbaren Polierwerkzeugs 20 verwendet werden sollten, damit es zu einer gleichmäßigen Mikrozerspanung kommt.
Das Mikrozerspanen unter Verwendung eines formbaren Polierwerkzeugs 20 auf diese Weise kann fortgesetzt werden, bis das gewünschte Oberflächenfinish erhalten wird. Bei einigen Ausführungsformen ist es durch Polieren oder Mikrozerspanen auf diese Weise möglich, ein Oberflächenfinish im Bereich von 0,05 bis 0,01 µm Ra zu erhalten, welches ein Spiegelglanzfinish ist.
Beispielsweise kann, wie in 8A und 8B gezeigt, die Verwendung der Ultraschallmikrozerspanungsvorrichtung 10 für ein viel glatteres Oberflächenfinish sorgen, als wenn andere Verfahren verwendet werden. Das Profil 96 in 8A zeigt ein beispielhaftes Profil, das durch einen Ultraschallmikrozerspanungsprozesse bereitgestellt wird, mit relativ glatten Spitzen und Tälern, gekennzeichnet durch ein niedriges Ry (maximaler Wert Spitze zu Tal) und Ra (arithmetischer Mittelwert). Im Profil 96 wurden einige unerwünschte Oberflächenmerkmale entfernt, während gewünschte Oberflächenmerkmale beibehalten wurden. Im Gegensatz dazu zeigt das Profil 98 in 8B eine Oberfläche, die ohne den Einsatz von Ultraschallmikrozerspanung zerspant wurde und viel größere Ry- und Ra-Werte aufweist.
Da der Typ der Schleifmittelqualität, die Härte des formbaren Polierwerkzeugs 20 und die piezoelektrische Wirkung wie gewünscht justiert wer den können, ist dieser Prozess nicht darauf beschränkt, lediglich ein Polierprozess zu sein, und eine Zerspanung mit signifikanten Materialabtragsraten kann mit der richtigen Kombination aus Schleifmittelqualität, Material des formbaren Polierwerkzeugs 20, Schwingungsfrequenz und -amplitude und Spaltbreite zwischen formbarem Polierwerkzeug 20 und Werkstück erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform können standardmäßige Schleifmittellösungen (wie etwa ölbasierte oder wasserbasierte Lösungen, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Diamant und andere) mit einem formbaren Polierwerkzeug 20 und Werkstück 22 verwendet werden, wobei der Spalt zwischen dem formbaren Polierwerkzeug 20 und dem Werkstück 22 im Bereich vom ein- bis zehnfachen der Schleifmittelkorngröße liegt. Bei einigen Ausführungsformen könnte die Viskosität der Schleifmittellösung heraufgesetzt werden, um die Materialabtragsrate zu fördern, indem eine langkettige Polymerlösung wie etwa Poliox zugesetzt wird.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Materialabtrag von dem Werkstück 22 weiter dadurch gefördert werden, dass das formbare Polierwerkzeug 20 während des Polierens direkt in Kontakt mit dem Werkstück 22 gebracht wird. Die hämmernde oder reibende Wirkung des formbaren Polierwerkzeugs 20, das direkt gegen das Werkstück 22 wirkt, könnte stärkeren Materialabtrag fördern, was beispielsweise dafür vorteilhaft sein könnte, weiße EDM-Schichten und eine durch Wärme beeinflusste Zone abzutragen.
Durch Variieren der Größe der Partikel in der Schleifaufschlämmung und Verwenden einer fein gesteuerten Spaltabmessung können recht scharfe Ecken und Kanten in dem Werkstück 22 insbesondere im Vergleich zu anderen automatisierten Prozessen erlangt werden, wo größerer Spalte verwendet werden. Dies gestattet das Formen von recht komplexen Ge stalten in dem Werkstück 22 mit den gewünschten Oberflächencharakteristiken.
Wie oben kurz erörtert und wie am besten in 9 gezeigt, kann das Werkstück 22 bei einigen Ausführungsformen eine allgemein konkave Öffnung 88 umfassen, die durch die Wirkung des formbaren Polierwerkzeugs 20 poliert wird. Bei einigen Ausführungsformen ist dieses Werkstück 22 das fertig gestellte Produkt. Bei anderen Ausführungsformen jedoch stellt das fertig gestellte Werkstück 22 ein Formwerkzeug oder ein anderes Werkzeug dar, das dann zum Ausformen oder anderweitigen Formen einer gewünschten Komponente verwendet werden kann. Beispielsweise kann, wie in 9 gezeigt, das Werkstück 22 aus einem Metall hergestellt sein und in einem Ausformprozess zum Herstellen einer entsprechenden Komponente 94 verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Komponente 94 aus einem beliebigen geeigneten Material wie etwa einem Thermokunststoff oder einem Duroplast hergestellt sein, der ausgeformt werden kann. Somit besitzt die Komponente 94 einen glatten unteren Abschnitt 90a und einen glatten oberen Abschnitt 92a, entsprechend einer flachen Werkstückoberfläche 90b bzw. einer Tiefenwerkstückoberfläche 92b. Bei einigen alternativen Ausführungsformen kann das Werkstück 22 aus einem Keramikmaterial hergestellt sein und in einem Gießprozess verwendet werden, um die Komponente 94 aus einem Metall herzustellen.
Es, versteht sich, dass beim Formen der Komponente 94 mehrere Werkstücke 22 bereitgestellt werden könnten, so dass jeweils mehrere Komponenten 94 geformt werden könnten. Weiterhin könnte eine Kombination aus mehreren unterschiedlich geformten Werkstücken 22 bei einer mehrstufigen Ausformung von Komponenten 94 verwendet werden, wenn dies gewünscht ist.
Bei einigen Ausführungsformen können je nach der Größe des Werkstücks 22, das mikrozerspant werden soll, mehrere verschiedene formbare Polierwerkzeuge 20 zum Mikrozerspanen der verschiedenen Bereiche des Werkstücks 22 verwendet werden. Wenn beispielsweise das Werkstück 22 besonders groß ist, könnte eine Anzahl unterschiedlicher formbarer Polierwerkzeuge 20 bereitgestellt werden, die jeweils ein anderes Oberflächenprofil zur Mikrozerspanung eines anderen Abschnitts des Werkstücks 22 in aufeinanderfolgenden überlappenden oder nicht überlappenden Sequenzen aufweisen. Dies gestattet, die Größe des formbaren Polierwerkzeugs 20 auf einer handhabbaren Größe zu halten und die Beschränkungen einer bestimmten Bearbeitungsvorrichtung 10 zu berücksichtigen, während immer noch große Werkstücke 22 mikrozerspant werden.
Wenngleich die Hauptbewegung bei der Mikrozerspanung allgemein in einer Richtung parallel zur Längsachse A der Bearbeitungsvorrichtung 10 verläuft, können gemäß einiger Ausführungsformen eine oder mehrere Hilfsbewegungen ebenfalls während der Mikrozerspanung des Werkstücks 22 angewendet werden, um gewünschte Oberflächencharakteristiken zu erhalten. Beispielsweise können auch Quer- oder Kreisbewegungen angewendet werden, was bewirkt, dass sich das formbare Polierwerkzeug 20 zusätzlich zu oder als Alternative zu einer Bewegung entlang der Längsachse A entlang einem 3D-Weg bewegt (orbital oder anderweitig).
Bei einigen Ausführungsformen kann eine derartige seitliche Bewegung dadurch erhalten werden, dass die Geometrie des Horns 16 justiert wird und bewirkt wird, dass sie als ein Verstärker für Schallschwingungen wirkt, wie am besten unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Wie in 3 gezeigt, weist der obere Abschnitt 40 des Horns 16 bei einer Ausführungsform im Allgemeinen eine Zylinderform auf, und das Horn 16 besitzt einen verjüngten Abschnitt 42, der sich von dem oberen Abschnitt 40 zu dem Arbeitsende 44 verengt. Bei einigen Ausführungsfor men kann der verjüngte Abschnitt 42 eine asymmetrische Topologie aufweisen, um eine variierende seitliche Bewegung des formbaren Polierwerkzeugs 20 zu erzeugen. Insbesondere kann der verjüngte Abschnitt 42 bei einer Ausführungsform eine oder mehrere Vertiefungen oder Dellen aufweisen, wie etwa eine erste Delle 46, die sich in einem ersten Abstand D1 von dem Arbeitsende 44 befindet, und eine zweite Delle 48, die sich in einem zweiten Abstand D2 von dem Arbeitsende 44 befindet. Die erste und zweite Delle 46, 48 können sich auch an unterschiedlichen Winkelpositionen um den verjüngten Abschnitt 42 herum befinden. Beispielsweise können die erste Delle 46 und die zweite Delle 48 mit etwa 90 Grad winkelmäßig versetzt sein, wie in 3 gezeigt.
Während des Betriebs des Ultraschallwandlers 12 erzeugen die erste und zweite Delle 46, 48 unterschiedliche seitliche Bewegungen in dem Arbeitsende 44 des Horns 16, was bewirkt, dass das formbare Polierwerkzeug 20 entlang einem komplexen 3D-Weg schwingt.
Gemäß einiger Ausführungsformen wird das Verändern der Position der Dellen 46, 48 entlang dem verjüngten Abschnitt 42 des Horns 16 die seitliche Resonanzfrequenz des Arbeitsendes 44 modifizieren, auf dem das formbare Polierwerkzeug 20 befestigt ist. Im Allgemeinen tendiert ein größerer Abstand zwischen den Dellen 46, 48 und dem Arbeitsende 44 des Horns 16 dazu, zu einer niedrigeren seitlichen Resonanzfrequenz und einer höheren Trägheit des Arbeitsendes 44 zu führen. Eine derartige niedrigere seitliche Resonanzfrequenz wird im Allgemeinen von einer niedrigeren seitlichen Verschiebung des Arbeitsendes 44 begleitet.
Bei einigen Ausführungsformen könnte die seitliche Verschiebung des formbaren Polierwerkzeugs 20 weiter dadurch gefördert werden, dass der Ultraschallwandler 12 auf einem Gelenk (wie etwa einem Kugelgelenk) montiert ist, das es dem Wandler 12 gestatten würde, vertikal geneigt zu werden, wie etwa zwischen 0 und 90 Grad in einer vertikalen Ebene, und um 0 bis 360 Grad in einer horizontalen Ebene um die Langsachse A gedreht zu werden. Eine derartige Konfiguration würde eine Möglichkeit liefern, durch den Spalt zwischen dem Werkstück 22 und dem formbaren Polierwerkzeug 20 unabhängig von der Spaltgeometrie eine gleichförmige seitliche Bewegung zu induzieren.
Die Hilfsbewegung des formbaren Polierwerkzeugs 20 kann auch eine kleinere komplexe 3D-Orbitalbewegung innerhalb der Grenzen der Spaltbreite beinhalten, um den Fluss des Schleifmittelfluids innerhalb des Spalts zu fördern. Eine komplexe Orbitalbewegung des formbaren Polierwerkzeugs 20 kann unter Einsatz verschiedener Techniken bewirkt werden, beispielsweise unter Einsatz von standardmäßigen Elektromotoraktuatoren wie etwa denen, die auf einer herkömmlichen CNC-Werkzeugmaschine zur Verfügung stehen, oder durch niederfrequente (0–2000 Hz) piezoelektrische Aktuatoren, wie unten bezüglich der 10A bis 11C und 13A bis 14C ausführlich erörtert.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Verwendung von einem oder mehreren piezoelektrischen Ultraschallaktuatoren, die mit ihren Eigenfrequenzen (in der Regel zwischen 20 000 und 40 000 Hz) schwingen, die bei dem formbaren Polierwerkzeug 20 selbst angeordnet sind, eine Hilfsbewegung des formbaren Polierwerkzeugs 20 hervorrufen. Diese Hilfsbewegung kann allgemein entweder entlang einer einzelnen Achse (wie etwa entlang einer Bahn parallel zu der einen oder der in 4A gezeigten X-, Y- oder Z-Achse) oder entlang einer komplexeren Bahn mit Komponenten entlang von zwei oder mehr Achsen erfolgen. Bei anderen Ausführungsformen können stetige seitliche Bewegungen (entlang einer durch zwei der in 4A gezeigten X-, Y- und Z-Achse definierten Ebene) des formbaren Polierwerkzeugs 20 erreicht werden, um die gewünschte Mikrozerspanung des Werkstücks 22 durchzuführen.
Nunmehr unter Bezugnahme auf die 10A bis 14C kann der Fluss der Schleifaufschlämmung S innerhalb des Hohlraums 38 gemäß einigen Ausführungsformen durch eine Bewegung des formbaren Polierwerkzeugs 20 in verschiedenen 3D-Richtungen gesteuert werden, verursacht durch eine Anordnung aus einem oder mehreren piezoelektrischen Aktuatoren, die auf der Halterung 18 montiert sind, die wie ein 3-Phasen-Ultraschallmotor wirken, der in das ausgeformte formbare Polierwerkzeug 20 eingebettet ist. Auf diese Weise kann während der vertikalen Bewegung des formbaren Polierwerkzeugs 20 eine Hilfsbewegung erzeugt werden.
Bei einer Ausführungsform kann, wie in 10A bis 11C gezeigt, die Halterung 18 mit einem zweiten Koppler 52 versehen werden, der von allgemein dreieckiger Gestalt ist. Mehrere piezoelektrische Wandler können dann montiert werden, jeweils einer auf jeder Fläche des dreieckigen Kopplers 52, und konfiguriert werden, wie ein 3-Phasen-Ultraschallmotor zu arbeiten. Beispielsweise können, wie in 11A bis 11C gezeigt, vier piezoelektrische Aktuatoren 51, 54, 56, 58 einen Schleifmittelfluidfluss innerhalb des Hohlraums 38 (der bei einigen Ausführungsformen parallel zu der Oberfläche des Werkstücks 22 und/oder des formbaren Polierwerkzeugs 20 verläuft) in der XY-, YZ- und XZ-Ebene und Kombinationen davon erzeugen, indem die Zeit synchronisiert wird, bei der jeder piezoelektrische Wandler 51, 54, 56, 58 in Relation mit den anderen piezoelektrischen Wandlern 51, 54, 56, 58 betätigt wird. Durch Steuern der Aktivierungssequenz können die piezoelektrischen Wandler 51, 54, 56, 58 dazu verwendet werden, über der Oberfläche des ganzen formbaren Polierwerkzeugs 20 eine sich drehende Welle zu erzeugen. Durch Justieren der Synchronisation der Aktuatoren 51, 54, 56, 58 können in einer beliebigen gewünschten Ebene unterschiedliche Wellen erzeugt werden, wodurch die Schleifaufschlämmung S gezwungen wird, auf einer derartigen Welle zu „surfen” und infolge dessen innerhalb des Spalts zwischen dem Werkstück 22 und dem formbaren Polierwerkzeug 20 gemäß einem gewünschten Flussmuster zu fließen.
Beispielsweise können ein erster piezoelektrischer Wandler 54, ein zweiter piezoelektrischer Wandler 56 und ein dritter piezoelektrischer Wandler 58 an einer ersten Seite 53 und einer zweiten Seite 55 bzw. einer dritten Seite 57 des Kopplers 52 befestigt sein, wobei der vierte Wandler 51 am Boden 59 des Kopplers 52 befestigt ist. Gemäß einer zyklischen Sequenz werden der erste 54 und zweite 56 Wandler betätigt, während der dritte Wandler 58 in Ruhe ist, gefolgt von dem Ansteuern des zweiten 56 und dritten 58 Wandlers, während der erste Wandler 54 in Ruhe ist, und dann Ansteuern des ersten 54 und dritten 58 Wandlers, während der zweite Wandler 56 in Ruhe ist. Somit wird diese zyklische Sequenz im Allgemeinen wirken, dass sich die Aufschlämmung S in einer durch die piezoelektrischen Wandler 54, 56 und 58 vorgegebenen Ebene dreht. Der vierte Wandler 51 kann auch aktiviert werden, der Welle W der Aufschlämmung S eine vertikale Flussorientierung zu verleihen.
Wie in 10A und 10B gezeigt, sind die piezoelektrischen Wandler 51, 54, 56 und 58 im Allgemeinen innerhalb des Körpers von einem oder mehreren der Halterung 18 und des formbare Polierwerkzeugs 20 umgeben, so dass sie normalerweise nicht exponiert sind, nachdem das formbare Polierwerkzeug 20 geformt worden ist. Dies schützt die piezoelektrischen Wandler 51, 54, 56 und 58 davor, der Schleifaufschlämmung S exponiert zu werden, und verhindert, dass sie beschädigt werden, wenn die Bearbeitungsvorrichtung 10 sich im Einsatz befindet. Die auf diese Weise verwendeten piezoelektrischen Wandler 51, 54, 56 und 58 sind in der Regel niederfrequente (0 bis 2000 Hz) piezoelektrische Aktuatoren. Es versteht sich jedoch, dass unterschiedliche Konfigurationen von piezoelektrischen Wandlern einschließlich Wandlern, die bei sehr verschiedenen Frequenzen arbeiten, verwendet werden können, um innerhalb des Hohl raums 38 verschiedene Bewegungsarten der Aufschlämmung S zu bewirken.
Beispielsweise kann sich, wie in 12A bis 12C gezeigt, das formbare Polierwerkzeug 20 während eines Zyklus von einer Position über der Aufschlämmung S hinunter in sie hinein bewegen, wie in 12A gezeigt. In diesem Stadium sitzt die Aufschlämmung S relativ ungestört auf dem Werkstück 22.
Während sich das formbare Polierwerkzeug 20 weiter herab bewegt, wie in 12B gezeigt, bewirkt die Wirkung von einem oder mehreren der piezoelektrischen Wandler (wie etwa der piezoelektrischen Wandler 51, 54, 56 und 58), dass sich das formbare Polierwerkzeug 20 von der Längsachse A weg zu einer Seite verschiebt, während das formbare Polierwerkzeug 20 die Aufschlämmung S in Eingriff nimmt. Diese seitliche Bewegung des formbaren Polierwerkzeugs 20 bewirkt die Entstehung einer Welle W, die sich vor dem formbaren Polierwerkzeug 20 ausbreitet.
Wenn schließlich das formbare Polierwerkzeug 20 seine Richtung umkehrt und sich von der Oberfläche des Werkstücks 22 weg zu bewegen beginnt (wie in 12C gezeigt) breitet sich diese Welle W dann weiter von der Langsachse A weg auf und nimmt im Allgemeinen verbrauchte Schleifpartikel und Materialien weg, die von dem Werkstück 22 und dem formbaren Polierwerkzeug 20 abgenutzt worden sind.
Gemäß einiger Ausführungsformen könnten verschiedene andere Konfigurationen von piezoelektrischen Aktuatoren verwendet werden, um in der Oberfläche der Aufschlämmung S verschiedene Wellenformen zu erzeugen. Beispielsweise können, wie in 13A bis 14C gezeigt, insgesamt sieben piezoelektrische Wandler 64, 66, 68, 70, 72, 74 und 76 auf sechs äußeren Oberflächen 63, 65, 66, 67, 69, 71 und 73 und der unteren Oberfläche 75 eines Kopplers 62 platziert werden. Die piezoelektrischen Wandler 64, 66, 68, 70, 72 und 74 können paarweise angeordnet werden, um drei Phasen entlang der XY-Ebene und andere Phasen in einer Kombination der XZ- und YZ-Ebene zu bilden, wodurch eine Kombination von vertikalen 0°-, 60°- und 120°-Ebenen gebildet wird. Beispielsweise könnte ein erstes Paar aus piezoelektrischen Aktuatoren 64 und 70 bestehen, ein zweites Paar könnte aus piezoelektrischen Aktuatoren 66 und 72 bestehen und ein drittes Paar könnte aus piezoelektrischen Aktuatoren 68 und 74 bestehen.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Verwendung von sieben piezoelektrischen Aktuatoren 64, 66, 68, 70, 72, 74 und 76 eine symmetrischere Bewegung liefern, was dazu führt, die Stabilität und Effizienz des „Pumpens” oder der Wellenwirkung, die erzeugt wird, zu verbessern. Beispielsweise kann jedes Paar von piezoelektrischen Aktuatoren in direkter Opposition zu seinem gepaarten Partner wirken, wobei gleich große, aber entgegengesetzte Kräfte verwendet werden, um eine signifikante, aber gesteuerte Bewegung des formbaren Polierwerkzeugs 20 und der Aufschlämmung S zu bewirken, ohne dass der Einsatz von schweren Gegengewichten erforderlich ist, um zu verhindern, dass sich übermäßige oder potentiell schädigende Kräfte aufbauen.
Bei einigen Ausführungsformen könnte die Verwendung von gepaarten piezoelektrischen Aktuatoren zu der Erzeugung von kleinen seitlichen Verlängerungen und Kontraktionen des formbaren Polierwerkzeugs 20 entlang einer Achse führen, die durch jedes Paar von piezoelektrischen Aktuatoren nahe der Mittellinie verläuft. Diese seitliche Bewegung würde den Spalt zwischen dem formbaren Polierwerkzeug 20 und dem Werkstück in dem Spaltbereich lokal reduzieren, der durch die durch jedes Paar von piezoelektrischen Aktuatoren verlaufende Achse vorgeschrieben ist. Durch Synchronisieren der Wirkung jedes Paars von piezoelektrischen Aktuatoren kann in der Ebene jedes der drei piezoelektrischen Aktuatorenpaare eine Pumpwirkung erzeugt werden, was eine Bewegung der Aufschlämmung S bewirkt.
Beispielsweise könnten bei einigen Ausführungsformen die piezoelektrischen Aktuatoren in einer Sequenz gemäß dem Verfahren 200 betätigt werden.
Bei 202 expandiert ein erstes Paar von piezoelektrischen Aktuatoren (wie etwa die piezoelektrischen Aktuatoren 64 und 70), ein zweites Paar von piezoelektrischen Aktuatoren (wie etwa die piezoelektrischen Aktuatoren 66 und 72) könnten inert bleiben und keine Wirkung haben, und ein drittes Paar von piezoelektrischen Aktuatoren (wie etwa die piezoelektrischen Aktuatoren 68 und 74) könnten kontrahieren.
Bei 204 besitzt das erste Paar von piezoelektrischen Aktuatoren keine Wirkung, das zweite Paar von piezoelektrischen Aktuatoren expandiert und das dritte Paar von piezoelektrischen Aktuatoren kontrahiert.
Bei 206 kontrahiert das erste Paar von piezoelektrischen Aktuatoren, das zweite Paar von piezoelektrischen Aktuatoren expandiert und das dritte Paar von piezoelektrischen Aktuatoren hat keine Wirkung.
Bei 208 kontrahiert das erste Paar von piezoelektrischen Aktuatoren, das zweite Paar von piezoelektrischen Aktuatoren hat keine Wirkung und das dritte Paar von piezoelektrischen Aktuatoren expandiert.
Bei 210 besitzt das erste Paar von piezoelektrischen Aktuatoren keine Wirkung, das zweite Paar von piezoelektrischen Aktuatoren kontrahiert und das dritte Paar von piezoelektrischen Aktuatoren expandiert.
Bei 212 expandiert das erste Paar von piezoelektrischen Aktuatoren, das zweite Paar von piezoelektrischen Aktuatoren kontrahiert und das dritte Paar von piezoelektrischen Aktuatoren hat keine Wirkung.
Bei 214 erfolgt eine Bestimmung dahingehend, ob das Verfahren 200 wiederholt werden soll. Wenn das Verfahren 200 wiederholt werden soll, dann kehrt das Verfahren 200 zu 202 zurück. Wenn alternativ das Verfahren 200 nicht wiederholt werden soll, geht das Verfahren 200 zu 216 weiter und endet.
Auf diese Weise kann in der Aufschlämmung S eine Welle W erzeugt und durch das Ausdehnen und Zusammenziehen jedes Paars von Aktuatoren mit einem hohen Grad an Präzision kontrolliert werden.
Bei einigen Ausführungsformen ist der vierte piezoelektrische Aktuator 76 nicht mit einem anderen piezoelektrischen Aktuator in einem Paar geschaltet, da die Hornträgheit 16, die Halterung 18 und das formbare Polierwerkzeug 20 der Bewegung des vierten piezoelektrischen Aktuators 76 entlang der Langsachse A natürlich entgegenwirken. Unter Verwendung des vierten piezoelektrischen Aktuators 76 in Verbindung mit zwei anderen Paaren von piezoelektrischen Aktuatoren könnte dazu verwendet werden, das vertikale Pumpen der Aufschlämmung S wie erwünscht zu fördern.
Bei einigen Ausführungsformen könnten die sieben piezoelektrischen Aktuatoren auf der Halterung 18 des formbaren Polierwerkzeugs, dem Horn 16 oder der Struktur 14 angeordnet sein, anstatt in das formbare Polierwerkzeug 20 integriert zu sein.
Gemäß einiger Ausführungsformen kann die Mikrozerspanung des Werkstücks 22 dadurch bewerkstelligt werden, dass das formbare Polierwerkzeug 20 ohne den Einsatz einer Aufschlämmung S in direktem Kontakt mit dem Werkstück 22 platziert wird. Ein ähnliches Mikrozerspanungsverfahren wird wie oben beschrieben mit der Ausnahme angewendet, dass das formbare Polierwerkzeug 20 die Oberfläche des Werkstücks 22 durch direkten Kontakt zwischen der Fläche des formbaren Polierwerkzeugs 20 und der Oberfläche des Werkstücks 22 mikrozerspant. Bei solchen Ausführungsformen würde, anstatt ein hartes formbares Polierwerkzeug 20 zu verwenden, ein weicheres nachgiebiges Material für die Mikrozerspanung mit direktem Kontakt verwendet werden. Beispielsweise kann ein weiches elastomeres Siliziumpolymer entweder wie geliefert oder mit Schleifpulver gefüllt verwendet werden. Anstatt zwischen dem formbaren Polierwerkzeug 20 und dem Werkstück 22 während des Polierens einen Spalt beizubehalten, wird dann das formbare Polierwerkzeug 20 derart gegen die Oberfläche des Werkstücks 22 gedrückt, dass der Druck auf die Oberfläche des Werkstücks 22 fein kontrolliert werden kann, indem das Ausmaß der in dem elastomeren formbaren Polierwerkzeug 20 zugelassenen Verformung kontrolliert wird. Die Grundschwingungsbewegung kann durch eine komplexe 3D-Hilfsorbitalbewegung komplementiert werden, die auf die Halterung 18 ausgeübt wird, um die komplexe Oberflächengeometrie auf dem Werkstück 22 gleichförmiger mikrozuzerspanen.
Gemäß einer Variation des obigen Polierprozesses kann eine elastomere Verbindung in dem formbaren Polierwerkzeug 20 mit einem Schleifpartikel gewünschter Qualität gesättigt werden. Dann kann die Mikrozerspanung ohne das Zusetzen einer Schleiflösung in dem Spalt erfolgen, aber mit nur einem Schmiermittel wie etwa Wasser, Öl, Emulsion oder überhaupt ohne Schmiermittel, falls erwünscht.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 16 wird ein Verfahren 300 zum Kombinieren eines Ultraschallmikrozerspanungsprozesses mit einem Funkenerodierungsprozess (EDM – Electric Discharge Machining) gemäß einer Ausführungsform beschrieben. In bestimmten Fällen kann der Ult raschallmikrozerspanungsprozess, wenn er mit einem formbaren Polierwerkzeug 20 verwendet wird, das elektrisch leitend ist (zum Beispiel wenn das formbare Polierwerkzeug aus einem elektrisch leitenden Composite-Material wie etwa einem Polymer-Composite mit Graphitpulver oder Kupferpulver als Füllmittel geformt ist), mit einem Funkenerodierungsprozess innerhalb der gleichen Bearbeitungsvorrichtung 10 kombiniert werden, um Material von einem Werkstück 22 entweder in einer alternierenden oder simultanen Sequenz abzutragen.
Allgemein könnte die in dem oben detaillierten Ultraschallmikrozerspanungsprozess verwendete Schleifaufschlämmung S ohne weiteres als dielektrisches Medium verwendet werden, da ihre Hauptkomponente in der Regel Wasser oder Öl ist, was die elektrischen Grundfluide sind, die bei der Funkenerodierung verwendet werden. Zudem erfordern einige Funkenerodierungsanwendungen den Zusatz von feinen Partikeln in dem dielektrischen Fluid, wie etwa Silizium, um die Funkenentladung besser auszubreiten und folglich das Oberflächenfinish auf dem Werkstück 22 zu verbessern, ähnlich den feinen Schleifpartikeln in der Schleifaufschlämmung. Beispielsweise könnte bei der Ultraschallmikrozerspanung die Aufschlämmung aus 10 Gew.-% bis 50 Gew.-% SiC-Pulver in Qualitäten von 5 bis 200 µm mit einem jeweiligen Gewichtsprozentsatz an Wasser oder Öl hergestellt werden. Außerdem könnte das formbare Polierwerkzeug 20 aus 70 Gew.-% Graphitpulver mit einer UHMWPE-Polymermatrix bestehen, die sowohl für Ultraschall- als auch Funkenerodierungsprozesse funktional wäre.
Beispielsweise könnte das Verfahren 300 des Durchführens einer Mikrozerspanung und Funkenerodierung in Kombination bei 302 die Mikrozerspanung eines Werkstücks unter Verwendung eines formbaren Polierens zum Entfernen von Werkzeugmarkierungen auf dem Werkstück beinhalten. Dies könnte das Durchführen einer Ultraschallmikrozerspanung un ter Verwendung einer ölbasierten Aufschlämmung mit 150- µm-Schleifpartikeln beinhalten.
Bei 304 kann ein Funkenerodierungsprozess unter Verwendung des gleichen formbaren Polierwerkzeugs und der gleichen dielektrischen Aufschlämmung durchgeführt werden, um eine etwaige Welligkeit zu entfernen, die möglicherweise in der Oberfläche des Werkstücks aufgetreten ist.
Bei 306 kann der Spalt zwischen dem Werkstück und dem formbaren Polierwerkzeug gereinigt werden, um etwaige Partikulate zu entfernen, die möglicherweise während des Mikrozerspanungs- und Funkenerodierungsprozesses entstanden sein können, und die ölbasierte Aufschlämmung wird entfernt.
Bei 308 kann ein Funkenerodierungsprozess simultan mit einem Ultraschallmikrozerspanungsprozess ausgeführt werden, um einen Teil der durch die Hitze beeinflussten Zone auf dem Werkstück unter Verwendung einer wasserbasierten Aufschlämmung mit 40 Gew.-% 60-λm-SiC-Schleifpartikeln abzutragen.
Bei 310 wird der Spalt zwischen dem Werkstück und dem formbaren Polierwerkzeug wieder gereinigt, um etwaige Partikulate, die sich ausgebildet haben können, zu entfernen.
Bei 312 kann ein Ultraschallmikrozerspanungsprozess unter Verwendung von graduell feineren Schleifpartikeln durchgeführt werden, um auf dem Werkstück das gewünschte Oberflächenfinish zu erhalten. Dies könnte beispielsweise die Mikrozerspanung unter Verwendung von Aufschlämmung mit graduell feineren SiC- und Diamantpartikeln wie etwa 25 Gew.-% 12- µm- und 15 Gew.-% 5-µm-Schleifpartikel beinhalten.
Wenngleich die obige Beschreibung eine Reihe von Ausführungsbeispielen enthält, ergeben sich dem Durchschnittsfachmann viele Modifikationen, Substitutionen, Änderungen und Äquivalente. Es versteht sich deshalb, dass die beigefügten Ansprüche alle solchen Modifikationen und Änderungen abdecken sollen.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Mikrozerspanung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem komplexen Oberflächenprofil beinhaltend gewünschte Profilmerkmale und feinere unerwünschte Profilmerkmale, die entfernt werden sollen, beinhaltend das Gestalten eines formbaren Polierwerkzeugs entweder unter Verwendung des Werkstücks selbst oder eines Duplikats des Werkstücks, um mindestens die gewünschten Profilmerkmale zu haben, und unter Verwendung des formbaren Polierwerkzeugs zum Mikrozerspanen der Oberfläche zum Abtragen der feineren unerwünschten Profilmerkmale, während die gewünschten Profilmerkmale beibehalten werden. Das formbare Polierwerkzeug kann so gestaltet werden, dass es mindestens die gewünschten Profilmerkmale aufweist, indem das formbare Polierwerkzeug entweder gegen das Werkstück selbst oder das Duplikat des Werkstücks gepresst wird, wenn sich das formbare Polierwerkzeug in einem formbaren Zustand befindet, und das formbare Polierwerkzeug kann für die Mikrozerspanung verwendet werden, wenn sich das formbare Polierwerkzeug in einem festen Zustand befindet.

Claims

Verfahren für die Mikrozerspanung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem komplexen Oberflächenprofil, das gewünschte Profilmerkmale und feinere unerwünschte Profilmerkmale, die abgetragen werden sollen, enthält, umfassend: Gestalten eines formbaren Polierwerkzeugs entweder unter Verwendung des Werkstücks selbst oder eines Duplikats des Werkstücks, so dass es mindestens die gewünschten Profilmerkmale aufweist; und Verwenden des formbaren Polierwerkzeugs zum Mikrozerspanen der Oberfläche zum Abtragen der feineren unerwünschten Profilmerkmale, während die gewünschten Profilmerkmale beibehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das formbare Polierwerkzeug so gestaltet ist, dass es mindestens die gewünschten Profilmerkmale aufweist, durch Pressen des formbaren Polierwerkzeugs entweder gegen das Werkstück selbst oder das Duplikat des Werkstücks, wenn sich das formbare Polierwerkzeug in einem formbaren Zustand befindet, und das formbare Polierwerkzeug zur Mikrozerspanung verwendet wird, wenn sich das formbare Polierwerkzeug in einem festen Zustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei: das formbare Polierwerkzeug ein thermoformbares Material umfasst, das sich bei einer ersten Temperatur in dem formbaren Zustand befindet und bei einer zweiten Temperatur in dem festen Zustand befindet, wobei die zweite Temperatur niedriger ist als die erste Temperatur; und das formbare Polierwerkzeug gestaltet worden ist durch Pressen des formbaren Polierwerkzeugs entweder gegen das Werkstück selbst oder das Duplikat des Werkstücks, während es sich bei der ersten Temperatur befindet, und dann Kühlen des formbaren Polierwerkzeugs auf die zweite Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 3, weiterhin umfassend: Oszillieren des formbaren Polierwerkzeugs entweder gegen das Werkstück selbst oder das Duplikat des Werkstücks während des Kühlens des formbaren Polierwerkzeugs auf die zweite Temperatur, um das Profil des formbaren Polierwerkzeugs zu modifizieren.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, weiterhin umfassend: Bestimmen, dass das formbare Polierwerkzeug sich in einem abgenutzten Zustand befindet; und Zurückbilden des formbaren Polierwerkzeugs durch Erhitzen des formbaren Polierwerkzeugs auf die erste Temperatur, Pressen des formbaren Polierwerkzeugs entweder gegen das Werkstück selbst oder das Duplikat des Werkstücks, während es sich auf der ersten Temperatur befindet, und dann Kühlen des formbaren Polierwerkzeugs auf die zweite Temperatur.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin umfassend: das Bereitstellen einer Schleifaufschlämmung zwischen dem formbaren Polierwerkzeug und dem Werkstück, wobei die Verwendung des formbaren Polierwerkzeugs bewirkt, dass die Aufschlämmung das komplexe Oberflächenprofil des Werkstücks mikrozerspant.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine Hilfsbewegung auf das formbare Polierwerkzeug angewendet wird während der Mikrozerspanung der Oberfläche zum Entfernen der feineren unerwünschten Profilmerkmale, während die gewünschten Profilmerkmale beibehalten werden, wobei die Hilfsbewegung angewendet wird, um eine Bewegung der Schleifaufschlämmung zu bewirken.
Verfahren zum Herstellen einer Komponente aus einem Werkstück mit einem komplexen Oberflächenprofil mit gewünschten Profilmerkmalen und feineren unerwünschten Profilmerkmalen, die mikrozerspant werden sollen, umfassend: Gestalten eines formbaren Polierwerkzeugs entweder unter Verwendung des Werkstücks selbst oder eines Duplikats des Werkstücks, so dass es mindestens die gewünschten Profilmerkmale aufweist; Verwenden des formbaren Polierwerkzeugs zum Mikrozerspanen der feineren unerwünschten Profilmerkmale, während die gewünschten Profilmerkmale beibehalten werden; und Formen der Komponente unter Verwendung des Werkstücks.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei: das formbare Polierwerkzeug so gestaltet ist, dass es mindestens die gewünschten Profilmerkmale aufweist, durch Pressen des formbaren Polierwerkzeugs entweder gegen das Werkstück selbst oder das Duplikat des Werkstücks, wenn sich das formbare Polierwerkzeug in einem formbaren Zustand befindet, und das formbare Polierwerkzeug zur Mikrozerspanung verwendet wird, wenn sich das formbare Polierwerkzeug in einem festen Zustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei: das formbare Polierwerkzeug ein thermoformbares Material umfasst, das sich bei einer ersten Temperatur in dem formbaren Zustand befindet und bei einer zweiten Temperatur in dem festen Zustand befindet, wobei die zweite Temperatur niedriger ist als die erste Temperatur; und das formbare Polierwerkzeug gestaltet worden ist durch Pressen des formbaren Polierwerkzeugs entweder gegen das Werkstück selbst oder das Duplikat des Werkstücks, während es sich bei der ersten Temperatur befindet, und dann Kühlen des formbaren Polierwerkzeugs auf die zweite Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 10, weiterhin umfassend: Oszillieren des formbaren Polierwerkzeugs entweder gegen das Werkstück selbst oder das Duplikat des Werkstücks während des Kühlens des formbaren Polierwerkzeugs auf die zweite Temperatur, um das Profil des formbaren Polierwerkzeugs zu modifizieren.
Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin umfassend das Bereitstellen einer Schleifaufschlämmung zwischen dem formbaren Polierwerkzeug und dem Werkstück, wobei die Verwendung des formbaren Polierwerkzeugs bewirkt, dass die Aufschlämmung das komplexe Oberflächenprofil des Werkstücks mikrozerspant.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Werkstück ein Formwerkzeug umfasst, und weiterhin umfassend das Ausformen der Komponente unter Verwendung des Formwerkzeugs.
Mikrozerspanungsvorrichtung für die Mikrozerspanung eines Werkstücks mit einem komplexen Oberflächenprofil, das gewünschte Profilmerkmale und feinere unerwünschte Profilmerkmale, die mikrozerspant werden sollen, enthält, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: ein formbares Polierwerkzeug, das konfiguriert ist, die feineren unerwünschten Profilmerkmale mikrozuzerspanen, während die gewünschten Profilmerkmale beibehalten werden, wobei das formbare Polierwerkzeug unter Verwendung entweder des Werkstücks selbst oder eines Duplikats des Werkstücks so geformt worden ist, dass es mindestens die gewünschten Profilmerkmale aufweist.
Mikrozerspanungsvorrichtung nach Anspruch 14, wobei: das formbare Polierwerkzeug so gestaltet ist, dass es mindestens die gewünschten Profilmerkmale aufweist, durch Pressen des formbaren Polierwerkzeugs entweder gegen das Werkstück selbst oder das Duplikat des Werkstücks, wenn sich das formbare Polierwerkzeug in einem form baren Zustand befindet, und das formbare Polierwerkzeug zur Mikrozerspanung verwendet wird, wenn sich das formbare Polierwerkzeug in einem festen Zustand befindet.
Mikrozerspanungsvorrichtung nach Anspruch 14, wobei: das formbare Polierwerkzeug ein thermoformbares Material umfasst, das sich bei einer ersten Temperatur in dem formbaren Zustand befindet und bei einer zweiten Temperatur in dem festen Zustand befindet, wobei die zweite Temperatur niedriger ist als die erste Temperatur; und das formbare Polierwerkzeug gestaltet worden ist durch Pressen des formbaren Polierwerkzeugs entweder gegen das Werkstück selbst oder das Duplikat des Werkstücks, während es sich bei der ersten Temperatur befindet, und dann Kühlen des formbaren Polierwerkzeugs auf die zweite Temperatur.
Mikrozerspanungsvorrichtung nach Anspruch 16, wobei: das formbare Polierwerkzeug entweder gegen das Werkstück selbst oder das Duplikat des Werkstücks während des Kühlens des formbaren Polierwerkzeugs auf die zweite Temperatur oszilliert wird, um das Profil des formbaren Polierwerkzeugs zu modifizieren.
Formbares Polierwerkzeug zur Verwendung mit einer Mikrozerspanungsvorrichtung für die Mikrozerspanung eines Werkstücks mit einem komplexen Oberflächenprofil, das gewünschte Profilmerkmale und feinere unerwünschte Profilmerkmale, die mikrozerspant werden sollen, enthält, wobei: das formbare Polierwerkzeug konfiguriert ist, die feineren unerwünschten Profilmerkmale mikrozuzerspanen, während die gewünschten Profilmerkmale beibehalten werden, wobei das formbare Polierwerkzeug unter Verwendung entweder des Werkstücks selbst oder eines Duplikats des Werkstücks so geformt worden ist, dass es mindestens die gewünschten Profilmerkmale aufweist.
Formbares Polierwerkzeug nach Anspruch 18, wobei: das formbare Polierwerkzeug so gestaltet ist, dass es mindestens die gewünschten Profilmerkmale aufweist, durch Pressen des formbaren Polierwerkzeugs entweder gegen das Werkstück selbst oder das Duplikat des Werkstücks, wenn sich das formbare Polierwerkzeug in einem formbaren Zustand befindet, und das formbare Polierwerkzeug zur Mikrozerspanung verwendet wird, wenn sich das formbare Polierwerkzeug in einem festen Zustand befindet.
Formbares Polierwerkzeug nach Anspruch 19, wobei: das formbare Polierwerkzeug ein thermoformbares Material umfasst, das sich bei einer ersten Temperatur in dem formbaren Zustand befindet und bei einer zweiten Temperatur in dem festen Zustand befindet, wobei die zweite Temperatur niedriger ist als die erste Temperatur; und das formbare Polierwerkzeug gestaltet worden ist durch Pressen des formbaren Polierwerkzeugs entweder gegen das Werkstück selbst oder das Duplikat des Werkstücks, während es sich bei der ersten Temperatur befindet, und dann Kühlen des formbaren Polierwerkzeugs auf die zweite Temperatur.