DE3542443A1 - Aktivierungseinrichtung fuer einen rechteckigen plattenresonator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Aktivierungseinrichtung für einen rechtecki­ gen Plattenresonator, die geeignet ist, in einer Werkzeugmaschine wie einer Drehbank, einem Planfräser, einer Feilmaschine od. dgl., eingesetzt zu werden, bei der ein Werkstück mit Hilfe eines Werkzeugs spanend bear­ beitet wird, das mit einer Ultraschallfrequenz vibriert.

Es ist seit längerem bekannt, daß der Schnittwiderstand an einem Werkstück erheblich reduziert wird, wenn Ultraschallschwingungen in Schnittrichtung einem an einer Werkzeughalterung einer Drehbank od. dgl. angebrachten Werkzeug aufgezwungen werden. Dadurch werden alle ungewöhnlichen Vibra­ tionen wie irreguläre Schläge eliminiert und im Ergebnis die Schnittge­ nauigkeit verbessert. Betroffen ist dabei die Schnittgenauigkeit hinsicht­ lich Abweichungen von der genauen Ringform oder Kreisform des Werkstücks und der Oberflächenrauhigkeit, wobei gleichzeitig die Lebensdauer des Werk­ zeugs erhöht wird und die Bearbeitung von schwer zu bearbeitenden Materia­ lien erleichtert wird. Der gewünschte Effekt wird erreicht, sofern die Be­ dingung v< 2π fa erfüllt wird. Hierbei ist "v" die Schnittgeschwindigkeit des Werkstücks, "f" ist die Vibrationsfrequenz des Werkzeugs und "a" ist die Vibrationsamplitude.

Unter Bezugnahme auf Fig. 8 der Zeichnung wird nun ein Beispiel eines Schneidverfahrens erläutert, das mit einem Biegeschwingungen ausführenden Werkzeugträger durchgeführt wird, der einen typischen Vibrator eines ver­ tikalen Schwingungssystems nutzt. Zunächst ist dazu an einer Werkzeughalte­ rung 1 mit Hilfe von Halteplatten 2, Klemmschrauben bzw. Klemmbolzen 3 und Klemmstücken 4 ein in Biegeschwingungen versetzbarer Werkzeugträger 5 angebracht. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Klemmstücke 4 an den zu erwartenden Schwingungsknoten im Werkzeugträger 5 angeordnet. Ein Schneidwerkzeug 7 ist am vorderen Ende des Werkzeugträgers 5 verankert, so daß es einem Werkstück 6 gegenüber eingestellt werden kann. Sowohl ein vertikaler Vibrator 8 als auch ein Verstärkerhorn 9 für Schwingungen sind miteinander verbunden und gemeinsam an einem Schwingungsbauch am Werkzeug­ träger 5 angeordnet. Der Verlauf der Schwingungen ist durch strichpunktierte Linien angedeutet. Wird der Vibrator 8 bei dieser Anordnung in Betrieb ge­ setzt, so schwingt der Werkzeugträger 5 wie durch die strichpunktierten Linien dargestellt, so daß das Werkzeug 7, das am vorderen Ende gehalten ist, ebenfalls mit einer Ultraschallfrequenz schwingt bzw. vibriert, und zwar in Schnittrichtung. Dadurch ergibt sich der erforderliche Schneid­ effekt mit überlagerter Schwingung wie zuvor erläutert.

Eine Einrichtung mit dem zuvor erläuterten Aufbau ist insoweit vorteil­ haft als der vertikale Vibrator 8 an einer Stelle angebracht werden kann, die einen Abstand zum Werkzeug 7 hat. Auf diese Weise ist der Vibrator 8 mit Leichtigkeit an einer üblichen Drehbank anbringbar. Gleichwohl gibt es auch einen Nachteil, da der vertikale Vibrator 8 durch seine Anordnung im Betrieb ein Hindernis darstellt und Schwierigkeiten bei der Anbringung des für Biegeschwingungen geeigneten Werkzeugträgers 5 an der Werkzeughal­ terung 1 unvermeidbar sind. Sofern nicht jedes Klemmstück 4 exakt an dem genauen Schwingungsknoten angesetzt wird, treten als weiteres Problem Ener­ gieverluste auf und die Schneidkante des Schneidwerkzeugs 7 führt unter Umständen Schwingungen in falschen und schädlichen Richtungen aus. Über­ dies ist eine genaue und feste Einstellung des Werkzeugs 7 erforderlich. Insgesamt sind komplizierte Arbeitsvorgänge und große Sorgfalt beim Aus­ wechseln des Werkzeugträgers 5 erforderlich.

Weiter zeigt Fig. 9, daß bei einer Einrichtung gemäß Fig. 8 am Angriffs­ punkt des Werkzeugs 7 am Werkstück 6 eine diametral gerichtete Rückwärts­ komponente oder Querkomponente Pt der Kraft in Richtung auf das Werkzeug 7 und zusätzlich zu der Hauptkomponente Pc der Kraft, die tangential zum Werkstück 6 gerichtet ist, erzeugt wird. Tatsächlich wirkt also auf das Werkzeug 7 die resultierende Kraft P, so daß schädliche, nicht normale Schwingungen auftreten können. Dadurch wiederum kann es dazu kommen, daß eine ausreichende Schwingungsschneidwirkung nicht erreicht wird.

In einem Ansatz zur Lösung der zuvor erläuterten Schwierigkeiten ist eine Verbesserung vorgeschlagen worden (JA-PS 50-20 289), bei der der zu Bie­ geschwingungen anregbare Werkzeugträger 5 mit einer Neigung relativ zur Schnittrichtung so angeordnet wird, daß richtungsmäßig die Schwingung des Werkzeugs 7 und die resultierende Kraft P zusammenfallen. Zur Ausführung einer solchen geneigten Anordnung ist jedoch als zusätzliche Maßnahme ein bestimmter Einstellkopf, ein geneigter Tisch u. dgl. vorzusehen, so daß die Einrichtung konstruktiv nochmals komplizierter wird.

Unter Berücksichtigung der voranstehenden Erläuterungen liegt der Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, eine neue Aktivierungseinrichtung für einen rechteckigen, insbesondere quadratischen Plattenresonator anzugeben, bei der Ultraschallschwingungen leicht erzeugt werden können und ein Werkzeug leicht eingestellt und ausgewechselt werden kann.

Die erfindungsgemäße Aktivierungseinrichtung, bei der die zuvor aufgezeig­ te Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß ringförmige Elektro­ striktivelemente vorgesehen und mit dem Plattenresonator über säulenartige bzw. stangenartige Blöcke verspannt sind, daß jedes Elektrostriktivele­ ment auf einer Seite durch Aufteilung des Umfangs in vier Segmentelektro­ den aufgeteilt und so polarisiert ist, daß jeweils benachbarte Segment­ elektroden in Dickenrichtung des Elektrostriktivelements einander entge­ gengerichtete Polaritäten aufweisen und daß die Elektrostriktivelemente so angeordnet sind, daß die Mittelteilungslinien zwischen den Segment­ elektroden mit den Diagonalen des Plattenresonators lagemäßig zusammen­ fallen und durch den Oberflächen-Mittelpunkt des Plattenresonators laufen.

Durch die zuvor erläuterte, erfindungsgemäße Konstruktion sind die Eck­ bereiche des Resonators mit hohem Wirkungsgrad mit Ultraschallfrequenz in Schwingungen versetzbar. Sind Werkzeuge an den Ecken angebracht, so können die Ultraschallschwingungen diesen während der spanenden Bearbeitung eines Werkstücks, beispielsweise während des Schneidens oder Schleifens, ver­ mittelt werden. Werden individuell an den Ecken verschiedene Werkzeuge an­ gebracht und der rechteckige Plattenresonator mit Hilfe eines Revolverpo­ sitionierungsmechanismus eingestellt, so kann auf einfache Weise die Be­ nutzung von vier verschiedenen Werkzeugen möglich gemacht werden bei gleichzeitiger Beibehaltung der Verankerung der Lagerbereiche. Ein ge­ neigtes Anstellen jedes Werkzeugs an das Werkstück kann mit Hilfe des Revolverpositionierungsmechanismus leicht ausgeführt werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Aktivierungseinrichtung sind in den nachgeordneten Ansprüchen beschrieben. Im übrigen finden sich weitere Erläuterungen dazu in der nachfolgenden Erläuterung eines bevor­ zugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer Akti­ vierungseinrichtung für einen rechteckigen Plattenresonator,

Fig. 2 den Gegenstand aus Fig. 1 in einem Vertikalschnitt,

Fig. 3 wesentliche Teile der Aktivierungseinrichtung aus Fig. 1 in einer Ansicht, zum Teil weggebrochen,

Fig. 4 weitere wichtige Teile in einer Seitenansicht,

Fig. 5 in perspektivischer Darstellung ein ringförmiges Elektrostrik­ tivelement einer Aktivierungseinrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 6 u. 7 Seitenansichten zur Erläuterung der Bewegungen eines rechtecki­ gen Plattenresonators,

Fig. 8 eine Seitenansicht eines Beispiels einer bekannten Aktivierungs­ einrichtung und

Fig. 9 eine weitere Seitenansicht zur Darstellung der an einem Schneid­ werkzeug angreifenden Kräfte bzw. Kraftkomponenten.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Aktivierungs­ einrichtung für einen rechteckigen Plattenresonator 10 unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 7 im einzelnen erläutert. An dem hier vorgesehenen Plattenresonator 10 sind an den jeweiligen Eckbereichen bzw. Ecken Werkzeuge 12, hier Schneidwerkzeuge, sicher befestigt, und zwar beispiels­ weise mittels Silberlot oder mit Hilfe von Schrauben. Auf beiden Seiten des im dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel quadratischen Plattenresonators 10 ist jeweils ein Paar von ringförmigen Elektrostrik­ tivelementen 14 mit einer dazwischen eingelegten Elektrodenplatte 13 an­ geordnet und in Ausrichtung mit einer durch die Mittelpunkte der beiden Oberflächen des Plattenresonators 10 laufenden Mittellinie aufgereiht. Die Elektrostriktivelemente 14 bestehen aus Titanaten, Zirkonaten oder ver­ gleichbaren Materialien. Wie Fig. 5 zeigt ist eine Elektrode 15 der auf den beiden Seiten angeordneten Elektroden umfangsmäßig in vier Segment­ elektroden 16 aufgeteilt, die so polarisiert sind, daß jeweils benachbar­ te Segmentelektroden 16 in Dickenrichtung des Elektrostriktivelements 14 einander entgegengerichtete Polaritäten aufweisen, wie das durch Pfeile angedeutet ist. Die Segmentelektroden 16 sind so aufgereiht, daß ihre Mittelteilungslinien 17 mit den Diagonalen des Plattenresonators 10 lage­ mäßig zusammenfallen.

Auf den beiden äußeren Seiten der ringförmigen Elektrostriktivelemente 14 sind säulenartige bzw. stangenartige Blöcke 18, 19 angeordnet und mit den Elektrostriktivelementen 14 durch eine Schraube 20 integral verankert. Eine rechteckige Nocke 21, die einen Teil eines Revolverpositionierungs­ mechanismus darstellt, ist an einem Ende des Blocks 18 ausgebildet und weist am Umfang abgerundete Bereiche auf. Eine weitere Nocke 22, die in ihrer Form identisch mit der zuvor erläuterten Nocke 21 ist, ist als in­ tegraler Bestandteil des Blocks 19 ausgeformt. Weiter ist mit dem Block 19 außerhalb der Nocke 22 ein Hexagonalende 23 integral ausgebildet.

Lagerelemente 24 sind einander gegenüber angeordnet und dienen als Trä­ ger. Die Lagerelemente 24 haben runde Ausnehmungen, in die kreisförmige Bereiche der Blöcke 18, 19 drehbar eingepaßt sind, sowie Schlitze 25, die an einer Seite ausgebildet sind und sich zu den runden Ausnehmungen hin erstrecken. Auf derselben Seite, auf der die Schlitze 25 angeordnet sind, sind senkrecht zu den Schlitzen 25 verlaufend Klemmschrauben 26 angeordnet zum Festklemmen der Blöcke 18, 19. Ein im dargestellten Aus­ führungsbeispiel L-förmiger Träger 27 ist an einem Lagerelement 24 be­ festigt und ein einen Teil des Revolverpositionierungsmechanismus dar­ stellender Hebel 29 ist drehbar an einer Achse 28 befestigt, die vom Träger 27 gehalten wird. Der Hebel 29 wird mittels einer Zugfeder 30 ge­ gen die Nocke 22 gedrückt. Ein Werkstück 31 ist schließlich im darge­ stellten Ausführungsbeispiel in einer Drehbank eingespannt.

Vor Beginn der Bearbeitung eines Werkstücks wird das gewünschte Werk­ zeug 12 in der zuvor erläuterten Konstruktion gegenüber dem Werkstück 31 eingestellt. Dazu werden zunächst die Klemmschrauben 26 gelöst und dann wird durch Drehung des Hexagonalendes 23 der Plattenresonator 10 gedreht. In der gewünschten Position wird die genaue Ausrichtstellung dadurch be­ stimmt, daß der Hebel 29 von der Zugfeder 30 in Anlage an die Nocke 22 gezogen wird. In dieser Position wird der Plattenresonator 10 durch An­ ziehen der Klemmschrauben 26 fixiert.

Wird nun eine Spannung an die Elektrodenplatten 13 angelegt, so geschieht folgendes. Wie in Fig. 7 dargestellt ist der Plattenresonator 10 so be­ messen, daß Resonanzschwingungen bei der halben Wellenlänge sowohl verti­ kal als auch horizontal erfolgen, wenn das Zentrum einer Seite von einem vertikalen Vibrator 32 beispielsweise mit abgestuftem Verstärkerhorn an­ gesteuert wird. Durch die strichpunktierte Linie in Fig. 7 ist gezeigt, wie sich dann aufgrund der Verteilung der Schwingungsamplitude auf jeder Seite der Körper zusammenzieht oder ausdehnt. Erkennbar ist, daß jeder Eckbereich des Plattenresonators 10 in Ruhe verharrt. Dieses Phänomen ist in einer früheren Anmeldung des Anmelders erläutert (JA-P-OS 58-196 874 bzw. DE-OS 33 16 353).

Die zuvor erläuterte Schwingungsanregung des Plattenresonators 10 mit einer relativ hohen Frequenz führt hingegen zu einer Amplitudenverteilung wie in Fig. 6 durch die strichpunktierte Linie gezeigt. Die Längen der einander gegenüberliegenden Seiten des Körpers werden verringert oder ver­ größert,symmetrisch bezüglich einer X-Achse und einer Y-Achse, die beide durch den Mittelpunkt 0 der Oberfläche laufen (Fig. 6). Die Auslenkung jeder Spitze erfolgt senkrecht zur Diagonalen mit der maximalen Amplitude. Hinsichtlich der Auslenkungen aller Punkte auf der Oberfläche aufgrund der Schwingungen sind Richtung und Größe durch die Pfeile in Fig. 6 ange­ deutet.

Betrachtet man nun im einzelnen die Verteilung der Auslenkungen im Schwin­ gungszustand von Fig. 6, so ergibt sich, daß die Winkel AOB und COD ver­ kleinert und die Winkel AOC und BOD vergrößert werden. Das macht deutlich, daß wechselseitig entgegengerichtete Spannungen in Richtung auf das Zen­ trum 0 in den entsprechenden Bereichen der Winkel vergrößert werden. Daraus folgt, daß die Plattendicke in den Bereichen innerhalb der Winkel AOB und COD vergrößert und in den Bereichen der Winkel AOC und BOD verringert wird und diese Veränderungen werden in Richtung auf die jeweiligen Zentren hin ausgeprägter.

Auf der Grundlage der zuvor erläuterten Vorgänge wird klar, daß, wenn die ringförmigen Elektrostriktivelemente 14 von Fig. 5 an den beiden Ober­ flächen des rechteckigen Plattenresonators 10 verankert und dann ange­ steuert werden, die in Fig. 6 durch die Pfeile angedeuteten Auslenkungen auch dem Plattenresonator 10 vermittelt werden, so daß sich Resonanz­ schwingungen in den Ecken 11 senkrecht zu den Diagonalen des Plattenre­ sonators 10 ergeben.

Bei der praktischen Anwendung der Erfindung ist anzustreben, daß die Schwingungen des Werkzeugs 12 richtungsmäßig mit der resultierenden Kraft P aus der Hauptkomponente Pc und der Querkomponente Pt in Fig. 9 zusammen­ fallen, so daß die Ausrichtung der Nocken 21, 22 unter Berücksichtigung dieses Winkels bestimmt werden muß.

In einer tatsächlich in der Praxis anwendbaren Konstruktion ist weiter eine Abschirmung zum Schutz wesentlicher Teile vor herumfliegenden Spänen und vor Schmieröl vorgesehen, ferner sind elektrische Leitungen für die Elektrodenplatten 13 vorgesehen, Elektrodenbürsten sowie Ringkontakte.

Wie zuvor erläutert worden ist sind die ringförmigen Elektrostriktivele­ mente 14 so angeordnet, daß die Mittelteilungslinien 17 zwischen den Seg­ mentelektroden 16 mit den Diagonalen des Plattenresonators 10 lagemäßig zusammenfallen und durch den Oberflächen-Mittelpunkt des Plattenresona­ tors 10 laufen. Dadurch können die Ecken 11 des Plattenresonators 10 in höchst wirksamer Weise in einer Richtung senkrecht zu den Diagonalen in Schwingungen versetzt werden, so daß dort angebrachte Werkzeuge 12 zum Schneiden oder Schleifen eines Werkstücks in Ultraschallschwingungen ver­ setzt werden. Da keines der Elektrostriktivelemente 14 besonderen Platz braucht, stören diese im Betrieb in keinster Weise. Sind unterschiedliche Werkzeuge 12 an den Ecken 11 des Plattenresonators 10 angebracht und sind die Anstellwinkel durch einen Revolverpositionierungsmechanismus indiziert, so können die Werkzeuge 12 sehr schnell und leicht eingestellt werden. Ein bestimmter Anstellwinkel der Werkzeuge 12 relativ zum Werkstück 31 läßt sich damit sehr leicht vorgeben. Außerdem ist ein einfaches und schnelles Auswechseln der Werkzeuge 12 bzw. ein Wechseln von Werkzeug zu Werkzeug möglich.

Claims (5)

1. Aktivierungseinrichtung für einen rechteckigen Plattenresonator, da­ durch gekennzeichnet, daß ringförmige Elektrostriktiv­ elemente (14) vorgesehen und mit dem Plattenresonator (10) über säulenar­ tige bzw. stangenartige Blöcke (18, 19) verspannt sind, daß jedes Elektro­ striktivelement (14) auf einer Seite durch Aufteilung des Umfangs in vier Segmentelektroden (16) aufgeteilt und so polarisiert ist, daß jeweils be­ nachbarte Segmentelektroden (16) in Dickenrichtung des Elektrostriktivele­ ments (14) einander entgegengerichtete Polaritäten aufweisen und daß die Elektrostriktivelemente (14) so angeordnet sind, daß die Mittelteilungs­ linien (17) zwischen den Segmentelektroden (16) mit den Diagonalen des Plattenresonators (10) lagemäßig zusammenfallen und durch den Oberflächen- Mittelpunkt des Plattenresonators (10) laufen.

2. Aktivierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an zumindest einer Ecke (11), vorzugsweise an mehreren Ecken (11), insbe­ sondere an jeder Ecke (11), des Plattenresonators (10) ein Werkzeug (12) angebracht ist.

3. Aktivierungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke (18, 19) von Lagerelementen (24) fest und sicher gehalten sind.

4. Aktivierungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Revolverpositionierungsmechanismus an zumindest einem der Lagerele­ mente (24) zur Arretierung des Blockes (19) in unterschiedlichen Positio­ nen vorgesehen ist.

5. Aktivierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Plattenresonator (10), vorzugsweise mit Hilfe des Revolverpositionierungsmechanismus, so einstellbar ist, daß die Vibrationen des Werkzeugs (12) bzw. der Werkzeuge (12) richtungsmäßig mit der resul­ tierenden Kraft der Hauptkomponente und der Querkomponente eines Schnittwi­ derstandes zusammenfallen.