DE3542443C2

DE3542443C2 -

Info

Publication number: DE3542443C2
Application number: DE3542443A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: TAGA ELECTRIC CO Ltd TOKIO/TOKYO JP
Current assignee: TAGA ELECTRIC CO Ltd TOKIO/TOKYO JP
Priority date: 1984-05-30
Filing date: 1985-11-30
Publication date: 1987-10-29
Also published as: US4620121A; JPH0160361B2; JPS60255301A; DE3542443A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Aktivierungseinrichtung für einen rechteckigen 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 bearbeitet 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 Vibrationen wie z. B. irreguläre Schläge in ihrer Wirkung abgeschwächt und im Ergebnis die Schnittgenauigkeit verbessert. Betroffen ist dabei die Schnittgenauigkeit hinsichtlich Abweichungen von der genauen Ringform oder Kreisform des Werkstücks und der Oberflächenrauhigkeit, wobei gleichzeitig die Lebensdauer des Werkzeugs erhöht wird und die Bearbeitung von schwer zu bearbeitenden Materialien erleichtert wird. Der gewünschte Effekt wird erreicht, sofern die Bedingung v<2π fa erfüllt wird. Hierbei ist "v" die Schnittgeschwindigkeit des Werkstücks, "f" die Vibrationsfrequenz und "a" die Vibrationsamplitude des Werkzeugs.

Bei einer Werkzeugmaschine mit einer bekannten Aktivierungseinrichtung (JP-B2 38-25.142/Fig. 8 der hier beigefügten Zeichnung), ist an einer Werkzeughalterung 1 mit Hilfe von Halteplatten 2, Klemmschrauben 3 und Klemmstücken 4 ein in Biegeschwingungen versetzbarer Werkzeugträger 5 angebracht. Die Klemmstücke 4 sind an den zu erwartenden Schwingungsknoten im Werkzeugträger 5 angeordnet und ein Schneidwerkzeug 7 ist am vorderen Ende des Werkzeugträgers 5 verankert, so daß es einem Werkstück 6 gegenüber eingestellt werden kann. Ein vertikaler Vibrator 8 und ein Verstärkerhorn 9 sind miteinander verbunden und an einem Schwingungsbauch am Werkzeugträger 5 angeordnet. Der Verlauf der Schwingungen ist in Fig. 8 durch strichpunktierte Linien angedeutet. Dadurch ergibt sich der erforderliche Schneideffekt mit überlagerter Schwingung des Werkzeugs 7 wie zuvor erläutert. Bei dieser Einrichtung ist es vorteilhaft, daß der Vibrator 8 mit Abstand zum Werkzeug 7 leicht an einer üblichen Drehbank anbringbar ist. Durch diese Anordnung stellt der Vibrator 8 aber auch im Betrieb ein Hindernis dar. Sofern nicht jedes Klemmstück 4 exakt an dem genauen Schwingungsknoten angesetzt wird, treten Energieverluste auf und die Schneidkante des Werkzeugs 7 führt unter Umständen Schwingungen in falschen und schädlichen Richtungen aus. Weiter zeigt Fig. 9 der Zeichnung, daß am Angriffspunkt des Werkzeugs 7 am Werkstück 6 zusätzlich zu der tangential zum Werkstück 6 gerichteten Hauptkomponente Pc der Kraft eine diametral gerichtete Querkomponente Pt in Richtung auf das Werkzeug 7 erzeugt wird. Auf das Werkzeug 7 wirkt also die resultierende Kraft P, so daß schädliche, nicht normale Schwingungen auftreten können.

Bei einer verbesserten, bekannten Einrichtung (JP-B2 50-20.289) wird der Werkzeugträger mit einer Neigung relativ zur Schnittrichtung so angeordnet, daß richtungsmäßig die Schwingungen des Werkzeugs und die resultierende Kraft zusammenfallen. Dazu ist jedoch zusätzlich ein bestimmter Einstellkopf od. dgl. vorzusehen, so daß diese Einrichtung konstruktiv kompliziert ist.

In Fig. 7 ist zur Erläuterung des Grundaufbaus eines an sich bekannten (DE-OS 33 16 353) Plattenresonators 10 dieser in Ansteuerung durch einen seitlich angesetzten Vibrator 32 dargestellt. Gut zu erkennen ist, daß in einem solchen Plattenresonator 10 Resonanzschwingungen bei der halben Wellenlänge sowohl vertikal als auch horizontal erfolgen. 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, während die Eckbereiche in Ruhe verharren.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine 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 aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß ringförmige Elektrostriktivelemente mit dem Plattenresonator über säulenartige bzw. stangenartige Blöcke verspannt sind, daß jedes Elektrostriktivelement auf einer Seite durch Aufteilung des Umfangs in vier Segmentelektroden aufgeteilt und so polarisiert ist, daß jeweils benachbarte Segmentelektroden in Dickenrichtung des Elektrostriktivelements zueinander entgegengerichtete Polaritäten aufweisen und daß die Elektrostriktivelemente so angeordnet sind, daß die Mittelteilungslinien zwischen den Segmentelektroden mit den Diagonalen des Plattenresonators lagemäßig zusammenfallen und durch den Oberflächen-Mittelpunkt des Plattenresonators verlaufen.

Durch die zuvor erläuterte, erfindungsgemäße Konstruktion sind die Eckbereiche 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, vermittelt werden. Werden individuell an den Ecken verschiedene Werkzeuge angebracht und der rechteckige Plattenresonator mit Hilfe eines Revolverpositionierungsmechanismus eingestellt, so kann auf einfache Weise die Benutzung von bis zu vier verschiedenen Werkzeugen möglich gemacht werden bei gleichzeitiger Beibehaltung der Verankerung der Lagerbereiche. Ein geneigtes Anstellen jedes Werkzeugs an das Werkstück kann mit Hilfe des Revolverpositionierungsmechanismus leicht ausgefüllt werden.

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

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer Aktivierungseinrichtung 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 eine Plattenresonator mit Elektrostriktivelement für eine Aktivierungseinrichtung gemäß Fig. 1 in Seitenansicht, teilweise aufgeschnitten,

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

Fig. 6 eine Seitenansicht zur Erläuterung der Bewegungen eines Plattenresonators in einer Aktivierungseinrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 7 eine Seitenansicht zur Erläuterung der Bewegungen eines bekannten rechteckigen Plattenresonators,

Fig. 8 eine Seitenansicht eines Beispiels einer aus dem Stand der Technik bekannten Aktivierungseinrichtung und

Fig. 9 eine weitere Seitenansicht zur Darstellung der an einem Schneidwerkzeug angreifenden Kräfte bzw. Kraftkomponenten bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Aktivierungseinrichtung.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Aktivierungseinrichtung 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 11 Werkzeuge 12, hier Schneidwerkzeuge, sicher befestigt, und zwar beispielsweise mittels Silberlot oder mit Hilfe von Schrauben. Auf beiden Seiten des im dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiels quadratischen Plattenresonators 10 ist jeweils ein Paar von ringförmigen Elektrostriktivelementen 14 mit einer dazwischen eingelegten Elektrodenplatte 13 angeordnet 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 vergleichbaren Materialien. Wie Fig. 5 zeigt ist eine Elektrode 15 der auf den beiden Seiten angeordneten Elektroden umfangsmäßig in vier Segmentelektroden 16 aufgeteilt, die so polarisiert sind, daß jeweils benachbarte 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 lagemäßig zusammenfallen.

Auf den beiden äußeren Seiten der äußeren 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 Revolverpositionierungsmechanismus 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 integraler 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 Träger. 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 Ausführungsbeispiel L-förmiger Träger 27 ist an einem Lagerelement 24 befestigt und ein einen Teil des Revolverpositionierungsmechanismus darstellender Hebel 29 ist drehbar an einer Achse 28 befestigt, die vom Träger 27 gehalten wird. Der Hebel 29 wird mittels einer Zugfeder 30 gegen die Nocke 22 gedrückt. Ein Werkstück 31 ist schließlich im dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Drehbank eingespannt.

Vor Beginn der Bearbeitung eines Werkstücks wird das gewünschte Werkzeug 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 bestimmt, daß der Hebel 29 von der Zugfeder 30 in Anlage an die Nocke 22 gezogen wird. In dieser Position wird der Plattenresonator 10 durch Anziehen der Klemmschrauben 26 fixiert.

Die Schwingungsanregung des Plattenresonators 10 durch die zuvor erläuterten Elektrostriktivelemente 14 mit einer relativ hohen Frequenz führt nun zu einer Amplitudenverteilung wie in Fig. 6 durch die strichpunktierte Linie gezeigt. Die Längen der einander gegenüberliegenden Seiten des Körpers werden verringert oder vergrößert, symmetrisch bezüglich einer X-Achse und einer Y-Achse, die beide durch den Mittelpunkt 0 der Oberfläche laufen. Die Auslenkung jeder Ecke erfolgt senkrecht zur Diagonalen mit der maximalen Amplitude. Hinsichtlich der Auslenkung aller Punkte auf der Oberfläche aufgrund der Schwingungen sind die Richtungen in Fig. 6 durch die Pfeile angedeutet, deren Länge jeweils einen Anhaltspunkt für die Anlenkungsamplitude gibt.

Betrachtet man nun im einzelnen die Verteilung der Auslenkungen im Schwingungszustand von Fig. 6, so ergibt sich, daß die Winkel AOB und COB verkleinert und die Winkel AOC und BOD vergrößert werden. Das macht deutlich, daß wechselseitig entgegengerichtete Spannungen in Richtung auf das Zentrum 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 Zentren der durch die jeweiligen Punkte eingeschlossenen Flächen hin ausgeprägter.

Auf der Grundlage der zuvor erläuterten Vorgängen wird klar, daß, wenn die ringförmigen Elektrostriktivelemente 14 von Fig. 5 an den beiden Oberflächen des rechteckigen Plattenresonators 10 verankert und dann angesteuert werden, die in Fig. 6 durch die Pfeile angedeuteten Auslenkungen auch dem Plattenresonator 10 vermittelt werden, so daß sich Resonanzschwingungen in den Ecken 11 senkrecht zu den Diagonalen des Plattenresonators 10 ergeben.

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

Wie zuvor erläutert worden ist, sind die ringförmigen Elektrostriktivelemente 14 so angeordnet, daß die Mittelteilungslinien 17 zwischen den Segmentelektroden 16 mit den Diagonalen des Plattenresonators 10 lagemäßig zusammenfallen und durch den Oberflächen-Mittelpunkt des Plattenresonators 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 versetzt werden. Da keines der Elektrostriktivelemente 14 besonderen Platz braucht, stören diese im Betrieb nicht. 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 schnell und leicht eingestellt werden. Ein bestimmter Anstellwinkel der Werkzeuge 12 relativ zum Werkstück 31 läßt sich damit leicht vorgeben. Außerdem ist ein einfaches und schnelles Auswechseln der Werkzeuge 12 bzw. ein Wechseln von Werkzeug zu Werkzeug möglich.

Claims

1. Aktivierungseinrichtung für einen rechteckigen Plattenresonator, dadurch gekennzeichnet, daß ringförmige Elektrostriktivelemente (14) mit dem Plattenresonator (10) über säulenartige bzw. stangenartige Blöcke (18, 19) verspannt sind, daß jedes Elektrostriktivelement (14) auf einer Seite durch Aufteilung des Umfangs in vier Segmentelektroden (16) aufgeteilt und so polarisiert ist, daß jeweils benachbarte Segmentelektroden (16) in Dickenrichtung des Elektrostriktivelements (14) zueinander entgegengerichtete Polaritäten aufweisen und daß die Elektrostriktivelemente (14) so angeordnet sind, daß die Mittelteilungslinien (17) zwischen den Segmentelektroden (16) mit den Diagonalen des Plattenresonators (10) lagemäßig zusammenfallen und durch den Oberflächen-Mittelpunkt des Plattenresonators (10) verlaufen.

2. Aktivierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an zumindest einer 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) mit Hilfe von Klemmschrauben (26) fest und sicher gehalten sind.

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

5. Aktivierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, 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 resultierenden Kraft der Hauptkomponente und der Querkomponente eines Schnittwiderstandes zusammenfallen.