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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, um
Werkstoffe, die geschliffen oder gespant werden sollen, ins Schwingen
zu bringen, und die geeignet ist zur Bearbeitung harter und
spröder Materialien wie z.B. Keramik.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Als Technik zum Bearbeiten verschiedener Arten von Werkstoffen
gibt es schon ein Verfahren, um Schleifen oder Spanen mit Hilfe
von Schleifpulvern durchzuführen. Bei diesem Verfahren wird ein zu
bearbeitendes Werkstück mittels eines Schraubstockes oder einer
Aufspannvorrichtung auf einem Maschinentisch befestigt, und das
Werkstück wird auf der Oberfläche geglättet oder mit Einschnitten
versehen oder in Kerne geformt, indem für eine Relativbewegung
zwischen dem Maschinentisch und einem Schleifstein gesorgt wird,
der auf einer Hauptwelle sitzt und mit hoher Geschwindigkeit
rotiert.
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Herkömmlicherweise hielt der Maschinentisch lediglich das
Werkstück und wurde beim Halten des Werkstückes hin- und herbewegt
oder gedreht. Daher war, weil der Schleifstein während der
Rotation nur mit einer festen Kraft gegen das Werkstück gedrückt
wurde, der Wirkungsgrad der Bearbeitung äußerst vermindert, wenn
das Werkstück das oben erwähnte Keramikmaterial war. Die Präzision
der Bearbeitung war schlecht, und komplizierte und feine Formen
konnten nicht geschaffen werden.
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Als Gegenmaßnahme zu dem oben genannten Problem ist ein
Ultraschall-Schlagschleifverfahren bekannt, bei welchem der
Schleifstein einem Ultraschalloszillator an einem Ziehschleifende
ausgesetzt ist und der Ultraschallschwingung unterworfen wird, so daß
die Schleifpulver gegen das Werkstück geschlagen werden, um
Sprödbruch zu fördern (vgl. z.B. JP-A-61 71950).
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Da bei diesem Verfahren jedoch dafür gesorgt werden muß, daß der
Schleifstein in Resonanz mit einer bestimmten Frequenz des
Ultraschallvibrators schwingt, sind die verwendbaren Schleifsteine
hinsichtlich ihrer Formen und Abmessungen beschränkt, und eine
einmal zusammengebaute Ultraschall-Vibrationseinrichtung kann
nicht geändert werden. Somit ist die Bearbeitung auf das Formen
von Bohrungen beschränkt, und breite Oberflächen lassen sich nicht
endbearbeiten, weil der Topfschleifstein nicht im Großen befestigt
werden kann. Außerdem sollten die Ziehschleifwerkzeuge in Reihe
und mehrschrittig angeordnet sein, um genügenden Hub des
Schleifsteins zu bekommen, und ferner ist besondere Aufmerksamkeit
notwendig, um die Steifheit eines Werkzeugsupportes
sicherzustellen. Somit ergibt sich das Problem, daß eine Vorrichtung groß und
teuer ist.
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Die vorliegende Erfindung wurde geschaffen, um die oben enannten
Probleme zu lösen. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine
Vorrichtung zum Schwingenlassen von Schleifwerkstücken vorzusehen,
bei welcher Einschränkungen hinsichtlich der werkzeugseitigen
Bedingungen fortfallen und das Werkstuck auf dem Tisch der
Bearbeitungsmaschine positioniert wird, die Hauptwellen für Schleifer
des Bearbeitungszentrums hat, wobei das Werkstück nur hierdurch
mit den Schleifpulvern bei hohem Wirkungsgrad und hoher Präzision
bearbeitet werden kann.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung
zu schaffen, mit welcher sich zu schleifende Werkstoffe in
Schwingungen versetzen lassen und die komplizierte Bearbeitungen mit
einem elektrischen Entladungsprozeß, einem elektrolytischen Prozeß
und anderen Prozessen durchführen kann.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Um die oben erwähnten Aufgaben zu erfüllen, benutzt die Erfindung
piezoelektrische Antriebe, um das mit den Schleifpulvern
bearbeitete Werkstück in niedrigfrequente Schwingung zu versetzen
und vielteilige Freiheit im Schwingungsvermögen zu ermöglichen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Werkstücktisch-Vorrichtung, die zum Bearbeiten des Werkstückes mittels eines rotierenden
Werkzeuges mit Schleifstein verwendet wird und mit einem Tisch
versehen ist, der das Werkstück direkt oder mittels einer
Aufspannvorrichtung trägt, und einem Unterbau, der unabhängig vom
Tisch ist und lösbar an einem Tisch befestigt ist, welcher an der
Bearbeitungsmaschine wie z.B. der Schleifmaschine oder dem
Bearbeitungszentrum installiert ist Der Tisch wird vom Unterbau über
eine Vielzahl jeweils unabhängiger piezoelektrischer Antriebe
gehalten. Anders ausgedrückt, die Antriebe werden zwischen dem
Tisch und dem Unterbau gehalten. Jeder der Antriebe ist mit einem
externen Steuergerät verbunden und wird durch Zünden einer
Treibspannung vom Steuergerät zum Schwingen gebracht, um das Werkstück
während der Bearbeitung schwingen zu lassen.
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Der Unterbau ist kasten- oder scheibenförmig mit einer offenen
oberen Oberfläche. Wenn der Unterbau Kastenform hat, ist ihm
gegenüber der Tisch zentral in Fläche angeordnet, und jede Seite
des Tisches in der X-, der Y- und der Z-Richtung wird durch eine
Vielzahl von Gruppen der piezoelektrischen Antriebe gehalten. In
diesem Fall wird das getragene Werkstück in Übereinstimmung mit
dem Tisch translatorischen Bewegungen in der Horizontal- und der
Vertikalrichtung unterworfen oder in Drehschwingung versetzt.
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Wenn der Unterbau scheibenförmig ist, wird der Tisch durch eine
Vielzahl der piezoelektrischen Antriebe getragen. In diesem Fall
kann dem Werkstück die Drehschwingung und die translatorische
Bewegung in der Vertikalrichtung bezüglich des Werkstückes
mitgeteilt werden.
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In allen Fällen kann, da die Werkzeugseite nicht durch
irgendwelche Bedingungen eingeschränkt ist, die Umfangsgeschwindigkeit des
Werkzeuges bis auf die natürliche Grenze der Maschine erhöht
werden, ohne den Bearbeitungsweg einzuschränken. Außerdem kann die
Bearbeitungskraft weit vermindert werden, und so wird die
Bearbeitung mit hohem Wirkungsgrad durchgeführt. Belastung durch die
Schleifpulver wird durch das Schwingen weggenommen oder gemäßigt.
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Für den piezoelektrischen Antrieb wird ein piezoelektrisches
Element aus Laminat verwendet, in welchem mindestens ein Ende in
Ausdehnungsrichtung an einem Hauptkörper des Elementes befestigt
ist und die anderen Enden am Tisch angeklebt oder befestigt sind.
Im letzteren Fall wird eine Feder verwendet, so daß durch die
Federkraft ein Vordruck auf das piezoelektrische Element des
Laminates ausgeübt wird.
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Ein Steuergerät ist mit einer Elektrobaustein-Steuereinheit
versehen, die eine Schalteinrichtung für ein piezoelektrisches Element,
einen Leistungsverstärker und einen Rechner aufweist, der eine
Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers einem bestimmten
piezoelektrischen Antrieb zuweist und den Spannungspegel steuert.
Vorzugsweise ist ein frequenzsteuernder Funktionsgenerator mit dem
Leistungsverstärker verbunden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 zeigt in einer Draufsicht eine Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung, um zu schleifende Werkstoffe schwingen
zu lassen; Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht der Vorrichtung;
Figuren 2-A und 2-B zeigen von der Seite und teilweise in
Schnittansicht die Verbindung zwischen dem Unterbau des Antriebes
und dem Tisch; Fig. 3 ist eine erläuternde Darstellung eines
Beispiels eines Steuersystems der vorliegenden Vorrichtung; Fig.
4 ist eine erläuternde Darstellung einer Einsatzbedingung und
eines Steuersystems; Fig. 5 ist eine erläuternde Darstellung
eines Einsatzbeispiels und eines Steuersystems; Fig. 6 zeigt
Wellen, die Beispiele zum Steuern der Schwingung des Tisches der
Erfindung darstellen; Fig. 6-A ist eine erläuternde Darstellung
von Schwingungen, die bei der Erfindung erzielbar sind; Fig. 7-A,
7-B und 7-C zeigen Signalwellen, wenn der Funktionsgenerator
verwendet wird; Fig. 8 zeigt eine Linie, welche einen durch Fig.
7-A erzielten Weg des Tisches darstellt; Fig. 9 zeigt in einer
Draufsicht die andere Ausführungsform der Erfindung; Fig. 10 ist
eine Schnittansicht dieser Ausführungsform; Fig. 11 ist eine
graphische Darstellung, die veranschaulicht, wie sich die Kraft im
Vergleich zu einer herkömmlichen Methode ändert, wenn die
vorliegende Erfindung zum Aufbohren feiner Keramik verwendet wird; Fig.
12 zeigt in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen
einer geschliffenen Fläche und einer Kraft, wenn eine
Schleifbreite geändert wird, und Fig. 13 zeigt in einer graphischen
Darstellung den Schleifwirkungsgrad, wenn die vorliegende
Erfindung angewandt wird, um die Oberfläche der feinen Keramik zu
glätten.
AM MEISTEN BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM ZUR PRAKTIZIERUNG DER
ERFINDUNG
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Anhand der beigefügten Zeichnungen werden Ausführungsformen der
Erfindung erläutert. Figuren 1 bis 5 zeigen eine erste
Ausführungsform der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schwingenlassen zu
schleifender Werkstoffe ist insgesamt zusammengesetzt aus einem Hauptkörper
T und einem elektrischen Steuergerät C, wie in Fig. 3 zu sehen.
Die Figuren 1 und 2 zeigen den Hauptkörper T, wobei 1 ein Unterbau
ist, der aus einem Material hoher mechanischer Festigkeit wie z.B.
Stahl besteht. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Unterbau 1
kastenförmig mit einer offenen oberen Oberfläche und besteht aus
einem Boden 10 und einer Umfangswand 11. An einer Außenseite eines
unteren Teils des Unterbaus 1 ist ein Sitz 105 gebildet, wo der
Unterbau 1 über Befestigungslöcher 106, Befestigungsnuten 107,
Schrauben und Klemmelemente lösbar auf dem gewünschten
Bearbeitungsmaschinentisch 2 gehalten wird. Der Ausdruck
"Bearbeitungsmaschinentisch" umfaßt alle in der Bearbeitungsmaschine zu
installierenden Tische, die stationär, hin- und hergehend oder
drehbar sind, wie z.B. den Schleifmaschinentisch, den numerisch
gesteuerten Tisch oder den Tisch eines Bearbeitungszentrums.
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Mit 3 ist ein Tisch bezeichnet, der ein Werkstück W trägt und
unabhängig vom Unterbau 1 festhält,. Das Werkstück W wird auf dem
Tisch 3 mittels eines bekannten Halteintrumentes 30 wie eines
Schraubstockes, eines Magnetspannzeuges oder eines
Saugluftspannfutters festgehalten. Über den Raum zwischen dem Außenrand des
Tisches 3 und der Umfangswand 11 des Unterbaues 1 sind
wasserdichte Abdeckungen gespannt, um eine Bearbeitungsflüssigkeit
abzuhalten, ohne das Schwingen des Tisches 3 zu behindern; die
Abdeckung 16 besteht aus einem flexiblen Material wie Kautschuk
oder Kunststoff.
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Der Tisch 3 ist zentral bezüglich des Unterbaues 1 angeordnet, und
seine Abstützung gegenüber dem Unterbau in allen Richtungen X, Y
und Z erfolgt durch mehrere Gruppen piezoelektrischer Antriebe 401
bis 412.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform sind zwölf Antriebe
vorhanden, und wie in Fig. 1 bezüglich der Antriebe 401 bis 404 in der
X-Richtung zu erkennen ist, enthält eine Gruppe zwei Antriebe, die
gegenüberliegend in gleichem Abstand zwischen der linken bzw. der
rechten Innenfläche der Umfangswand 11 und dem Tisch 3 liegen. Von
den Antrieben 405 bis 408 für die Y-Richtung befinden sich jeweils
zwei in gleichem Abstand zwischen der oberen bzw. unteren
Innenfläche der Umfangswand 11 (in Fig. 1) und dem Tisch 3. Die
Antriebe 409 bis 412 der Z-Richtung sind vier, die gleichmäßig
beabstandet zwischen dem Boden 11 und der Unterseite des Tisches 3
angeordnet sind.
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Die Antriebe 401 bis 412 sind stark hinsichtlich der
Schwingungserzeugung und haben ausgezeichnete mechanische Festigkeit.
Geeignet ist eine Ausführungsform mit einer Eigenschaft. die ein
Schwingen im Außerresonanzbereich erlaubt. In der Praxis wird ein
laminiertes piezoelektrisches Element verwendet. Das laminierte
piezoelektrische Element ist in den Figuren 2-A und 2-B mit der
Bezugszahl 40 gezeigt, es ist dünn, z.B. nicht dicker als 0,1 mm
und ist aus einer Vielzahl piezoelektrisches scheibenförmiger
Keramikstücke 41 geschichtet, die in Dickenrichtung polarisiert
sind, so daß die Polarisationsrichtungen von Schicht zu Schicht
entgegengesetzt sind. Diese Elementsorte bewirkt eine große
Differenz bei kleiner Zündspannung, und ihr Ansprechvermögen für
die Verschiebung und ihre Temperaturstabilität sind vorzüglich. In
der Fig. 2-A ist 42 eine Isolierschicht, 43 eine positive
Zuleitung und 44 eine negative Zuleitung.
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Bei jedem der Antriebe 401 bis 412 sollte zumindest ein Ende in
der Ausdehnungsrichtung notwendigerweise fest mit dem Unterbau
verbunden sein und das andere Ende immer am Tisch 3 anliegen, ohne
sich beim Schwingen des Tisches davon zu lösen. Bei der in den
Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsform sind die Antriebe 401
bis 412 an ihren einen Enden in der Ausdehnungsrichtung mittels
eines starken Klebstoffes 21, z.B. der Epoxygruppe, mit der
Umfangswand 11 bzw. dem Boden 10 verbunden, und der Unterbau 1 ist
über Zugfedern 5, die Paare mit den Antrieben bilden, mit dem
Tisch 3 verbunden. Durch die Kraft der Feder 5 wird das Ende des
Antriebes an die Außenfläche des Tisches gekoppelt.
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Bei der in Fig. 2-A gezeigten Ausführungsform ist das den Antrieb
bildende laminierte piezoelektrische Element 40 zylindrisch und
mit einem Durchgriffsloch 45e versehen und an seinem Ende durch
den Klebstoff 21 mit dem Unterbau 1 verbunden. Korrespondierend
mit dem Durchgriffsloch 45 ist im Tisch 3 ein Mutterloch 300
gebildet, und der Unterbau 1 ist mit einem Durchgang 100
ausgebildet, der mit einem erweiterten Loch 101 in Verbindung steht. Das
Durchgriffsloch 45 ist natürlich mit einem Isoliermaterial
verkleidet. Eine Schraube 46 läuft vom erweiterten Loch 101 durch den
Durchgang 100 und das Durchgriffsloch 45 und greift an seinem mit
Gewinde versehenen Endabschnitt 460 in das Mutterloch 300.
Innerhalb des erweiterten Loches sitzt eine Feder 48 zwischen einem
Kopf 461 und einer Beilage 47, die sich am Boden des Loches
befindet und durch welche die Schraube 41 nach links vorgespannt
wird und ein Ende des Elementes 40 gegen die Außenfläche 301 des
Tisches 3 gedrückt wird, so daß ein Vordruck ausgeübt wird. Dieses
System hat den Vorteil, daß das Maß des Vordruckes durch Steuerung
der Einschraubtiefe der Schraube 46 leicht geändert werden kann.
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Für das laminierte Piezoelement kann ein Piezostapel des Langevin-
Typs verwendet werden. Bei diesem Typ sind, wie in Fig. 2-B zu
erkennen, die in Scheiben geschnittenen piezoelektrischen
Keramikstücke aufeinandergeschichtet, und die Schraube 46 greift durch
das im Zentrum gebildete Loch 45, so daß ein oberes und ein
unteres Ende mit einem vorbestimmten Vordruck festgehalten werden.
Bei Verwendung dieses Typs wird keine Feder benutzt, und der vom
einen Ende abstehende Gewindeabschnitt 460 wird in das Mutterloch
300 des Tisches 3 geschraubt, und der vom anderen Ende abstehende
Schraubenkopf 461 wird in ein Loch 102 im Unterbau 1 eingepaßt,
und die Befestigung erfolgt mittels eines Kelbstoffs 21. Die
Verschiebung des Tisches erfolgt dann durch Ausgleich zwischen der
Streckung der piezoelektrischen Keramik und der elastischen
Verformung der Mittelschraube 46a.
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Die Steuereinrichtung C schaltet nicht nur Tätigkeiten der
piezoelektrischen Antriebe 401 bis 412 ein und aus, sondern wählt die
Antriebe außerdem abhängig von den Arten, Bedingungen usw. der
Bearbeitung aus und zündet die ausgewählten Exemplare mit gleichen
oder verschiedenen Spannungen gleichzeitig oder zeitlich
verzögert. Die Steuereinrichtung C ist, wie in Fig. 3 gezeigt, mit
einem Leistungsverstärker 6 schnellen Typs, dargestellt durch eine
mindestens bipolare elektrische Quelle, einem Elektrobaustein-
Steuergerät 7 und einem Rechner 8 versehen.
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Das Elektrobaustein-Steuergerät 7 ist mit einem Verbinder 70 für
die piezoelektrischen Antriebe 401 bis 412, einem Verbinder 71 für
den Leistungsverstärker 6 und mit Schalteinrichtungen versehen.
Die Fig. 3 zeigt die Schalteinrichtung der Einfachheit halber als
einsufige Transistoren Tr1 bis Tr12. Was die Anschlüsse der
Verbinder der Fig. 3 anbetrifft, so korrespondiert mit dem
piezoelektrischen Antrieb 401, korrespondiert mit dem
piezoelektrischen Antrieb 402, und der letzte Anschluß
korrespondiert mit dem piezoelektrischen Antrieb 412. An der Basis der
Schalteinrichtung liegt ein Verbinder 72, der zum Eingeben des
Steuersignals dient und an den ein D/A-Wandler 81 des Rechners 8
angeschlossen ist (vgl. Figuren 4 und 5). An den Antrieben 401 bis
412 sind die positiven Pole (oder negativen Pole)
zusammengeschlossen, und die gemeinsamen Leitungen und die Leitungen (12)
anderer Pole werden durch die Kautschukbüchse 50 aus dem Unterbau
1 herausgeführt und mit dem Verbinder 70 verbunden, wie es in den
Figuren 1 und 2 gezeigt ist.
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Für den Rechner 8 wird z.B. ein Mikrocomputer oder ein
Personalcomputer verwendet, um eine vom Leistungsverstärker 6 abgegebene
Ausgangsspannung durch das Programm signalzusteuern, das im
Hauptkörper 80 untergebracht ist, der eine Zentraleinheit,
Speicher und andere Dinge enthält. Das heißt, die Ausgangsspannung
wird allen piezoelektrischen Antrieben 401 bis 412 oder speziellen
Exemplaren zugeteilt, und eine größe der Spannung wird gesteuert.
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Vorzugsweise ist ein Funktionsgenerator 9 mit der Eingangsseite
des Leistungsverstärkers 6 verbunden. Der Funktionsgenerator 9
steuert die Ausgangsfrequenz des Leistungsverstärkers 6 und
erzeugt verschiedene Variationen wie Sinuswellen, Sägezahnwellen
oder kurze Wellen. Wenn der Funktionsgenerator mitverwendet wird,
ist es möglich, die durch diese Mitverwendung erfolgende Steuerung
der Frequenz zu kombinieren mit einer Grobsteuerung der Frequenz
und des Spannungspegels durch den Rechner 8, so daß die
Flexibilität des Steuersignals für die Antriebe 401 bis 412 erhöht werden
kann.
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Zur praktischen Realisierung der vorliegenden Einrichtung ist es
wünschenswert, die Rückkopplung zu kontrollieren. Zu diesem Zweck
sind Schwingungswegdetektoren 31, z.B. Lagemeßgeräte vom
Wirbelstromtyp vorgesehen, die gemäß der Darstellung in den Figuren 1
und 2 zwischen dem Unterbau 1 und dem Tisch 3 eingebracht sind,
und zwar für die X- und die Y-Richtung zwischen jeweils zwei
piezoelektrischen Antrieben, und für die Z-Richtung in der Mitte
der vier piezoelektrischen Antriebe. Wie in den Figuren 4 und 5
gezeigt, ist der Schwingungswegdetektor 31 über den Verstärker 32
mit dem Eingang 82 des Rechners 8 verbunden. Wenn dieses
Instrument verwendet wird, werden die Schwingungsbewegung zwischen dem
Tisch 3 und dem unterbauseitigen Ende des Antriebes und eine
Antwortfrequenz im Prozessablauf gemessen, und hieraus werden vom
Rechner 8 Informationen errechnet, und die Zündspannung für die
Antriebe 401 bis 412 wird geändert. Somit ist es möglich, die
Schwingung in einer der Bearbeitung angemessenen Weise herbei
zuführen.
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Es ist zweckmäßig, gemäß der Darstellung in den Figuren 4 und 5
einen Schleifwiderstandsdetektor (Schleifkraftdetektor) 12 in Form
einer Kraftmeßdose als weiteres Rückkopplungslement zwischen der
unteren Fläche des Unterbaues 1 und dem Bearbeitungsmaschinentisch
2 vorzusehen. Dieser Schleifwiderstandsdetektor 12 ist an seinem
Ausgang über den Verstärker 13 mit einem Eingang 82 des Rechners 8
verbunden so daß es möglich ist, den optimalen piezoelektrischen
Antrieb auszuwählen und die Zündspannung abhängig vom Widerstand
(Kraft) zu steuern, der dem Werkstück W während der Bearbeitung
entgegengebracht wird.
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Die Fig. 5 zeigt die geeignete Steuerung zum Anwenden der
vorliegenden Einrichtung bei einer komplizierten Bearbeitung, z.B. bei
einer Entladungs-Bearbeitung oder einer elektrolytischen
Bearbeitung. Bei dieser Ausführungsform sind der Schleifstein 4 und die
Hauptwelle 4a durch ein Isoliermaterial 33 elektrisch voneinander
isoliert, ebenso wie das Werkstück W und eine
Befestigungseinrichtung 30 durch ein Isoliermaterial 34. Mit einem vom
Leistungsverstärker 6 abzweigenden Ausgang sind über einen
Polaritätswechselschalter 15 Zuleitungen für Kontaktbürsten 14a, 14b am
Schleifstein 4 und am Werkstück W verbunden.
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Die Figuren 9 und 10 zeigen eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, die vom einfachen Typ ist und eine Schwingung nur in Z-
Richtung herbeiführt, wobei der Unterbau 1 scheibenförmig und mit
einem Sitz 105 an seiner unteren Außenseite für den
Bearbeitungsmaschinentisch versehen ist, worin Befestigungslöcher 106 und
Befestigungsnuten 107 gebildet sind. Der Tisch 3 ist über dem
Unterbau 1 angeordnet und mit einer Platte 3a abgedeckt, die auch
weggelassen werden kann.
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Drei zylindrische piezoelektrische Antriebe 409 bis 411 in
gleichmäßig beabstandeter Anordnung sind mit ihren unteren Oberflächen
durch Klebstoff 21 an der oberen Oberfläche des Unterbaues 1
befestigt. Die obere Oberfläche der Antriebe ist in Kontakt mit
der unteren Oberfläche des Tisches 3, und der Vordruck für die
piezoelektrischen Antriebe 409 bis 411 wird durch das System von
Schraube 46 und Feder 48 hergestellt, wie es in Fig. 2-A gezeigt
ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform umschließt eine
wasserdichte Abdeckung 16 den oberen Außenumfang des Unterbaues 1, den
unteren Außenumfang des Tisches 3 und einen dazwischenliegenden
Raum und ist an seinen beiden Enden mit O-Ringen 160, 161
abgedichtet, um die piezoelektrischen Antriebe vor der
Bearbeitungsflüssigkeit zu schützen. In der Mitte des Unterbaues 1 ist ein
Schwingungswegdetektor 31 angeordnet, und am Boden des Unterbaues
1 ist eine Rückabdeckung 35 befestigt.
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Eine Steuereinrichtung für den in den Figuren 9 und 10 gezeigten
Körper ist in der Zeichnung weggelassen und wird auch nicht
beschrieben, weil sie die gleiche ist wie die in den Figuren 3 und
5 gezeigte.
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Bei der Ausführungsform nach den Figuren 1 bis 3 sind der Unterbau
1 und der Tisch im Grundriß rechteckig, sie können natürlich auch
kreisförmigen Grundriß haben. Die Anzahl der piezoelektrischen
Antriebe ist nicht auf 12 begrenzt. Das gleiche gilt für die
Ausführungsform nach den Figuren 9 und 10, und die Anzahl der
piezoelektrischen Antriebe kann dort auch 4 oder 5 betragen.
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Im folgenden seien der Gebrauch der vorliegenden Vorrichtung und
deren Betätigungen erläutert. Zum Bearbeiten wird die Vorrichtung
T auf dem gewünschten Bearbeitungsmaschinentisch oder den
Schleifwiderstandsdetektor 12 gesetzt und mit Hilfe de
Befestigungslöcher 106 und der Befestigungsnuten 107 des Sitzes 105 befestigt.
Wenn der Leistungsverstärker 6 nicht betätigt ist, wird die
Spannung für die piezoelektrischen Antriebe 401 bis 412 nicht
gezündet, und somit wird der das Werkstück W haltende Tisch 3
durch die Antriebe 401 bis 412 stillstehend auf dem Unterbau 1
getragen und funktioniert wie ein gewöhnlicher Werkstücktisch.
Daher wird der Bearbeitungsprozeß durchgeführt, indem der
rotierende Schleifstein 4 mit vorbestimmter Kraft gegen das Werkstück W
gedrückt wird und der Bearbeitungstisch 2 oder der Schleifstein 4
für den gewünschten Vorschub bewegt wird.
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Ist der Leistungsverstärker 6 betätigt, dann wird die
Treibspannung für die Antriebe 401 bis 412 über den elektrischen Baustein 7
gezündet, und die piezoelektrischen Elemente 401 bis 412 sinken.
Da dieses Sinken mechanisch auf den Tisch 3 übertragen wird,
schwingt der Tisch 3, und das Werkstück W wird ebenfalls
entsprechend bewegt.
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Gleichzeitig wird das Steuersignal vom Rechner 8 an das
Elektrobaustein-Steuergerät 7 gelegt. Dadurch werden die Amplitude und
die Richtung der Schwingung kontrolliert. Das heißt, die Amplitude
der Schwingung wird realisiert durch Senden des Steuersignals vom
Rechner 8 in Bezug auf den bestimmten Ausgang des
Leistungsverstärkers 6, und die Zündspannung der Antriebe 401 bis 412 ändert
sich. Die Schwingungsrichtung kann nach Verfügung bestimmt werden,
indem ein Signal gesendet wird, das aussagt, für welche Antriebe
401 bis 412 die Spannung vom Rechner 8 gezündet wird. Anders
ausgedrückt, wenn die Zündung den Antrieben 409 bis 412 für die Z-
Achsenrichtung aufgegeben wird, dann erfolgt die Schwingung in
einer normalen Schleifkraft, und wenn die Zündung den Antrieben
405 bis 408 für die Y-Achsenrichtung aufgegeben wird, dann erfolgt
die Schwingung in einer tangentialen Schleifkraft, und wenn die
Zündung den Antrieben 401 bis 404 für die X-Achsenrichtung
aufgegeben wird, dann erfolgt die Schwingung in seitlicher Richtung.
Wenn ferner die Zündung gleichzeitig den Antrieben für
verschiedene Richtungen aufgegeben wird, z.B. für die Z- und die X-
Richtung, dann entstehen komplizierte Schwingungen mit Komponenten
in mehr als zwei Richtungen.
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Jeweils mehrere piezoelektrische Antriebe bilden eine Gruppe in X-
Richtung, eine Gruppe in Y-Richtung und eine Gruppe in Z-Richtung.
Werden also die jeweils zur selben Gruppe gehörenden Antriebe
gleichzeitig gezündet, dann werden dem Tisch drei translatorische
Schwingungen mitgeteilt. Werden die betreffenden Antriebe
nacheinander mit gegenseitiger zeitlicher Verzögerung gezündet, dann
enthält das entstehende Schwingungsmuster eine Drehschwingung. Die
oben genannten Schwingungen können durch das vom Rechner 8
abgegebene Steuersignal gesteuert werden.
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Wenn die Frequenzen an den piezoelektrischen Antrieben in der
obigen Schwingungsrichtung und den Schwingungsmustern gewählt
werden, dann kann die Schwingungsart variabel gemacht werden
zwischen vertikaler Schwingung in Dickenrichtung und
Flächenschwingung.
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Für das Auslenkungssteuersystem gemäß der Erfindung gelten die
folgenden Beziehungen zwischen den Spannungspolaritäten, den
Verschiebungsrichtungen und den Drehrichtungen und den zu
zündenden Antrieben 401 bis 412:
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Verschiebung in der +X-Richtung
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Verschiebung in der +Y-Richtung
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Verschiebung in der +Z-Richtung
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Normaldrehung um die X-Achse
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Normaldrehung um die Y-Achse
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Normaldrehung um die Z-Achse
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Um den Tisch 3 zur Koordinate (x, y, z) zu bewegen, genügt es
also, die Spannung in den Proportionen
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für die piezoelektrischen Antriebe zu zünden.
Um den Tisch 23 auf (θx, θy, θz) zu drehen, genügt es, die
Spannung in folgenden Proportionen zu zünden:
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Zur Mischung dieser Verschiebungen und der Drehbewegung genügt es,
die Spannung in folgenden Proportionen zu zünden:
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Bezüglich der die piezoelektrischen Antriebe 401 bis 412 zündenden
Spannung ist die Steuerberkeit besser, wenn der Tisch 3 zur (+)-
Seite oder zur (-)-Seite verschoben wird und in Schwingungen
hauptsächlich um die Verschiebungsspannung versetzt wird, als wenn
man ihn zwischen + und - schwingen läßt. In diesem Fall bemißt
sich, wenn Vs die Verschiebungsspannung ist, die Zündspannung
folgendermaßen:
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Um die translatorische Bewegung im schwingenden Tisch
herzustellen, also einen ovalen Weg in der XY-Ebene zu beschreiben (großer
Durchmesser A, kleiner Durchmesser b), genügt es, die Spannung als
Zeitfunktion
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x = A coswt, y = B sinwt (mit w = 2π/T, wobei T die Periode eines
Umlaufes ist)
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zu zünden. Wenn (x, y, z, θx, θy, θz) als die Zeitfunktion gegeben
sind, ist es möglich, jede Art von Schwingungsmustern innerhalb
der Auslenkungen der piezoelektrischen Antriebe zu bilden. Das
Steuersignal als die Funktionen der Zeit kann leicht gebildet
werden, indem man sie als Software im Rechner 8 bereitstellt.
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Wenn der Funktionsgenerator 9 mitverwendet wird, das
Ausgangssignal auf Gleichstrompegel festgelegt wird, und wenn das Signal des
Rechners 8 gebildet wird, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, beschreibt
der Tisch 3 den ovalen Weg innerhalb der XY-Ebene. Werden die
Signalfrequenz und die Welle des Funktionsgenerators 9 variiert,
dann lassen sich leicht komplizierte Wellen erzielen, wie sie in
den Figuren 7-A bis 7-C gezeigt sind. So wird der Tisch 3
veranlaßt, durch Herumschwingen der komplizierten Welle einen ovalen
Weg wie Fig. 8 zu beschreiben.
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Wenn außerdem die Vorrichtung T und der
Bearbeitungswiderstandsdetektor 12 kombiniert werden, dann ist es möglich, durch das
Rückkopplungssystem die Schwingung in flexibler Weise abhängig vom
Schleifwiderstand zu gestalten.
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Wenn z.B. der Rechner 8 so programmiert ist, daß die
Schwingungsamplitude bei größerwerdendem Schleifwiderstand erhöht wird, dann
läßt sich das Maß des Nichtschleifens vermindern, das verursacht
wird durch das Ausweichen vom Schleifstein oder vom Werkstück
infolge des schleifwiderstandes. Durch Fühlen von Änderungen des
Schleifwiderstandes am Beginn oder am Ende des Spanvoranges kann
das Werkstück an seiner Kante abgefast werden, und es ist möglich,
ein leichtfertig verursachtes Abstoßen des harten und spröden
Materials zu vermeiden. Die Änderung des Schleifwiderstandes
während der Bearbeitung ist bei einem Oberflächenglättungsprozeß,
wo sich die geschliffene Fläche ändert, wie etwa bei Verwendung
eines Topfschleifkörpers, effektiver als bei Verwendung eines
geraden Schleifkörpers.
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Beim Beispiel nach Fig. 5 kann der die Antriebsquelle für den
Tisch 3 bildende Leistungsverstärker auch als Energiequelle für
Entladungs- bzw. Elektrolytbehandlung verwendet werden. So werden
Einrichtungs- und Bearbeitungskosten eingespart, indem man keine
zusätzliche spezielle elektrische Versorgungseinheit benötigt.
Außerdem ist es möglich, die Verschiebung des Tisches 3, die
Einflüsse der Entladung bzw. der elektrolytischen Wirkung zwischen
dem Schleifstein und dem Werkstück oder synergistische Effekte zu
synchronisieren, die gewöhnlich nicht realisiert werden können.
Ein Entladungsschleifen und ein elektrolytisches Schleifen werden
abhängig von Bearbeitungsflüssigkeiten ausgewählt, die von einer
Kühlmitteldüse 17 geliefert werden.
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Bei diesem Verfahren kann die Polarität der zwischen dem
Schleifstein und dem Werkstück zu zündenden Spannung leicht durch den
Polaritätswechselschalter 15 umgeschaltet werden, und es ist
möglich, die Umschaltung automatisch aufgrund eines Befehls vom
Rechner 8 durchzuführen. So kann durch (+) auf der Werkstückseite
und (-) auf der Schleifsteinseite das Werkstück mit hohem
Wirkungsgrad bearbeitet werden, und durch (-) auf der
Werkstückseite und (+) auf der Schleifsteinseite kann der Schleifstein mit
hohem Wirkungsgrad abgerichtet werden. Wenn der Schleifwiderstand
trotz der komplizierten Steuerung des Tisches 3 nicht vermindert
wird, kann im Verlauf des Prozesses ohne dessen Unterbrechung eine
Sequenz für das automatische Abrichten zusammengestellt werden,
indem man ein automatisches Umschalten der Polarität der
Zündspannung zwischen Schleifstein und Werkstück vorprogrammiert.
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Mit der Erfindung konnten hervorstechende spanende Bearbeitungen
erzielt werden, wie nachstehend an Beispielen aufgezeigt.
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I. Da der Tisch verschiedene Schwingungen durchführen kann,
werden feine Spaltungen am Werkstück mehr beschleunigt als
beim Schwingen des Werkzeuges, und da der Schleifwiderstand
vermindert ist, wird das Bearbeitungsmaß erhöht und die
Spanabnahme erfolgt mit hohem Wirkungsgrad.
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II. Durch das Schwingen erfolgt ein immerwährendes Abrichten des
Schleifsteins, und die Verkleisterung des Schleifsteins kann
verhindert oder gemäßigt werden.
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III. Es lassen sich sehr genaue und komplizierte Formen
bearbeiten, weil verschiedene Schwingungsrichtungen möglich sind
und die Freiheit der Muster hoch ist, die Steuerung einfach
ist und der Schleifstein keinen Beschränkungen hinsichtlich
Form oder Größe unterliegt.
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IV. Wegen der großen Freiheit der Schwingungen ist es einfach,
das Zerspanungsmaß des Schleifsteins in einem der Natur des
Werkstückes eigentümlichen Bereich plastischer Zerstörung zu
bestimmen, und es ist möglich, eine gewünschte Rauhigkeit
gespanter Oberflächen wie geschliffener Oberflächen zu
erzielen.
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V. Der Schleifstein unterliegt keinen Beschränkungen, und wenn
die Erfindung bei einem Schleifprozeß mit freischleifenden
Pulvern verwendet wird, können die feinen Schwingungen
freischleifender Pulver durch die Schwingung des bearbeiteten
Werkstückes erreicht werden, und es ist möglich, eine
zufriedenstellende Schleifwirkung auf der geschliffenen
Oberfläche und das maßvolle Abrichten des Schleifsteins zu
erzielen.
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VI. Wenn die Erfindung bei einem Schleifprozeß angewendet wird,
der in Verbindung mit einem Entladungsprozeß arbeitet, ist
es möglich, die Entladung zwischen dem Werkstück und dem
Schleifstein wirksam zu beschleunigen, und weil die
Entladung gleichförmig gemacht wird, ist es möglich, die
Schleifwirkung durch Entladung auf der geschliffenen Fläche und den
maßvollen Abrichteffekt am Schleifstein zu bekommen.
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VII. Wenn die Erfindung bei einem Schleifprozeß abgewendet wird,
der in Vebindung mit Elektrolyse arbeitet, ist es möglich,
die maßvolle Abrichtwirkung am Schleifstein und die
Schleifwirkung auf der geschliffenen Oberfläche zu erzielen, weil
das Schwingen das Eindringen des Elektrolytes und sein
Fließvermögen beschleunigt.
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VIII. Trotz Erreichbarkeit der oben erwähnten Merkmale ist der
Aufbau der Vorrichtung einfach, und es genügen
Schwingungsfrequenzen von nicht mehr als 1500 Hz, insbesondere im
Bereich von 150 bis 500 Hz. Somit hat die Vorrichtung
geringe Abmessung, ist leicht zu handhaben und
wirtschaftlich.
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Des weiteren seien Herstellungs- und Anwendungsbeispiele
betrachtet.
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Die piezoelektrischen Antriebe waren zylinderförmige geschichtete
Elemente mit einem Außendurchmesser von 18,4 mm∅, einem
Innendurchmesser von 7 mm∅ und einer Höhe von 18 mm, bestehend aus
einem Laminat von 170 Blättern aus Bleizirkonattitanat-Keramik von
jeweils 100 um Dicke. Die Schwingungen von 16um wurden mit der
Zündspannung von 150 V herbeigeführt, wobei die Druckkraft 6000
kg/cm², die Zugstärke 100 kg/cm² und die Eigenresonanzfrequenz 67
KHz betrug. Der Elastizitätsmodul beim Zünden von 150 V betrug 5,6
x 10¹&sup0; N/m². Die erzeugte Kraft betrug 800 kp.
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Die zwölf piezoelektrischen Antriebe sind zwischen dem Unterbau
und dem Tisch angeordnet, wie es in den Figuren 1 und 2 zu
erkennen ist, und sind mit dem Unterbau an ihrem Ende mittels Epoxyharz
verbunden und mit dem Tisch an ihrem Ende durch die in Fig. 2-A
gezeigte Maßnahme. Der Tisch hat eine Breite und eine Länge von
jeweils 100 mm und ist 20 mm dick. Die Gesamthöhe der Vorrichtung
beträgt 80 mm.
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Die Schleifmaschine war ein Portal-Bearbeitungszentrum, auf dessen
Tisch die Vorrichtung über die Kraftmeßdose gesetzt wurde. Der
Schleifstein bestand aus Diamant in Gußeisenfaserverbunddiamant
(Aufbohrer, ∅ 10 mm, Nr. 60/80). Elektrische Leistungsquelle für
das Schwingenlassen des Tisches war ein Hochgeschwindigkeits-
Funktionssynthesyzer mit Leistungsverstärker, und das Signal der
Kraftmeßdose wurde in den Personalcomputer gegeben.
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Das Bearbeitungsexperiment wurde an einem
Aluminiumoxid-Keramikstück (50 x 50 x 200 mm und Hv = 1700) in der vertikalen
Schneidrichtung (10 mm) durchgeführt. Die Schwingung wurde in der Z-
Richtung mitgeteilt, und zwar durch die am meisten vereinfachte
Methode der gleichzeitigen Ansteuerung der vier piezoelektrischen
Antriebe. Die Umfangsgeschwindigkeit betrug 200 m/min, der
Vorschub betrug 1 mm/min. Zum Vergleich wurde die herkömmliche
Methode, bei welcher dem Tisch keine Schwingung mitgeteilt wird,
unter denselben Bedingungen durchgeführt, und die Ergebnisse sind
in Fig. 11 gezeigt.
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Die Kraft in der vertikalen Richtung betrug bei der herkömmlichen
Methode 100 kp, jedoch gemäß der Erfindung, bei welcher die
Zündspannung 150 V, die Frequenz 200 Hz und die Schwingung 15um
Spitze-Spitze in Sinusform betrug, war die Kraft gleich 30 kP, das
heißt auf etwa 1/3 gegenüber der herkömmlichen Methode reduziert,
weil hier das Abspanen des Werkstückes durch die starke Schwingung
der piezoelektrischen Antriebe gefördert wurde.
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Die Beziehung zwischen der Schleiffläche und der vertikalen Kraft
wurde bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 2 m/min studiert,
indem die Schleifbreite des Aufbohrens geändert wurde, und die
Ergebnisse sind in Fig. 12 gezeigt, wo 13,7 mm² der Schleiffläche
das Schleifen auf einem Viertel der Fläche war, 27,4 mm² das
Schleifen auf einer halben Fläche war und 54,8 mm² das Schleifen
auf der ganzen Fläche war. Bei dem herkömmlichen Verfahren betrug
die Kraft beim Schleifen auf der ganzen Fläche mehr als 110 kp,
während beim Vibrations-Aufbohren gemäß der Erfindung die Kraft
auf jede der Schleifflächen auf 1/2 bis 1/3 der herkömmlichen
Methode eingestellt wurde.
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Die Vorschubgeschwindigkeit und die Kraft beim Aufbohren wurden
untersucht. Bei der herkömmlichen Methode betrug die
Vorschubgeschwindigkeit 2 mm/min maximal, und das Werkstück wurde bei 4
mm/min gebrochen. Bei der Erfindung konnte das Aufbohren stabil
mit 45 kp durchgeführt werden, trotz der hohen Geschwindigkeit von
10 mm/min.
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Die Haltbarkeit des Tisches wurde untersucht. Der Tisch wurde zum
Schwingen gebracht, ohne daß irgendwelche Probleme entstanden,
trotz einer Kraft von 250 kp in der vertikalen Richtung und
ständiger Schwingung über 8 Stunden bei 2000 Hz.
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Angesichts der oben erwähnten Haltbarkeit des Tisches wurde eine
Glättungsbearbeitung am selben Werkstück mit der druckgebenden
Methode durchgeführt. Der Schleifstein war ein
Gußeisenfaserverbundschleifstein (geschnittener Schleifstein, ∅200, Korngröße Nr.
4000), die Umfangsgeschwindigkeit betrug 569 m/min, und die
Schwingungsbedingungen waren dieselben wie bei dem oben
beschriebenen Aufbohren. Die Resultate sind in der Fig. 13 gezeigt. Dank
der vorliegenden Erfindung konnte ein Schleifwirkungsgrad erreicht
werden, der mehr als doppelt so hoch wie bei der herkömmlichen
Methode ist, weil der Sprödbruch der Keramik gefördert wurde durch
die Einwirkung der Schwingung und die stärkere Wirkung des
Druckes.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Die Vorrichtung zum Schwingenlassen des zu bearbeitenden
Werkstückes ist anwendbar bei spröden Werkstoffen, wie z.B. feiner
Keramik, Hartmetallegierungen und ferner bei allen Prozessen, die
Schleifpulver zum Ferrit, Silizium usw. verwenden. Die mit den
Schleifpulvern arbeitenden Verfahren umfassen Planschleifen,
Rundschleifen, Innenschleifen, Reibschleifen, Freischleifen,
Nutenschleifen, Gewindeschleifen und Trennschleifen.