Eine neue Methode zur Bearbeitung von skulpturierten Oberflächen durch Anwendung des elliptischen Ultraschall-Vibrationsschneidens

Abstrakt:

  Es wird ein neues Bearbeitungsverfahren vorgeschlagen, um durch Anwenden eines elliptischen Vibrationsschneidens geformte Spiegelflächen zu erhalten. Das Werkzeug wird im Gegensatz zu herkömmlichen rotierenden Schaftfräsern elliptisch vibriert und wird dabei entlang der skulpturierten Oberfläche geführtDie Drehposition des Werkzeugs wird in dem vorgeschlagenen Verfahren entsprechend der skulpturierten Oberflächenorientierung gesteuert. Um die plastische Oberflächenbearbeitung von gehärtetem Werkzeugstahl mit Einkristall-Diamantwerkzeug zu realisieren,es werden spezielle Komponenten benötigt, d. h. ein Vibrationssystem, das eine beliebige elliptische Ultraschallschwingung im 3D-Raum erzeugen kann, eine 4-Achsen-gesteuerte Präzisionswerkzeugmaschine und ein spezielles CAM-System. Die elliptische SchwingungEs wird ein System entwickelt, das aus einem 3-DOF-Ultraschall-Vibrationswerkzeug und einem Vibrationsregler besteht. Das Vibrationswerkzeug kann die willkürliche elliptische Vibration bei 34,4 kHz erzeugen, indem zwei Biegeschwingungen und eine Längsschwingung kombiniert werdenVibration. Die Vibrationssteuerung wird hergestellt, um die elliptische Vibration so zu halten, dass sie einen gewünschten Ort im 3D-Raum hat. Die 4-Achsen-gesteuerte Präzisionswerkzeugmaschine, bestehend aus Luftspindel, Präzisionslinearführungen,Präzisions-Kugelgewindetriebe usw. entwickelt. Es wird handelsübliche CAM-Software verwendet, und ein spezieller Postprozessor wird entwickelt, um Werkzeugwege für die 4-Achsen-Steuerungsbearbeitung von skulpturierten Oberflächen zu erzeugen. Der entwickelte UltraschallDas elliptische Vibrationsbearbeitungssystem wird auf das Präzisionsdiamantschneiden von gehärtetem Gesenkstahl angewendet, und es wird bestätigt, dass eine Spiegeloberflächenbearbeitung mit einer Oberflächenrauheit von weniger als 0,28 Pm Rz für eine sphärische Oberfläche realisiert werden kannBearbeitung von gehärtetem Werkzeugstahl.

1. EINLEITUNG

  Gehärteter Stahl für Gesenke und Formen wird im Allgemeinen durch Kugelfräsen, Schleifen oder Funkenerosion bearbeitet [1]. Anschließend wird poliert, da in vielen Fällen eine Spiegeloberfläche erforderlich ist. Das Polieren ist jedochDies ist ein kostspieliger und zeitaufwändiger Prozess, der die Bearbeitungsgenauigkeit verringert und nicht geeignet ist, um Mikrostrukturen zu bearbeiten.

  Auf der anderen Seite haben die Autoren ein neues Schneideverfahren namens elliptisches Vibrationsschneiden [2-7] entwickelt, mit dem die Bearbeitung von schwer zu schneidenden Materialien, einschließlich gehärtetem Gesenkstahl, mit Einkristall mit Spiegeloberflächen ausgeführt werden kannDiamantwerkzeuge. Eines der nächsten Ziele ist die Entwicklung einesPräzisionsbearbeitungszentrum, das die geformten Spiegelflächen ohne Polieren erhält, indem der elliptische Vibrationsschnitt angewendet wird.

  In der vorliegenden Forschung wird ein neues Verfahren vorgeschlagen, das vorteilhaft ist, um die geformten Oberflächen durch elliptisches Vibrationsschneiden zu erhalten. Ein neues elliptisches Ultraschall-Vibrationswerkzeug mit 3 Freiheitsgraden (DOF) und eine PräzisionsmaschineWerkzeug für das vorgeschlagene Bearbeitungsverfahren entwickelt, und es wird für die Spiegeloberflächenbearbeitung von gehärtetem Gesenkstahl verwendet.

2.VORSTELLUNG EINER NEUEN METHODE ZUR VERARBEITUNG VON GERINGELTEN OBERFLÄCHEN

2.1Elliptischer Vibrationsschneidprozess

  1 zeigt eine schematische Darstellung eines elliptischen Vibrationsschneidprozesses. Das Werkzeug wird elliptisch vibriert und gleichzeitig in der nominalen Schnittrichtung relativ zum Werkstück zugeführt, so dass der Span entstehtintermittierend und in jedem Vibrationszyklus herausgezogen. Da die Reibung zwischen dem Span und der Werkzeugspanfläche umgekehrt wird, wird der Scherwinkel erhöht und folglich die Schneidkraft und die Schneckenergie verringertbedeutend.

2.2Elliptisches Vibrationsschneiden geformter Oberflächen

  Geformte Oberflächen aus gehärtetem Gesenkstahl werden im Allgemeinen durch Fräsen mit Kugelenden bearbeitet, wie in 2 (a) gezeigt, und die rauen Oberflächen werden anschließend poliert, wenn Spiegeloberflächen erforderlich sind. Die elliptische UltraschallvibrationSchneiden wird in der vorliegenden Forschung angewendet, um den Polierprozess zu eliminieren. Fig. 2 (b) zeigt das vorgeschlagene Bearbeitungsverfahren. Das Werkzeug wird im Gegensatz zu herkömmlichen rotierenden Schaftfräsern elliptisch in Vibration versetzt und entlang des Werkzeugs geführtskulpturierte Oberfläche, während die Rotationsposition des Werkzeugs entsprechend der Orientierung der skulpturierten Oberfläche genau kontrolliert wird. Somit erfordert das vorgeschlagene Verfahren eine Präzisionswerkzeugmaschine mit mindestens 4 Achsen, d. H. X, Y, Z undC, um die modellierten Oberflächen zu bearbeiten.

  Beide Schneidvorgänge sind intermittierend, aber die Frequenz ist viel höher und der Radius beim elliptischen Vibrationsschneiden ist viel kleiner als in 2. Diese Unterschiede ermöglichen die Spiegeloberflächenbearbeitung mit Diamantwerkzeugenwie in den vorherigen Veröffentlichungen berichtet [4-6].

  Das vibrierte Werkzeug kann ebenso wie die Schaftfräser gedreht werden. Ein solches Vibrationsfräsen wird jedoch als überflüssig angesehen, da das Vibrationsschneiden ein intermittierender Prozess für sich ist. Das vorliegende Verfahren ist vorteilhafter fürOberflächenrauheit, Standzeit und Effizienz, da der trochoide Weg beim Fräsen die Oberflächenrauheit und unnötigen Luftschnitt erhöht.

  Die konventionellen elliptischen Ultraschallvibratoren erzeugendie elliptische Vibration in festen Ebenen, die ungefähr senkrecht zu den Vibratorachsen liegen [3-7]. Somit ist ein neues elliptisches 3-DOF-Vibrationswerkzeug, das eine beliebige elliptische Ultraschallschwingung im 3D-Raum erzeugen kannerwünscht, so dass eine Vielzahl von skulpturierten Oberflächen bearbeitet werden kann. Außerdem sind eine Präzisionswerkzeugmaschine und ein spezieller Postprozessor für CAM erforderlich, um die vorgeschlagene Bearbeitung zu realisieren.

3. ENTWICKLUNG EINES 3 DOF-ULTRASONISCHEN VIBRATIONSSYSTEMS

  Das herkömmliche elliptische Vibrationswerkzeug [3-5] wurde durch die Kombination zweier Biegeschwingungen entwickelt. Die Längsschwingung wird hier weiter kombiniert, um eine beliebige elliptische Schwingung im 3D-Raum zu erzeugen, siehe Abb. 3. Das DesignDas Werkzeug verwendet den vierten resonanten Modus der Biegeschwingung in U- und V-Richtung und den zweiten resonanten Modus der Längsschwingung in Z-Richtung.

  Die Frequenzen und Knotenpositionen dieser beiden Resonanzmoden sind im Allgemeinen unterschiedlich, und daher sollte die Vibratorform so gestaltet sein, dass ihre Frequenzen und Knotenpositionen gleichzeitig nahe beieinander liegen. Zuerst der 2.Der Resonanzmodus der Längsschwingung wurde so gewählt, dass der Vibrator zwei Knoten hat und an den beiden Knotenpositionen starr abgestützt werden kann. Als nächstes wurde der vierte resonante Modus der Biegungsvibration gewählt, weil zwei der KnotenDie Positionen liegen relativ nahe an den longitudinalen. Die Resonanzfrequenzen und die Knotenpositionen wurden durch Herstellen der abgestuften und sich verjüngenden Abschnitte (siehe Fig. 3) und Ändern ihrer Abmessungen eingestellt. Dieses Design wurde unterstützt vonComputersimulationen. Sie wurden durch die Euler-Bernoulli-Balkenanalyse grob eingestellt, und dann wurde die endgültige Form unter Verwendung der FEM-Analyse bestimmt, wie in Fig. 4 gezeigt4

  Die Biegeschwingungen werden durch die in Fig. 3 gezeigten vier piezoelektrischen Platten (PZTs) angeregt. Die linken und rechten PZTs werden mit einer Phasenverschiebung von 180 Grad gedehnt und zusammengezogen, um den Vibrator in V-Richtung zu biegen. Die Front undbacks werden auf dieselbe Weise verwendet, um sie in U-Richtung zu biegen. Die Längsschwingung wird angeregt, indem die anderen vier PZTs mit der gleichen Phase verwendet werden. Diese drei gerichteten Vibrationen werden von den kleinen PZT-Sensoren erfasst undDiese Signale werden zur Entfernung von Übersprechen, zur Rückkopplungssteuerung von Schwingungsamplituden und Phasendifferenzen sowie zum Resonanzlauf verwendet [5]. Details des für das 3-DOF-Vibrationswerkzeug entwickelten Steuerungssystems werden in der Übersicht weggelassenvorliegende Arbeit.

  Es wird empfohlen, beim elliptischen Ultraschall-Vibrationsschneiden die elliptischen Vibrationen in der Ebene einschließlich der Schneidrichtung und in etwa der Spanflussrichtung anzuwenden [2,3,7]. Somit wird die Vibration hier in der Ebene angelegtd. h. U-Richtung, und die Richtung, die von der Vibratorachse geneigt ist, wie durch den roten Pfeil in Fig. 3 gezeigt, die ungefähr die durchschnittliche Spanflußrichtung in dem bearbeiteten Winkelbereich ist.

  Abbildung 5 zeigt das entwickelte 3-DOF-Ultraschall-Vibrationswerkzeug mit einer Einkristall-Diamantwerkzeugspitze. Die Resonanzfrequenzen sind auf 34,4 kHz eingestellt, und das entwickelte System kann einen beliebigen Ort elliptischer Vibration erzeugeneine beliebige Ebene im 3D-Raum. Das MaximumDie Amplituden betragen 30 Pmp-p in U- und V-Richtung und 24 Pmp-p in Z-Richtung, was 195 bzw. 156 m / min entspricht.

4. ENTWICKLUNG EINES ELLIPTISCHEN VIBRATIONSSCHNEIDSYSTEMS

  Für das vorgeschlagene Bearbeitungsverfahren wurde eine Präzisionswerkzeugmaschine (siehe Abb. 6) entwickelt, die auf einem kommerziellen Bearbeitungszentrum basiert. Das entwickelte 3-DOF-Vibrationswerkzeug ist in der C-Achsspindel montiert und mit dem Controller und verbundendie Leistungsverstärker. Da sie durch elektrische Leitungen miteinander verbunden sind, kann die C-Achse nicht unendlich gedreht werden. Das Werkzeug wird auf jeder Z-Ebene entlang der skulpturierten Oberfläche geführt und entsprechend der Ausrichtung der Schnittfläche in gedrehtvorgeschlagenes Verfahren, wie in Fig. 2 (b) gezeigt. Daher wird die C-Achse gegenläufig gedreht, um die Drähte nach jeder Drehung in der gegenwärtigen Forschungsphase aufzuwickeln. Die Drähte werden in der nächsten Stufe durch Schleifringe oder Transformatoren ersetzt.

  Eine maximale Oberflächenrauheit von weniger als etwa 100 nm ist im Allgemeinen für die Spiegeloberflächenbearbeitung erforderlich. Bewegungsfehler der Werkzeugmaschine sollten daher weniger als etwa 100 nm betragen, einschließlich der unerwünschten Vibration zwischen dem Werkzeug und dem WerkzeugWerkstück durch Öl- / Luftpumpen, Lüfter usw. Durch Verwendung einer Luftspindel für die C-Achse wird der Drehbewegungsfehler in der X-Richtung auf etwa 20 nm und in der Y-Richtung im nicht wiederholbaren Auslauf auf etwa 80 nm beschränkt(NRRO), wie in Fig. 7 gezeigt. Diese wurden bewertet, indem eine Meisterkugel an der Werkzeugspindel befestigt und ihre radialen Verschiebungen mit auf dem Werkstücktisch befestigten kapazitiven Sensoren gemessen wurden. Präzisions-Kugelgewindetriebe mit kleiner Drehmomentwelligkeit undPräzisions-Linearrollenführungen werden für die X-, Y- und Z-Achse eingesetzt. Abbildung 8 zeigt zum Beispiel die linearen Bewegungsfehler des X-Achsen-Vorschubtisches. Sie wurden durch Fixieren einer geraden Kante auf dem Zuführtisch und Messen gemessenseine Verschiebungen mit den an der Spindel befestigten kapazitiven Sensoren. Wie in der Abbildung gezeigt, ist die Schwankung der Bewegung bei einer großen Steigung von 10 mm relativ groß, was nahezu der Steigung der Kugelumlaufspindel und auch einer entsprichtDrehung der in den Linearführungen verwendeten Rollen. Die kleineren Teilungskomponenten der Bewegungsfehler, die die Qualität der Spiegeloberfläche beeinflussen, liegen jedoch weit unter 100 nm. Diese Fehlerbewegungen der Spindel und der Vorschubtische umfassendie unerwünschte Vibration zwischen der Werkzeugspindel und dem Werkstücktisch, da beide relativ zwischen der Spindel und dem Tisch gemessen wurden.

  Es wird eine kommerzielle CAM-Software verwendet, die CL-Daten und Normalvektoren aus CAD-Daten an die Schnittfläche ausgibt. Hier wird ein spezieller Postprozessor entwickelt, um die Normalenvektoren auf die Drehwinkel der C-Achse zu transformierenDer Spanwinkel des Werkzeugs wird bei jedem Schneiden auf Z-Ebene konstant gehalten, während sich die Schneidrichtung entlang der Kurvenbahn ändert.

5. EXPERIMENTE BEARBEITEN

Es wurden maschinelle Experimente durchgeführt, um die grundlegende Leistungsfähigkeit des entwickelten Systems zu untersuchen. Planungsversuch wurde zuerst durchgeführt, da die grundlegende Leistung des Bearbeitungssystems deutlich auf einer ebenen Oberfläche erscheint. Dann eine KugelformDie Form wurde mit dem vorgeschlagenen Bearbeitungsverfahren unter Verwendung der 4-Achsen-Steuerung bearbeitet. Als Werkstückmaterial wird gehärteter Gesenkstahl mit einer Härte von HRC54 oder 40 verwendet und mit Einkristall-Diamantwerkzeugen geschnitten. Die beiden Versuche warenwird nur durch das elliptische Vibrationsschneiden durchgeführt, da bekannt ist, dass Stahl nicht mit dem gewöhnlichen Diamantschneiden bearbeitet werden kann. Die Bearbeitungsbedingungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

  Das Ergebnis des Hobelversuchs ist in den Fig. 3 und 4 gezeigt. 9-13. Die Schnittfläche war bei dieser Bearbeitung hier um 38,7 Grad um die X-Achse geneigt, so dass alle X-, Y- und Z-Achsen an der Operation beteiligt sind. Wie in Fig. 9 gezeigt, ist ein SpiegelDie Oberfläche wird durch das vorliegende Verfahren erfolgreich erhalten. 10 zeigt eine Fotografie der Schnittfläche, die mit einem Differentialinterferenzmikroskop aufgenommen wurde. Die Vorschubmarken werden kaum beobachtet, deren Steigung der entsprichtVorschub von 15 Pm. Die anderen Markierungen in Schnittrichtung erscheinen deutlich mit einem Abstand von etwa 2,5 & mgr; m. Der elliptische Vibrationsschneidprozess verursacht eine kleine geometrische Welligkeitin Schnittrichtung wie in Fig. 2 (b) gezeigt, aber sein Abstand und Höhe sollten unter den vorliegenden Bedingungen theoretisch 0,48 um und 5,3 nm betragen. Es wird angenommen, dass diese Markierungen durch den 1. Resonanzmodus von verursacht wurdenBiegeschwingung des Vibrators, dessen Frequenz 6,5 kHz mit der der Markierungen übereinstimmt. Abbildung 11 zeigt Profileder Schnittfläche in Schnitt- und Vorschubrichtung gemessen. Sie zeigen, dass die Rauheit aufgrund der Vorschubmarken und der anderen Markierungen etwa 50 nm beträgt und dass die maximale Rauheit von etwa 150 nm Rz ohne Polieren erhalten wird.

  Fig. 12 zeigt den sphärischen Stahlspiegel, der mit dem vorgeschlagenen Verfahren fertiggestellt wurde. Das Ergebnis zeigt, dass gekrümmte Spiegelflächen aus gehärtetem Gesenkstahl durch das vorgeschlagene elliptische Vibrationsschneiden mit der 4-Achsen-Steuerung erhalten werden können.

  Fig. 13 zeigt Oberflächenprofile, die an der Position gemessen wurden, an der der Normalvektor mit dem am oberen Ende der Kugel 30 Grad bildet. Die maximale Rauheit von etwa 280 nm Rz wird für die sphärische Oberfläche erreicht, wie in gezeigtZahl.

6. Schlussfolgerung

  Das neue Verfahren wurde vorgeschlagen, um geformte Spiegelflächen aus gehärtetem Gesenkstahl unter Verwendung der elliptischen Vibrationsschneidtechnologie zu bearbeiten. Das 3-DOF-Ultraschall-Vibrationssystem, das eine Schlüsselkomponente für die Realisierung des istVorgeschlagene Zerspanung, die Präzisionswerkzeugmaschine und der Postprozessor für das CAM wurden entwickelt, und die flachen und sphärischen Stahlspiegel wurden mit dem entwickelten System erfolgreich erhalten. Die Ergebnisse bestätigen die Gültigkeit des VorschlagsMethode und das entwickelte System. Es wird erwartet, dass die skulpturierte Spiegeloberflächenbearbeitung von gehärtetem Gesenkstahl bald durch das vorgeschlagene Verfahren realisiert wird.

7.ANGEBOTE

  Die Autoren bedanken sich herzlich bei A.L.M.T.Diamond Corp., Honda Electronics Co., Ltd., Sansyu Finetool Co., Ltd. und Echo Electronics Co., Ltd. für ihre Unterstützung und Ratschläge sowie einen Studenten A. NakamuraHilfe. Die Forschung wurde vom Chubu Bureau des japanischen Ministeriums für Wirtschaft, Handel und Industrie als regionales F & E-Konsortiumsprojekt finanziell unterstützt.