Een nieuwe methode om gebeeldhouwde oppervlakken te bewerken door ultrasoon elliptisch trilsnijden toe te passen

Abstract:

  Een nieuwe verspanende methode wordt voorgesteld om gebeeldhouwde spiegeloppervlakken te verkrijgen door elliptisch trillingsknipsel toe te passen. Het gereedschap wordt elliptisch getrild, in tegenstelling tot conventionele roterende vingerfrezen, en wordt gevoed langs het gebeeldhouwde oppervlak terwijlde rotatiepositie van het gereedschap wordt geregeld in overeenstemming met de gebeeldhouwde oppervlakoriëntatie in de voorgestelde werkwijze. Om de gebeeldhouwde oppervlaktebewerking van gehard matrijsstaal met eenkristal diamantgereedschap te realiseren,er zijn speciale componenten vereist, d.w.z. een trillingssysteem dat een willekeurige ultrasone elliptische trilling in de 3D-ruimte, een 4-assig gecontroleerd precisiemachinetool en een speciaal CAM-systeem kan genereren. De elliptische vibratiesysteem, dat bestaat uit een 3 DOF ultrasoon trillingsgereedschap en een trillingsregelaar, is ontwikkeld. Het trilwerktuig kan de willekeurige elliptische vibratie genereren bij 34,4 kHz door twee buigtrillingen en een longitudinale te combinerentrillingen. De trillingsregelaar is vervaardigd om de elliptische trilling een gewenste plaats in de 3D-ruimte te laten hebben. Het 4-assige precisiemachinegereedschap, bestaande uit een luchtspil, nauwkeurige lineaire geleiders,precisiekogelschroeven enzovoort, is ontwikkeld. Commerciële CAM-software wordt gebruikt en een speciale postprocessor wordt ontwikkeld om gereedschapspaden te genereren voor de 4-assige besturing van gebeeldhouwde oppervlakken. De ontwikkelde ultrasoonHet elliptische trillingsbewerkingssysteem wordt toegepast op het precisiediamant snijden van gehard matrijsstaal en er wordt bevestigd dat spiegeloppervlakbewerking met een oppervlakteruwheid van minder dan 0,28 pm Rz kan worden gerealiseerd voor een bolvormig oppervlakbewerking van gehard matrijsstaal.

1. INLEIDING

  Gehard staal voor matrijzen en mallen wordt over het algemeen machinaal bewerkt door frezen met kogeluiteinden, slijpen of elektrisch ontladen [1]. Daarna wordt polijsten toegepast, omdat in veel gevallen een spiegelafwerking nodig is. Het polijsten is echtereen kostbaar en tijdrovend proces, het vermindert de nauwkeurigheid van de bewerking en het is niet geschikt om microstructuren af ​​te werken.

  Aan de andere kant hebben de auteurs een nieuwe snijmethode ontwikkeld met de naam elliptisch trilsnijden [2-7], die spiegeloppervlakbewerking van moeilijk te snijden materialen, inclusief gehard matrijsstaal, met eenkristal kan realiseren.diamantgereedschap. Een van de volgende doelen is om eenprecisiebewerkingscentrum dat de gebeeldhouwde spiegeloppervlakken zonder polijsten kan verkrijgen door het toepassen van het elliptische trillingsknipsel.

  Een nieuwe methode wordt voorgesteld in het onderhavige onderzoek, hetgeen voordelig is om de gebeeldhouwde oppervlakken te verkrijgen door elliptisch trillingsknipsel. Een nieuw ultrasoon elliptisch trillingsgereedschap met 3 vrijheidsgraden (DOF) en een precisiemachinegereedschap is ontwikkeld voor de voorgestelde bewerkingsmethode en wordt toegepast op spiegeloppervlakbewerking van gehard matrijsstaal.

2. VOORSTEL VAN EEN NIEUWE METHODE VOOR HET BEWERKEN VAN GEKWEEKTE OPPERVLAKKEN

2.1 Ultrasnijden vibratie snijproces

  Figuur 1 toont een schematische illustratie van het snijproces voor elliptische trillingen. Het gereedschap wordt elliptisch getrild en in de nominale snijrichting ten opzichte van het werkstuk tegelijkertijd gevoed, zodat de chip wordt gevormdmet tussenpozen en uitgetrokken in elke vibratiecyclus. Omdat de wrijving tussen de chip en het harkvlak van het gereedschap wordt omgekeerd, neemt de afschuifhoek toe en worden de snijkracht en de snij-energie verminderdaanzienlijk.

2.2Elliptisch trillen Snijden van gebeeldhouwde oppervlakken

  Gebeeldhouwde oppervlakken van gehard matrijsstaal worden over het algemeen machinaal bewerkt door het kogeluiteinde te frezen zoals getoond in figuur 2 (a), en de ruwe oppervlakken worden vervolgens gepolijst wanneer spiegeloppervlakken vereist zijn. De ultrasone elliptische vibratiesnijden wordt toegepast in het huidige onderzoek om het polijstproces te elimineren. Figuur 2 (b) toont de voorgestelde verspaningsmethode. Het gereedschap wordt elliptisch getrild, in tegenstelling tot conventionele roterende vingerfrezen, en wordt langs degebeeldhouwd oppervlak terwijl de rotatiepositie van het gereedschap nauwkeurig wordt geregeld in overeenstemming met de gebeeldhouwde oppervlaktestructuur. Derhalve heeft de voorgestelde werkwijze een precisiewerktuigmachine met ten minste 4 assen nodig, d.w.z. X, Y, Z enC, om de gebeeldhouwde oppervlakken te bewerken.

  Beide snijprocessen zijn met tussenpozen, maar de frequentie is veel hoger en de radius is veel kleiner in het snijden van de elliptische vibratie, vergeleken met Fig. 2. Deze verschillen maken het spiegelen van het spiegeloppervlak mogelijk met diamantgereedschappenzoals gerapporteerd in de vorige kranten [4-6].

  Het getrilde gereedschap kan ook worden geroteerd zoals de vingerfrezen. Een dergelijk vibratiemalen wordt echter als overbodig beschouwd, omdat het vibratiesnijden een intermitterend proces op zichzelf is. De huidige methode is gunstiger vooroppervlakteruwheid, standtijd en efficiëntie, omdat het trochoïdale pad in het freesproces de oppervlakteruwheid en onnodige luchtinsnijding verhoogt.

  De conventionele ultrasone elliptische vibrators genererende elliptische trilling in vaste vlakken, die ongeveer loodrecht staan ​​op de trillingsassen [3-7]. Zo is een nieuw 3 DOF elliptisch trillingsgereedschap, dat een willekeurige ultrasone elliptische trilling in de 3D-ruimte kan genereren,gewenst zodat het een breed scala aan gebeeldhouwde oppervlakken kan bewerken. Bovendien zijn een precisiemachinegereedschap en een speciale nabewerking voor CAM vereist om de voorgestelde bewerking te realiseren.

3. ONTWIKKELING VAN 3 DOF ULTRASOON TRILLINGSSYSTEEM

  Het conventionele elliptische trillingsgereedschap [3-5] werd ontwikkeld door twee buigtrillingen te combineren. Longitudinale trillingen worden hier verder gecombineerd om een ​​arbitraire elliptische trilling in de 3D-ruimte te genereren, zie Fig. 3. De ontworpengereedschap maakt gebruik van de 4e resonante modus van buigtrillingen in de U- en V-richting en de 2e resonantiemodus van longitudinale trillingen in de Z-richting.

  Frequenties en knooppunten van die twee resonantiemodi zijn over het algemeen verschillend, en dus moet de vorm van de vibrator zo worden ontworpen dat hun frequenties en knooppunten tegelijkertijd dicht bij elkaar zijn. Ten eerste de tweederesonante modus van longitudinale trillingen werd zo gekozen dat de vibrator twee knooppunten heeft en op de twee knoopposities stijf kan worden ondersteund. Vervolgens werd de 4e resonante modus van buigingstrillingen gekozen, omdat twee van het knooppuntposities liggen relatief dicht bij de longitudinale. De resonantiefrequenties en de knoopposities werden aangepast door de getrapte en taps toelopende delen te maken, zie figuur 3, en hun afmetingen te veranderen. Dit ontwerp werd bijgestaan ​​doorcomputersimulaties. Ze werden ruwweg aangepast door de Euler-Bernoulli-bundelanalyse en vervolgens werd de uiteindelijke vorm bepaald door gebruik te maken van de FEM-analyse zoals getoond in Fig.4.

  De buigvibraties worden geëxciteerd door de vierpiezo-elektrische platen (PZT's) getoond in figuur 3. De linker en rechter PZT's worden geëxpandeerd en samengetrokken met een faseverschuiving van 180 graden om de vibrator in de V-richting te buigen. De voorkant ende achterste worden op dezelfde manier gebruikt om het in de U-richting te buigen. De longitudinale trilling wordt geëxciteerd door de andere vier PZT's met dezelfde fase te gebruiken. Deze drie richtingsvibraties worden gedetecteerd door de kleine PZT-sensoren, endeze signalen worden gebruikt voor overspraakverwijdering, feedbackcontrole van trillingsamplituden en faseverschillen en resonantiejacht [5]. Details van het regelsysteem ontwikkeld voor de 3 DOF vibratietool zijn weggelaten in dehuidig ​​papier.

  Het wordt aanbevolen om in de ultrasone elliptische trilling de elliptische trilling in het vlak uit te voeren, inclusief de snijrichting en ruwweg de spaanstroomrichting [2,3,7]. Dus de vibratie wordt hier in het vlak toegepastinclusief de snijrichting, d.w.z. U-richting, en de richting hellend ten opzichte van de vibratoras zoals getoond door de rode pijl in Fig. 3, die ruwweg de gemiddelde chipstroomrichting in het bewerkte hoekgebied is.

  Figuur 5 toont het ontwikkelde 3 DOF ultrasone trillingsgereedschap met een eenkristal diamantgereedschapspunt. De resonantiefrequenties worden aangepast tot 34,4 kHz, en het ontwikkelde systeem kan een willekeurige locus van elliptische trillingen genereren ineen willekeurig vlak in de 3D-ruimte. Het maximumamplitudes zijn 30 Pmp-p in de U- en V-richting en 24 Pmp-p in de Z-richting, die respectievelijk overeenkomen met 195 en 156 m / min.

4. ONTWIKKELING VAN HET ELLIPTISCHE TRILLINGSSNIJSYSTEEM

  Een precisiemachinetool, zie Fig. 6, werd ontwikkeld voor de voorgestelde bewerkingsmethode op basis van een commercieel bewerkingscentrum. Het ontwikkelde 3 DOF-trilgereedschap is gemonteerd in de C-as-spil en is verbonden met de controller ende eindversterkers. Omdat ze zijn verbonden door elektrische draden, kan de C-as niet oneindig worden geroteerd. Het gereedschap wordt op elk Z-niveau langs het gebeeldhouwde oppervlak gevoerd en geroteerd in overeenstemming met de oriëntatie van het snijoppervlak in devoorgestelde methode, zoals getoond in Fig. 2 (b). Daarom is de C-as tegengesteld geroteerd om de draden na elke rotatie terug te spoelen in de huidige onderzoeksfase. De draden worden in de volgende fase vervangen door sleepringen of transformatoren.

  Maximale oppervlakteruwheid van minder dan ongeveer 100 nm is in het algemeen vereist voor spiegeloppervlakte-afwerking. Aldus zouden bewegingsfouten van het gereedschapswerktuig minder dan ongeveer 100 nm moeten zijn, inclusief de ongewenste trilling tussen het gereedschap en het gereedschapwerkstuk door olie- / luchtpompen, ventilatoren, enzovoort. Door gebruik te maken van een luchtspil voor de C-as, wordt de rotatiebewegingsfout beperkt tot ongeveer 20 nm in de X-richting en ongeveer 80 nm in de Y-richting in de niet-herhaalbare opraken(NRRO), zoals getoond in Fig. 7. Deze werden beoordeeld door een hoofdkogel op de gereedschapsas te bevestigen en de radiale verplaatsingen ervan te meten met capacitieve sensoren die op de werkstuktafel waren bevestigd. Precisie kogelomloopbouten met kleine koppelrimpel enVoor de X-, Y- en Z-assen worden nauwkeurige lineaire rolgeleidingen gebruikt. Figuur 8 toont de lineaire bewegingsfouten van de X-as aanvoertafel bijvoorbeeld. Ze werden gemeten door een rechte rand op de aanvoertafel te bevestigen en te metenzijn verplaatsingen met de capacitieve sensoren bevestigd aan de spil. Zoals getoond in de figuur, is de fluctuatie van de beweging relatief groot bij een grote steek van 10 mm, die bijna overeenkomt met de steek van de kogelomloopspindel en ook met eenrotatie van rollen gebruikt in de lineaire geleidingen. De componenten met een kleinere spoed van de bewegingsfouten, die de spiegeloppervlaktekwaliteit beïnvloeden, zijn echter veel minder dan 100 nm. Deze foutmeldingen van de spil en de invoertafels omvattende ongewenste trillingen tussen de gereedschapsas en de werkstuktafel, omdat beide relatief tussen de spil en de tafel werden gemeten.

  Commerciële CAM-software wordt gebruikt, die CL-gegevens en normale vectoren uit CAD-gegevens naar het snijvlak uitvoert. Hier wordt een speciale postprocessor ontwikkeld om de normale vectoren om te zetten naar de rotatiehoeken van de C-as, zodatde hellingshoek van het gereedschap wordt constant gehouden bij elke Z-niveau zaagsnede, terwijl de snijrichting langs de gebogen weg verandert.

5. MACHINESTEXPERIMENTEN

  Er werden verspanende experimenten uitgevoerd om de basisprestaties van het ontwikkelde systeem te onderzoeken. Eerst werd een schaafproef uitgevoerd, omdat de basisprestaties van het bewerkingssysteem duidelijk op een vlak oppervlak verschijnen. Dan een bolvormigvorm werd bewerkt door de voorgestelde bewerkingsmethode met behulp van de 4-assenregeling. Gehard matrijsstaal met een hardheid van HRC 54 of 40 wordt gebruikt als werkstukmateriaal en wordt gesneden met diamantgereedschappen met één kristal. De beide experimenten warenalleen uitgevoerd door het elliptische trillingsknipsel, aangezien het algemeen bekend is dat staal niet machinaal bewerkt kan worden door het gewone diamantslijpen. De bewerkingsomstandigheden zijn samengevat in Tabel 1.

  Het resultaat van het schavenexperiment wordt getoond in Fig. 9-13. Het snijvlak was hier bij deze bewerking 38,7 graden gebogen rond de X-as, zodat alle X-, Y- en Z-assen bij de bewerking zijn betrokken. Zoals getoond in Fig. 9, een spiegeloppervlak wordt met succes verkregen door de onderhavige werkwijze. Figuur 10 toont een foto van het snijvlak genomen met een differentiële interferentiemicroscoop. De aanvoertekens worden nauwelijks waargenomen, waarvan de toonhoogte overeenkomt met devoedingssnelheid van 15 urn. De andere markeringen in de snijrichting verschijnen duidelijk met een steek van ongeveer 2,5 pm. Het elliptische trillingsknipproces veroorzaakt kleine geometrische golvingenin de snijrichting zoals getoond in Fig. 2 (b), maar zijn pitch en hoogte zouden theoretisch respectievelijk 0,48 pm en 5,3 nm moeten zijn onder de onderhavige omstandigheden. Er wordt aangenomen dat deze merken werden veroorzaakt door de 1e resonantiemodus vanbuigtrilling van de vibrator, waarvan de frequentie, 6.5 kHz samenvalt met die van de markeringen. Figuur 11 toont profielenvan het snijvlak gemeten in de snij- en voedingsrichtingen. Ze laten zien dat de ruwheid als gevolg van de aanvoersymbolen en de andere markeringen ongeveer 50 nm is en dat de ruwheidsgrens van ongeveer 150 nm Rz wordt verkregen zonder polijsten.

  Figuur 12 toont de bolvormige stalen spiegel afgewerkt volgens de voorgestelde methode. Het resultaat geeft aan dat gebogen spiegeloppervlakken van gehard matrijsstaal kunnen worden verkregen door het voorgestelde elliptische trillingsknipsel met de 4-assige besturing.

  Figuur 13 toont oppervlakteprofielen gemeten op de positie waar de normale vector 30 graden maakt met die aan de bovenkant van de bol. De maximale ruwheid van ongeveer 280 nm Rz wordt bereikt voor het bolvormige oppervlak, zoals getoond in defiguur.

6. CONCLUSIE

  De nieuwe methode werd voorgesteld om gebeeldhouwde spiegeloppervlakken van gehard matrijsstaal te bewerken door gebruik te maken van de elliptische vibratiesnijtechnologie. Het 3 DOF ultrasone trillingssysteem, dat een sleutelcomponent is om het te realiserende voorgestelde bewerking, de precisiemachinetool en de nabewerkingsmachine voor de CAM werden ontwikkeld en de platte en bolvormige stalen spiegels werden met succes verkregen door het ontwikkelde systeem. De resultaten verifiëren de geldigheid van het voorgesteldemethode en het ontwikkelde systeem. Verwacht wordt dat gebeeldhouwde spiegeloppervlakte bewerking van gehard matrijsstaal spoedig zal worden gerealiseerd door de voorgestelde werkwijze.

7.ACKNOWLEDGMENTS

  De auteurs drukken oprechte dank uit aan A.L.M.T.Diamond Corp., Honda Electronics Co., Ltd., Sansyu Finetool Co., Ltd. en Echo Electronics Co., Ltd. voor hun steun en adviezen, en ook aan een afgestudeerde student, de heer A. Nakamura, voor zijnbijstand. Het onderzoek werd financieel ondersteund door Chubu Bureau van het Japanse ministerie van Economie, Handel en Industrie als Regionaal O & O-consortiumproject.