DE3002510A1

DE3002510A1 - Ultraschallbearbeitungsverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE3002510A1
Application number: DE19803002510
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Inoue
Original assignee: Inoue Japax Research Inc
Current assignee: Inoue Japax Research Inc
Priority date: 1979-01-24
Filing date: 1980-01-24
Publication date: 1980-08-07
Also published as: JPS55101356A; FR2447246B1; GB2040194B; US4343111A; FR2447246A1; JPS5935743B2; DE3002510C2; GB2040194A

Description

Inoue-Japax Research Incorporated Yokohamashi, Kanagawaken, Japan

Ultraschallbearbeitungsverfahren und -vorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf die Ultraschallbearbeitung und insbesondere auf ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Bearbeitung, z. B. zum Zerspanen und Schleifen, eines Werkstücks mittels eines UltraschallSchwingungswerkzeugs, das in einer Bearbeitungsstellung zum Werkstück parallel zu einer Bearbeitungsfläche in der Gegenwart oder Abwesenheit von darin verteilten oder ständig dort zugeführten Schleifmittelteilchen angeordnet wird.

Auf dem vorstehend angegebenen Gebiet der Ultraschallbearbeitung wird die auf das Werkzeug aufgebrachte Schwingungsenergie auf die Bearbeitungsfläche, d. ho die Werkzeug-Werkstück-Grenzfläche,· übertragen, an der das Schleifmittelmedium, wie z„ B. Diamant-, Wolframkarbid-, Borkarbid- oder Bornitridteilchen, zur Verbesserung der Materialabtragungswirkung anwesend sein kann, um wirksam verschiedene Materialien, wie z. B. keramische Stoffe, kalzinierte oder

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verglaste Materialien, Graphit usw., zu bearbeiten. Gemäß der herkömmlichen Praxis sind die Vibrationsenergie oder Schwingungen, die auf das Werkzeug aufgebracht und von diesem auf die Bearbeitungsfläche übertragen werden, gewöhnlich von gleichmäßiger Art und erfordern gewöhnlich auch eine voreingestellte Frequenz und Amplitude für einen gegebenen Bearbeitungsvorgang. Nichtsdestoweniger wurde, wo die zu bearbeitende Oberfläche eine Krümmung enthält, festgestellt, daß sich in der ultraschallbearbeiteten Oberfläche eine erhebliche Oberflächen(Endzustands)Unregelmäßigkeit ergibt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Ultraschallbearbeitungsverfahren zu entwickeln, das die Ultraschallbearbeitung einer gekrümmten Oberfläche mit einem feinen Oberflächenendzustand oder einer Glätte ermöglicht, die von einer solchen Unregelmäßigkeit wie beim Stand der Technik praktisch frei ist. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Ultraschal Ibearbeitungsvorrichtung anzugeben, die einen verbesserten Bearbeitungsendzustand sichert oder zur Durchführung des verbesserten Verfahrens mit gutem Wirkungsgrad geeignet ist.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist zunächst ein Ultraschallbearbeitungsverfahren, bei dem ein Ultraschallschwingungswerkzeug in Bearbeitungsstellung zu einem Werkstück angeordnet und dem Werkstück parallel zu einer Bearbeitungsfläche zugeführt wird, um das Werkstück mittels vom Werkstück auf die Bearbeitungsfläche übertragener Schwingungsenergie mechanisch zu bearbeiten, mit dem

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Kennzeichen, daß man die Schwingungsenergie durch periodisches Unterbrechen der auf das Werkzeug aufgebrachten Vibrationsschwingungen modifiziert und dadurch eine Folge von durch Zeitintervalle getrenn tenjVibrationsschwingungs stoßen auf die Bearbeitungsfläche einwirken läßt.

In Weiterbildung der Erfindung kann man zusätzlich die Frequenz und/oder die Amplitude der Vibrationsschwingungen während jedes der Vibrationsschwingungsstöße ändern.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einem in Bearbeitungsstellung zu einem Werkstück anzuordnenden und dem Werkstück parallel zu einer Bearbeitungsfläche zuführbaren Ultraschallschwingungswerkzeug zur mechanischen Bearbeitung des Werkstücks mittels vom Werkstück auf die Bearbeitungsfläche übertragener Schwingungsenergie, mit dem Kennzeichen, daß sie Mittel zur Modifizierung der Schwingungsenergie durch periodisches Unterbrechen der auf das Werkzeug aufgebrachten Vibrationsschwingungen und dadurch zur Einwirkung einer Folge von durch Zeitintervalle getrennten Vibrationsschwingungsstößen auf die Bearbeitungsfläche aufweist»

Wach weiteren Ausgestaltungen dieser Vorrichtung kann sie zusätzlich Mittel zur Änderung der Frequenz und/oder der Amplitude der Vibrationsschwingungen während jedes der Vibrationsschwingungsstöße aufweisen„

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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt zur'Veranschaulichung eines nach dem bekannten Ultraschallbearbeitungsverfahren gebildeten,gekrümmten bearbeiteten Bereichs mit zurückbleibender unregelmäßiger Oberfläche;

Fig. 2 ein Wellenformdiagramm zur Darstellung einer Folge von durch Zeitintervalle getrennten Vibrationsschwingungsstößen gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ein Wellenformdiagramm zur Darstellung eines typischen Beispiels der Schwingungsmodifizierung bei jedem Stoß;

Fig.4 eine zum Teil geschnittene schematische Darstellung einer Ultraschallbearbeitungsvorrichtung gemäß der Erfindung; und

Fig. 5 (a), 5(b) und 5(c) Wellenformdiagramme zur Darstellung verschiedener Formen von Vibrationsschwingungsstößen, die erfindungsgemäß verwendbar sind.

Gemäß Fig. 1 kennzeichnet sich das bekannte Ultraschallbearbeitungsverfahren, insbesondere wenn es eine Krümmung S auf dem Werkstück W erzeugt, durch die Bildung einer Oberflächenunregelmäßigkeit R längs der Krümmung S. Die Oberflächenunregelmäßigkeit nimmt allgemein die Form von Terrassenabstufungen an, wie schematisch in Fig. 1 dargestellt ist. Es

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wurde nun gefunden, daß die Bildung solcher Oberflächenunregelmäßigkeiten wirksam vermieden wird, wenn die auf das Werkzeug zwecks übertragung auf dessen Arbeitsfläche aufgebrachten VibrationsSchwingungen periodisch so unterbrochen werden, daß, wie in Fig„ 2 gezeigt ist, eine Folge von durch Zeitintervalle getrennten Stößen A1, A2, A3,„„_o der Vibrationsschwingungen erhalten wird und man diese auf die Bearbeitungsfläche eines Werkstücks einwirken läßt=

Gemäß einem weiterbildenden Merkmal der Erfindung werden vorzugsweise die Frequenz und/oder die Amplitude der Vibrationsschwingungen während jedes der aufeinanderfolgenden Vibrationsschwingungsstöße A1,- Ά2, A3,»», geändert» Fig» zeigt ein typisches Beispiel der Schwingungsänderung ο Die gezeigte Wellenform hat die längs der Ordinate auf·= getragene Frequenz f und die längs der Abszisse aufgetragene Zeitt. Es ist dargestellt, daß bei jedem Stoß A die Frequenz allmählich bis zu den vollen 28,5 kHz gesteigert wird, Der Stoß oder die "an"-Zeit ist mit 20 bis 35 ms angedeutet, worauf die "aus"-Zeit folgt, und die Periodendauer ist 45 ms«

Fig«, 4 zeigt eine Ultraschallbearbeitungsvorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In diesem System erkennt man ein zu bearbeitendes Werkstück 1, das darauf verteilte Schleifmittelteilchen, -körner oder -staub, wie z„ B., Diamant, WC, B.C oder BN, aufweisen kann. Angrenzend oder in einer Arbeitsstellung zum Werkstück 1 angeordnet ist ein Werkzeug 3, das von einem Horn 4b getragen wird, an dem ein Wandler 4A befestigt ist, um elektrische Schwingungen in mechanische Schwingungen umzuwandeln? der Wandler 4A kann beispielsweise ein piezoelek-

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trisches Element sein. Die am Wandler 4A erzeugten und durch das Horn 4B verstärkten mechanischen Schwingungen werden auf den Kopf des Werkzeugs^ibertragen und bewirken dessen Schwingung mit einer ausreichenden Stärke, um Ultraschall-Materialabtragungswirkungen am Werkstück 1 hervorzurufen.

Der Wandler 4A wird durch eine allgemein mit _5 bezeichnete Stromquelle gespeist. Die Stromquelle 5^ weist einen ersten Oszillator 6 und einen zweiten Oszillator 7 auf, die an einem UND-Gatter 8 miteinander verbunden sind, dessen Ausgang dem Wandler 4A über einen Verstärker 9 zugeführt wird. Der erste Oszillator 6 liefert Ultraschallfrequenzsignale, die dem Wandler 4A zugeführt und durch diesen in die entsprechenden mechanischen oder Vibrations-Ultraschallschwingungen umgewandelt werden, die auf das Werkzeug 3 aufgebracht werden. Die Frequenz und die Amplitude der Vibrationsschwingungen werden daher am ersten Oszillator 6 eingestellt. Die Funktion des zweiten Oszillators 7 ist die, ein periodisches Unterbrechungssignal für das durch das Gatter 8 laufende Signal des ersten Oszillators 6 zu liefern, so daß eine Folge von durch Zeitintervalle getrennten Stoßen der elektrischen Ultraschallfrequenzschwingungen das Gatter 8 zur Speisung des Wandlers 4A verlassen. Das Ergebnis ist die Entwicklungjkiner Folge von durch Zeitintervalle getrennten Stoßen von mechanischen oder Vibrationsschwingungen mit gewünschten Frequenz- und Amplitudeneigenschaften am Werkzeug 3. Die Dauer oder "an'^LZeit und das Intervall oder die "aus"-Zeit zwischen den aufeinanderfolgenden Stößen werden am zweiten Oszillator 7 eingestellt.

Fig. 5(a), 5(b) und 5(c) zeigen typische unterschiedliche Formen von Vibasationsschwingungsstößen, die erfindungsgemäß

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verwendet werden können. Die Wellenform (a) zeigt eine einfache Folge von Stößen, deren jeder gleichmäßige Frequenz- und Amplitudeneigenschaften während seiner Gesamtdauere aufweist» Die Wellenform (b) sieht jeden Stoß derart vor, daß lediglich seine Frequenz von einem Mindestwert auf den Maximalwert geändert wird» Die Wellenform (c) zeigt jeden Stoß in einer Art, bei der sowohl die Frequenz als auch die Amplitude der Vibrationsschwingungen jeweils von einem Minimalwert bis auf einen vorab festgesetzten Wert während der Anfangsperiode geändert werden. Die "an"-Zeit und die "aus-Zeit der Stöße, die in Fig.5(a) als untereinander gleich gezigt sind, können in Abhängigkeit von einem besonderen Anwendungsfall variiert werden.

Beispiel

Ein aus Kohlenstoffstahl (mit 0,85 Gew„ % Kohlenstoff) bestehendes Werkstück wird durch Ultraschallbearbeitung unter Verwendung von Wolframkarbid-Schleifmittelteilchen mit Korngrößen im Bereich von 5 bis 150 ,um geschliffen» Wenn Vibrationsschwingungen von 28,5 kHz und 20 Watt Ausgangsleistung nach der herkömmlichen Praxis ständig einwirken, hat die erhaltene Oberfläche eine Rauhigkeit (Vorsprünge/Ebeae-Höhenunterschied) von 8 ,um. Wenn die gleichen Vibrationsschwingungen in der Form einer Folge von durch Zeitintervalle getrennten Stoßen einer "an"-Zeit von 25 ms und einer "aus"-Zeit von 15 ms zur Einwirkung gebracht werden und jeder Stoß eine verringerte Frequenz während der Anfangsdauer von 2 ms mit nachfolgender Frequenz von 28,5 kHz während des

Rests der "an"-Zeit gemäß der Wellenform (c) nach Fig. 5 oder der Wellenform nach Fig. 3 aufweist, hat die bearbeitete Oberfläche eine Rauhigkeit von nur 1,4 ,um. Dies zeigt, daß bis zum Erreichen einer Oberflächenrauhigkeit

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von 0,1 /URmax die herkömmliche Praxis 18 min/cm er-

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fordert, während man erfindungsgemäß nur 6 min/cm benötigt.

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Leerseiie

Claims

Patentansprüche

( 1 οJ Ultraschallbearbeitungsverfahren, bei dem ein Ultraschallschwingungswerkzeug in Bearbeitungsstellung zu einem Werkstück angeordnet und dem Werkstück parallel zu einer Bearbeitungsfläche zugeführt wird, um das Werkstück mittels vom Werkstück auf die Bearbeitungsfläche übertragener Schwingungsenergie mechanisch zu bearbeiten,

dadurch gekennzeichnet, daß man die Schwingungsenergie durch periodisches Unterbrechen der auf das Werkzeug aufgebrachten Vibrationsschwingungen modifiziert und dadurch eine Folge von durch Zeitintervalle getrennten Vibrationsschwingungsstößen auf die Bearbeitungsfläche einwirken läßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß

man zusätzlich die Frequenz der Vibrationsschwingungen während jedes der Stöße ändert»
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man zusätzlich die Amplitude der Vibrationsschwingungen während jedes der Stöße ändert*
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem in Bearbeitungsstellung zu einem Werkstück anzuordnenden und dem Werkstück parallel zu einer Bearbeitungsfläche zuführbaren Ultraschallschwingungswerkzeug

581-(A763)-TF

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zur mechanischen Bearbeitung des Werkstücks mittels vom Werkstück auf die Bearbeitungsfläche übertragener Schwingungsenergie, dadurch gekennzeichnet daß sie Mittel (7, 8) zur Modifizierung der Schwingungsenergie durch periodisches Unterbrechen der auf das Werkzeug (3 aufgebrachten Vibrationsschwingungen und dadurch zur Einwirkung einer Folge von durch Zeitintervalle getrennten Vibrationsschwingungsstößen (A1, A2, A3...) auf die Bearbeitungsfläche (Werkstück 1) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich Mittel zur Änderung der Frequenz der Vibrationsschwingungen während jedes der Stöße (A1, A2, A3 ...) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich Mittel zur Änderung der Amplitude der Vibrationsschwingungen während jedes der Stöße (A1, A2, A3...) aufweist.

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