DE3542443A1 - Aktivierungseinrichtung fuer einen rechteckigen plattenresonator - Google Patents
Aktivierungseinrichtung fuer einen rechteckigen plattenresonatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Aktivierungseinrichtung für einen rechtecki
gen 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 bear
beitet 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 Vibra
tionen wie irreguläre Schläge eliminiert und im Ergebnis die Schnittge
nauigkeit verbessert. Betroffen ist dabei die Schnittgenauigkeit hinsicht
lich Abweichungen von der genauen Ringform oder Kreisform des Werkstücks
und der Oberflächenrauhigkeit, wobei gleichzeitig die Lebensdauer des Werk
zeugs erhöht wird und die Bearbeitung von schwer zu bearbeitenden Materia
lien erleichtert wird. Der gewünschte Effekt wird erreicht, sofern die Be
dingung v< 2π fa erfüllt wird. Hierbei ist "v" die Schnittgeschwindigkeit
des Werkstücks, "f" ist die Vibrationsfrequenz des Werkzeugs und "a" ist
die Vibrationsamplitude.
Unter Bezugnahme auf Fig. 8 der Zeichnung wird nun ein Beispiel eines
Schneidverfahrens erläutert, das mit einem Biegeschwingungen ausführenden
Werkzeugträger durchgeführt wird, der einen typischen Vibrator eines ver
tikalen Schwingungssystems nutzt. Zunächst ist dazu an einer Werkzeughalte
rung 1 mit Hilfe von Halteplatten 2, Klemmschrauben bzw. Klemmbolzen 3
und Klemmstücken 4 ein in Biegeschwingungen versetzbarer Werkzeugträger 5
angebracht. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Klemmstücke 4 an den
zu erwartenden Schwingungsknoten im Werkzeugträger 5 angeordnet. Ein
Schneidwerkzeug 7 ist am vorderen Ende des Werkzeugträgers 5 verankert,
so daß es einem Werkstück 6 gegenüber eingestellt werden kann. Sowohl ein
vertikaler Vibrator 8 als auch ein Verstärkerhorn 9 für Schwingungen sind
miteinander verbunden und gemeinsam an einem Schwingungsbauch am Werkzeug
träger 5 angeordnet. Der Verlauf der Schwingungen ist durch strichpunktierte
Linien angedeutet. Wird der Vibrator 8 bei dieser Anordnung in Betrieb ge
setzt, so schwingt der Werkzeugträger 5 wie durch die strichpunktierten
Linien dargestellt, so daß das Werkzeug 7, das am vorderen Ende gehalten
ist, ebenfalls mit einer Ultraschallfrequenz schwingt bzw. vibriert, und
zwar in Schnittrichtung. Dadurch ergibt sich der erforderliche Schneid
effekt mit überlagerter Schwingung wie zuvor erläutert.
Eine Einrichtung mit dem zuvor erläuterten Aufbau ist insoweit vorteil
haft als der vertikale Vibrator 8 an einer Stelle angebracht werden kann,
die einen Abstand zum Werkzeug 7 hat. Auf diese Weise ist der Vibrator 8
mit Leichtigkeit an einer üblichen Drehbank anbringbar. Gleichwohl gibt
es auch einen Nachteil, da der vertikale Vibrator 8 durch seine Anordnung
im Betrieb ein Hindernis darstellt und Schwierigkeiten bei der Anbringung
des für Biegeschwingungen geeigneten Werkzeugträgers 5 an der Werkzeughal
terung 1 unvermeidbar sind. Sofern nicht jedes Klemmstück 4 exakt an dem
genauen Schwingungsknoten angesetzt wird, treten als weiteres Problem Ener
gieverluste auf und die Schneidkante des Schneidwerkzeugs 7 führt unter
Umständen Schwingungen in falschen und schädlichen Richtungen aus. Über
dies ist eine genaue und feste Einstellung des Werkzeugs 7 erforderlich.
Insgesamt sind komplizierte Arbeitsvorgänge und große Sorgfalt beim Aus
wechseln des Werkzeugträgers 5 erforderlich.
Weiter zeigt Fig. 9, daß bei einer Einrichtung gemäß Fig. 8 am Angriffs
punkt des Werkzeugs 7 am Werkstück 6 eine diametral gerichtete Rückwärts
komponente oder Querkomponente Pt der Kraft in Richtung auf das Werkzeug 7
und zusätzlich zu der Hauptkomponente Pc der Kraft, die tangential zum
Werkstück 6 gerichtet ist, erzeugt wird. Tatsächlich wirkt also auf das
Werkzeug 7 die resultierende Kraft P, so daß schädliche, nicht normale
Schwingungen auftreten können. Dadurch wiederum kann es dazu kommen, daß
eine ausreichende Schwingungsschneidwirkung nicht erreicht wird.
In einem Ansatz zur Lösung der zuvor erläuterten Schwierigkeiten ist eine
Verbesserung vorgeschlagen worden (JA-PS 50-20 289), bei der der zu Bie
geschwingungen anregbare Werkzeugträger 5 mit einer Neigung relativ zur
Schnittrichtung so angeordnet wird, daß richtungsmäßig die Schwingung des
Werkzeugs 7 und die resultierende Kraft P zusammenfallen. Zur Ausführung
einer solchen geneigten Anordnung ist jedoch als zusätzliche Maßnahme ein
bestimmter Einstellkopf, ein geneigter Tisch u. dgl. vorzusehen, so daß
die Einrichtung konstruktiv nochmals komplizierter wird.
Unter Berücksichtigung der voranstehenden Erläuterungen liegt der Erfin
dung die Aufgabe zugrunde, eine neue 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 aufgezeig
te Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß ringförmige Elektro
striktivelemente vorgesehen und mit dem Plattenresonator über säulenartige
bzw. stangenartige Blöcke verspannt sind, daß jedes Elektrostriktivele
ment auf einer Seite durch Aufteilung des Umfangs in vier Segmentelektro
den aufgeteilt und so polarisiert ist, daß jeweils benachbarte Segment
elektroden in Dickenrichtung des Elektrostriktivelements einander entge
gengerichtete Polaritäten aufweisen und daß die Elektrostriktivelemente
so angeordnet sind, daß die Mittelteilungslinien zwischen den Segment
elektroden mit den Diagonalen des Plattenresonators lagemäßig zusammen
fallen und durch den Oberflächen-Mittelpunkt des Plattenresonators laufen.
Durch die zuvor erläuterte, erfindungsgemäße Konstruktion sind die Eck
bereiche 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, ver
mittelt werden. Werden individuell an den Ecken verschiedene Werkzeuge an
gebracht und der rechteckige Plattenresonator mit Hilfe eines Revolverpo
sitionierungsmechanismus eingestellt, so kann auf einfache Weise die Be
nutzung von vier verschiedenen Werkzeugen möglich gemacht werden bei
gleichzeitiger Beibehaltung der Verankerung der Lagerbereiche. Ein ge
neigtes Anstellen jedes Werkzeugs an das Werkstück kann mit Hilfe des
Revolverpositionierungsmechanismus leicht ausgeführt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Aktivierungseinrichtung
sind in den nachgeordneten Ansprüchen beschrieben. Im übrigen finden sich
weitere Erläuterungen dazu in der nachfolgenden Erläuterung eines bevor
zugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung. In der
Zeichnung zeigt
Fig. 1 in perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer Akti
vierungseinrichtung 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 weitere wichtige Teile in einer Seitenansicht,
Fig. 5 in perspektivischer Darstellung ein ringförmiges Elektrostrik
tivelement einer Aktivierungseinrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 6 u. 7 Seitenansichten zur Erläuterung der Bewegungen eines rechtecki
gen Plattenresonators,
Fig. 8 eine Seitenansicht eines Beispiels einer bekannten Aktivierungs
einrichtung und
Fig. 9 eine weitere Seitenansicht zur Darstellung der an einem Schneid
werkzeug angreifenden Kräfte bzw. Kraftkomponenten.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Aktivierungs
einrichtung 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
Werkzeuge 12, hier Schneidwerkzeuge, sicher befestigt, und zwar beispiels
weise mittels Silberlot oder mit Hilfe von Schrauben. Auf beiden Seiten
des im dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel quadratischen
Plattenresonators 10 ist jeweils ein Paar von ringförmigen Elektrostrik
tivelementen 14 mit einer dazwischen eingelegten Elektrodenplatte 13 an
geordnet 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 ver
gleichbaren Materialien. Wie Fig. 5 zeigt ist eine Elektrode 15 der auf
den beiden Seiten angeordneten Elektroden umfangsmäßig in vier Segment
elektroden 16 aufgeteilt, die so polarisiert sind, daß jeweils benachbar
te 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 lage
mäßig zusammenfallen.
Auf den beiden äußeren Seiten der 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 Revolverpositionierungs
mechanismus 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 in
tegraler 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 Trä
ger. 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 Aus
führungsbeispiel L-förmiger Träger 27 ist an einem Lagerelement 24 be
festigt und ein einen Teil des Revolverpositionierungsmechanismus dar
stellender Hebel 29 ist drehbar an einer Achse 28 befestigt, die vom
Träger 27 gehalten wird. Der Hebel 29 wird mittels einer Zugfeder 30 ge
gen die Nocke 22 gedrückt. Ein Werkstück 31 ist schließlich im darge
stellten Ausführungsbeispiel in einer Drehbank eingespannt.
Vor Beginn der Bearbeitung eines Werkstücks wird das gewünschte Werk
zeug 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 be
stimmt, daß der Hebel 29 von der Zugfeder 30 in Anlage an die Nocke 22
gezogen wird. In dieser Position wird der Plattenresonator 10 durch An
ziehen der Klemmschrauben 26 fixiert.
Wird nun eine Spannung an die Elektrodenplatten 13 angelegt, so geschieht
folgendes. Wie in Fig. 7 dargestellt ist der Plattenresonator 10 so be
messen, daß Resonanzschwingungen bei der halben Wellenlänge sowohl verti
kal als auch horizontal erfolgen, wenn das Zentrum einer Seite von einem
vertikalen Vibrator 32 beispielsweise mit abgestuftem Verstärkerhorn an
gesteuert wird. 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. Erkennbar ist, daß jeder
Eckbereich des Plattenresonators 10 in Ruhe verharrt. Dieses Phänomen ist
in einer früheren Anmeldung des Anmelders erläutert (JA-P-OS 58-196 874
bzw. DE-OS 33 16 353).
Die zuvor erläuterte Schwingungsanregung des Plattenresonators 10 mit
einer relativ hohen Frequenz führt hingegen zu einer Amplitudenverteilung
wie in Fig. 6 durch die strichpunktierte Linie gezeigt. Die Längen der
einander gegenüberliegenden Seiten des Körpers werden verringert oder ver
größert,symmetrisch bezüglich einer X-Achse und einer Y-Achse, die beide
durch den Mittelpunkt 0 der Oberfläche laufen (Fig. 6). Die Auslenkung
jeder Spitze erfolgt senkrecht zur Diagonalen mit der maximalen Amplitude.
Hinsichtlich der Auslenkungen aller Punkte auf der Oberfläche aufgrund
der Schwingungen sind Richtung und Größe durch die Pfeile in Fig. 6 ange
deutet.
Betrachtet man nun im einzelnen die Verteilung der Auslenkungen im Schwin
gungszustand von Fig. 6, so ergibt sich, daß die Winkel AOB und COD ver
kleinert und die Winkel AOC und BOD vergrößert werden. Das macht deutlich,
daß wechselseitig entgegengerichtete Spannungen in Richtung auf das Zen
trum 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 jeweiligen Zentren hin
ausgeprägter.
Auf der Grundlage der zuvor erläuterten Vorgänge wird klar, daß, wenn die
ringförmigen Elektrostriktivelemente 14 von Fig. 5 an den beiden Ober
flächen des rechteckigen Plattenresonators 10 verankert und dann ange
steuert werden, die in Fig. 6 durch die Pfeile angedeuteten Auslenkungen
auch dem Plattenresonator 10 vermittelt werden, so daß sich Resonanz
schwingungen in den Ecken 11 senkrecht zu den Diagonalen des Plattenre
sonators 10 ergeben.
Bei der praktischen Anwendung der Erfindung ist anzustreben, daß die
Schwingungen des Werkzeugs 12 richtungsmäßig mit der resultierenden Kraft P
aus der Hauptkomponente Pc und der Querkomponente Pt in Fig. 9 zusammen
fallen, so daß die Ausrichtung der Nocken 21, 22 unter Berücksichtigung
dieses Winkels bestimmt werden muß.
In einer tatsächlich in der Praxis anwendbaren Konstruktion ist weiter
eine Abschirmung zum Schutz wesentlicher Teile vor herumfliegenden Spänen
und vor Schmieröl vorgesehen, ferner sind elektrische Leitungen für die
Elektrodenplatten 13 vorgesehen, Elektrodenbürsten sowie Ringkontakte.
Wie zuvor erläutert worden ist sind die ringförmigen Elektrostriktivele
mente 14 so angeordnet, daß die Mittelteilungslinien 17 zwischen den Seg
mentelektroden 16 mit den Diagonalen des Plattenresonators 10 lagemäßig
zusammenfallen und durch den Oberflächen-Mittelpunkt des Plattenresona
tors 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 ver
setzt werden. Da keines der Elektrostriktivelemente 14 besonderen Platz
braucht, stören diese im Betrieb in keinster Weise. 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 sehr schnell und leicht eingestellt werden.
Ein bestimmter Anstellwinkel der Werkzeuge 12 relativ zum Werkstück 31
läßt sich damit sehr leicht vorgeben. Außerdem ist ein einfaches und
schnelles Auswechseln der Werkzeuge 12 bzw. ein Wechseln von Werkzeug zu
Werkzeug möglich.
Claims (5)
1. Aktivierungseinrichtung für einen rechteckigen Plattenresonator, da
durch gekennzeichnet, daß ringförmige Elektrostriktiv
elemente (14) vorgesehen und mit dem Plattenresonator (10) über säulenar
tige bzw. stangenartige Blöcke (18, 19) verspannt sind, daß jedes Elektro
striktivelement (14) auf einer Seite durch Aufteilung des Umfangs in vier
Segmentelektroden (16) aufgeteilt und so polarisiert ist, daß jeweils be
nachbarte Segmentelektroden (16) in Dickenrichtung des Elektrostriktivele
ments (14) einander entgegengerichtete Polaritäten aufweisen und daß die
Elektrostriktivelemente (14) so angeordnet sind, daß die Mittelteilungs
linien (17) zwischen den Segmentelektroden (16) mit den Diagonalen des
Plattenresonators (10) lagemäßig zusammenfallen und durch den Oberflächen-
Mittelpunkt des Plattenresonators (10) laufen.
2. Aktivierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
an zumindest einer Ecke (11), vorzugsweise an mehreren Ecken (11), insbe
sondere an jeder 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) fest und sicher gehalten
sind.
4. Aktivierungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Revolverpositionierungsmechanismus an zumindest einem der Lagerele
mente (24) zur Arretierung des Blockes (19) in unterschiedlichen Positio
nen vorgesehen ist.
5. Aktivierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, 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 resul
tierenden Kraft der Hauptkomponente und der Querkomponente eines Schnittwi
derstandes zusammenfallen.
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