DE3542443C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Aktivierungseinrichtung für einen rechteckigen
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 bearbeitet
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 Vibrationen
wie z. B. irreguläre Schläge in ihrer Wirkung abgeschwächt und
im Ergebnis die Schnittgenauigkeit verbessert. Betroffen ist dabei die
Schnittgenauigkeit hinsichtlich Abweichungen von der genauen Ringform
oder Kreisform des Werkstücks und der Oberflächenrauhigkeit, wobei gleichzeitig
die Lebensdauer des Werkzeugs erhöht wird und die Bearbeitung von
schwer zu bearbeitenden Materialien erleichtert wird. Der gewünschte Effekt
wird erreicht, sofern die Bedingung v<2π fa erfüllt wird. Hierbei ist
"v" die Schnittgeschwindigkeit des Werkstücks, "f" die Vibrationsfrequenz
und "a" die Vibrationsamplitude des Werkzeugs.
Bei einer Werkzeugmaschine mit einer bekannten Aktivierungseinrichtung
(JP-B2 38-25.142/Fig. 8 der hier beigefügten Zeichnung), ist an einer
Werkzeughalterung 1 mit Hilfe von Halteplatten 2, Klemmschrauben 3 und
Klemmstücken 4 ein in Biegeschwingungen versetzbarer Werkzeugträger 5
angebracht. Die Klemmstücke 4 sind an den zu erwartenden Schwingungsknoten
im Werkzeugträger 5 angeordnet und ein Schneidwerkzeug 7 ist am
vorderen Ende des Werkzeugträgers 5 verankert, so daß es einem Werkstück
6 gegenüber eingestellt werden kann. Ein vertikaler Vibrator 8
und ein Verstärkerhorn 9 sind miteinander verbunden und an einem Schwingungsbauch
am Werkzeugträger 5 angeordnet. Der Verlauf der Schwingungen
ist in Fig. 8 durch strichpunktierte Linien angedeutet. Dadurch ergibt
sich der erforderliche Schneideffekt mit überlagerter Schwingung des
Werkzeugs 7 wie zuvor erläutert. Bei dieser Einrichtung ist es vorteilhaft,
daß der Vibrator 8 mit Abstand zum Werkzeug 7 leicht an einer
üblichen Drehbank anbringbar ist. Durch diese Anordnung stellt der Vibrator
8 aber auch im Betrieb ein Hindernis dar. Sofern nicht jedes
Klemmstück 4 exakt an dem genauen Schwingungsknoten angesetzt wird,
treten Energieverluste auf und die Schneidkante des Werkzeugs 7 führt
unter Umständen Schwingungen in falschen und schädlichen Richtungen aus.
Weiter zeigt Fig. 9 der Zeichnung, daß am Angriffspunkt des Werkzeugs 7
am Werkstück 6 zusätzlich zu der tangential zum Werkstück 6 gerichteten
Hauptkomponente Pc der Kraft eine diametral gerichtete Querkomponente Pt
in Richtung auf das Werkzeug 7 erzeugt wird. Auf das Werkzeug 7 wirkt also
die resultierende Kraft P, so daß schädliche, nicht normale Schwingungen
auftreten können.
Bei einer verbesserten, bekannten Einrichtung (JP-B2 50-20.289) wird der
Werkzeugträger mit einer Neigung relativ zur Schnittrichtung so angeordnet,
daß richtungsmäßig die Schwingungen des Werkzeugs und die resultierende
Kraft zusammenfallen. Dazu ist jedoch zusätzlich ein bestimmter Einstellkopf
od. dgl. vorzusehen, so daß diese Einrichtung konstruktiv kompliziert
ist.
In Fig. 7 ist zur Erläuterung des Grundaufbaus eines an sich bekannten
(DE-OS 33 16 353) Plattenresonators 10 dieser in Ansteuerung durch einen
seitlich angesetzten Vibrator 32 dargestellt. Gut zu erkennen ist, daß
in einem solchen Plattenresonator 10 Resonanzschwingungen bei der halben
Wellenlänge sowohl vertikal als auch horizontal erfolgen. 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, während die Eckbereiche in Ruhe verharren.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine 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 aufgezeigte
Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß ringförmige Elektrostriktivelemente
mit dem Plattenresonator über säulenartige bzw. stangenartige
Blöcke verspannt sind, daß jedes Elektrostriktivelement auf einer
Seite durch Aufteilung des Umfangs in vier Segmentelektroden aufgeteilt
und so polarisiert ist, daß jeweils benachbarte Segmentelektroden in
Dickenrichtung des Elektrostriktivelements zueinander entgegengerichtete
Polaritäten aufweisen und daß die Elektrostriktivelemente so angeordnet
sind, daß die Mittelteilungslinien zwischen den Segmentelektroden mit den
Diagonalen des Plattenresonators lagemäßig zusammenfallen und durch den
Oberflächen-Mittelpunkt des Plattenresonators verlaufen.
Durch die zuvor erläuterte, erfindungsgemäße Konstruktion sind die Eckbereiche
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, vermittelt
werden. Werden individuell an den Ecken verschiedene Werkzeuge angebracht
und der rechteckige Plattenresonator mit Hilfe eines Revolverpositionierungsmechanismus
eingestellt, so kann auf einfache Weise die Benutzung
von bis zu vier verschiedenen Werkzeugen möglich gemacht werden
bei gleichzeitiger Beibehaltung der Verankerung der Lagerbereiche. Ein
geneigtes Anstellen jedes Werkzeugs an das Werkstück kann mit Hilfe des
Revolverpositionierungsmechanismus leicht ausgefüllt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Aktivierungseinrichtung
sind in den nachgeordneten Ansprüchen beschrieben. Im übrigen finden sich
weitere Erläuterungen dazu in der nachfolgenden Erläuterung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung. In der
Zeichnung zeigt
Fig. 1 in perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer Aktivierungseinrichtung
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 eine Plattenresonator mit Elektrostriktivelement für eine Aktivierungseinrichtung
gemäß Fig. 1 in Seitenansicht, teilweise
aufgeschnitten,
Fig. 5 in perspektivischer Darstellung ein ringförmiges Elektrostriktivelement
einer Aktivierungseinrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 6 eine Seitenansicht zur Erläuterung der Bewegungen eines Plattenresonators
in einer Aktivierungseinrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 7 eine Seitenansicht zur Erläuterung der Bewegungen eines bekannten
rechteckigen Plattenresonators,
Fig. 8 eine Seitenansicht eines Beispiels einer aus dem Stand der Technik
bekannten Aktivierungseinrichtung und
Fig. 9 eine weitere Seitenansicht zur Darstellung der an einem Schneidwerkzeug
angreifenden Kräfte bzw. Kraftkomponenten bei einer aus
dem Stand der Technik bekannten Aktivierungseinrichtung.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Aktivierungseinrichtung
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 11
Werkzeuge 12, hier Schneidwerkzeuge, sicher befestigt, und zwar beispielsweise
mittels Silberlot oder mit Hilfe von Schrauben. Auf beiden Seiten
des im dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiels quadratischen
Plattenresonators 10 ist jeweils ein Paar von ringförmigen Elektrostriktivelementen
14 mit einer dazwischen eingelegten Elektrodenplatte 13 angeordnet
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 vergleichbaren
Materialien. Wie Fig. 5 zeigt ist eine Elektrode 15 der auf
den beiden Seiten angeordneten Elektroden umfangsmäßig in vier Segmentelektroden
16 aufgeteilt, die so polarisiert sind, daß jeweils benachbarte
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 lagemäßig
zusammenfallen.
Auf den beiden äußeren Seiten der äußeren 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 Revolverpositionierungsmechanismus
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 integraler 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 Träger.
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 Ausführungsbeispiel
L-förmiger Träger 27 ist an einem Lagerelement 24 befestigt und
ein einen Teil des Revolverpositionierungsmechanismus darstellender Hebel
29 ist drehbar an einer Achse 28 befestigt, die vom Träger 27 gehalten
wird. Der Hebel 29 wird mittels einer Zugfeder 30 gegen die Nocke 22
gedrückt. Ein Werkstück 31 ist schließlich im dargestellten Ausführungsbeispiel
in einer Drehbank eingespannt.
Vor Beginn der Bearbeitung eines Werkstücks wird das gewünschte Werkzeug
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 bestimmt,
daß der Hebel 29 von der Zugfeder 30 in Anlage an die Nocke 22
gezogen wird. In dieser Position wird der Plattenresonator 10 durch Anziehen
der Klemmschrauben 26 fixiert.
Die Schwingungsanregung des Plattenresonators 10 durch die zuvor erläuterten
Elektrostriktivelemente 14 mit einer relativ hohen Frequenz führt
nun zu einer Amplitudenverteilung wie in Fig. 6 durch die strichpunktierte
Linie gezeigt. Die Längen der einander gegenüberliegenden Seiten des
Körpers werden verringert oder vergrößert, symmetrisch bezüglich einer
X-Achse und einer Y-Achse, die beide durch den Mittelpunkt 0 der Oberfläche
laufen. Die Auslenkung jeder Ecke erfolgt senkrecht zur Diagonalen
mit der maximalen Amplitude. Hinsichtlich der Auslenkung aller Punkte
auf der Oberfläche aufgrund der Schwingungen sind die Richtungen in Fig. 6
durch die Pfeile angedeutet, deren Länge jeweils einen Anhaltspunkt für
die Anlenkungsamplitude gibt.
Betrachtet man nun im einzelnen die Verteilung der Auslenkungen im Schwingungszustand
von Fig. 6, so ergibt sich, daß die Winkel AOB und COB verkleinert
und die Winkel AOC und BOD vergrößert werden. Das macht deutlich,
daß wechselseitig entgegengerichtete Spannungen in Richtung auf das Zentrum
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 Zentren der durch die
jeweiligen Punkte eingeschlossenen Flächen hin ausgeprägter.
Auf der Grundlage der zuvor erläuterten Vorgängen wird klar, daß, wenn die
ringförmigen Elektrostriktivelemente 14 von Fig. 5 an den beiden Oberflächen
des rechteckigen Plattenresonators 10 verankert und dann angesteuert
werden, die in Fig. 6 durch die Pfeile angedeuteten Auslenkungen
auch dem Plattenresonator 10 vermittelt werden, so daß sich Resonanzschwingungen
in den Ecken 11 senkrecht zu den Diagonalen des Plattenresonators
10 ergeben.
Bei der praktischen Anwendung der Erfindung ist anzustreben, daß auch hier
die Schwingungen des Werkzeugs 12 richtungsmäßig mit der resultierenden
Kraft P aus der Hauptkomponente Pc und der Querkomponente Pt in Fig. 9
zusammenfallen, so daß die Ausrichtung der Nocken 21, 22 unter Berücksichtigung
dieses Winkels bestimmt werden muß.
Wie zuvor erläutert worden ist, sind die ringförmigen Elektrostriktivelemente
14 so angeordnet, daß die Mittelteilungslinien 17 zwischen den Segmentelektroden
16 mit den Diagonalen des Plattenresonators 10 lagemäßig
zusammenfallen und durch den Oberflächen-Mittelpunkt des Plattenresonators
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 versetzt
werden. Da keines der Elektrostriktivelemente 14 besonderen Platz
braucht, stören diese im Betrieb nicht. 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 schnell und leicht eingestellt werden. Ein
bestimmter Anstellwinkel der Werkzeuge 12 relativ zum Werkstück 31 läßt
sich damit 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, dadurch
gekennzeichnet, daß ringförmige Elektrostriktivelemente
(14) mit dem Plattenresonator (10) über säulenartige bzw. stangenartige
Blöcke (18, 19) verspannt sind, daß jedes Elektrostriktivelement (14)
auf einer Seite durch Aufteilung des Umfangs in vier Segmentelektroden (16)
aufgeteilt und so polarisiert ist, daß jeweils benachbarte Segmentelektroden
(16) in Dickenrichtung des Elektrostriktivelements (14) zueinander entgegengerichtete
Polaritäten aufweisen und daß die Elektrostriktivelemente (14)
so angeordnet sind, daß die Mittelteilungslinien (17) zwischen den Segmentelektroden
(16) mit den Diagonalen des Plattenresonators (10) lagemäßig
zusammenfallen und durch den Oberflächen-Mittelpunkt des Plattenresonators (10)
verlaufen.
2. Aktivierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
an zumindest einer 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) mit Hilfe von Klemmschrauben
(26) fest und sicher gehalten sind.
4. Aktivierungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Revolverpositionierungsmechanismus an zumindest einem der Lagerelemente
(24) zur Arretierung des Blockes (19) in unterschiedlichen Positionen
vorgesehen ist.
5. Aktivierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
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 resultierenden
Kraft der Hauptkomponente und der Querkomponente eines Schnittwiderstandes
zusammenfallen.
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