Nová metoda obrábění plastických povrchů aplikací ultrazvukového eliptického řezání vibrací

Abstraktní:

  Je navržena nová metoda obrábění pro získání vyřezávaných zrcadlových ploch aplikací eliptických vibračních řezů. Nástroj je elipticky vibrovaný, na rozdíl od konvenčních rotačních koncových mlýnů, a je podáván podél vyřezávaného povrchu, zatímcorotační poloha nástroje je řízena v souladu s navrženou metodou sochované povrchové orientace. Za účelem realizace obrábění sochovaného povrchu z tvrzené oceli s jednokrystalovým diamantovým nástrojem,jsou požadovány speciální komponenty, tj. vibrační systém, který může v 3D prostoru generovat libovolnou ultrazvukovou eliptickou vibraci, čtyřosý řízený přesný obráběcí stroj a speciální systém CAM. Eliptické vibracesystém, který se skládá z ultrazvukových vibračních nástrojů 3 DOF a vibračního regulátoru. Vibrační nástroj může generovat libovolné eliptické vibrace při 34,4 kHz kombinací dvou ohybových vibrací a podélnéhovibrace. Řídicí jednotka vibrací je konstruována tak, aby udržovala eliptické vibrace v požadovaném prostoru v 3D prostoru. 4-osý řízený přesný obráběcí stroj, který se skládá z vzduchového vřetena, přesných lineárních vedení,přesné kuličkové šrouby a tak dále. Používá se komerční software CAM a je vyvinuta speciální postprocesor pro generování nástrojových cest pro 4-osé řídící obrábění sochovaných povrchů. Vyvinutá ultrazvukeliptický vibrační obráběcí systém se aplikuje na přesné diamantové řezání tvrzené oceli a je potvrzeno, že obrábění zrcadlového povrchu s drsností povrchu menší než 0,28 μm Rz může být realizováno pro sférický povrchobrábění tvrzené oceli.

1. ÚVOD

  Tvrzená ocel pro matrice a formy je obecně obráběna frézováním, broušením nebo elektroerozním obráběním [1]. Leštění se následně aplikuje, protože v mnoha případech je vyžadována zrcadlová povrchová úprava. Nicméně leštění jenákladný a časově náročný proces, snižuje přesnost obrábění a není vhodné dokončit mikrostruktury.

  Na druhé straně autoři vyvinuli novou řeznou metodu s názvem eliptické vibrační řezání [2-7], které umožňuje realizovat obrábění zrcadlových povrchů obtížně řezných materiálů, včetně tvrzené oceli, s monokrystalovýmdiamantové nástroje. Jedním z dalších cílů je rozvíjet apřesné obráběcí centrum, které může získat vyřezávané zrcadlové povrchy bez leštění aplikováním eliptických vibračních řezů.

  V tomto výzkumu je navržena nová metoda, která je výhodná pro získání vyřezaných povrchů eliptickým řezáním vibracím. Nový ultrazvukový eliptický vibrační nástroj s třístupňovou volností (DOF) a přesným strojemnástroj pro navrhovanou obráběcí metodu a je aplikován na obrábění zrcadlového povrchu z tvrzené oceli.

2.PROPOSAL NOVÉ METODY PRO STROJOVÉ SUROVÉ STROJE

2.1Eliptický proces řezání vibrací

  Obrázek 1 ukazuje schematické znázornění procesu eliptického vibračního řezání. Nástroj je elipticky vibrován a je přiváděn ve jmenovitém směru řezu ve vztahu k obrobku současně, takže je vytvořen čippřerušovaně a vytáhnuty v každém cyklu vibrací. Vzhledem k tomu, že tření mezi čipem a čelní plochou nástroje je obrácené, úhel střihu se zvětší a následně se sníží síla řezání a řezná energievýznamně.

2.2Eliptické řezání vibrací na sochovaných plochách

  Skulptované povrchy z tvrzené oceli jsou obecně opracovány frézováním s kulovým koncem, jak je znázorněno na obr. 2 (a), a drsné povrchy jsou následně leštěny, když jsou vyžadovány zrcadlové povrchy. Ultrazvuková eliptická vibraceřezání je aplikováno v současném výzkumu s cílem eliminovat proces leštění. Obrázek 2 (b) ukazuje navrhovanou metodu obrábění. Nástroj je elipticky vibrovaný, na rozdíl od běžných rotačních koncových mlýnů, a je podáván podélže je otočná poloha nástroje přesně řízena v souladu se strukturovanou orientací povrchu. Navrhovaný způsob tedy vyžaduje přesný obráběcí stroj s alespoň 4 osami, tj. X, Y, Z aC, aby vyfrézovaly povrchy.

  Oba řezné procesy jsou přerušované, ale frekvence je mnohem vyšší a poloměr je mnohem menší v eliptické vibrační řezání ve srovnání s obr. 2. Tyto rozdíly umožňují obrábění povrchu zrcadla pomocí diamantových nástrojůjak bylo uvedeno v předchozích dokumentech [4-6].

  Vibrovaný nástroj lze také otáčet jako koncové mlýny. Takové vibrační frézování je však považováno za nadbytečné, protože řezání vibrací je přerušovaným procesem samotným. Tato metoda je výhodnější prodrsnost povrchu, životnost a účinnost nástroje, protože trochoidní cesta v procesu frézování zvyšuje drsnost povrchu a zbytečný vzduch.

  Konvenční ultrazvukové eliptické vibrátory generujíeliptické vibrace v pevných rovinách, které jsou zhruba kolmé k osám vibrátorů [3-7]. Takže nový 3-DOF eliptický vibrační nástroj, který může generovat libovolnou ultrazvukovou eliptickou vibraci ve 3D prostoru, jetak, aby stroj mohl zpracovávat širokou škálu vyřezávaných ploch. Kromě toho je pro realizaci navrhovaného obrábění potřebný přesný obráběcí stroj a speciální postprocesor pro CAM.

3. VÝVOJ ULTRASONICOVÉHO VIBRAČNÍHO SYSTÉMU 3 DOF

  Konvenční eliptický vibrační nástroj [3-5] byl vyvinut kombinací dvou ohybových vibrací. Podélná vibrace se zde dále skombinují, aby se vytvořila libovolná eliptická vibrace v 3D prostoru, viz obr. 3. Navrženénástroj využívá 4. rezonanční režim vibrací v ohybu v směrech U a V a druhý rezonanční režim podélných vibrací ve směru Z.

Frekvence a uzlové polohy těchto dvou rezonančních režimů jsou obecně odlišné a tudíž tvar vibrátoru by měl být navržen tak, aby jejich frekvence a uzlové polohy byly současně blízko sebe. Za prvé, druhýrezonanční režim podélných vibrací byl vybrán tak, že vibrátor má dva uzly a může být pevně podepřen ve dvou uzlových pozicích. Dále byl zvolen 4. rezonanční režim ohybových vibrací, protože dva z nodálníchpozice jsou relativně blízké pozicím. Rezonanční frekvence a uzlové polohy byly upraveny provedením stupňovitých a zúžené části, viz obr. 3 a změnou jejich rozměrů. Tento návrh byl podpořenpočítačové simulace. Byly zhruba upraveny analýzou Euler-Bernoulliho paprsku a konečný tvar byl určen použitím analýzy FEM, jak je ukázáno na obr.4.

  Vibrační ohyby jsou vyvolávány čtyřpiesoelektrickými deskami (PZT) znázorněnými na obr. 3. Levé a pravé PZT jsou roztaženy a smontovány s fázovým posunem o 180 stupňů, aby ohýbal vibrátor ve směru V. Přední azadní jsou použity stejným způsobem, aby se ohýbaly ve směru U. Pozdní vibrace jsou vzrušeny použitím dalších čtyř PZT se stejnou fází. Tyto tři směrové vibrace jsou detekovány malými snímači PZT atyto signály jsou využívány k odstranění křížového hovoru, zpětné vazbě k amplitudám vibrací a fázovým rozdílům a k rezonančnímu pronásledování [5]. Podrobnosti o řídícím systému vyvinutém pro vibrační nástroj 3 DOF jsou vynechány vsoučasný papír.

  V ultrazvukovém eliptickém vibračním řezu se doporučuje aplikovat eliptické vibrace v rovině včetně směru řezu a zhruba směru toku čipu [2,3,7]. Tím se vibrace v této rovině uplatnívčetně směru řezu, tj. směru U a směru skloněného od osy vibrátoru, jak je znázorněno červenou šipkou na obr. 3, což je zhruba průměrný směr toku čipu v obrobené oblasti úhlu.

  Obrázek 5 znázorňuje vyvinutý ultrazvukový vibrační nástroj 3 DOF s jedním krystalovým diamantovým hrotem. Rezonanční frekvence jsou nastaveny na 34,4 kHz a vyvinutý systém může generovat libovolné místo eliptických vibrací vlibovolná rovina v 3D prostoru. Maximálníamplitudy jsou 30 Pmp-p ve směru U a V a 24 Pmp-p ve směru Z, což odpovídá 195 a 156 m / min.

4. VÝVOJ SYSTÉMU ŘEZÁNÍ ELLIPTICKÉ VIBRACE

  Přesný obráběcí stroj, viz obr. 6, byl vyvinut pro navrhovanou metodu obrábění na základě komerčního obráběcího centra. Vyvinutý vibrační nástroj 3 DOF je namontován v ose C osy a je připojen k regulátoru avýkonových zesilovačů. Vzhledem k tomu, že jsou spojeny elektrickými vodiči, nelze osu C otáčet nekonečně. Nástroj je podáván podél vyřezávaného povrchu na každé úrovni Z a otáčen v souladu s orientací řezané plochy vnavrženou metodou, jak je znázorněno na obr. 2 (b). Proto je osa C otočena proti směru hodinových ručiček pro zpětné převíjení drátu po každém otáčení v současné fázi výzkumu. Dráty budou v dalším stupni nahrazeny kroužky nebo transformátory.

  Maximální drsnost povrchu menší než asi 100 nm je obvykle požadována pro povrchovou úpravu zrcadla. Chyby pohybu obráběcího stroje by tedy měly být menší než asi 100 nm, včetně nežádoucích vibrací mezi nástrojem a strojemobrobku díky olejovým / vzduchovým čerpadlům, ventilátorům a tak dále. Použitím vzduchového vřetena pro osu C je chyba rotačního pohybu omezena na přibližně 20 nm ve směru X a přibližně 80 nm ve směru Y v neopakovatelném vyčerpání(NRRO), jak je znázorněno na obr. 7. Byly vyhodnoceny připevněním hlavní koule na nástrojové vřeteno a měřením radiálních posunů pomocí kapacitních snímačů upevněných na stole obrobku. Přesné kuličkové šrouby s malým kroutícím momentem apřesné lineární vodítka jsou použity pro osy X, Y a Z. Obr. 8 znázorňuje například chyby lineárního posunu tabulky posuvu osy X. Byly měřeny připevněním rovného okraje na podávacím stole a měřenímjeho rozměry s kapacitními snímači upevněnými na vřetenu. Jak je znázorněno na obrázku, kolísání pohybu je relativně velké při velkém rozteči 10 mm, což téměř odpovídá roztečení kuličkového šroubu a také jedenotáčení válečků používaných v lineárních vedeních. Komponenty s menšími rozteči, které ovlivňují kvalitu zrcadlového povrchu, jsou však mnohem menší než 100 nm. Tyto chybové pohyby vřetena a krmné tabulky obsahujínežádoucí vibrace mezi vřetenem nástroje a stolem obrobku, protože oba byly měřeny relativně mezi vřetenem a stolem.

  Používá se komerční software CAM, který vyvede data CAD a normální vektory na řezaný povrch z CAD dat. Zvláštní postprocesor je zde vyvinut pro transformaci normálních vektorů na rotační úhly osy C, takžeúhel sklonu nástroje je udržován konstantní v každém řezu na úrovni Z, zatímco směr řezu se mění podél zakřivené dráhy.

5.MĚŘÍCÍ EXPERIMENTY

  Byly provedeny experimenty za účelem zkoumání základního výkonu vyvinutého systému. Nejprve byl prováděn hoblovací experiment, jelikož základní výkonnost obráběcího systému se jasně objevuje na rovinném povrchu. Pak kulovýtvar byl obroben navrhovanou metodou obrábění s využitím čtyřosého řízení. Tvrzená ocel s tvrdostí HRC54 nebo 40 se používá jako materiál obrobku a řeže se jednokrystalovými diamantovými nástroji. Oba experimenty bylykterý je veden pouze eliptickým vibračním řezem, protože je dobře známo, že ocel nemůže být obrobena běžným diamantovým řezáním. Podmínky obrábění jsou shrnuty v tabulce 1.

  Výsledek hoblovacího experimentu je znázorněn na obr. 9-13. Rozřezaný povrch byl v tomto obrábění nakloněn o 38,7 stupňů kolem osy X, takže se do operace zapojily všechny osy X, Y a Z. Jak je znázorněno na obr. 9, zrcadlopovrch je úspěšně dosažen touto metodou. Obr. 10 znázorňuje fotografii řezaného povrchu pořízeného diferenciálním interferenčním mikroskopem. Značky krmení jsou sotva pozorovány, jejichž rozteč odpovídá hodnotěposuv 15 μm. Ostatní značky ve směru řezu se objeví jasně s roztečí asi 2,5 μm. Proces eliptického vibračního řezání způsobuje malou geometrickou vlnitostve směru řezu, jak je znázorněno na obr. 2 (b), ale jeho rozteč a výška by měla být za současných podmínek teoreticky 0,48 μm a 5,3 nm. Zdá se, že tyto značky byly způsobeny 1. rezonančním režimemohybové vibrace vibrátoru, jehož kmitočet 6,5 kHz se shoduje s kmitočtem značek. Obrázek 11 zobrazuje profilyřezaného povrchu, měřeno ve směru řezu a posuvu. Ukazují, že drsnost způsobená značkami krmení a ostatními značkami je asi 50 nm a že maximální nerovnost asi 150 nm Rz se získá bez leštění.

  Na obr. 12 je znázorněno sférické ocelové zrcadlo ukončené navrhovanou metodou. Výsledek ukazuje, že zakřivené zrcadlové povrchy z tvrzené oceli mohou být získány navrženým eliptickým vibračním řezáním se čtyřmi osami.

Obr. 13 znázorňuje povrchové profily měřené v poloze, kde normální vektor činí 30 stupňů s tím, který je v horní části koule. Pro sférický povrch se dosáhne maximální nerovnosti asi 280 nm Rz, jak je uvedeno vpostava.

6. ZÁVĚR

  Nová metoda byla navržena pro obrábění vyřezávaných zrcadlových povrchů z tvrzené oceli s využitím technologie eliptických vibračních řezů. Ultrazvukový vibrační systém 3 DOF, který je klíčovou součástí realizacenavrhované obrábění, přesný obráběcí stroj a postprocesor pro CAM byly vyvinuty a ploché a kulové ocelové zrcadla byly úspěšně získané vyvinutým systémem. Výsledky ověřují platnost navrhovaného řešenímetodou a vyvinutým systémem. Očekává se, že opracované povrchové obrábění tvrzené oceli se brzy uskuteční navrhovanou metodou.

7. ZÁVĚSY

  Autoři vyjadřují upřímnou díky společnosti A.L.M.T.Diamond Corp., Honda Electronics Co., Ltd., Sansyu Finetool Co., Ltd. a Echo Electronics Co., Ltd. pro jejich podporu a rady, a také na absolventa studenta pan A. Nakamura pro jehopomoc. Výzkum byl finančně podporován kanceláří Chubu japonského ministerstva hospodářství, obchodu a průmyslu jako regionálního projektu R & D Consortium.