Nowa metoda obróbki rzeźbionych powierzchni za pomocą ultradźwiękowego cięcia eliptycznego

Abstrakcyjny:

  Zaproponowano nową metodę obróbki w celu uzyskania rzeźbionych powierzchni lustrzanych poprzez zastosowanie eliptycznego cięcia wibracyjnego. Narzędzie jest wibrujące eliptycznie, w przeciwieństwie do konwencjonalnych wirujących młynków końcowych, i jest podawane wzdłuż rzeźbionej powierzchni podczaspozycja obrotowa narzędzia jest sterowana zgodnie z rzeźbioną orientacją powierzchni w proponowanym sposobie. Aby zrealizować obróbkę wyrzeźbionej powierzchni utwardzonej matrycy za pomocą narzędzia diamentowego z pojedynczym kryształem,wymagane są specjalne komponenty, tj. układ wibracyjny, który może generować dowolne ultradźwiękowe drgania eliptyczne w przestrzeni 3D, 4-osiową kontrolowaną maszynę precyzyjną i specjalny system CAM. Wibracja eliptycznaSystem składa się z ultradźwiękowego narzędzia wibracyjnego 3 DOF i kontrolera drgań. Narzędzie wibracyjne może generować dowolne drgania eliptyczne przy 34,4 kHz, łącząc dwa drgania zginające i podłużnewibracja. Kontroler wibracji jest wytwarzany w celu utrzymania drgań eliptycznych w pożądanym miejscu w przestrzeni 3D. 4-osiowa precyzyjna obrabiarka, składająca się z wrzeciona pneumatycznego, precyzyjnych prowadnic liniowych,precyzyjne śruby kulkowe i tak dalej. Zastosowano komercyjne oprogramowanie CAM i opracowano specjalny procesor post, który generuje ścieżki narzędzia do 4-osiowej obróbki kontrolnej rzeźbionych powierzchni. Opracowany ultradźwiękowyeliptyczny system obróbki drgań jest stosowany do precyzyjnego cięcia diamentowego hartowanej stali matrycowej i potwierdza się, że obróbka powierzchni lustrzanej o chropowatości powierzchni mniejszej niż 0,28 μm Rz może być realizowana dla powierzchni sferycznejobróbka hartowanej stali matrycowej.

1. WSTĘP

  Stal hartowana do matryc i form jest zwykle obrabiana za pomocą frezowania z czopem kulowym, szlifowania lub obróbki elektroerozyjnej [1]. Polerowanie jest następnie stosowane w wielu przypadkach jako lustrzane wykończenie powierzchni. Jednak polerowanie jestkosztowny i czasochłonny proces, zmniejsza dokładność obróbki i nie nadaje się do wykończenia mikrostruktur.

  Z drugiej strony, autorzy opracowali nową metodę cięcia o nazwie eliptyczne cięcie wibracyjne [2-7], która może wykonywać obróbkę powierzchni lustrzanych trudnych do cięcia materiałów, w tym hartowanej stali matrycowej, z pojedynczym kryształemnarzędzia diamentowe. Jednym z kolejnych celów jest opracowanie aprecyzyjne centrum obróbcze, które może uzyskać rzeźbione powierzchnie lustrzane bez polerowania za pomocą eliptycznego cięcia wibracyjnego.

  W niniejszym badaniu zaproponowano nową metodę, która jest korzystna dla uzyskania rzeźbionych powierzchni za pomocą eliptycznego cięcia wibracyjnego. Nowe, ultradźwiękowe, eliptyczne narzędzie wibracyjne o 3 stopniach swobody (DOF) i precyzyjnej maszynieNarzędzie opracowano dla proponowanej metody obróbki i stosuje się do obróbki powierzchni lustrzanej hartowanej stali matrycowej.

2.PROPOSAL NOWYCH METOD NA POWIERZCHNIE RZEŹBIONE MASZYNĄ

2.1Eliptyczny proces cięcia wibracyjnego

  Rysunek 1 pokazuje schematyczną eliptyczną procedurę cięcia wibracyjnego. Narzędzie jest wibrujące eliptycznie i podawane w nominalnym kierunku cięcia w stosunku do obrabianego przedmiotu w tym samym czasie, tak, że formowany jest chipz przerwami i wyciągane w każdym cyklu wibracji. Ponieważ tarcie między czipem i powierzchnią natarcia narzędzia jest odwrotne, kąt ścinania jest zwiększony, a w konsekwencji zmniejsza się siła cięcia i energia cięciaznacząco.

2.2Ellipetyczne cięcie wibrujące rzeźbionych powierzchni

  Powierzchnie rzeźbione ze stali hartowanej są na ogół obrabiane przez frezowanie na końcu kulkowym, jak pokazano na fig. 2 (a), a szorstkie powierzchnie są następnie polerowane, gdy wymagane są powierzchnie lustrzane. Ultradźwiękowe wibracje eliptycznecięcie jest stosowane w niniejszym badaniu w celu wyeliminowania procesu polerowania. Rysunek 2 (b) pokazuje proponowaną metodę obróbki. Narzędzie jest wibruje eliptycznie, w przeciwieństwie do konwencjonalnych obrotowych frezów czołowych, i jest podawane wzdłużRzeźbiona powierzchnia, podczas gdy pozycja obrotowa narzędzia jest precyzyjnie kontrolowana zgodnie z rzeźbioną orientacją powierzchni. Tak więc proponowana metoda wymaga precyzyjnego narzędzia obrabiarki o co najmniej 4 osiach, tj. X, Y, Z iC, aby obrabiać rzeźbione powierzchnie.

  Oba procesy cięcia są przerywane, ale częstotliwość jest znacznie wyższa, a promień jest znacznie mniejszy w eliptycznym cięciu drgań, w porównaniu z rys. 2. Różnice te umożliwiają obróbkę powierzchni lustrzanych za pomocą narzędzi diamentowychjak podano w poprzednich pracach [4-6].

  Wibrowane narzędzie można również obracać jak w młynach końcowych. Jednakże takie frezowanie wibracyjne uważa się za nadmiarowe, ponieważ samo cięcie wibrujące jest procesem przerywanym. Obecna metoda jest bardziej korzystna dlachropowatość powierzchni, trwałość narzędzia i wydajność, ponieważ droga trochoidalna w procesie frezowania zwiększa chropowatość powierzchni i niepotrzebne cięcie powietrzem.

  Konwencjonalne wibratory ultradźwiękowe eliptyczne generujądrgania eliptyczne w ustalonych płaszczyznach, które są z grubsza prostopadłe do osi wibratora [3-7]. W ten sposób powstaje nowe narzędzie wibracyjne eliptyczne 3 DOF, które może generować dowolne ultradźwiękowe drgania eliptyczne w przestrzeni 3D.pożądany, aby mógł obrabiać szeroki zakres rzeźbionych powierzchni. Ponadto do realizacji proponowanej obróbki wymagana jest precyzyjna obrabiarka i specjalny postprocesor dla CAM.

3. ROZWIJANIE SYSTEMU WIBRACJI ULTRADŹWIĘKOWEJ 3 DOF

  Konwencjonalne narzędzie do drgań eliptycznych [3-5] zostało opracowane przez połączenie dwóch drgań zginających. Wibracje wzdłużne są następnie łączone, aby wygenerować dowolne drgania eliptyczne w przestrzeni 3D, patrz ryc. 3. ZaprojektowaneNarzędzie wykorzystuje IV tryb rezonansowy wibracji zginania w kierunkach U i V oraz 2. tryb rezonansowy wibracji podłużnych w kierunku Z.

  Częstotliwości i pozycje węzłowe tych dwóch trybów rezonansowych są ogólnie różne, a zatem kształt wibratora powinien być zaprojektowany tak, aby ich częstotliwości i pozycje węzłowe były blisko siebie w tym samym czasie. Pierwszy, drugiTryb rezonansowy wibracji podłużnych został wybrany tak, aby wibrator miał dwa węzły i może być sztywno podparty w dwóch położeniach węzłowych. Następnie wybrano czwarty rezonans drgań zginających, ponieważ dwa z węzłówpozycje są względnie zbliżone do podłużnych. Częstotliwości rezonansowe i pozycje węzłowe zostały skorygowane poprzez wykonanie schodkowych i stożkowych części, patrz Fig. 3 i zmianę ich wymiarów. Ten projekt był wspomagany przezsymulacje komputerowe. Zostały one z grubsza skorygowane za pomocą analizy wiązki Eulera-Bernoulliego, a następnie ostateczny kształt został określony za pomocą analizy MES, jak pokazano na rysunku4.

  Drgania zginające są wzbudzane przez czteropołożeniowe płyty (PZT) pokazane na Fig. 3. Lewe i prawe PZT są rozszerzane i kurczone z przesunięciem fazowym o 180 stopni, aby zginać wibrator w kierunku V. Z przodu itylne są używane w taki sam sposób, aby zgiąć je w kierunku U. Wibracje podłużne są wzbudzane przez użycie pozostałych czterech PZT z tą samą fazą. Te trzy kierunkowe wibracje są wykrywane przez małe czujniki PZT, orazsygnały te są wykorzystywane do usuwania przesłuchu, kontroli sprzężenia zwrotnego amplitud drgań i różnic fazowych oraz pościgu rezonansowego [5]. Szczegóły systemu sterowania opracowanego dla narzędzia wibracyjnego 3 DOF zostały pominięte wobecny papier.

  Zaleca się w ultradźwiękowym eliptycznym wibracjom wibracyjnym zastosowanie wibracji eliptycznych w płaszczyźnie, w tym kierunku cięcia i w przybliżeniu kierunku przepływu wiórów [2,3,7]. Tak więc wibracje są tutaj stosowane w płaszczyźniew tym kierunek cięcia, to jest kierunek U, i kierunek nachylony od osi wibratora, jak pokazano czerwoną strzałką na Fig. 3, która jest z grubsza średnim kierunkiem przepływu wiórów w obrobionym obszarze kąta.

  Na rysunku 5 pokazano opracowane 3 narzędzie wibracyjne ultradźwiękowe DOF z końcówką z diamentem z jednym kryształem. Częstotliwości rezonansowe są ustawione na 34,4 kHz, a opracowany system może wygenerować dowolne miejsce drgań eliptycznych wdowolna płaszczyzna w przestrzeni 3D. Maksymalnyamplitudy to 30 Pmp-p w kierunkach U i V i 24 Pmp-p w kierunku Z, które odpowiadają odpowiednio 195 i 156 m / min.

4. ROZWIJANIE SYSTEMU CIĘCIA ELLIPTYCZNEGO WIBRACJI

  Precyzyjna obrabiarka, patrz rys. 6, została opracowana dla proponowanej metody obróbki w oparciu o komercyjne centrum obróbcze. Opracowane 3 narzędzie wibracyjne DOF jest zamontowane w wrzecionie osi C i jest połączone ze sterownikiem iwzmacniacze mocy. Ponieważ są one połączone przewodami elektrycznymi, oś C nie może być obracana w nieskończoność. Narzędzie jest podawane wzdłuż rzeźbionej powierzchni na każdym poziomie Z i obracane zgodnie z orientacją powierzchni cięcia wproponowana metoda, jak pokazano na ryc. 2 (b). Dlatego oś C jest obracana przeciwbieżnie w celu przewijania drutów po każdym obrocie na obecnym etapie badań. Przewody zostaną zastąpione pierścieniami ślizgowymi lub transformatorami w następnym etapie.

  Maksymalna chropowatość powierzchni mniejsza niż około 100 nm jest zazwyczaj wymagana do wykończenia powierzchni lustrzanej. W związku z tym błędy ruchu obrabiarki powinny być mniejsze niż około 100 nm, w tym niepożądane wibracje między narzędziem a urządzeniemobrabiany przedmiot dzięki pompom oleju / powietrza, wentylatorom i tym podobnym. Dzięki zastosowaniu wrzeciona pneumatycznego dla osi C, błąd ruchu obrotowego jest ograniczony do około 20 nm w kierunku X i około 80 nm w kierunku Y w nieodwracalnym biegu(NRRO), jak pokazano na rys. 7. Oceniono je, mocując kulkę wzorcową do wrzeciona narzędzia i mierząc jej przemieszczenia promieniowe za pomocą czujników pojemnościowych zamocowanych na stole obrabianym. Precyzyjne śruby kulowe z małym pulsowaniem momentu iPrecyzyjne liniowe prowadnice rolkowe są stosowane dla osi X, Y i Z. Na rysunku 8 pokazano liniowe błędy ruchu na stole podawczym osi X, na przykład. Mierzono je, mocując prostą krawędź na stole podawczym i mierzącjego położenia z czujnikami pojemnościowymi przymocowanymi do wrzeciona. Jak pokazano na rysunku, fluktuacja ruchu jest stosunkowo duża przy dużym skoku wynoszącym 10 mm, co prawie odpowiada skokowi śruby kulowej, a takżeobrót rolek używanych w prowadnicach liniowych. Jednak komponenty o mniejszych skoku błędów ruchu, które mają wpływ na jakość powierzchni lustrzanej, są znacznie mniejsze niż 100 nm. Te ruchy błędów wrzeciona i tabele posuwu obejmująniepożądane drgania pomiędzy wrzecionem narzędziowym a stołem obrabianym, ponieważ oba zostały zmierzone względnie pomiędzy wrzecionem a stołem.

  Wykorzystywane jest komercyjne oprogramowanie CAM, które wysyła dane CL i normalne wektory do powierzchni cięcia z danych CAD. W tym celu opracowano specjalny procesor postu, aby przekształcić normalne wektory na kąty rotacyjne osi C, tak abykąt natarcia narzędzia jest utrzymywany na stałym poziomie podczas każdego cięcia na poziomie Z, podczas gdy kierunek cięcia zmienia się wzdłuż zakrzywionej ścieżki.

5. OBRABIANIE DOŚWIADCZEŃ

  Przeprowadzono eksperymenty obróbkowe w celu zbadania podstawowej wydajności opracowanego systemu. Najpierw przeprowadzono eksperyment strugania, ponieważ podstawowe parametry systemu obróbki pojawiają się wyraźnie na płaskiej powierzchni. Następnie sferycznykształt został poddany obróbce za pomocą proponowanej metody obróbki za pomocą sterowania 4-osiowego. Jako materiał obrabiany stosuje się utwardzoną matrycę o twardości HRC54 lub 40 i jest ona cięta za pomocą narzędzi diamentowych z jednym kryształem. Oba eksperymenty byłyprowadzone tylko przez eliptyczne cięcie wibracyjne, ponieważ dobrze wiadomo, że stal nie może być obrabiana przez zwykłe cięcie diamentowe. Warunki obróbki zestawiono w Tabeli 1.

  Wynik eksperymentu strugania pokazano na ryc. 9-13. Powierzchnia cięcia była tu nachylona o 38,7 stopnia wokół osi X podczas tej obróbki, tak że wszystkie osie X, Y i Z są zaangażowane w operację. Jak pokazano na rys. 9, lustropowierzchnia jest uzyskiwana z powodzeniem za pomocą niniejszej metody. Figura 10 pokazuje fotografię ciętej powierzchni wykonaną za pomocą różnicowego mikroskopu interferencyjnego. Ślady podawania są ledwo obserwowane, których wysokość odpowiadaprędkość podawania 15 μm. Pozostałe oznaczenia w kierunku cięcia pojawiają się wyraźnie przy skoku około 2,5 μm. Eliptyczny proces cięcia wibracyjnego powoduje małą geometryczną falistośćw kierunku cięcia, jak pokazano na Fig. 2 (b), ale jego wysokość i wysokość powinny wynosić teoretycznie odpowiednio 0,48 μm i 5,3 nm w obecnych warunkach. Uważa się, że te znaki zostały spowodowane przez 1. tryb rezonansowyzginanie wibracji wibratora, którego częstotliwość, 6,5 kHz, pokrywa się z częstotliwością znaków. Rysunek 11 pokazuje profilepowierzchni cięcia zmierzonej w kierunku cięcia i podawania. Pokazują one, że chropowatość spowodowana śladami podawania i innymi znakami wynosi około 50 nm, a ich maksymalna szorstkość wynosi około 150 nm Rz uzyskuje się bez polerowania.

  Figura 12 pokazuje sferyczne lustro stalowe wykończone proponowanym sposobem. Wynik wskazuje, że zakrzywione lustrzane powierzchnie hartowanej stali matrycowej można uzyskać za pomocą zaproponowanego eliptycznego cięcia wibracyjnego z 4-osiowym sterowaniem.

  Figura 13 pokazuje profile powierzchni mierzone w miejscu, w którym wektor normalny tworzy 30 stopni względem tego w górnej części kuli. Maksymalną chropowatość około 280 nm Rz uzyskuje się dla powierzchni sferycznej, jak pokazano wpostać.

6. ZGŁOSZENIE

  Zaproponowano nową metodę obróbki rzeźbionych lustrzanych powierzchni hartowanej stali matrycowej za pomocą eliptycznej technologii cięcia wibracyjnego. 3 ultradźwiękowy system wibracyjny DOF, który jest kluczowym elementem do realizacjiproponowana obróbka skrawaniem, precyzyjne obrabiarki i post procesor dla CAM zostały opracowane, a płaskie i sferyczne lustra stalowe zostały pomyślnie uzyskane przez opracowany system. Wyniki weryfikacji ważności proponowanegometoda i opracowany system. Oczekuje się, że rzeźbiona obróbka powierzchni lustrzanej hartowanej stali matrycowej zostanie wkrótce zrealizowana za pomocą proponowanej metody.

7. PODZIĘKOWANIA

  Autorzy wyrażają szczere podziękowania dla A.L.M.T.Diamond Corp., Honda Electronics Co., Ltd., Sansyu Finetool Co., Ltd. i Echo Electronics Co., Ltd. za ich wsparcie i porady, a także do absolwenta studenta pana A. Nakamura za jegowsparcie. Badania zostały wsparte finansowo przez Chubu Bureau japońskiego Ministerstwa Gospodarki, Handlu i Przemysłu jako Regionalny Projekt Konsorcjum R & D.