طريقة جديدة للأسطح النحاسية الآلية من خلال استخدام قطع الاهتزاز الاهليلجية بالموجات فوق الصوتية

نبذة مختصرة:

  تم اقتراح طريقة تصنيع جديدة للحصول على أسطح مرايا منحوتة من خلال استخدام قطع الاهتزاز الإهليلجي. أداة اهتزازية اهتزازية ، على عكس المطاحن نهاية الدورية التقليدية ، ويتم تغذية على طول سطح منحوت بينمايتم التحكم في موضع الدوران للأداة وفقًا للاتجاه السطحي المنحوت في الطريقة المقترحة. من أجل تحقيق تشكيل سطح منحوتة من الصلب يموت صلابة مع أداة الماس الكريستال واحدة ،مطلوبة المكونات الخاصة ، أي نظام الاهتزاز التي يمكن أن تولد اهتزاز إهليلي اهتزازي بالموجات فوق الصوتية في الفضاء 3D ، أداة آلة دقيقة 4-محور التحكم ونظام CAM خاص. اهتزاز اهليلجيتم تطوير نظام ، والذي يتكون من 3 DF أداة الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية وجهاز تحكم الاهتزاز. يمكن لأداة الاهتزاز توليد الاهتزاز الإهليلجي العشوائي عند تردد kHz 34،4 من خلال الجمع بين ذراعي انحناء وثني طولانياهتزاز. تم إنشاء وحدة التحكم في الاهتزاز للحفاظ على الاهتزاز الاهليلجي في المكان المطلوب في الفضاء الثلاثي الأبعاد. أداة التحكم الدقيقة ذات 4 محاور ، والتي تتكون من مغزل جوي ، أدلة خطية دقيقة ،البراغي الكرة الدقة وهلم جرا ، تم تطويره. يتم استخدام برنامج CAM التجاري ويتم تطوير معالج آخر خاص لتوليد مسارات أدوات للتحكم في المحاور رباعية الأسطح المنحوتة. المتقدمة بالموجات فوق الصوتيةيتم تطبيق نظام تصنيع الاهتزاز الإهليلجي على قطع الألماس الدقيقة من الصلب القاسي الصلب ، ومن المؤكد أنه يمكن تحقيق سطح المرآة مع خشونة السطح أقل من 0.28 Pm Rz لسطح كرويتصنيع الصلب يموت صلابة.

1 المقدمة

  يتم تشكيل الفولاذ المتصلد للقوالب والقوالب بشكل عام عن طريق الطحن أو الطحن أو التفريغ الكهربائي [1]. يتم تطبيق التلميع لاحقًا نظرًا لأن إنهاء سطح المرآة مطلوب في كثير من الحالات. ومع ذلك ، فإن تلميع هوعملية مكلفة وتستغرق وقتا طويلا ، فإنه يقلل من دقة التصنيع ، وليس من المناسب لإنهاء الهياكل الدقيقة.

  من ناحية أخرى ، قام المؤلفون بتطوير طريقة قطع جديدة تسمى قطع الاهتزاز الإهليلجي [2-7] ، والتي يمكن أن تحقق عملية سطح المرآة من الصعب قطع المواد ، بما في ذلك الصلب يموت صلابة ، مع الكريستال واحدأدوات الماس. أحد الأهداف التالية هو تطويرمركز تصنيع دقيق يمكنه الحصول على أسطح مرآة منحوتة بدون تلميع من خلال تطبيق قطع الاهتزاز الإهليلجية.

  تم اقتراح طريقة جديدة في البحث الحالي ، وهو مفيد للحصول على الأسطح المنحوتة بقطع الاهتزاز الإهليلجي. أداة اهتزاز بيضاوي الشكل بالموجات فوق الصوتية مع 3 درجات من الحرية (DOF) وآلة دقيقةيتم تطوير أداة لطريقة الآلات المقترحة ، ويتم تطبيقها على مرآة السطح بالقطع من الصلب يموت صلابة.

2.ROPOSAL من طريقة جديدة إلى آلة سقالات منقوشة

2.1EEiptiptical عملية قطع الاهتزاز

  يوضح الشكل 1 رسم تخطيطي لعملية قطع الاهتزاز الاهليلجي. أداة اهتزازية اهتزازي وتغذى في اتجاه القطع الاسمي نسبيا إلى الشغل في نفس الوقت ، بحيث يتم تشكيل الرقاقةبشكل متقطع وانسحب في كل دورة الاهتزاز. ونظرًا لأن الاحتكاك بين الشي andة ووجه أشعل الأداة يتم عكسه ، تزداد زاوية القص ، وبالتالي يتم تقليل قوة القطع وطاقة القطعبشكل كبير.

2.2 اهتزازية قطع قطع من الأسطح المنحوتة

  يتم بشكل عام تشكيل السطوح المنحوتة من صلب القالب الصلب بواسطة طحن نهاية الكرة كما هو موضح في الشكل 2 (أ) ، ويتم تلميع السطوح الخشنة في وقت لاحق عندما تكون هناك حاجة لأسطح المرآة. الاهتزاز اهليلجيه بالموجات فوق الصوتيةيتم تطبيق القطع في البحث الحالي من أجل القضاء على عملية التلميع. يبين الشكل 2 (ب) طريقة التشغيل المقترحة. أداة اهتزازية اهتزازية ، على عكس المطاحن نهاية الدورية التقليدية ، ويتم تغذية على طولسطح منحوت في حين يتم التحكم بدقة في موضع الدوران للأداة وفقا للتوجه السطحي المنحوت. وبالتالي ، فإن الطريقة المقترحة تحتاج إلى أداة ميكانيكية دقيقة تحتوي على 4 محاور على الأقل ، أي X و Y و Z وC ، لآلة الأسطح النحاسية.

  تكون كلتا عمليتي القطع متقطعتين ، ولكن التردد أعلى بكثير ونصف القطر أصغر بكثير في قطع الاهتزاز الإهليلجي ، بالمقارنة مع الشكل 2. هذه الاختلافات تُمكن من تجهيز السطح المرآة بأدوات الماسكما ورد في الصحف السابقة [4-6].

  يمكن أيضاً تدوير أداة الاهتزاز مثل الطواحين النهائية. ومع ذلك ، يعتبر هذا الطحن الاهتزاز زائدة عن الحاجة ، لأن قطع الاهتزاز هو عملية متقطعة في حد ذاته. الطريقة الحالية هي أكثر فائدةخشونة السطح ، وأداة الحياة والكفاءة ، لأن مسار trochoidal في عملية الطحن يزيد خشونة السطح وقطع الهواء غير الضروري.

  تولد الهزازات الإهليلجية التقليدية بالموجات فوق الصوتيةالاهتزاز الإهليلجي في الطائرات الثابتة ، والتي تكون عمودية تقريبًا على محاور الهزاز [3-7]. وبالتالي ، فإن أداة الاهتزاز الإهليلجية 3 DOF الجديدة ، والتي يمكنها توليد اهتزاز إهليلجي إرادي عشوائي في الفضاء الثلاثي الأبعاد ،مرغوبة بحيث يمكن أن تعمل على نطاق واسع من الأسطح المنحوتة. بالإضافة إلى ذلك ، هناك حاجة إلى أداة ميكانيكية دقيقة ومعالج آخر خاص للـ CAM لتحقيق التشغيل المقترح.

3. تطوير 3 DOF ULTRASONIC الاهتزاز النظام

  تم تطوير أداة الاهتزاز الاهليلجية التقليدية [3-5] من خلال الجمع بين اثنين من الاهتزازات الانحناء. يتم الجمع بين الاهتزاز الطولي هنا لتوليد اهتزاز إهليلجي عشوائي في الفضاء الثلاثي الأبعاد ، انظر الشكل 3. التصميمتستخدم الأداة النمط الرنان الرابع للاهتزاز الانحناء في اتجاهي U و V والطريقة الرنانة الثانية للاهتزاز الطولي في اتجاه Z.

  عادةً ما تكون الترددات والمواقف العقدية لهذين الطريقتين مختلفتين ، وبالتالي يجب تصميم شكل الهزاز بحيث تكون تردداتهم ومواقع عقدهم قريبة من بعضهم البعض في نفس الوقت. الأول ، الثانيتم اختيار أسلوب الرنين للاهتزاز الطولي بحيث يكون للهازار عقدان ويمكن دعمهما بشكل صارم في الموقعين العقديين. بعد ذلك ، تم اختيار أسلوب الرنين الانحناء الرابع ، لأن اثنين من العقديالمواقف قريبة نسبيًا من المواقف الطولية. تم تعديل الترددات الرنانة والمواقف العقيدية عن طريق جعل الأجزاء المتدرجة والمستدقة ، انظر الشكل 3 ، وتغيير أبعادها. وقد ساعد هذا التصميم من قبلمحاكاة الكمبيوتر. تم تعديلها تقريبًا بواسطة تحليل شعاع أويلر بيرنولي ، ثم تم تحديد الشكل النهائي من خلال استخدام تحليل FEM كما هو موضح في الشكل4.

  تحفز الاهتزازات الانحناء من خلال الألواح الأربع كهروضوئية (PZT) المبينة في الشكل 3. يتم توسيع PZT إلى اليسار واليمين وتقلص مع تحول طوري قدره 180 درجة لثني الهزاز في الاتجاه V. الجبهة ويتم استخدام الخلفيات بنفس الطريقة لثنيها في اتجاه U. يتحمس الاهتزاز الطولي باستخدام الأربعة الأخرى PZT مع نفس المرحلة. يتم الكشف عن هذه الاهتزازات الاتجاهية الثلاثة بواسطة أجهزة استشعار PZT الصغيرة ، ووتستخدم هذه الإشارات لإزالة الحديث عبر ، ومراقبة ردود الفعل من سعة الاهتزاز والاختلافات المرحلة ، ومطاردة الرنين [5]. يتم حذف تفاصيل نظام التحكم المطورة لأداة الاهتزاز DOF الثلاثة فيورقة الحالية.

  من المستحسن في القطع الاهتزاز اهليلجيه بالموجات فوق الصوتية لتطبيق اهتزاز اهليلجيه في الطائرة بما في ذلك اتجاه القطع واتجاه تدفق الشريحة تقريبا [2،3،7]. وبالتالي ، يتم تطبيق الاهتزاز هنا في المستوىبما في ذلك اتجاه القطع ، أي اتجاه U ، والاتجاه المائل من محور الهزاز كما هو موضح بالسهم الأحمر في الشكل 3 ، والذي يمثل تقريبًا متوسط ​​اتجاه تدفق الشريحة في منطقة الزاوية ذات التشكيل.

  ويبين الشكل 5 أداة الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية 3 DOF المطورة مع طرف واحد من أداة الماس البلورية. يتم ضبط الترددات الرنانة إلى 34.4 كيلوهرتز ، ويمكن للنظام المتطور أن يولد موضعًا عشوائيًا للاهتزاز الإهليلجي فيطائرة عشوائية في الفضاء 3D. الحد الأقصىالسعات هي 30 Pmp-p في اتجاهات U و V و 24 Pmp-p في اتجاه Z ، والتي تتوافق مع 195 و 156 m / min على التوالي.

4. تطوير نظام تهيج الاهتزاز

  تم تطوير أداة ميكانيكية دقيقة ، انظر الشكل 6 ، لطريقة المعالجة المقترحة على أساس مركز تصنيع تجاري. يتم وضع أداة الاهتزاز 3 DOF المطورة في محور المحور C ، وهي متصلة بجهاز التحكم ووحدة التحكممضخمات الطاقة. نظرًا لأن الأسلاك الكهربائية موصلة ببعضها ، لا يمكن تدوير المحور C بشكل لا نهائي. يتم تغذية الأداة على طول السطح المنحوت في كل مستوى من مستويات Z ويتم تدويرها وفقًا لتوجيه سطح القطع فيالطريقة المقترحة ، كما هو موضح في الشكل 2 (ب). لذلك ، يتم تدوير المحور C لإرجاع الأسلاك بعد كل دوران في المرحلة الحالية من البحث. سيتم استبدال الأسلاك بحلقات الانزلاق أو المحولات في المرحلة التالية.

الحد الأدنى من خشونة السطح أقل من حوالي 100 نانومتر مطلوب بشكل عام لإنهاء سطح المرآة. وبالتالي ، يجب أن تكون أخطاء الحركة لأداة الماكينة أقل من حوالي 100 نانومتر ، بما في ذلك الاهتزاز غير المرغوب بين الأداة والشغل بسبب النفط / مضخات الهواء ، والمراوح وهلم جرا. من خلال استخدام مغزل جوي للمحور C ، يتم تقييد خطأ الحركة الدورانية إلى حوالي 20 نانومتر في اتجاه X وحوالي 80 نانومتر في الاتجاه Y في نفاد التكرار غير المتكرر(NRRO) ، كما هو موضح في الشكل 7. وقد تم تقييمها عن طريق تثبيت كرة رئيسية إلى المغزل أداة وقياس النزوح شعاعي مع أجهزة الاستشعار السعوية ثابتة على طاولة الشغل. مسامير الكرة الدقيقة مع تموج عزم دوران صغير ويتم استخدام أدلة الأسطوانة الخطية الدقيقة للمحاور X و Y و Z. ويبين الشكل 8 أخطاء الحركة الخطية لجدول تغذية محور X على سبيل المثال. تم قياسها عن طريق تثبيت حافة مستقيمة على جدول التغذية والقياستتناسب مع المستشعرات السعوية المثبتة على المغزل. كما هو موضح في الشكل ، يكون تذبذب الحركة كبيرًا نسبيًا عند درجة عرض كبيرة تبلغ 10 مم ، والتي تقابل تقريبًا مساحة الكرة اللولبية وأيضًا واحدةتناوب الأسطوانات المستخدمة في الأدلة الخطية. ومع ذلك ، فإن المكونات الصغيرة لأخطاء الحركة ، والتي تؤثر على جودة سطح المرآة ، أقل بكثير من 100 نانومتر. تتضمن حركات الخطأ الخاصة بالمغزل وجداول التغذيةالاهتزاز غير المرغوب فيه بين المغزل أداة وجدول الشغل ، لأن كلاهما تم قياسها نسبيا بين المغزل والجدول.

  يتم استخدام برنامج CAM التجاري ، الذي يخرج بيانات CL والمتجهات العادية إلى سطح القطع من بيانات CAD. يتم تطوير معالج خاص آخر هنا لتحويل المتجهات العادية إلى زوايا الدوران للمحور C ، لذلكيتم الاحتفاظ بزاوية rake للأداة ثابتة في كل قطع على مستوى Z بينما يتغير اتجاه القطع على طول المسار المنحني.

5.الخبرات التجريبية

  أجريت تجارب تشغيلية لفحص الأداء الأساسي للنظام المتقدم. أجريت تجربة التخطيط أولا ، لأن الأداء الأساسي لنظام التشغيل يظهر بشكل واضح على سطح مستو. ثم ، كرويةتم تشكيل شكل من قبل طريقة الآلات المقترحة باستخدام السيطرة 4-محور. يتم استخدام الفولاذ المتصلب مع صلابة من HRC54 أو 40 كمادة قطعة العمل ويتم قطعه بأدوات الماس الكريستال المفردة. كانت كلتا التجاربأجريت فقط عن طريق قطع الاهتزاز اهليلجيه ، لأنه من المعروف جيدا أن الفولاذ لا يمكن تشكيله بواسطة قطع الماس العادي. يتم تلخيص شروط المعالجة في الجدول 1.

  يظهر نتيجة للتخطيط التخطيط في Figs. 9-13. تم إرفاق سطح القطع هنا بـ 38.7 درجة حول محور X في هذه الآلات ، بحيث يتم إشراك جميع المحاور X و Y و Z في العملية. كما هو موضح في الشكل 9 ، مرآةيتم الحصول على السطح بنجاح من خلال الطريقة الحالية. يبين الشكل 10 صورة فوتوغرافية لسطح القطع الذي تم التقاطه باستخدام مجهر تداخل تفاضلي. علامات التلقيم بالكاد ملاحظه ، الذي يقابل الملعبمعدل تغذية 15 م. تظهر العلامات الأخرى في اتجاه القطع بوضوح مع طبقة من حوالي 2.5 Pm. عملية قطع الاهتزاز بيضاوي الشكل يسبب موجات هندسية صغيرةفي اتجاه القطع كما هو موضح في الشكل 2 (ب) ، ولكن يجب أن يكون ارتفاعه ونطاقه من الناحية النظرية 0.48 Pm و 5.3 nm على التوالي في ظل الظروف الحالية. يعتبر أن هذه العلامات ناجمة عن أسلوب الرنين الأولاهتزاز الانحناء للهزاز ، الذي يتزامن تردده البالغ 6،5 كيلوهرتز مع تردد العلامات. ويبين الشكل 11 الملفات الشخصيةمن سطح القطع المقاس في اتجاهات القطع والتغذية. وتبين أن الخشونة الناتجة عن علامات التغذية والعلامات الأخرى تبلغ حوالي 50 نانومتر ويتم الحصول على خشونة من حوالي 150 نانومتر Rz بدون تلميع.

  ويبين الشكل 12 مرآة الصلب الكروية التي تم إنهاؤها بالطريقة المقترحة. تشير النتيجة إلى أنه يمكن الحصول على أسطح مرآة منحنية من صلب القالب الصلب بواسطة القطع الاهتزازي الإهليلجي المقترح مع التحكم بأربعة محاور.

  يوضح الشكل 13 ملامح السطح المقاسة في الموضع الذي يكون فيه المتجه العادي 30 درجة مع ذلك في الجزء العلوي من الكرة. يتم تحقيق الحد الأقصى من خشونة حوالي 280 نانومتر Rz للسطح الكروي ، كما هو موضح فيالشكل.

6.CONCLUSION

  تم اقتراح الطريقة الجديدة على أسطح مرآة منحوتة من الصلب القاسي الصلب باستخدام تقنية القطع الاهتزازية الإهليلجية. نظام الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية 3 DOF ، وهو مكون رئيسي لتحقيقوقد تم تطوير الآلات المقترحة ، وأداة الآلات الدقيقة والمعالج اللاحق للـ CAM ، وتم بنجاح الحصول على المرايا الفولاذية المسطحة والكروية من قبل النظام المتقدم. النتائج تحقق من صحة المقترحالطريقة والنظام المتقدم. ومن المتوقع أن تتحقق عملية تشكيل السطح المرآة من الفولاذ الصلب المقسى قريباً بالطريقة المقترحة.

7.ACKNOWLEDGMENTS

  الكتاب يعبرون عن خالص شكرهم لشركة A.L.M.T.Diamond Corp.، Honda Electronics Co.، Ltd.، Sansyu Finetool Co.، Ltd. و Echo Electronics Co.، Ltd. للحصول على الدعم والنصائح ، وكذلك إلى طالب الدراسات العليا السيد A. Nakamura لهمساعدة. تم دعم البحث ماليا من قبل مكتب Chubu لوزارة الاقتصاد والتجارة والصناعة اليابانية كمشروع R & amp؛ D كونسورتيوم إقليمي.