Schnelle Auslegungsmethode für ultraschallunterstützte Zerspanung

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Mit den derzeitigen longitudinal schwingenden Systemen ist es jedoch nicht möglich, komplexere Formen zu bearbeiten. Der beispielhafte Aufbau eines longitudinal schwingenden Systems (Bild 4), zeigt links die räumlich bedingten Bearbeitungsprobleme von stark konkaven Flächen. Ein auskragendes Ultraschallsystem mit Biegemodenschwinger (rechts) würde die direkte Bearbeitung von komplexen Freiformoberflächen in optischer Oberflächengüte ermöglichen und so den Ansprüchen der Optikindustrie gerecht werden.

Ein auskragender Schwingkörper optimiert das Ultraschall-Drehen

Weil die üblichen longitudinalen Ultraschallsysteme beim Präzisionsdrehen Nachteile in der Zugänglichkeit haben, wurde erstmalig ein System mit einem speziellen auskragenden Schwingkörper entwickelt (Bild 5). Freiform- und auch tiefe konkave Flächen können so direkt auf Stahl gefertigt werden, was durch die auskragende Konstruktion erreicht wird.

Um das gewünschte Schwingverhalten an der Spitze des monokristallinen Diamantwerkzeugs zu gewährleisten, besitzt der Ultraschallschwinger einen speziell berechneten Resonanzmode. Dieser ermöglicht eine nahezu senkrechte (nicht bogenförmige, nicht elliptische) Schwingung der Werkzeugspitze in Schnittrichtung. Aufgrund der hohen Werkstückform-Flexibilität und des neuen Ultraschallschwingsystems eröffnen sich viele weitere Anwendungen in der Optikindustrie.

Das Ultraschallsystem ist als Aufsatzmodul so konstruiert, dass es an eine Ultrapräzisionsdrehmaschine und auch in ein Fast-Tool adaptierbar ist. Aufgrund der laufenden Patentanmeldung können keine expliziteren Informationen zur Funktionsweise, der Form und der Entwicklung des Schwingkörpers vorgestellt werden.

Im Folgenden werden erste Bearbeitungsergebnisse auf Stahl- und Glaswerkstücken veranschaulicht. Der Systemprototyp wurde dafür auf eine Ultrapräzisionsdrehmaschine Precitech 250 montiert (Bild 6). Bild 7 zeigt die Prozessparameter und Ergebnisse des Ultrapräzisionsdrehens von zylindrisch-planen, gehärteten Stahlkörpern mit monokristallinem Diamant.

Dabei werden Oberflächenqualitäten von Ra = 7,4 nm erreicht.Bild 8 bestätigt die Möglichkeit zur Herstellung von tiefen konkaven Oberflächen in gehärtetem Stahl mit einer Oberflächenrauigkeit von Ra = 16 bis 19 nm. Die Ergebnisse der direkten Freiformherstellung an optischem Glas (zunächst eine einfache konvexe Form) mit dem Systemprototypen wobei Oberflächenrauheiten von Ra = 2 bis 3 nm erreicht werden konnten zeigt Bild 9.

Forschungsarbeit und -ergebnisse im Überblick

Zunächst wurde die Funktionsweise einer Methode zur schnellen und effizienten Auslegung von Schwingkörpern zum Einsatz in der ultraschallunterstützten Bearbeitung beschrieben.

Dieser Ansatz nutzt einen genetischen Algorithmus und reduziert dadurch den derzeitigen zeit- und ressourcenverschlingenden Entwicklungsprozess von Ultraschallsystemen. Dann wurde die Funktionsweise eines so entwickelten Systems zum ultraschallunterstützten Drehen komplexer optischer Oberflächen in der Praxis beschrieben. Die ersten Bearbeitungsergebnisse zeigen das hohe Potenzial, Kosten, Ressourcen und Zeit zu sparen. Die vorgestellten Entwicklungen und Ergebnisse wurden während der AiF-Projekte „Effizientes Design von Ultraschallsystemen“ und „Ultrapräzisionsbearbeitung von Stahl“ erzielt.

Literatur

• [1] Kuttruff H.: Physik und Technik des Ultraschalls. Stuttgart: S. Hirzel-Verlag, 1988. ISBN 3-7776-0427

• [2] Millner R.: Ultraschalltechnik – Grundlagen und Anwendungen. Weinheim: Physik-, 1987. ISBN 3876641063

• [3] Klocke, F., Dambon O., Bulla B., Heselhaus M.: Ultrasonic assisted turning of hardened steel with mono-crystalline diamond. Proceedings of the 23rd Annual ASPE Meeting, Portland, Oregon 2008

• [4] Shamoto E., Suzuki, N., Tsuchiya E., Hori Y., Inagaki H., Yoshino K.: Development of 3 DOF ultrasonic vibration tool for elliptical vibration cutting of sculptured surfaces, CIRP Annals - Manufacturing Technology, Volume 54, Issue 1, 2005, S. 321-324

• [5] Klocke F., Rübenach O.: Ultraschallunterstütztes Drehen von Glas und Stahl mit Diamant. Industriediamantenrundschau: IDR34 Nr. 2, 2000, S. 133- 146

• [6] Bulla B.: Ultrasonic assisted diamond turning of hardened steel and difficult to cut materials. 3rd Aachen Precision Days, Aachen, 2012

• [7] Suzuki N., Nakamura A., Shamoto E., Harada K., Matsuo M., Osada M.: Ultraprecision micromachining of hardened steel by applying ultrasonic elliptical vibration cutting, Proceedings of 2003 International Symposium on Micromechatronics and Human Science, S. 221- 226.

* Dipl.-Ing. Sophia Hannig ist wissenschaftliche Mitarbeiterin und Christian Wenzel Oberingenieur in der Abteilung Produktionsmaschinen am Fraunhofer-IPT; Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher ist Direktor und Leiter dieser Abteilung am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie in 52074 Aachen

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