Entwicklung eines aktorisierten Werkzeugsystems für das niederfrequente schwingungsunterstützte Polierschleifen

Abstract

Die Feinbearbeitung sprödharter Werkstoffe wie Keramiken oder Gläser stellt eine technologische und wirtschaftliche Herausforderung dar. Eine Schwierigkeit besteht hierbei in der Erzielung geringer Rauheitswerte in der fertigungstechnischen Prozesskette. Es sind zumeist mehrere Bearbeitungsschritte mit unbestimmter Schneide für diese Art der Zerspanung notwendig. Hierbei werden schwingungsunterstützte Prozessvarianten, die zu den hybriden Fertigungsverfahren zählen, vielfach eingesetzt. Eine typische Ausprägung eines hybriden Feinbearbeitungsprozesses ist die schwingungsunterstützte Bearbeitung durch die Querumfangsfläche mit rotierenden stiftförmigen Werkzeugen. Bei diesem hybriden Prozess wird die Schwingung durch eine zusätzliche Relativbewegung in Richtung der Rotationsachse des Werkzeugs realisiert. Für diese Bearbeitung haben sich Systeme im Frequenzbereich von bis zu 50 kHz bewährt. Dabei werden Werkzeuge mit gebundenen Körnern unterhalb von 15 μm Korngröße verwendet. Der mittlere Korndurchmesser am Ende der Prozesskette ist üblicherweise im einstelligen μm-Bereich. Dementsprechend ist die Werkzeugaufnahme in axialer und radialer Richtung mechanisch starr und unflexibel konzipiert. Diese Arbeit widmet sich der Zielsetzung, mit einem Werkzeugsystem für die schwingungsunterstützte Bearbeitung vor der eigentlichen Polierbearbeitung durch gröberes Korn glatte Oberflächen zu erzeugen. Entgegen klassischen Systemen, die mit hochfrequenten Schwingungen arbeiten, wurde ein Ansatz mit niederfrequenten Schwingungen erarbeitet. Zu diesem Zweck wurde ein gesamtes Werkzeughaltersystem auf Basis der HSK 63 Schnittstelle entwickelt. Den inhaltlichen Kern bildet der konzeptionelle Systementwurf, der sich thematisch in die mechanische, elektrische und thermische Konzeption aufgliedert. Die Amplitudenübertragung wird durch eine Biegemembrane, die eine dementsprechende axiale und radiale Nachgiebigkeit aufweist, realisiert. Für einen zuverlässigen Betrieb wurde hierbei auf die etablierte FKM-Methodik zurückgegriffen. Die Erzeugung der Amplitude geschieht durch einen angesteuerten piezoelektrischen Stapelaktuator. Hierbei wurde ein elektrisches System integriert, das eine Steuerung durch einen Frequenzgenerator in Kombination mit einem Bühnenverstärker ermöglicht. Als Schnittstelle für die Energieübertragung in das Werkzeugsystem wird eine berührungslose Induktionsschnittstelle integriert. Die im Betrieb entstehende thermische Abwärme wird durch ein passives Wärmeabfuhrsystem ohne aktive Kühlung abgeführt. Die abschließenden experimentellen Bearbeitungen zeigen vor allem bei niedrigen Prozessgeschwindigkeiten einen positiven Effekt des entwickelten Systems auf die Rauheit der bearbeiteten Oberflächen. Im Gegenzug erweist sich die ultraschallbedingte oberflächliche Zerrüttung durch das beim Einschlag der hart gebundenen Körner entstehende Risssystem der hochfrequenten US-Bearbeitung als ein negativer Einflussfaktor auf die gemessene Rauheit der Oberfläche der Proben aus silikatischem Glas.

The fine machining of brittle-hard materials such as ceramics or glass represents a technological and economic challenge. One difficulty here is achieving low roughness values in the manufacturing process chain. Several machining steps with an undefined cutting edge are usually necessary for this type of machining. Vibration-supported process variants, which belong to the hybrid manufacturing processes, are often used here. A typical form of a hybrid finishing process is vibration-assisted machining using the transverse circumferential surface with rotating pin-shaped tools. In this hybrid process, the vibration is realized by an additional relative movement in the direction of the rotation axis of the tool. Systems in the frequency range of up to 50 kHz have proven themselves for this type of machining. Tools with bonded grains below 15 μm grain size are used. The average grain diameter at the end of the process chain is usually in the single-digit μm range. Accordingly, the toolholder is designed to be mechanically rigid and inflexible in the axial and radial directions. This work is dedicated to the objective of producing smooth surfaces with a tool system for vibration-assisted machining before the actual polishing process using coarser grit. In contrast to conventional systems that work with high-frequency vibrations, an approach using low-frequency vibrations was developed. For this purpose, an entire toolholder system was developed based on the HSK 63 interface. The conceptual system design, which is divided thematically into mechanical, electrical and thermal design, forms the core of the content. The amplitude transmission is realized by a bending diaphragm, which has a corresponding axial and radial flexibility. The established FKM method was used to ensure reliable operation. The amplitude is generated by a controlled piezoelectric stack actuator. An electrical system was integrated that enables control by a frequency generator in combination with a stage amplifier. A non-contact induction interface is integrated as the interface for transferring energy to the tool system. The thermal waste heat generated during operation is dissipated by a passive heat dissipation system without active cooling. The final experimental machining processes show a positive effect of the developed system on the roughness of the machined surfaces, especially at low process speeds. On the other hand, the ultrasound-induced surface disruption caused by the crack system of the high-frequency US machining that occurs when the hard-bonded grains are impacted proves to be a negative influencing factor on the measured roughness of the surface of the silicate glass samples.