Obrábění s podporou ultrazvuku

Využití ultrazvuku jak v medicíně, tak také v obrábění a v technologii svařování získává stále na významu. Aby se daný nástroj uvedl do vysokofrekvenčních kmitů v požadovaném směru, byly dříve používány podélně kmitající systémy. V důsledku těchto vysokofrekvenčních kmitů nástroje se při obrábění dosáhlo spojitého záběru. To vedlo k různým efektům, jako je vyšší úběr materiálu a snížení opotřebení břitu nástroje.

Návrh a výpočet takových podélných kmitajících ultrazvukových systémů je po-mocí obvyklých metod (analyticky, metodou konečných prvků nebo na základě zku-šenosti) časově velmi náročný, neboť iterativní proces musí probíhat v mnoha kro-cích. Průmyslové použití a rozšíření ultrazvukových systémů je proto dosud značně omezeno.

S nově vyvinutou metodou interpretace může být nyní tento zdlouhavý proces znač-ně zkrácen a může být též automaticky a rychle vypočítán tvar různých nástrojů. Po-mocí dále uvedeného řešení byl vypočítán a vyvinut nový systém pro velmi přesné soustružení (obr. 1) vnějších povrchů na oceli a skle, které se používají v optice. Pro soustružení byl použit nástroj s monokrystalickým diamantem. Dále byl zkonstruován a vyroben prototyp zařízení a proveden rozbor a vyhodnocení výsledků obrábění. Ultrazvukem podporované systémy musí vybudit kmity nástroje na správnou rezo-nanční frekvenci, aby nástroj kmital požadovaným způsobem. To si vyžaduje použití velmi přesných součástek (komponentů). Ultrazvukové systémy se většinou skládají z generátoru ultrazvukových kmitů, systému pro vytvoření mechanických kmitů (re-zonanční těleso) a z nástroje (obr. 2).

Obr. 2. Princip konstrukce ultrazvukového kmitajícího systému s podélnými kmity. Pro větší robrazení klikněte na obrázek.

Generátor ultrazvukových kmitů vyvolává na principu piezoefektu vyso-kofrekvenční střídavé napětí, které se mění na vysokofrekvenční kmity, ty se dále mění na podélné mechanické kmity, jež se přenáší na nástroj, což vede k efektu „pumpujícího pohybu“. Kvůli neuspokojivým výsledkům dosavadních výpočetních metod byla vypracována nová automatizovaná varianta optimalizace procesu. Jejím cílem bylo značné zmenšení interaktivních kroků při výpočtu optimálních ultrazvuko-vých kmitů. Další výhodou nové metody je uživatelsky snadno srozumitelné progra-mování, které pomáhá uživateli při stanovení optimálních kmitů.

Mnoho interaktivních kroků probíhá během optimalizace v podstatě automatic-ky. Protože systém počítá v trojrozměrném systému, může uživatel ověřovat podélně a příčně kmitající součástky, jakož i smíšené kmity. Pro ověření byly kombinovány matematický software Matlab a software pro výpočet struktury Ansys. Byly stanoveny požadavky a podmínky, které vyplývají z daného procesu obrábění pro kmitající komponenty. Dále byl v Matlabu generován výchozí tvar a parametry materiálu (E modul, hustota, příčná kontrakce), tvarové (geometrické) varianty a řešení úkolu. Ta-to počáteční geometrie je pomocí vyvinutého algoritmu automaticky optimalizována, až je dosaženo konečného cíle řešení. Algoritmus najde optimální řešení a provede nutné iterační kroky sám – dříve se toto provádělo ručně. Optimalizaci geometrie provede Matlab a vyhodnocení geometrie provede Ansys – vše bez zásahu uživate-le. Každé takto nalezené řešení je ukázáno uživateli na obrazovce společně se vše-mi potřebnými parametry, jako je tvar komponentů, frekvence kmitání, mód kmitání, posuv a napětí. Podle komplexnosti a složitosti úkolu trvá výpočet několik minut, ale také několik hodin.

Broušení a leštění jsou technologie běžně používané v optice pro výrobu sférických ploch. Všechny vnější plochy však musejí být vyrobeny nákladnými technologi-emi, jako je přesné leštění. K tomu se používají vysoce přesné negativní formy vyro-bené většinou z oceli. Optická kvalita forem se dosahuje velmi přesným obráběním nástrojem s břitem z monokrystalického diamantu. Diamant se ale při obrábění oceli rychle opotřebovává a má malou trvanlivost. Pro zvýšení trvanlivosti břitu jsou proto plochy formy opatřeny drahým niklfosforovým povlakem. Pracovní plochy jsou pak za tepla a tlaku obtisknuty do skleněného polotovaru. Posledním krokem je vyhodnocení optických vlastností. Tato výroba je časově i finančně nákladná.

Vysoké opotřebení břitu nástroje a drahé povlakování ocelových forem vede k vysokým výrobním nákladům, které je možné snížit využitím ultrazvuku.

Obr. 3. Princip soustružení podporovaného ultrazvukem. Pro větší robrazení klikněte na obrázek.

Konvenční kinematika soustružení je doplněna axiálními kmity (obr. 3). To vede k vysokofrekvenčnímu dělení třísky, což zmenšuje řezné síly a dobu styku břitu s třískou. Přerušovaný záběr nástroje zvyšuje trvanlivost břitu. Toto umožňuje obrá-bět ocel monokrystalickým diamantem. Podélně buzený nástroj umístěný na konci rezonančního tělesa (generátoru mechanických kmitů) je uváděn do kmitavého po-hybu. Tak se daří vyrobit ocelové formy v požadované optické kvalitě hned napoprvé.

S takto podélně kmitajícím systémem však není možné obrobit formu komplex-ně. Příklad konstrukce podélně kmitajícího systému ukazuje obr. 4 vlevo, zde je vidět omezení podélného systému kmitání při obrábění silně konkávních ploch. Tento pro-blém řeší nástroj umístěný kolmo k ose rezonančního tělesa („bočně uložený ná-stroj“).

Protože běžné podélné ultrazvukové systémy mají při přesném soustružení ne-výhodu v omezení obrábění některých tvarů ploch, byl vyvinut speciální systém s bočně uloženým kmitajícím tělesem (obr. 5). Tato konstrukce kmitajícího systému umožňuje obrobit přímo v oceli jak vnější tvarové plochy, tak také hluboké konkávní plochy. Aby se zajistilo požadované chování špičky břitu nástroje s diamantem, byl ultrazvukový kmitající systém vybaven speciálně vypočítaným rezonančním módem. Ten umožňuje téměř kolmé (ne obloukové nebo eliptické) kmity špičky nástroje ve směru obrábění. Z důvodu vysoké variability tvarů obrobků se novým ultrazvukovým kmitavým systémem otevírají v optickém průmyslu nové možnosti. Ultrazvukový kmi-tající systém je konstruován jako vestavný modul, takže je použitelný na velmi přes-ných soustruzích a také pro téměř všechny nástroje. Z důvodu probíhajícího patento-vého řízení není možné sdělit žádné podrobnější informace o funkci, provedení a vývoji vibračního tělesa.

Prototyp systému byl použit na velmi přesném soustruhu Procitech 250 (obr. 6). Pracovní parametry a výsledky velmi přesného soustružení válcových ploch kalené-ho ocelového tělesa nástrojem s monokrystalickým diamantem jsou na obr. 7. Byla dosažena jakost povrchu Ra = 7,4 nm. Obr. 8 potvrzuje možnost výroby hlubokých konkávních povrchů do kalené oceli s jakostí povrchu Ra = 16 až 19 nm. Výsledek přímé výroby tvarů v optickém skle (nejprve jednoduché konvexní plochy) s prototypem ultrazvukového kmitajícího systému, kdy byla dosažena drsnost po-vrchu Ra = 2 až 3 nm, ukazuje obr. 9.

Použití navrženého systému výpočtu pomocí vyvinutého algoritmu snižuje ča-sové i finanční nároky na proces vývoje ultrazvukových systémů. První výsledky obrábění ukazují na vysoký potenciál možnosti snížení nákladů, financí a času na výrobu optických součástí.

Popsaný vývoj a výsledky byly získány při řešení projektů AiF „Efektivní kon-strukce ultrazvukových systémů“ a „Velmi přesné obrábění oceli“.

Sophia Hannig, Christian Brecher a Christian Wenzel
MM Das Industriemagazin č. 38/2012
Zpracoval: VŘ

dana.benesova@mmspektrum.com