Инструментальная державка исполнительной системы технологического стенда для финишной обработки изделий из хрупких материалов с нанометрической точностью лезвийным инструментом

Инструментальная державка 1 включает корпус 2 со средствами крепления к суппорту и узел 4 крепления инструмента 3. Корпус 2 выполнен с полостью 5. Державка 1 оснащена составным волноводным трактом. Волноводный тракт включает связанные между собой резонансные: активный элемент в виде пьезоэлектрического преобразователя 6; и пассивное звено - в виде полуволновых трансформатора 7 скорости и волновода 8. Пассивное звено оснащено средством акустической развязки волноводного тракта с корпусом 2 державки 1, которое конструктивно организовано в виде цилиндрических поясков 9 и 10, выполненных на упомянутых элементах пассивного звена и пространственно расположенных в точках волноводного тракта, имеющих нулевое значение продольной составляющей акустических колебаний в технологическом режиме. Часть пассивного звена размещена в полости 5 корпуса 2 державки 1 с образованием радиального зазора посредством обеспечения плотного сопряжения ограничивающей поверхности указанной полости 5 с наружной поверхностью цилиндрических поясков 9 и 10 средства акустической развязки. Узел 4 крепления лезвийного инструмента 3 прикреплен к свободному торцу волновода 8 и организован таким образом, что в технологическом режиме вершина передней поверхности инструмента 3 имеет возможность совершать высокочастотные колебания вдоль вектора мгновенной скорости резания в каждой точке. Оптимально, чтобы вышеперечисленные резонансные элементы волноводного тракта были бы конструктивно организованы с близкими по величине, но не равными между собой частотами собственных колебаний. 1 н.п. ф-лы, 4 ил.

Полезная модель относится к области станкостроения и может быть, использована в рамках реализации Государственной программы модернизации и технологического развития ведущих отраслей народного хозяйства посредством внедрения современного уровня достижений науки и техники в области нанотехнологий в сфере комплексной механической обработки резанием сложнопрофильных изделий в ведущих отраслях техники, определяющих уровень экономического развития государства в целом.

То есть, преимущественное направление использования - автоматизированная мехатронная обработка резанием функционального слоя изделий из хрупких материалов (например, стекла, в частности - оптических линз) со сложным пространственным профилем при использовании известного из уровня техники модернизированных станочного парка и вспомогательного оборудования (приспособлений).

Эффективное использование нанотехнологий (например, в микроэлектронике), требует, прежде всего, разработки средств и технологии изготовления оптических систем с разрешением в десятки, и даже единицы нанометров. Подобные системы необходимы как для локального воздействия световыми полями на объекты субмикронных размеров, так и для контроля за протеканием различных технологических процессов.

Возможности конструкторов оптиков по созданию новых приборов ограничены способностью производителя изготавливать и осуществлять контроль элементов требуемой оптической системы. Передовые разработки в области оптических технологий постоянно расширяют возможности производства оптических компонентов. Однако производство все в большей степени становится привязанным к метрологии. Именно этот симбиоз средств метрологии и современного обрабатывающего оборудования позволяют производить оптику более высокого качества и сложности.

Известные из современного уровня техники источники информации указывают на существенное преимущество резания с наложением вибрационных воздействий на режущий инструмент. В этих исследованиях в основном используются серийно выпускаемые ультразвуковые преобразователи и генераторы. В качестве обрабатываемых материалов использовались стали. Однако, серийно выпускаемые ультразвуковые преобразователи (в основном это магнитострикцинные преобразователи) имеют ряд недостатков, мешающих их широкому распространению в данной технологии.

Первое - это значительные габариты и вес: диаметр корпуса порядка 70 мм при длине порядка 290 мм. Это требует для них специального и весьма сложного крепления на станке и зачастую не позволяет использовать требуемую моду колебаний.

Второе - очень низкий КПД - порядка 30%, усложняют решение тепловой задачи и использование их в операциях требующих высокой точности не представляется возможным.

Третье - избыточная мощность (финишные операции требуют мощностей, прикладываемых к резцу на порядок меньших).

Низкая электрическая добротность не позволяют создавать для их питания ультразвуковые генераторы, использующие фазовую автоподстройку частоты и высокоточные системы стабилизации выходных параметров.

Причины указанные выше потребовали решения научно-инженерной задачи по созданию инструмента-резца совершающего ультразвуковые колебания в плоскости, продольной направлению резания с амплитудой 1-2 микрона и специального источника питания для него - ультразвукового генератора. Причем, для получения высокой стабильности температуры резца возникает проблема создания ультразвуковой колебательной системы, обладающей высокой добротностью и КПД - не ниже 90%.

Современные методы резания позволяют обрабатывать материалы, традиционно плохо поддающиеся обработке и, при этом, получать заметно лучшее качество обработанной поверхности. Однако сильный разогрев резца при скоростном резании высокопрочных сплавов, сильный износ оборудования и необходимость в охлаждении с помощью специальных охлаждающих эмульсий до сих пор являются проблемами, заметно затрудняющими данный процесс, приводя к удорожанию и усложнению процесса обработки.

Необходимы новые технологии, одной из которых является ультразвуковое резание. Под ультразвуковым резанием понимается процесс, при котором резцу с помощью специального устройства сообщают высокочастотные (ультразвуковые) колебания, как правило, в направлении вектора мгновенной скорости резания.

Многочисленными экспериментами установлено, что наложение ультразвуковой вибрации на равномерное движение резца, приводит к существенному снижению статической силы резания. Этот эффект получил объяснение на основе реологической модели процесса резания, учитывающей упругопластические свойства обрабатываемого материала и силы трения. Наиболее эффективными режимами при ультразвуковом точении являются периодические виброударные процессы в зоне резания.

Отметим некоторые характерные особенности процесса ультразвукового резания (точения), которые наблюдались в экспериментах при обработке различных материалов.

Упомянутое выше снижение сил резания наблюдается при скоростях резания v<a, (а, - амплитуда и круговая частота колебаний, соответственно, резца) и происходит при точении всех металлов: алюминия, меди, бронзы, латуни, углеродистых, нержавеющих и жаропрочных сталей, титана и др.

Ультразвуковое резание радикально изменяет структуру и микрогеометрию обработанной поверхности.

При ультразвуковом резании существенно меняется характер процесса. Так наложение ультразвуковых колебаний полностью исключает характерное для традиционного точения образование на поверхностях резца наростов при точении алюминия и меди.

Ультразвуковая вибрация существенно изменяет характер снимаемой стружки. Даже при обработке материалов, обычное точение которых сопровождается образованием ломкой стружки, при ультразвуковом резании образуется сливная пластичная стружка без заусенцев и неровностей. Как результат, наложение ультразвука позволяет существенно уменьшить величину минимально возможного срезаемого слоя. При этом существенно меняется тепловой режим в зоне резания.

При ультразвуковом резании устраняется склонность системы СПИД («станок - приспособление - инструмент - деталь») к возбуждению автоколебаний, ухудшающих качество обрабатываемой поверхности. Включение ультразвука полностью устраняет автоколебания и позволяет получать однородную поверхность на всей длине, например, технологически нежестких изделий без применения промежуточных опор и люнет.

Некоторые из указанных явлений удается объяснить с помощью относительно простых моделей. Однако задачи, связанные, например, с учетом влияния температуры в зоне резания или влияния ультразвуковых колебаний на условия возбуждения автоколебаний оказываются настолько сложными, что не могут быть решены аналитическими методами и требуют применения иных подходов.

Из уровня техники известен технологический стенд (станок) для финишной обработки изделий из хрупких материалов с нанометрической точностью лезвийным инструментом в котором инструментальная державка включает корпус со средствами крепления к прецизионному суппорту технологического стенда и узел крепления лезвийного инструмента (Мочалов А.И., Писарев А.Г, Раховский В.И., Сахарова О.П., Черпаков Б.И., Эстерзон М.А., Якунин В.А., статья «Автоматизированный высокоточный гравировальный станок для многопроходного строгания рисунков металлографских форм», Станки и инструмент, 9, стр.21-24, 1999 г.).

К недостаткам данного известного из уровня техники решения следует отнести ограниченные функционально-технологические возможности в связи с недостаточной точностью обработки на высоких скоростях резания вследствие перегрева инструмента, в результате чего невозможно обеспечить режим дуктильной резки, необходимый для обработки хрупких материалов, например, оптического стекла.

В основу заявленной полезной модели была положена задача создание универсальной инструментальной державки, которая (при ее использовании на соответствующем виброизолированном технологическом стенде) помимо традиционных режимов обработки изделий с высокой точностью, позволяла бы обеспечить обработку с нанометрической точностью изделий из хрупких материалов (например, оптического стекла) за счет конструктивно-технологической возможности реализации режимов дуктильной резки.

Таким образом, техническим результатом заявленного технического решения является расширение функционально-технологических возможностей инструментальной державки в рамках ее использования на виброизолированном технологическом стенде за счет повышения точности (а также стабильности во времени - повторяемости) перемещений с нанометрической точностью инструментальной державки в совокупности с узлом подачи инструмента - прецизионным суппортом.

Поставленный технический результат достигается посредством того, что в инструментальной державке исполнительной системы технологического стенда для финишной обработки изделий из хрупких материалов с нанометрической точностью лезвийным инструментом, включающей корпус со средствами крепления к прецизионному суппорту технологического стенда и узел крепления лезвийного инструмента, согласно полезной модели, корпус выполнен с продольно расположенной цилиндрической внутренней полостью; державка оснащена ультразвуковой колебательной системой - составным волноводным трактом, который включает последовательно установленные и жестко связанные между собой резонансные активный элемент в виде пьезоэлектрического преобразователя, функционально являющегося источником ультразвуковых колебаний, и пассивное звено - в виде полуволновых трансформатора скорости и волновода; пассивное звено оснащено средством акустической развязки волноводного тракта с корпусом державки, которое конструктивно организовано в виде цилиндрических поясков, выполненных на упомянутых элементах пассивного звена и пространственно расположенных в точках волноводного тракта, имеющих нулевое значение продольной составляющей акустических колебаний в технологическом режиме; при этом, по меньшей мере, часть пассивного звена размещена в упомянутой цилиндрической полости корпуса державки с образованием радиального зазора между их взаимообращенными поверхностями посредством обеспечения плотного сопряжения ограничивающей поверхности указанной полости с наружной поверхностью цилиндрических поясков средства акустической развязки; а узел крепления лезвийного инструмента прикреплен непосредственно к свободному торцу волновода и конструктивно - пространственно организован таким образом, что в технологическом режиме вершина передней поверхности лезвийного инструмента имеет возможность совершать высокочастотные колебания вдоль вектора мгновенной скорости резания в каждой точке.

Оптимально, чтобы вышеперечисленные резонансные элементы волноводного тракта были бы конструктивно организованы с близкими по величине, но не равными между собой частотами собственных колебаний.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного технического решения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками и связями между ними, идентичными всем существенным признакам заявленного технического решения, а выбранный из перечня выявленных аналогов прототип, как наиболее близкий по совокупности признаков аналог, позволил выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле полезной модели.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна» по действующему законодательству.

Полезная модель иллюстрируется графическими материалами.

Фиг.1 - общий вид инструментальной державки с волноводным трактом в сборе (частичный продольный разрез).

Фиг.2 - общий вид пьезоэлектрического преобразователя волноводного тракта (продольный разрез).

Фиг.3 и фиг.4 - схемы процесса ультразвукового резания.

В графических материалах основные узлы инструментальной державки обозначены следующими позициями:

1 - державка (инструментальная);

2 - корпус (державки 1 инструментальной);

3 - инструмент (лезвийный алмазный);

4 - узел (крепления лезвийного инструмента 3);

5 - полость (внутренняя цилиндрическая корпуса 2);

6 - преобразователь (пьезоэлектрический волноводного тракта);

7 - трансформатор (скорости полуволновой пассивного звена волноводного тракта);

8 - волновод (полуволновой пассивного звена волноводного тракта);

9 и 10 - пояски (цилиндрические средства акустической развязки волноводного тракта с корпусом 2 державки 1 инструментальной);

11 - фиксатор (шариковый узла 4 крепления лезвийного инструмента 3);

12 - винт (крепежный);

13 и 14 - шпильки (соединительные);

15 - винт (стяжной пьезоэлектрического преобразователя 6);

16 - кольца (пьезокерамические);

17 - элементы (токоподводящие);

18 - изделие (обрабатываемое;

19 - накладка (рабочая преобразователя 6);

20 - накладка (тыльная преобразователя 6).

На фиг.3 и фиг.4 использованы следующие обозначения.

Схемы процесса ультразвукового резания, показанные на фиг.3 и фиг.4, предусматривают обрабатываемое изделие 18 и инструмент 3. На схеме по фиг.3 показано изделие 18, получающее вращение с угловой скоростью от привода стенда. Инструменту 3 сообщаются колебания u(t)=asint с угловой частотой и амплитудой а; V=r - скорость резания; r - радиус заготовки; P - постоянная составляющая силы резания.

Заявленная инструментальная державка 1 исполнительной системы технологического стенда для финишной обработки изделий из хрупких материалов с нанометрической точностью лезвийным инструментом 3 включает следующие системы, звенья и узлы.

Инструментальная державка 1 включает корпус 2 со средствами крепления (в графических материалах условно не показаны) к прецизионному суппорту технологического стенда и узел 4 крепления лезвийного инструмента. Корпус 2 выполнен с продольно расположенной цилиндрической внутренней полостью 5. Державка 1 оснащена ультразвуковой колебательной системой - составным волноводным трактом. Волноводный тракт включает последовательно установленные и жестко связанные между собой посредством шпилек 13 и 14 резонансные: активный элемент в виде пьезоэлектрического преобразователя 6, функционально являющегося источником ультразвуковых колебаний; и пассивное звено - в виде полуволновых трансформатора 7 скорости и волновода 8. Пассивное звено оснащено средством акустической развязки волноводного тракта с корпусом 2 державки 1, которое конструктивно организовано в виде цилиндрических поясков 9 и 10, выполненных на упомянутых элементах пассивного звена и пространственно расположенных в точках волноводного тракта, имеющих нулевое значение продольной составляющей акустических колебаний в технологическом режиме. При этом, по меньшей мере, часть пассивного звена размещена в упомянутой цилиндрической полости 5 корпуса 2 державки 1 с образованием радиального зазора между их взаимообращенными поверхностями посредством обеспечения плотного сопряжения ограничивающей поверхности указанной полости 5 с наружной поверхностью цилиндрических поясков 9 и 10 средства акустической развязки. Узел 4 крепления лезвийного инструмента 3 прикреплен непосредственно к свободному торцу волновода 8 (посредством винта 12 и шарикового фиксатора 11 и конструктивно - пространственно организован таким образом, что в технологическом режиме вершина передней поверхности лезвийного инструмента 3 имеет возможность совершать высокочастотные колебания вдоль вектора мгновенной скорости резания в каждой точке.

Непосредственно пьезоэлектрический преобразователь включает кольца 16 пьезокерамические с токоподводящими элементами 17, которые соединены в моноблок посредством стяжного винта 15.

Оптимально, чтобы вышеперечисленные резонансные элементы волноводного тракта были бы конструктивно организованы с близкими по величине, но не равными между собой частотами собственных колебаний.

Следует отметить, что с ростом частоты растет чистота обработки, однако с ростом частоты растут также потери энергии в материалах и, соответственно, увеличивается нагрев, что сказывается на точности обработки (при требуемых параметрах точности - нанометры). Также при использовании низких частот растут габариты устройства и невозможно встроить их в посадочное место резцедержателя.

Для получения требуемой для технологического эффекта амплитуды механических колебаний служит полуволновый трансформатор скорости, соединенный с активным элементом - преобразователем. Каждый из элементов волноводного тракта является резонансным. Частоты элементов близки, но не равны.

Для обеспечения точности обработки требуется обеспечить жесткость конструкции и акустическую развязку конструкции от корпуса инструментальной державки. Эта проблема решена следующим образом. В точках волноводного тракта, имеющих нулевое значение продольной составляющей акустических колебаний, выполнены цилиндрические пояски 9 и 10. Причем сопряжение их поверхностей с ограничивающей поверхностью полости 5 корпуса 2 достигнуто финишной проточкой волноводного тракта в сборе. Жесткость конструкции достигнута использованием прямоугольного в наружном сечении и цилиндрического во внутреннем сечении корпуса 2, внутри которого и закрепляются пассивные элементы волноводного тракта.

Инструментальная державка 1 закреплена на поверхности врезного суппорта и несет инструмент (резец) в сборе с датчиком, который, посредством резонансной частоты волновода, обеспечивает колебания вершины передней поверхности инструмента в направлении вектора мгновенной скорости резания в каждой точке, что позволяет исключить образование микротрещин при обработке, например, стекла.

Более подробно конструктивные особенности вышеупомянутых систем и узлов инструментальной державки 1 с раскрытием их функционального назначения и влияния на усматриваемый технический результат (реализуемый державкой 1 при ее использовании на соответствующем виброизолированном стенде) описаны ниже.

Как указывалось ранее, техническим результатом, характеризующим заявленный стенд, является повышенная точность формирования профиля поверхности изделия в процессе обработки алмазным точением с наложением ультразвуковых колебаний, равная +/-25 нм.

Осуществить контроль обработанной поверхности в пределах такой точности можно, например, методом контроля формы поверхности по схеме контроля организованной на базе интерферометра Физо, как наиболее адекватной для решения поставленной задачи.

Как уже говорилось выше, для изготовления, например, точных оптических линз нужно учесть специфику обработки оптического стекла и обеспечить высокую чистоту поверхности в пределах Ra=5-10 Å.

Эта задача решается в виброизолированном стенде (использующем заявленную инструментальную державку 1) посредством точности установки основных узлов, а также высокой точностью самих узлов и движений формообразования при формировании, например, поверхности оптических линз.

Инструментальная державка 1 устанавливается на врезном суппорте, служащем для подвода и отвода лезвийного инструмента 3 и тонкой подачи на глубину с нанометрической точностью в технологическом режиме.

Формообразование поверхности линзы осуществляется специально разработанными приводами подач. Приводы подач, осуществляющие перемещение с разрешением 5 нм и повторяемостью 20 нм, применяются для окончательной обработки, например, стекла в зоне пластических деформаций (дуктильная обработка). Высокая разрешающая способность магнитострикционных запоминающих силовых приводов достигается использованием в них для создания точных перемещений стержня из сплава редкоземельных элементов с металлами группы железа, обладающего эффектом гигантской магнитострикции.

Принцип действия магнитострикционного привода (например, нановинта МН-3) основан на способе управления магнитомеханическим преобразователем. Магнитострикционные приводы предназначены для силового линейного перемещения врезного суппорта с инструментальной державкой 1 (оснащенной алмазным резцом) и каретки стенда, на которой устанавливается врезной суппорт.

К инструменту, как и ко всей технологической системе, предъявляются требования, призванные максимально снизить вероятность нарушения цикла обработки. При «притуплении» режущей кромки резко возрастает вероятность поломки резца. Изменение формы резцов в процессе обработки необходимо периодически контролировалось телевизионным компьютерным микроскопом с подачей изображения на монитор персонального компьютера (ПК) с увеличением в 625 раз.

Важнейшим фактором, определяющим точность формы, являются также возможность измерения поверхности с помощью метрологического интерферометра контроля и микроскопа наблюдения зоны обработки, возможность правки режущего инструмента на рабочей позиции или точного ее установа после доводки.

Преимуществом токарной обработки является принципиальная возможность изготовления сложных форм поверхностей, точно реализующих требуемые расчетные значения.

Принцип работы заявленной инструментальной державки 1 в рамках ее использования в специализированном стенде для специалиста в данной области вытекает из вышеизложенного описания его конструкции и графических материалов, в связи с чем более детального описания не требуется.

В настоящее время практически реализована ультразвуковая колебательная система инструментальной державки с наложением ультразвуковых колебаний, которая имеет две нулевые точки крепления, позволяющие осуществить акустическую развязку инструмента с корпусом державки (резцедержателем), имеющим традиционное исполнение.

Предусмотрен двукратный запас по амплитуде колебаний (т.е., возможность увеличить амплитуду колебаний в два раза или в два раза увеличить активную составляющую импеданса нагрузки без изменения амплитуды колебаний).

Проведены расчеты и выпущен комплект рабочей документации для изготовления высокодобротного пьезоэлектрического преобразователя. Повышение рабочей частоты преобразователя до 40 кГц позволяет улучшить качество обработки за счет увеличения скорости резания.

Габаритные размеры волнового тракта, позволяют поместить инструмент - резец (инструментальную державку) в классический резцедержатель.

Разработанный ультразвуковой генератор обеспечивает стабильность поддержания амплитуды на режущем инструменте за счет использования в цепях обратной связи системы фазовой автоподстройки частоты. Автоматически обеспечивает настройку на рабочую частоту в точке амплитудно-частотной характеристики колебательной системы, имеющей минимум тепловых потерь.

Разработана схема ультразвукового генератора, имеющего автоматическую настройку на оптимальную частоту генерации, и позволяющую поддерживать стабильную амплитуду колебаний режущего инструмента в условиях изменяющегося усилия резания с высокой скоростью слежения.

Таким образом, заявленное техническое решение может быть использовано в различных областях техники для осуществления дуктильной обработки высокоточных изделий (преимущественно, оптических линз) из хрупких материалов.

Надежная технология производства практически любых оптических элементов приведет к увеличению выпуска оптических элементов и приборов в диапазонах длин волн от инфракрасного до рентгеновского. Внедрение такой технологии позволит не только упростить современные оптические системы, но и радикально повысить качество создаваемых с их помощью изображений в фото- и видеотехнике, в микроскопии и астрономических наблюдениях. В результате появится возможность выпускать великое множество высокоразрешающих оптических элементов и приборов самого различного назначения отечественными производителями.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость».

1. Инструментальная державка исполнительной системы технологического стенда для финишной обработки изделий из хрупких материалов с нанометрической точностью лезвийным инструментом, включающая корпус со средствами крепления к прецизионному суппорту технологического стенда и узел крепления лезвийного инструмента, отличающаяся тем, что она оснащена ультразвуковой колебательной системой в виде составного волноводного тракта, который включает последовательно установленные и жестко связанные между собой резонансные активный элемент в виде пьезоэлектрического преобразователя, функционально являющегося источником ультразвуковых колебаний, и пассивное звено в виде полуволновых трансформатора скорости и волновода, корпус державки выполнен с продольно расположенной цилиндрической внутренней полостью, а пассивное звено оснащено средством акустической развязки волноводного тракта с корпусом державки, которое конструктивно организовано в виде цилиндрических поясков, выполненных на упомянутых элементах пассивного звена и пространственно расположенных в точках волноводного тракта, имеющих нулевое значение продольной составляющей акустических колебаний в технологическом режиме, при этом, по меньшей мере, часть пассивного звена размещена в упомянутой цилиндрической полости корпуса державки с образованием радиального зазора между их взаимообращенными поверхностями посредством обеспечения плотного сопряжения ограничивающей поверхности указанной полости с наружной поверхностью цилиндрических поясков средства акустической развязки, а узел крепления лезвийного инструмента прикреплен непосредственно к свободному торцу волновода и конструктивно-пространственно организован таким образом, что в технологическом режиме обработки изделий вершина передней поверхности лезвийного инструмента имеет возможность совершать высокочастотные колебания вдоль вектора мгновенной скорости резания в каждой точке.

2. Инструментальная державка по п.1, отличающаяся тем, что резонансные элементы волноводного тракта конструктивно организованы с близкими и неравными между собой по величине частотами собственных колебаний.