Entwicklung eines aktorisierten Werkzeugsystems für das niederfrequente schwingungsunterstützte Polierschleifen

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.