Fertigung einer Linsenantenne Dipl.-Ing. Christiane Rehm

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1 Fertigung einer Linsenantenne Dipl.-Ing. Christiane Rehm Problemstellung Im Rahmen eines Forschungsprojektes sollen dielelektrische Linsenantennen bei einer Frequenz von 60 Ghz eingesetzt werden. Dazu müssen die Oberflächen der Linsen reflektionsarm gestaltet werden. Bei der Entspiegelung von Brillengläsern wird die Reflexionsarmut durch Aufbringung einer Schicht auf das optische Material erreicht. Diese Schicht muß eine Dicke von einem Viertel der Wellenlänge haben und außerdem eine Dielektrizitätskonstante, die εr des optischen Materials entspricht. Durch Einbringen von Rillen in die Oberfläche kann diese Schicht ebenfalls erzeugt werden. Stand der Technik Während bei der Fräsbearbeitung die Nutzung zusätzlicher rotatorischer Achsen Stand der Technik ist, ist dieses Thema auf dem Gebiet des Drehens noch Neuland. Das Einstechen von Rillen auf eine beliebige Drehkontur oder die Bearbeitung beliebiger Konturen senkrecht zur Werkstückoberfläche ist nicht möglich. Angetriebene Werkzeuge können teilweise mit Rundachsen betrieben werden. Dies sind dann aber Zustellachsen. Sie können nicht dynamisch während der Bearbeitung verfahren werden. Analyse der Problemstellung Die Geometriedaten der zu fertigenden Antennenlinse wurden vom Auftraggeber in Form zweier Dateien übergeben. Die Außenkontur der Linsenantenne und die Rillen (Abbildung) werden durch einzelne Punkte beschrieben. Die Daten sind in Form zweier Dateien (Tabelle ) gegeben. Die Richtung der Rillen ist nicht normal zur Oberfläche sondern die Winkelhalbierenden aller Rillen treffen sich im Koordinatenursprung. Seite

2 Feinkontur Radius Abbildung : Linse mit Rillen Jede Rille ist durch zwei Punkte auf dem äußeren Durchmesser und zwei Punkte am Grund der Rille gegeben, wobei der zweite äußere Punkt einer Rille gleichzeitig der erste äußere Punkt der nächsten Rille ist..0046e e e e e+000.6e e e e e e e e e e e+00 Tabelle : Auszug aus Datei für Rillen Die Analyse der Geometriedaten ergab: Jede einzelne Rille hat eine andere Geometrie. Die Tiefe der Rillen beträgt mm. Die Winkelhalbierende aller Rillen läuft kontinuierlich von ca. 90 bis 0. In Bereichen, in denen die Differenz der Winkel Normale auf der Kontur und Winkelhalbierende der Rille klein wird, besteht die Gefahr, daß die Rillen während des Drehvorganges abgeschert werden. Die Rille mit dem größten Umfang (Abbildung, als. Rille gekennzeichnet) kann nicht gefertigt werden, da der Startpunkt nicht bekannt ist. Die Rille auf dem Durchmesser Null ist aus fertigungstechnischer Sicht nicht herstellbar. Die Außenkontur ist nicht mit einer Meißelanstellung erzeugbar. Daraus ergaben sich folgende Festlegungen für die Fertigung: Die innere und äußere Rille werden nicht gefertigt. Alle Rillen erhalten eine einheitliche Geometrie, d.h. es wird ein Drehmeißel für alle Rillen genutzt. Seite

3 Der Drehmeißel für das Rillenstechen hat einen Winkel von.4. Dieser Wert ergab sich als Mittel aus allen n der Rillen (Abbildung ) Rille Abbildung : der ersten Rillen 4 Fertigungsplanung 4. Aufbau der Maschine mit Anordnung der Werkzeuge Der Aufbau der genutzten Maschine ist (Abbildung ) zu entnehmen. Es handelt sich um eine Präzisionsdrehmaschine, das Werkzeug ist vor der Drehmitte angeordnet. Um das orthogonale Einstechen der Rillen zu ermöglichen, wurde anstelle des Werkzeughalters ein Drehtisch auf den Planschlitten montiert. Auf diesem Drehtisch wird mit einem Multifix der Meißel befestigt. Z X B... Werkstück... Drehtisch mit Meißel... Spindel Abbildung : Anordnung im Maschinenraum 4. Werkzeuge Es werden zwei Meißel genutzt. Die Außenkontur wird mit einem Meißel mit einem Radius an der Spitze geschruppt. Der Schlichtspan wird mit demselben Meißel gedreht, mit dem die Seite

4 MX Rillen eingestochen werden. Für die Rillen wird ein Meißel mit einer stumpfen Spitze verwendet (Abbildung 4). R=0,5 mm R=0, mm BP 0 BP 0,7 R... Meißelradius bzw. Äquivalent BP... Bezugspunkt Meißel Meißel für Außenkontur Meißel zum Rillenstechen Abbildung 4: Werkzeuge für die Bearbeitung der Linse 5 NC-Datengenerierung und Fertigung 5. Arbeitsschritt: Werkzeugvermessung Da zum Zeitpunkt der Linsenfertigung kein Werkzeugvermessungssystem verfügbar war, mußte auf eine eigenständige Lösung zurückgegriffen werden. Die Drehtischmitte ist geometrisch identisch mit dem Drehpunkt des Drehtisches. Für die Verrechnung des Anstellwinkels B sind die Koordinatenwerte MX und MZ (Abbildung 5) von Bedeutung. MZ M... Drehtisch... Multifix... Drehmeißel DP DP... Drehpunkt des Drehtisches M... Abstand Meißelbezugspunkt - Drehpunkt DP MX...X-Anteil des Vektors M MZ... Z-Anteil des Vektors M Abbildung 5: Lage des Werkzeugbezugspunktes zur Drehtischmitte Bei Drehung des Drehtisches um einen Winkel, verändert sich die Lage des Werkzeugbezugspunktes, diese Lageänderung wird nicht von der Steuerung erkannt und muß deshalb im NC-Programm verrechnet sein. Seite 4

5 d_x d_z Werkzeugbezugspunkt Drehtischmitte B MX MZ d_x, d_z Differenz der Lage des Werkzeugsbezugspunktes für B = 0 und B > 0 Abbildung 6: Meißelanstellung durch Drehung In Abbildung 6 ist auch die Lage des Werkzeugbezugspunktes (BP) für die beiden zum Einsatz kommenden Drehmeißel dargestellt. 5. Arbeitsschritt: Bestimmung des Vektors M Für zwei Winkel B und B werden die Koordinaten X und Z des Werkzeugbezugspunktes mittels Meßuhren bestimmt. Die Wahl der Winkel wurde aus der Meißelgeometrie abgeleitet für den Grobmeißel B = 05 (90-5) und B = 75 (90+5) und für den Einstechmeißel die Winkel B = 00,7 (90+0,7)und B = 79, (90-0,7). Aus der Kenntnis der Koordinatenwerte, der Winkel und des Radius läßt sich der Vektor M und seine Komponenten MX und MZ berechnen. Diese Werte werden in die Datei linse.cfg eingetragen. 5. Arbeitsschritt: Außenkontur (Grobkontur) drehen 5.. Theoretische Grundlagen Durch die Geometrie der Linse ist es nicht möglich, die Kontur mit einem Meißel zu drehen. Der Einsatz des Drehtisches ermöglicht allerdings, daß derselbe Meißel für die gesamte Kontur genutzt wird, der Meißel aber unterschiedlich angestellt wird. Da keine kontinuierliche Änderung der Meißelanstellung mit der derzeitigen Drehtischvariante möglich ist, wurden die Kontur in Abschnitte eingeteilt. Innerhalb dieser Bereiche wird der Anstellwinkel des Meißels konstant gehalten. Um den Eingriffspunkt des Meißels nicht zu verändern, muß der eingestellte Winkel immer größer/gleich dem Winkel der Flächennormale im jeweils betrachteten Punkt sein. Die NC-Daten werden in einem Postprozessorlauf aus den Punkten der Geometriedatei unter Beachtung der Werte aus der Datei linse.cfg berechnet. Die Anstellung des Meißels zur Oberfläche wird dabei berücksichtig und der Winkelwert für die Meißelanstellung wird als Wert für die Adresse B ins NC-Programm eingetragen. Wird ein Meißel mit einem Radius als Schneide, wie beim Meißel für die Außenkontur vorhanden, eingesetzt, wird die Lage des Werkzeugbezugspunktes bestimmt, indem man auf die Kontur ein äquidistantes Aufmaß entsprechend dem Radius berechnet. Seite 5

6 Beim Schlichten, muß der Radius des Einstechmeißels in Abhängigkeit von der Ansteilung der Meißelachse verrechnet werden, um die Lage des Werkzeugbezugspunktes bestimmen zu können. Außerdem ist es möglich, im Postprozessorlauf ein Offset vorzugeben, welches in Richtung der Flächennormale verrechnet wird. 6 Fertigung der Rillen 6. Probewerkstück Das erste Teil wurde entsprechend den Daten des Auftraggebers gefertigt. Wie bereits bei der Analyse der Aufgabenstellung vermutet, wurden die Rillen, die einen sehr kleinen Winkel zur Oberfläche hatten, abgeschert. Daraufhin wurde festgelegt, daß: alle Rillen senkrecht zur Kontur eingestochen werden (Abbildung 7) da die Tiefe der Rillen ( mm) für die spätere Funktion der Rille wichtig ist, soll diese gewährleistet werden durch den Aufbau der Maschine und die neue Lage der Rillen, kann beim Einstechen in Richtung der Flächennormale auch die zweite Rille (Abbildung 8) nicht gefertigt werden. Rillen senkrecht zur Oberfläche Radius Abbildung 7: Rillen senkrecht zur Kontur (Exceldarstellung) Seite 6

7 4 5 B 6 Z... Drehtisch... Multifix... Drehmeißel 4... Spindel 5... Spannbacken 6... Werkstück DP Meißellage für. Rille B < 0 Kollision zwischen Meißel und Spannbacken Abbildung 8: Problemstelle. Rille 6. Fertigung der Rillen in Richtung der Flächennormale Die Lage der Rillen wurde aus den Daten des Auftraggebers übernommen. Zwischen die jeweils zwei Punkte, welche jede einzelne Rille auf der Außenkontur beschreiben, wurde eine Gerade gelegt. Die Senkrechte auf dieser Geraden gab den Winkel an, unter dem die Rille eingestochen wurde. 7 Auswertung Während des Rillenstechens wurde jeweils die Spitze des stehengebliebenen Materials abgeschert. Deshalb wurde generell nur eine Rillentiefe von 0,8 mm eingehalten. Der Grund für das Abscheren wurde in der Spröde des Materials gesehen. Eine spätere genau Betrachtung des Einstechmeißels ergab, daß die geforderten Winkel nicht genau angeschliffen wurden. So daß davon auszugehen ist, daß nicht nur die Materialeigenschaften am Abscheren beteiligt waren. Nach Fertigung der Linse wurde die vom Auftraggeber getestet. Die Auswertung des Auftraggebers ergab, daß das Einbringen der Rillen auf die Linsenoberfläche den erwünschten Erfolg teilweise brachte. Es ist anzunehmen, daß die bei einer Tiefe der Rillen von mm, die Ergebnisse noch besser sind. Die Bearbeitung des Auftrages zeigte deutlich, daß es Widersprüche zwischen Wünschen des Auftraggebers und in der Realität möglichen Fertigungsverfahren gibt. Hier war z. B. von vornherein klar, daß man keine Rillen mit den angegebenen Maßen fertigen konnte, die Geometrie der Rillen wurde deshalb vereinfacht. Rechtzeitige Absprachen zwischen Konstrukteur (im weitesten Sinne des Wortes) und Hersteller ersparen viel Zeit. Die Alternative zwischen einer Beschichtung der Oberfläche und dem Einbringen einer gezielten Struktur auf die Oberfläche der Linse bietet vollkommen neue Entscheidungsvarianten, die sowohl unter dem Gesichtspunkt der Kosten als auch des Umweltschutzes genauer zu betrachten sind. Seite 7