Un nuevo método para mecanizar superficies esculpidas mediante la aplicación de corte por vibración elíptica por ultrasonidos

Abstracto:

  Se propone un nuevo método de mecanizado para obtener superficies de espejo esculpidas mediante la aplicación de corte de vibración elíptica. La herramienta se hace vibrar elípticamente, a diferencia de los molinos de extremo giratorios convencionales, y se alimenta a lo largo de la superficie esculpida mientrasla posición de rotación de la herramienta se controla de acuerdo con la orientación de la superficie esculpida en el método propuesto. Para realizar el mecanizado de superficie esculpida de acero de troquel endurecido con herramienta de diamante monocristalino,se requieren componentes especiales, es decir, un sistema de vibración que puede generar una vibración elíptica ultrasónica arbitraria en el espacio tridimensional, una máquina herramienta de precisión controlada en 4 ejes y un sistema CAM especial. La vibración elípticasistema, que consiste en una herramienta de vibración ultrasónica de 3 DOF y un controlador de vibración, se desarrolla. La herramienta de vibración puede generar la vibración elíptica arbitraria a 34,4 kHz combinando dos vibraciones de flexión y una longitudvibración. El controlador de vibración está fabricado para mantener la vibración elíptica en un lugar deseado en el espacio tridimensional. La máquina herramienta de precisión controlada de 4 ejes, que consiste en un husillo de aire, guías lineales de precisión,tornillos de bolas de precisión y así sucesivamente, se desarrolla. Se utiliza el software CAM comercial y se desarrolla un post procesador especial para generar trayectorias de herramientas para el mecanizado de control de 4 ejes de superficies esculpidas. El ultrasónico desarrolladoEl sistema de mecanizado de vibración elíptica se aplica al corte de diamante de precisión de acero de troquelado endurecido, y se confirma que se puede realizar un mecanizado de superficie de espejo con una rugosidad superficial inferior a 0,28 Pm Rz para superficie esférica.mecanizado de acero de troquel endurecido.

1. INTRODUCCIÓN

  El acero endurecido para troqueles y moldes generalmente se mecaniza mediante fresado por bolas, rectificado o mecanizado por descarga eléctrica [1]. El pulido se aplica posteriormente ya que en muchos casos se requiere un acabado superficial del espejo. Sin embargo, el pulido esun proceso costoso y lento, disminuye la precisión del mecanizado y no es adecuado para terminar microestructuras.

  Por otro lado, los autores han desarrollado un nuevo método de corte llamado corte por vibración elíptica [2-7], que puede realizar el mecanizado de superficies reflectantes de materiales difíciles de cortar, incluido el acero troquelado endurecido, con un solo cristalherramientas de diamante. Uno de los próximos objetivos es desarrollar uncentro de mecanizado de precisión que puede obtener las superficies de espejo esculpidas sin pulir mediante la aplicación del corte de vibración elíptica.

  Se propone un nuevo método en la presente investigación, que es ventajoso para obtener las superficies esculpidas mediante corte por vibración elíptica. Una nueva herramienta de vibración elíptica ultrasónica con 3 grados de libertad (DOF) y una máquina de precisiónherramienta desarrollada para el método de mecanizado propuesto, y se aplica al mecanizado de superficie de espejo de acero de troquel endurecido.

2. PROPUESTA DE UN NUEVO MÉTODO PARA MÁQUINAS SUPERFICIES ESCULPIDAS

2.1 Proceso de corte vibratorio elíptico

  La Figura 1 muestra una ilustración esquemática del proceso de corte por vibración elíptica. La herramienta se hace vibrar elípticamente y se alimenta en la dirección de corte nominal relativamente a la pieza de trabajo al mismo tiempo, de modo que se forma el chipde forma intermitente y extraída en cada ciclo de vibración. Dado que la fricción entre el chip y la cara del rastrillo de la herramienta se invierte, el ángulo de corte aumenta y, en consecuencia, se reducen la fuerza de corte y la energía de corte.significativamente.

2.2 Corte de vibración elíptica de superficies esculpidas

  Las superficies esculpidas de acero de troquelado endurecido generalmente se mecanizan mediante el fresado de punta esférica como se muestra en la figura 2 (a), y las superficies rugosas se pulimentan posteriormente cuando se requieren superficies de espejo. La vibración elíptica ultrasónicael corte se aplica en la presente investigación para eliminar el proceso de pulido. La Figura 2 (b) muestra el método de mecanizado propuesto. La herramienta se hace vibrar elípticamente, a diferencia de los molinos de extremo giratorios convencionales, y se alimenta a lo largo delsuperficie esculpida, mientras que la posición de rotación de la herramienta se controla con precisión de acuerdo con la orientación de la superficie esculpida. Por lo tanto, el método propuesto necesita una máquina herramienta de precisión con al menos 4 ejes, es decir, X, Y, Z yC, mecanizar las superficies esculpidas.

  Ambos procesos de corte son intermitentes, pero la frecuencia es mucho mayor y el radio es mucho más pequeño en el corte por vibración elíptica, en comparación con la Fig. 2. Estas diferencias permiten el mecanizado de la superficie del espejo con herramientas de diamantecomo se informó en los documentos anteriores [4-6].

  La herramienta vibrada también se puede rotar como las fresas. Sin embargo, dicho fresado por vibración se considera redundante, ya que el corte por vibración es un proceso intermitente por sí mismo. El presente método es más ventajoso pararugosidad de la superficie, vida útil de la herramienta y eficiencia, porque la trayectoria trocoidal en el proceso de fresado aumenta la rugosidad de la superficie y el corte de aire innecesario.

  Los vibradores elípticos ultrasónicos convencionales generanla vibración elíptica en planos fijos, que son aproximadamente perpendiculares a los ejes del vibrador [3-7]. Por lo tanto, una nueva herramienta de vibración elíptica de 3 DOF, que puede generar una vibración elíptica ultrasónica arbitraria en el espacio 3D, esdeseado para que pueda mecanizar una amplia gama de superficies esculpidas. Además, se requiere una máquina herramienta de precisión y un postprocesador especial para CAM para realizar el mecanizado propuesto.

3. DESARROLLO DEL SISTEMA DE VIBRACIÓN ULTRASÓNICA DE 3 DOF

  La herramienta de vibración elíptica convencional [3-5] se desarrolló combinando dos vibraciones de flexión. La vibración longitudinal se combina adicionalmente aquí para generar una vibración elíptica arbitraria en el espacio tridimensional, ver Fig. 3. El diseñoherramienta utiliza el cuarto modo resonante de vibración de flexión en las direcciones U y V y el segundo modo resonante de vibración longitudinal en la dirección Z.

  Las frecuencias y posiciones nodales de esos dos modos resonantes son generalmente diferentes, y por lo tanto, la forma del vibrador debe diseñarse de modo que sus frecuencias y posiciones nodales estén cercanas entre sí al mismo tiempo. Primero, el segundose seleccionó el modo resonante de vibración longitudinal para que el vibrador tenga dos nodos y pueda sostenerse rígidamente en las dos posiciones nodales. A continuación, se eligió el cuarto modo resonante de vibración de flexión, porque dos de los nodoslas posiciones son relativamente cercanas a las longitudinales. Las frecuencias de resonancia y las posiciones nodales se ajustaron haciendo las partes escalonadas y cónicas, véase la Fig. 3, y cambiando sus dimensiones. Este diseño fue asistido porsimulaciones de computadora. Se ajustaron aproximadamente mediante el análisis del haz Euler-Bernoulli, y luego se determinó la forma final utilizando el análisis FEM como se muestra en la Fig.4.

  Las vibraciones de flexión son excitadas por las placas fourpiezoelectric (PZT) mostradas en la Fig. 3. Las PZT izquierdas y derechas se expanden y se contraen con un cambio de fase de 180 grados para doblar el vibrador en la dirección V. El frente ylos de atrás se usan de la misma manera para doblarlo en la dirección U. La vibración longitudinal se excita usando los otros cuatro PZT con la misma fase. Estas tres vibraciones direccionales son detectadas por los pequeños sensores PZT, yesas señales se utilizan para la eliminación de interferencias, el control de retroalimentación de las amplitudes de vibración y las diferencias de fase, y la persecución de resonancia [5]. Los detalles del sistema de control desarrollado para la herramienta de vibración 3 DOF se omite en elpresente papel.

  Se recomienda en el corte con vibración elíptica ultrasónica aplicar la vibración elíptica en el plano, incluida la dirección de corte y aproximadamente la dirección del flujo del chip [2,3,7]. Por lo tanto, la vibración se aplica aquí en el planoincluyendo la dirección de corte, es decir, la dirección U, y la dirección inclinada desde el eje del vibrador como se muestra mediante la flecha roja en la Fig. 3, que es aproximadamente la dirección de flujo de viruta promedio en la región mecanizada de ángulo.

  La Figura 5 muestra la herramienta de vibración ultrasónica desarrollada 3 DOF con una punta de herramienta de diamante de cristal único. Las frecuencias de resonancia se ajustan a 34,4 kHz, y el sistema desarrollado puede generar un lugar arbitrario de vibración elíptica enun plano arbitrario en el espacio 3D. El maximolas amplitudes son 30 Pmp-p en las direcciones U y V y 24 Pmp-p en la dirección Z, que corresponden a 195 y 156 m / min respectivamente.

4. DESARROLLO DEL SISTEMA ELÍPTICO DE CORTE DE VIBRACIÓN

  Se desarrolló una máquina herramienta de precisión, ver Fig. 6, para el método de mecanizado propuesto basado en un centro de mecanizado comercial. La herramienta de vibración 3 DOF desarrollada está montada en el eje del eje C, y está conectada al controlador ylos amplificadores de potencia Como están conectados por cables eléctricos, el eje C no se puede girar infinitamente. La herramienta se alimenta a lo largo de la superficie esculpida en cada nivel Z y gira de acuerdo con la orientación de la superficie de corte en elmétodo propuesto, como se muestra en la figura 2 (b). Por lo tanto, el eje C gira en sentido contrario para rebobinar los cables después de cada rotación en la etapa actual de la investigación. Los cables serán sustituidos por anillos colectores o transformadores en la siguiente etapa.

  La rugosidad superficial máxima de menos de aproximadamente 100 nm se requiere generalmente para el acabado de la superficie del espejo. Por lo tanto, los errores de movimiento de la máquina herramienta deben ser menores que aproximadamente 100 nm, incluida la vibración indeseable entre la herramienta y elpieza de trabajo debido a bombas de aceite / aire, ventiladores, etc. Al emplear un husillo de aire para el eje C, el error de movimiento de rotación se restringe a aproximadamente 20 nm en la dirección X y aproximadamente 80 nm en la dirección Y en el margen no repetible(NRRO), como se muestra en la Fig. 7. Estos se evaluaron fijando una bola maestra al eje de la herramienta y midiendo sus desplazamientos radiales con sensores capacitivos fijados sobre la mesa de la pieza de trabajo. Tornillos de bolas de precisión con pequeña torsión yguías de rodillos lineales de precisión se emplean para los ejes X, Y y Z. La figura 8 muestra los errores de movimiento lineal de la tabla de alimentación del eje X, por ejemplo. Se midieron fijando una regla en la mesa de alimentación y midiendosus desplazamientos con los sensores capacitivos fijados al eje. Como se muestra en la figura, la fluctuación del movimiento es relativamente grande con un paso grande de 10 mm, que casi corresponde con el paso del tornillo de bola y también unorotación de los rodillos utilizados en las guías lineales. Sin embargo, los componentes de tono más pequeños de los errores de movimiento, que afectan la calidad de la superficie del espejo, son mucho menores que 100 nm. Estos movimientos de error del eje y las tablas de alimentación incluyenla vibración indeseable entre el husillo de la herramienta y la mesa de la pieza de trabajo, porque ambos se midieron relativamente entre el husillo y la mesa.

  Se utiliza el software CAM comercial, que genera datos CL y vectores normales en la superficie de corte a partir de datos CAD. Aquí se desarrolla un post procesador especial para transformar los vectores normales a los ángulos de rotación del eje C, de modo queel ángulo de inclinación de la herramienta se mantiene constante en cada corte de nivel Z mientras que la dirección de corte cambia a lo largo de la trayectoria curva.

5. EXPERIMENTOS MECANIZADOS

  Se llevaron a cabo experimentos de mecanizado para examinar el rendimiento básico del sistema desarrollado. El experimento de cepillado se realizó primero, ya que el rendimiento básico del sistema de mecanizado aparece claramente en una superficie plana. Entonces, un esféricola forma se mecanizó mediante el método de mecanizado propuesto utilizando el control de 4 ejes. El acero templado con una dureza de HRC54 o 40 se usa como material de pieza de trabajo y se corta con herramientas de diamante de un solo cristal. Los dos experimentos fueronconducido solamente por el corte de vibración elíptico, ya que es bien sabido que el acero no puede ser mecanizado por el corte de diamante ordinario. Las condiciones de mecanizado se resumen en la Tabla 1.

  El resultado del experimento de planeo se muestra en las Figs. 9-13. La superficie de corte se inclinó 38,7 grados alrededor del eje X en este mecanizado, por lo que todos los ejes X, Y y Z están involucrados en la operación. Como se muestra en la Fig. 9, un espejola superficie se obtiene con éxito mediante el presente método. La Figura 10 muestra una fotografía de la superficie de corte tomada con un microscopio de interferencia diferencial. Las marcas de alimentación apenas se observan, cuyo tono corresponde alvelocidad de alimentación de 15 Pm. Las otras marcas en la dirección de corte aparecen claramente con un paso de aproximadamente 2,5 Pm. El proceso de corte por vibración elíptica causa una pequeña ondulación geométricaen la dirección de corte como se muestra en la figura 2 (b), pero su altura y altura deberían ser teóricamente de 0.48 Pm y 5.3 nm respectivamente en las presentes condiciones. Se considera que estas marcas fueron causadas por el primer modo resonante devibración de flexión del vibrador, cuya frecuencia, 6.5 kHz coincide con la de las marcas. La figura 11 muestra los perfilesde la superficie cortada medida en las direcciones de corte y avance. Muestran que la rugosidad debida a las marcas de alimentación y a las otras marcas es de aproximadamente 50 nm y que la rugosidad máxima de aproximadamente 150 nm Rz se obtiene sin pulir.

  La Figura 12 muestra el espejo de acero esférico acabado por el método propuesto. El resultado indica que las superficies de espejo curvadas de acero de troquel endurecido pueden obtenerse mediante el corte de vibración elíptica propuesto con el control de 4 ejes.

  La figura 13 muestra los perfiles de superficie medidos en la posición donde el vector normal forma 30 grados con el que está en la parte superior de la esfera. La rugosidad máxima de aproximadamente 280 nm Rz se logra para la superficie esférica, como se muestra enfigura.

6. CONCLUSIÓN

  El nuevo método fue propuesto para maquinar superficies de espejo esculpidas de acero de troquel endurecido utilizando la tecnología de corte por vibración elíptica. El sistema de vibración ultrasónica de 3 DOF, que es un componente clave para realizarse desarrollaron el mecanizado propuesto, la máquina herramienta de precisión y el post-procesador para la CAM, y los espejos de acero planos y esféricos se obtuvieron con éxito por el sistema desarrollado. Los resultados verifican la validez de la propuestamétodo y el sistema desarrollado. Se espera que pronto se realice el mecanizado de superficies de espejo esculpidas de acero de troquel endurecido mediante el método propuesto.

7. DESCUENTOS

  Los autores expresan su sincero agradecimiento a A.L.M.T.Diamond Corp., Honda Electronics Co., Ltd., Sansyu Finetool Co., Ltd. y Echo Electronics Co., Ltd. por sus apoyos y consejos, y también a un estudiante graduado, el Sr. A. Nakamura por suasistencia. La investigación fue financiada financieramente por la Oficina de Chubu del Ministerio de Economía, Comercio e Industria de Japón como Proyecto de Consorcio R & D Regional.