Um novo método para usinar superfícies esculpidas através da aplicação de corte de vibração elíptica ultra-sônica

Abstrato:

  Um novo método de usinagem é proposto para obter superfícies de espelho esculpidas aplicando o corte de vibração elíptica. A ferramenta é vibrada de forma elíptica, ao contrário das fresas de topo rotativas convencionais, e é alimentada ao longo da superfície esculpida enquantoa posição rotacional da ferramenta é controlada de acordo com a orientação da superfície esculpida no método proposto. A fim de realizar a usinagem de superfície esculpida de aço temperado endurecido com ferramenta de diamante único cristal,são necessários componentes especiais, isto é, um sistema de vibração que pode gerar uma vibração elíptica ultra-sónica arbitrária no espaço 3D, uma máquina-ferramenta de precisão com 4 eixos controlados e um sistema CAM especial. A vibração elípticasistema, que consiste de uma ferramenta de vibração ultra-sônica 3 DOF e um controlador de vibração, é desenvolvido. A ferramenta de vibração pode gerar a vibração elíptica arbitrária a 34,4 kHz, combinando duas vibrações de flexão e uma longitudinalvibração. O controlador de vibração é fabricado para manter a vibração elíptica para ter um locus desejado no espaço 3D. A máquina-ferramenta de precisão controlada por 4 eixos, que consiste de um fuso de ar, guias lineares de precisão,parafusos de esferas de precisão e assim por diante, é desenvolvido. O software comercial CAM é utilizado e um pós-processador especial é desenvolvido para gerar caminhos de ferramenta para a usinagem de controle de 4 eixos de superfícies esculpidas. O ultra-som desenvolvidoo sistema de usinagem de vibração elíptica é aplicado ao corte de diamante de precisão de aço temperado endurecido, e confirma-se que a usinagem da superfície do espelho com rugosidade superficial inferior a 0,28 Pm Rz pode ser realizada para superfície esféricausinagem de aço temperado endurecido.

1. INTRODUÇÃO

  O aço endurecido para matrizes e moldes é geralmente usinado por usinagem de ponta esférica, retífica ou descarga elétrica [1]. O polimento é aplicado posteriormente, já que o acabamento da superfície do espelho é necessário em muitos casos. No entanto, o polimento éum processo caro e demorado, diminui a precisão da usinagem e não é adequado para o acabamento de microestruturas.

  Por outro lado, os autores desenvolveram um novo método de corte denominado corte de vibração elíptica [2-7], que pode realizar usinagem de superfícies espelhadas de materiais difíceis de cortar, incluindo aço temperado endurecido, com cristal únicoferramentas de diamante. Um dos próximos alvos é desenvolver umcentro de usinagem de precisão que pode obter as superfícies de espelho esculpidas sem polimento, aplicando o corte de vibração elíptica.

  Um novo método é proposto na presente pesquisa, o que é vantajoso para obter as superfícies esculpidas por meio do corte de vibração elíptica. Uma nova ferramenta de vibração elíptica ultra-sônica com 3 graus de liberdade (DOF) e uma máquina de precisãoA ferramenta é desenvolvida para o método de usinagem proposto e é aplicada à usinagem de superfícies espelhadas de aço temperado endurecido.

2. PROPOSTA DE UM NOVO MÉTODO PARA AS SUPERFÍCIES ESCULTURADAS

2.1 processo de corte de vibração elíptica

  A Figura 1 mostra uma ilustração esquemática do processo de corte de vibração elíptica. A ferramenta é vibrada de forma elíptica e alimentada na direção de corte nominal relativamente à peça de trabalho ao mesmo tempo, para que o chip seja formadointermitentemente e retirado em cada ciclo de vibração. Como o atrito entre o chip e a face de inclinação da ferramenta é invertido, o ângulo de cisalhamento é aumentado e, conseqüentemente, a força de corte e a energia de corte são reduzidassignificativamente.

2.2 Corte de vibração elíptica de superfícies esculpidas

  Superfícies esculpidas de aço temperado temperado são geralmente usinadas pela fresa de topo esférica como mostrado na Fig. 2 (a), e as superfícies rugosas são subseqüentemente polidas quando superfícies espelhadas são necessárias. A vibração elíptica ultra-sônicaO corte é aplicado na presente pesquisa para eliminar o processo de polimento. A Figura 2 (b) mostra o método de usinagem proposto. A ferramenta é vibrada elipticamente, ao contrário das fresas de topo rotativas convencionais, e é alimentada ao longosuperfície esculpida enquanto a posição rotacional da ferramenta é precisamente controlada de acordo com a orientação da superfície esculpida. Assim, o método proposto necessita de uma máquina-ferramenta de precisão com pelo menos 4 eixos, ou seja, X, Y, Z eC, para usinar as superfícies esculpidas.

  Ambos os processos de corte são intermitentes, mas a freqüência é muito maior e o raio é muito menor no corte de vibração elíptico, como mostra a Fig. 2. Essas diferenças permitem a usinagem de superfícies espelhadas com ferramentas diamantadas.conforme relatado nos trabalhos anteriores [4-6].

  A ferramenta vibrada também pode ser girada como as fresas de topo. No entanto, esse processo de vibração é considerado redundante, já que o corte por vibração é um processo intermitente por si só. O presente método é mais vantajoso pararugosidade da superfície, vida útil da ferramenta e eficiência, porque o caminho trocoidal no processo de fresagem aumenta a aspereza da superfície e o corte de ar desnecessário.

  Os vibradores elípticos ultra-sônicos convencionais gerama vibração elíptica em planos fixos, que são aproximadamente perpendiculares aos eixos do vibrador [3-7]. Assim, uma nova ferramenta de vibração elíptica 3 DOF, que pode gerar uma vibração elíptica ultra-sônica arbitrária no espaço 3D, édesejado para que possa usinar uma ampla gama de superfícies esculpidas. Além disso, uma máquina-ferramenta de precisão e um pós-processador especial para CAM são necessários para realizar a usinagem proposta.

3. DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE VIBRAÇÃO ULTRASÔNICA 3 DOF

  A ferramenta convencional de vibração elíptica [3-5] foi desenvolvida combinando duas vibrações de flexão. A vibração longitudinal é posteriormente combinada aqui para gerar uma vibração elíptica arbitrária no espaço 3D, veja a Fig. 3. O projetoferramenta utiliza o 4º modo ressonante de vibração de flexão nas direções U e V e o 2º modo ressonante de vibração longitudinal na direção Z.

  Freqüências e posições nodais desses dois modos ressonantes são geralmente diferentes e, portanto, a forma do vibrador deve ser projetada de modo que suas freqüências e posições nodais sejam próximas umas das outras ao mesmo tempo. Primeiro, o segundoO modo ressonante de vibração longitudinal foi selecionado para que o vibrador tenha dois nós e possa ser suportado rigidamente nas duas posições nodais. Em seguida, optou-se pelo 4º modo ressonante de vibração de flexão, pois dois dosas posições são relativamente próximas das longitudinais. As frequências de ressonância e as posições nodais foram ajustadas fazendo as porções escalonadas e afuniladas, ver Fig. 3, e alterando suas dimensões. Este projeto foi assistido porsimulações de computador. Elas foram ajustadas grosseiramente pela análise do feixe de Euler-Bernoulli e, em seguida, a forma final foi determinada utilizando a análise FEM, como mostrado na figura.4

  As vibrações de flexão são excitadas pelas quatro placas piezelétricas (PZTs) mostradas na Fig. 3. As PZTs esquerda e direita são expandidas e contraídas com um deslocamento de fase de 180 graus para dobrar o vibrador na direção V. A frente eos traseiros são usados ​​da mesma maneira para dobrá-lo na direção U. A vibração longitudinal é excitada usando os outros quatro PZTs com a mesma fase. Estas três vibrações direcionais são detectadas pelos pequenos sensores PZT eesses sinais são utilizados para remoção de conversa cruzada, controle de realimentação de amplitudes de vibração e diferenças de fase, e perseguição de ressonância [5]. Detalhes do sistema de controle desenvolvido para a ferramenta de vibração 3 DOF são omitidos nopapel presente.

  Recomenda-se no corte por vibração elíptica ultra-sônica aplicar a vibração elíptica no plano, incluindo a direção do corte e aproximadamente a direção do fluxo do cavaco [2,3,7]. Assim, a vibração é aplicada aqui no aviãoincluindo a direco de corte, isto direco em U, e a direco inclinada em relao ao eixo do vibrador, como mostrado pela seta vermelha na Fig. 3, que aproximadamente a direco mia do fluxo do cavaco na regi usinada do gulo.

  A Figura 5 mostra a ferramenta de vibração ultra-sônica de 3 DOF desenvolvida com uma única ponta de diamante de cristal. As frequências ressonantes são ajustadas para 34,4 kHz, e o sistema desenvolvido pode gerar um locus arbitrário de vibração elíptica emum plano arbitrário no espaço 3D. O máximoas amplitudes são 30 Pmp-p nas direções U e V e 24 Pmp-p na direção Z, que correspondem a 195 e 156 m / min respectivamente.

4. DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE CORTE DE VIBRAÇÃO ELÍTICA

Uma máquina-ferramenta de precisão, veja a Fig. 6, foi desenvolvida para o método de usinagem proposto baseado em um centro de usinagem comercial. A ferramenta de vibração 3 DOF desenvolvida é montada no fuso do eixo C, e é conectada ao controlador eos amplificadores de potência. Como eles são conectados por fios elétricos, o eixo C não pode ser girado infinitamente. A ferramenta é alimentada ao longo da superfície esculpida em cada nível Z e rodada de acordo com a orientação da superfície de corte nométodo proposto, como mostrado na Fig. 2 (b). Portanto, o eixo C é contra-girado para rebobinar os fios após cada rotação no presente estágio de pesquisa. Os fios serão substituídos por anéis coletores ou transformadores no próximo estágio.

  A rugosidade máxima da superfície inferior a cerca de 100 nm é geralmente necessária para o acabamento da superfície do espelho. Assim, os erros de movimento da máquina-ferramenta devem ser menores que cerca de 100 nm, incluindo a vibração indesejável entre a ferramenta e opeça devido a bombas de óleo / ar, ventiladores e assim por diante. Empregando um fuso de ar para o eixo C, o erro de movimento rotacional é restringido a cerca de 20 nm na direção X e cerca de 80 nm na direção Y no esgotamento não repetível(NRRO), como mostrado na Fig. 7. Estes foram avaliados fixando-se uma esfera mestra ao fuso da ferramenta e medindo-se seus deslocamentos radiais com sensores capacitivos fixados na mesa da peça de trabalho. Parafusos de esferas de precisão com pequenas ondulações de torque eguias de rolos lineares de precisão são empregadas para os eixos X, Y e Z. A Figura 8 mostra os erros de movimento linear da tabela de alimentação do eixo X, por exemplo. Eles foram medidos fixando uma borda reta na mesa de alimentação e medindoseus deslocamentos com os sensores capacitivos fixados ao fuso. Como mostrado na figura, a flutuação do movimento é relativamente grande em um grande passo de 10 mm, o que quase corresponde ao passo do fuso de esferas e também umrotação dos rolos utilizados nas guias lineares. No entanto, os menores componentes de passo dos erros de movimento, que afetam a qualidade da superfície do espelho, são muito menores que 100 nm. Estes movimentos de erro do fuso e as tabelas de alimentação incluema vibração indesejável entre o fuso da ferramenta e a mesa da peça, porque ambos foram medidos relativamente entre o fuso e a mesa.

  Utiliza-se o software comercial CAM, que envia dados CL e vetores normais para a superfície de corte a partir de dados CAD. Um pós-processador especial é desenvolvido aqui para transformar os vetores normais em ângulos de rotação do eixo C, de modo queo ângulo de inclinação da ferramenta é mantido constante em cada corte de nível Z enquanto a direção de corte muda ao longo do caminho curvo.

5. EXPERIÊNCIAS DE MÁQUINA

  Experimentos de usinagem foram realizados para examinar o desempenho básico do sistema desenvolvido. O experimento de aplainamento foi conduzido primeiro, uma vez que o desempenho básico do sistema de usinagem aparece claramente em uma superfície plana. Então, um esféricoforma foi usinada pelo método de usinagem proposto utilizando o controle de 4 eixos. O aço temperado endurecido com uma dureza de HRC54 ou 40 é usado como material de peça de trabalho e é cortado com ferramentas de diamante monocristalino. Ambos os experimentos foramrealizada apenas pelo corte de vibração elíptica, pois é bem conhecido que o aço não pode ser usinado pelo corte de diamante comum. As condições de usinagem estão resumidas na Tabela 1.

  O resultado da experiência de aplainamento é mostrado nas Figs. 9-13. A superfície de corte foi inclinada aqui por 38,7 graus em torno do eixo X nesta usinagem, de modo que todos os eixos X, Y e Z estão envolvidos na operação. Como mostrado na Fig. 9, um espelhosuperfície é obtida com sucesso pelo presente método. A Figura 10 mostra uma fotografia da superfície de corte tirada com um microscópio de interferência diferencial. As marcas de alimentação são pouco observadas, cujo passo corresponde aotaxa de alimentação de 15 Pm. As outras marcas na direção de corte aparecem claramente com um passo de cerca de 2,5 Pm. O processo de corte de vibração elíptico causa pequena ondulação geométricana direção de corte como mostrado na Fig. 2 (b), mas seu passo e altura devem ser, teoricamente, 0,48 Pm e 5,3 nm, respectivamente, nas condições atuais. Considera-se que essas marcas foram causadas pelo primeiro modo ressonantevibração de flexão do vibrador, cuja frequência, 6,5 kHz coincide com a das marcas. Figura 11 mostra perfisda superfície de corte medida nas direções de corte e avanço. Eles mostram que a rugosidade devido às marcas de alimentação e as outras marcas é de cerca de 50 nm e que a rugosidade máxima de cerca de 150 nm Rz é obtida sem polimento.

  A figura 12 mostra o espelho de aço esférico terminado pelo método proposto. O resultado indica que superfícies espelhadas curvas de aço temperado podem ser obtidas pelo corte vibratório elíptico proposto com o controle de 4 eixos.

  A Figura 13 mostra os perfis de superfície medidos na posição em que o vetor normal faz 30 graus com aquele no topo da esfera. A rugosidade máxima de cerca de 280 nm Rz é alcançada para a superfície esférica, como mostrado nafigura.

6. CONCLUSÃO

  O novo método foi proposto para usinar superfícies de espelho esculpidas de aço temperado utilizando a tecnologia de corte de vibração elíptica. O sistema de vibração ultra-sônica 3 DOF, que é um componente chave paraA usinagem proposta, a máquina-ferramenta de precisão e o pós-processador para o CAM foram desenvolvidos, e os espelhos de aço planos e esféricos foram obtidos com sucesso pelo sistema desenvolvido. Os resultados verificam a validade da propostamétodo e sistema desenvolvido. Espera-se que a usinagem de superfícies espelhadas esculpidas de aço temperado seja realizada em breve pelo método proposto.

7. AGRADECIMENTOS

  Os autores expressam sinceros agradecimentos à A.L.M.T.Diamond Corp., da Honda Electronics Co., Ltd., da Sansyu Finetool Co., Ltd. e a Echo Electronics Co., Ltd., pelos seus apoios e conselhos, e também a um estudante de pós-graduação, Sr. A. Nakamura, pela suaassistência. A pesquisa foi apoiada financeiramente pelo Escritório Chubu do Ministério de Economia, Comércio e Indústria do Japão como Projeto Regional de Consórcio de Pesquisa e Desenvolvimento.