Un nuovo metodo per lavorare superfici scolpite applicando il taglio a vibrazione ellittica ad ultrasuoni

Astratto:

  Viene proposto un nuovo metodo di lavorazione per ottenere superfici a specchio scolpito applicando il taglio a vibrazione ellittica. Lo strumento è vibrato ellitticamente, a differenza delle frese rotanti convenzionali, e viene alimentato lungo la superficie scolpitala posizione rotazionale dell'utensile è controllata in accordo con l'orientamento della superficie scolpita nel metodo proposto. Al fine di realizzare la lavorazione della superficie scolpita di acciaio temprato con utensile diamantato monocristallino,sono necessari componenti speciali, cioè un sistema di vibrazione in grado di generare una vibrazione ellittica ad ultrasuoni arbitraria nello spazio 3D, una macchina utensile di precisione controllata a 4 assi e un sistema CAM speciale. La vibrazione ellitticasistema, che consiste in uno strumento di vibrazione a ultrasuoni da 3 DOF e un controller di vibrazione, è stato sviluppato. Lo strumento di vibrazione può generare la vibrazione ellittica arbitraria a 34,4 kHz combinando due vibrazioni di flessione e una longitudinalevibrazione. Il controller vibrazione è fabbricato per mantenere la vibrazione ellittica in modo da avere un luogo desiderato nello spazio 3D. La macchina utensile a precisione controllata a 4 assi, che consiste in un mandrino, guide lineari di precisione,viti a sfera di precisione e così via, è sviluppato. Viene utilizzato il software CAM commerciale e viene sviluppato uno speciale processore di post-elaborazione per generare percorsi utensile per la lavorazione a controllo a 4 assi di superfici scolpite. L'ultrasuono sviluppatoIl sistema di lavorazione a vibrazione ellittica viene applicato al taglio diamantato di precisione su acciaio temprato, e si conferma che la lavorazione superficiale a specchio con rugosità superficiale inferiore a 0,28 Pm Rz può essere realizzata per superfici sferichelavorazione di acciaio temprato.

1. INTRODUZIONE

  L'acciaio indurito per stampi e stampi viene generalmente lavorato mediante fresatura di sfere, molatura o elettroerosione [1]. La lucidatura viene successivamente applicata poiché in molti casi è necessaria una finitura superficiale a specchio. Tuttavia, la lucidatura èun processo costoso e dispendioso in termini di tempo, diminuisce la precisione della lavorazione e non è adatto per rifinire le micro strutture.

  D'altra parte, gli autori hanno sviluppato un nuovo metodo di taglio denominato taglio a vibrazione ellittica [2-7], che può realizzare la lavorazione di superfici a specchio di materiali difficili da tagliare, compreso l'acciaio temprato, con singolo cristalloutensili diamantati. Uno dei prossimi obiettivi è sviluppare acentro di lavorazione di precisione in grado di ottenere le superfici dello specchio scolpito senza levigare applicando il taglio a vibrazione ellittica.

  Un nuovo metodo è proposto nella presente ricerca, che è vantaggioso per ottenere le superfici scolpite mediante taglio a vibrazione ellittica. Un nuovo strumento di vibrazione ellittica ad ultrasuoni con 3 gradi di libertà (DOF) e una macchina di precisionelo strumento è sviluppato per il metodo di lavorazione proposto e si applica alla lavorazione superficiale a specchio di acciaio temprato.

2. PROPOSTA DI UN NUOVO METODO PER MACCHINA LE SUPERFICI SCULTATE

2.1 Processo di taglio delle vibrazioni ellittiche

  La figura 1 mostra una illustrazione schematica del processo di taglio a vibrazione ellittica. L'utensile viene vibrato ellitticamente e alimentato contemporaneamente nella direzione di taglio nominale rispetto al pezzo, in modo tale che il chip sia formatoa intermittenza e tirato fuori in ogni ciclo di vibrazione. Poiché l'attrito tra il truciolo e la superficie del rastrello dell'utensile viene invertito, l'angolo di taglio aumenta e di conseguenza viene ridotta la forza di taglio e l'energia di taglioin modo significativo.

2.2 Taglio vibrante ellittico di superfici scolpite

  Le superfici scolpite di acciaio temprato sono generalmente lavorate dalla fresa a testa sferica come mostrato nella figura 2 (a), e le superfici ruvide vengono successivamente lucidate quando sono richieste superfici speculari. La vibrazione ellittica ad ultrasuoniil taglio viene applicato nella presente ricerca al fine di eliminare il processo di lucidatura. La Figura 2 (b) mostra il metodo di lavorazione proposto. Lo strumento è vibrato ellitticamente, a differenza delle frese rotanti convenzionali, ed è alimentato lungo ilsuperficie scolpita mentre la posizione rotazionale dell'utensile è controllata in modo preciso in base all'orientamento della superficie scolpita. Pertanto, il metodo proposto richiede una macchina utensile di precisione con almeno 4 assi, cioè X, Y, Z eC, per lavorare le superfici scolpite.

  Entrambi i processi di taglio sono intermittenti, ma la frequenza è molto più alta e il raggio è molto più piccolo nel taglio a vibrazione ellittica, rispetto a quanto mostrato in Fig. 2. Queste differenze consentono la lavorazione della superficie a specchio con utensili diamantaticome riportato nei documenti precedenti [4-6].

  Lo strumento vibrato può anche essere ruotato come le frese. Tuttavia, tale vibrazione è considerata ridondante, poiché il taglio delle vibrazioni è un processo intermittente di per sé. Il presente metodo è più vantaggioso perrugosità superficiale, durata e efficienza dell'utensile, poiché il percorso trocoidale nel processo di fresatura aumenta la ruvidità della superficie e il taglio non necessario dell'aria.

  Generano i convenzionali vibratori ellittici ad ultrasuonila vibrazione ellittica in piani fissi, che sono approssimativamente perpendicolari agli assi del vibratore [3-7]. Pertanto, un nuovo strumento di vibrazione ellittica a 3 DOF, che può generare una vibrazione ellittica ad ultrasuoni arbitraria nello spazio 3D, èdesiderato in modo che possa lavorare una vasta gamma di superfici scolpite. Inoltre, per realizzare la lavorazione proposta sono necessari una macchina utensile di precisione e uno speciale post-processor per CAM.

3. SVILUPPO DI 3 SISTEMI DI VIBRAZIONE ULTRASUONI A DOF

  Lo strumento di vibrazione ellittica convenzionale [3-5] è stato sviluppato combinando due vibrazioni di flessione. La vibrazione longitudinale è ulteriormente combinata qui per generare una vibrazione ellittica arbitraria nello spazio 3D, vedi Fig. 3. Il designlo strumento utilizza la quarta modalità risonante di vibrazione di flessione nelle direzioni U e V e la seconda modalità di risonanza della vibrazione longitudinale nella direzione Z.

  Le frequenze e le posizioni nodali di questi due modi di risonanza sono generalmente differenti, e quindi la forma del vibratore dovrebbe essere progettata in modo che le loro frequenze e posizioni nodali siano vicine l'una all'altra allo stesso tempo. Primo, il 2 °la modalità risonante della vibrazione longitudinale è stata selezionata in modo tale che il vibratore abbia due nodi e possa essere supportato rigidamente nelle due posizioni nodali. Successivamente, è stata scelta la quarta modalità risonante di vibrazione di flessione, in quanto due dei nodile posizioni sono relativamente vicine a quelle longitudinali. Le frequenze di risonanza e le posizioni nodali sono state regolate facendo le parti a gradini e rastremate, vedere la Fig. 3 e modificandone le dimensioni. Questo progetto è stato assistito dasimulazioni al computer. Sono stati approssimativamente regolati dall'analisi del raggio di Eulero-Bernoulli, e quindi la forma finale è stata determinata utilizzando l'analisi FEM come mostrato in Fig.4.

  Le vibrazioni di flessione sono eccitate dalle piastre piezoelettriche (PZT) mostrate in Fig. 3. I PZT sinistro e destro sono espansi e contratti con uno sfasamento di 180 gradi per piegare il vibratore nella direzione V. La parte anteriore equelli posteriori sono usati nello stesso modo per piegarlo nella direzione U. La vibrazione longitudinale è eccitata usando gli altri quattro PZT con la stessa fase. Queste tre vibrazioni direzionali sono rilevate dai piccoli sensori PZT etali segnali sono utilizzati per la rimozione di diaframmi, controllo di retroazione delle ampiezze di vibrazione e differenze di fase e inseguimento di risonanza [5]. I dettagli del sistema di controllo sviluppato per lo strumento di vibrazione 3 DOF sono omessi nelcarta presente.

  È consigliato nel taglio a vibrazione ellittica ad ultrasuoni per applicare la vibrazione ellittica nel piano, compresa la direzione di taglio e all'incirca la direzione del flusso del truciolo [2,3,7]. Quindi, la vibrazione viene applicata qui nel pianocompresa la direzione di taglio, cioè la direzione U, e la direzione inclinata dall'asse del vibratore come mostrato dalla freccia rossa in Fig. 3, che è approssimativamente la direzione media del flusso del truciolo nella regione dell'angolo lavorato.

  La Figura 5 mostra lo strumento di vibrazione a ultrasuoni sviluppato da 3 DOF con una punta di utensile con un singolo cristallo di diamante. Le frequenze di risonanza sono regolate a 34,4 kHz e il sistema sviluppato può generare un luogo arbitrario di vibrazione ellittica inun piano arbitrario nello spazio 3D. Il massimole ampiezze sono 30 Pmp-p nelle direzioni U e V e 24 Pmp-p nella direzione Z, che corrispondono rispettivamente a 195 e 156 m / min.

4. SVILUPPO DEL SISTEMA DI TAGLIO A VIBRAZIONE ELLITTICO

  Una macchina utensile di precisione, vedere la Fig. 6, è stata sviluppata per il metodo di lavorazione proposto basato su un centro di lavoro commerciale. Lo strumento di vibrazione 3 DOF sviluppato è montato nel mandrino dell'asse C ed è collegato al controller egli amplificatori di potenza. Poiché sono collegati da fili elettrici, l'asse C non può essere ruotato all'infinito. Lo strumento viene alimentato lungo la superficie scolpita ad ogni livello Z e ruotato in base all'orientamento della superficie di taglio nelmetodo proposto, come mostrato in Fig.2 (b). Pertanto, l'asse C è controrotato per riavvolgere i fili dopo ogni rotazione nella fase attuale della ricerca. I fili saranno sostituiti da anelli di scorrimento o trasformatori nella fase successiva.

  La massima rugosità superficiale inferiore a circa 100 nm è generalmente richiesta per la finitura della superficie dello specchio. Pertanto, gli errori di movimento della macchina utensile dovrebbero essere inferiori a circa 100 nm, compresa la vibrazione indesiderata tra lo strumento e ilpezzo in lavorazione a causa di pompe olio / aria, ventilatori e così via. Impiegando un mandrino per l'asse C, l'errore di movimento rotatorio viene trattenuto a circa 20 nm nella direzione X e a circa 80 nm nella direzione Y nell'allontanamento non ripetibile(NRRO), come mostrato in figura 7. Questi sono stati valutati fissando una sfera master al mandrino dell'utensile e misurando i suoi spostamenti radiali con sensori capacitivi fissati sulla tavola del pezzo. Viti a ricircolo di sfere di precisione con piccola ondulazione di coppia eguide a rulli lineari di precisione vengono impiegate per gli assi X, Y e Z. La Figura 8 mostra gli errori di movimento lineare della tabella di alimentazione dell'asse X, ad esempio. Sono stati misurati fissando un bordo dritto sul tavolo di alimentazione e misurandole sue dislocazioni con i sensori capacitivi fissati al mandrino. Come mostrato nella figura, la fluttuazione del movimento è relativamente grande con un passo ampio di 10 mm, che corrisponde quasi al passo della vite a sfere e anche unorotazione dei rulli utilizzati nelle guide lineari. Tuttavia, le componenti più piccole degli errori di movimento, che influiscono sulla qualità della superficie dello specchio, sono molto inferiori a 100 nm. Questi movimenti di errore del mandrino e le tabelle di alimentazione includonola vibrazione indesiderata tra il mandrino dell'utensile e la tavola del pezzo in lavorazione, poiché entrambi sono stati misurati relativamente tra il mandrino e il tavolo.

  Viene utilizzato il software CAM commerciale, che emette dati CL e vettori normali sulla superficie di taglio dai dati CAD. Qui viene sviluppato un post processore speciale per trasformare i vettori normali negli angoli di rotazione dell'asse C, cosìl'angolo di spoglia dello strumento è mantenuto costante in ogni taglio a livello Z mentre la direzione di taglio cambia lungo il percorso curvo.

5. ESPERIMENTI DI LAVORAZIONE

  Sono stati effettuati esperimenti di lavorazione per esaminare le prestazioni di base del sistema sviluppato. L'esperimento di planing è stato condotto prima, poiché le prestazioni di base del sistema di lavorazione appaiono chiaramente su una superficie piana. Quindi, un sfericola forma è stata lavorata dal metodo di lavorazione proposto utilizzando il controllo a 4 assi. L'acciaio temprato con durezza HRC54 o 40 viene utilizzato come materiale da lavorare e viene tagliato con utensili diamantati monocristallini. Erano entrambi gli esperimenticondotto solo dal taglio a vibrazione ellittica, poiché è noto che l'acciaio non può essere lavorato con il normale taglio del diamante. Le condizioni di lavorazione sono riassunte nella Tabella 1.

  Il risultato dell'esperimento di planata è mostrato in Figg. 9-13. In questa lavorazione la superficie di taglio è stata inclinata di 38,7 gradi attorno all'asse X, pertanto tutti gli assi X, Y e Z sono coinvolti nell'operazione. Come mostrato in Fig. 9, uno specchiola superficie è ottenuta con successo con il metodo presente. La figura 10 mostra una fotografia della superficie di taglio presa con un microscopio a interferenza differenziale. I segni di alimentazione sono appena osservati, il cui passo corrisponde alvelocità di avanzamento di 15 Pm. Gli altri segni nella direzione di taglio appaiono chiaramente con un passo di circa 2,5 Pm. Il processo di taglio a vibrazione ellittica causa una piccola ondulazione geometricanella direzione di taglio come mostrato in Fig. 2 (b), ma la sua altezza e altezza dovrebbero essere teoricamente rispettivamente di 0,48 Pm e 5,3 nm nelle condizioni attuali. Si ritiene che questi segni siano stati causati dalla prima modalità di risonanza divibrazione di flessione del vibratore, la cui frequenza, 6,5 kHz, coincide con quella dei segni. La Figura 11 mostra i profilidella superficie di taglio misurata nelle direzioni di taglio e di alimentazione. Mostrano che la rugosità dovuta ai segni di alimentazione e agli altri marchi è di circa 50 nm e che la rugosità massima di circa 150 nm Rz si ottiene senza lucidatura.

  La figura 12 mostra lo specchio sferico in acciaio finito con il metodo proposto. Il risultato indica che le superfici curve speculari di acciaio temprato possono essere ottenute con il taglio a vibrazione ellittica proposto con il controllo a 4 assi.

  La figura 13 mostra i profili di superficie misurati nella posizione in cui il vettore normale fa 30 gradi con quello nella parte superiore della sfera. La rugosità massima di circa 280 nm Rz si ottiene per la superficie sferica, come mostrato nellafigura.

6. CONCLUSIONE

  Il nuovo metodo è stato proposto per lavorare superfici a specchio scolpite di acciaio temprato utilizzando la tecnologia di taglio a vibrazione ellittica. Il sistema di vibrazione ultrasonica a 3 DOF, che è un componente chiave per realizzare ilSono state sviluppate la lavorazione proposta, la macchina utensile di precisione e il post-processore per la CAM, e gli specchi in acciaio piatto e sferico sono stati ottenuti con successo dal sistema sviluppato. I risultati verificano la validità del propostometodo e il sistema sviluppato. Si prevede che la lavorazione della superficie a specchio scolpita di acciaio temprato sarà presto realizzata con il metodo proposto.

7.ACKNOWLEDGMENTS

  Gli autori esprimono sincero ringraziamento a A.L.M.T.Diamond Corp., Honda Electronics Co., Ltd., Sansyu Finetool Co., Ltd. ed Echo Electronics Co., Ltd. per i loro supporti e consigli, e anche per uno studente laureato Mr. A. Nakamura per il suoassistenza. La ricerca è stata sostenuta finanziariamente da Chubu Bureau del Ministero dell'Economia, del Commercio e dell'Industria giapponese come Regional R & D Consortium Project.