Une nouvelle méthode pour usiner des surfaces sculptées en appliquant une coupe par vibration elliptique ultrasonique

Abstrait:

  Une nouvelle méthode d'usinage est proposée pour obtenir des surfaces de miroir sculptées en appliquant un découpage par vibration elliptique. Contrairement aux fraises rotatives conventionnelles, l’outil vibre de manière elliptique, et avance le long de la surface sculptée tout enla position de rotation de l'outil est contrôlée en fonction de l'orientation de la surface sculptée dans le procédé proposé. Pour réaliser l’usinage de surfaces sculptées en acier trempé avec un outil diamanté monocristallin,des composants spéciaux sont requis, c’est-à-dire un système de vibration pouvant générer une vibration elliptique ultrasonore arbitraire dans l’espace 3D, une machine-outil de précision à commande contrôlée à 4 axes et un système de FAO spécial. La vibration elliptiquesystème, qui consiste en un outil de vibration ultrasonique de 3 DOF et un contrôleur de vibration, est développé. L’outil de vibration peut générer la vibration elliptique arbitraire à 34,4 kHz en combinant deux vibrations de flexion et une vibration longitudinale.vibration. Le contrôleur de vibrations est fabriqué pour que la vibration elliptique ait le lieu souhaité dans l’espace 3D. La machine-outil de précision contrôlée à 4 axes, qui consiste en une broche à air, des guides linéaires de précision,vis à billes de précision et ainsi de suite, est développé. Le logiciel de FAO commercial est utilisé et un post-processeur spécial est développé pour générer des chemins d'outils pour l'usinage de contrôle sur 4 axes de surfaces sculptées. L'ultrason développéLe système d’usinage par vibration elliptique s’applique à la coupe au diamant de précision d’acier trempé, et il est confirmé que l’usinage de la surface des miroirs avec une rugosité de surface inférieure à 0,28 mm Rz peut être réalisé pour une surface sphériqueusinage de filière en acier trempé.

1. INTRODUCTION

  L'acier trempé pour matrices et moules est généralement usiné par fraisage à l'extrémité sphérique, par meulage ou par usinage par décharge électrique [1]. Le polissage est ensuite appliqué car un fini de surface miroir est requis dans de nombreux cas. Cependant, le polissage estProcessus coûteux et fastidieux, il diminue la précision d'usinage et ne convient pas à la finition de micro-structures.

  Par ailleurs, les auteurs ont mis au point une nouvelle méthode de découpe appelée découpe par vibration elliptique [2-7], qui permet de réaliser un usinage de surface miroir de matériaux difficiles à découper, y compris l’acier trempé, avec un monocristal.outils diamantés. L’un des prochains objectifs est de développer uncentre d’usinage de précision capable d’obtenir les surfaces de miroirs sculptées sans polissage en appliquant le découpage vibratoire elliptique.

  Une nouvelle méthode est proposée dans la présente recherche, qui est avantageuse pour obtenir les surfaces sculptées par découpe par vibration elliptique. Un nouvel outil de vibration elliptique à ultrasons à 3 degrés de liberté (DOF) et une machine de précisionLes outils sont développés pour la méthode d’usinage proposée et sont appliqués à l’usinage de surfaces en miroir d’aciers trempés.

2.PROPOSE D'UNE NOUVELLE MÉTHODE DE MACHINE DE SURFACES À SCULPTURE

2.1Processus de découpe de vibrations elliptiques

  La figure 1 montre une illustration schématique du processus de coupe par vibration elliptique. L'outil vibre de manière elliptique et est entraîné simultanément dans la direction de coupe nominale par rapport à la pièce à usiner, de sorte que la puce soit forméepar intermittence et retiré à chaque cycle de vibration. Le frottement entre la puce et la face de coupe de l'outil étant inversé, l'angle de cisaillement est augmenté et par conséquent la force de coupe et l'énergie de coupe sont réduites.significativement.

2.2 Coupe par vibration elliptique de surfaces sculptées

  Les surfaces sculptées en acier de matrice durci sont généralement usinées par fraisage à bout sphérique, comme indiqué sur la figure 2 (a), et les surfaces rugueuses sont ensuite polies lorsque des surfaces de miroir sont nécessaires. La vibration elliptique par ultrasonsla coupe est appliquée dans la présente recherche afin d'éliminer le processus de polissage. La figure 2 (b) montre le procédé d’usinage proposé. Contrairement aux fraises rotatives conventionnelles, l’outil vibre de façon elliptique, et est entraîné le long dusurface sculptée tandis que la position de rotation de l'outil est contrôlée avec précision conformément à l'orientation de la surface sculptée. Ainsi, le procédé proposé nécessite une machine-outil de précision à au moins 4 axes, à savoir X, Y, Z etC, pour usiner les surfaces sculptées.

  Les deux processus de coupe sont intermittents, mais la fréquence est beaucoup plus élevée et le rayon est beaucoup plus petit dans la coupe par vibration elliptique, par rapport à la Fig. 2. Ces différences permettent l'usinage de la surface du miroir avec des outils diamantéscomme rapporté dans les articles précédents [4-6].

  L'outil vibré peut également être tourné comme les fraises. Cependant, un tel broyage par vibration est considéré comme redondant, car le découpage par vibration est un processus intermittent en soi. La méthode actuelle est plus avantageuse pourrugosité de surface, durée de vie et efficacité de l'outil, car le trajet trochoïdal dans le processus de fraisage augmente la rugosité de surface et la coupe d'air inutile.

  Les vibrateurs elliptiques ultrasoniques conventionnels génèrentla vibration elliptique dans des plans fixes, qui sont à peu près perpendiculaires aux axes du vibrateur [3-7]. Ainsi, un nouvel outil de vibration elliptique à 3 DOF, capable de générer une vibration elliptique ultrasonore arbitraire dans l’espace 3D,souhaité pour pouvoir usiner une large gamme de surfaces sculptées. De plus, une machine-outil de précision et un post-processeur spécial pour la FAO sont nécessaires pour réaliser l'usinage proposé.

3.DÉVELOPPEMENT DU SYSTÈME DE VIBRATION À ULTRASONS À 3 DOF

  L'outil de vibration elliptique conventionnel [3-5] a été développé en combinant deux vibrations de flexion. La vibration longitudinale est en outre combinée ici pour générer une vibration elliptique arbitraire dans l’espace 3D, voir Fig. 3.Cet outil utilise le 4ème mode de résonance des vibrations de flexion dans les directions U et V et le 2e mode de résonance des vibrations longitudinales dans la direction Z.

  Les fréquences et les positions nodales de ces deux modes de résonance sont généralement différentes et la forme du vibrateur doit donc être conçue de manière à ce que leurs fréquences et leurs positions nodales soient proches les unes des autres. Le deuxièmeLe mode résonant de vibration longitudinale a été sélectionné de manière à ce que le vibrateur comporte deux nœuds et puisse être soutenu de manière rigide aux deux positions nodales. Ensuite, le 4ème mode résonant de vibration en flexion a été choisi, car deux des nodauxles positions sont relativement proches des longitudinales. Les fréquences de résonance et les positions nodales ont été ajustées en réalisant les portions étagées et effilées (voir Fig. 3) et en modifiant leurs dimensions. Cette conception a été assistée parsimulations informatiques. Ils ont été ajustés grossièrement par l’analyse de faisceau d’Euler-Bernoulli, puis la forme finale a été déterminée à l’aide de l’analyse FEM comme indiqué à la Fig.4

  Les vibrations de flexion sont excitées par les quatre plaques piézoélectriques (PZT) illustrées à la Fig. 3. Les PZT gauche et droit s’étendent et se contractent avec un décalage de phase de 180 degrés afin de courber le vibrateur dans le sens V. Le devant etles dos sont utilisés de la même manière pour le plier dans le sens U. La vibration longitudinale est excitée en utilisant les quatre autres PZT avec la même phase. Ces trois vibrations directionnelles sont détectées par les petits capteurs PZT, etces signaux sont utilisés pour la suppression de la diaphonie, le contrôle en retour des amplitudes de vibration et des différences de phase et la poursuite par résonance [5]. Les détails du système de contrôle développé pour l’outil de vibration 3 DOF sont omis dans lapapier présent.

  Il est recommandé dans la coupe par vibration elliptique par ultrasons d'appliquer la vibration elliptique dans le plan, y compris la direction de coupe et approximativement la direction d'écoulement de la puce [2,3,7]. Ainsi, la vibration est appliquée ici dans le plany compris la direction de coupe, c'est-à-dire la direction U, et la direction inclinée par rapport à l'axe du vibrateur, comme indiqué par la flèche rouge sur la figure 3, qui correspond à peu près à la direction moyenne d'écoulement de copeaux dans la région angulaire usinée.

  La figure 5 montre l’outil de vibration ultrasonore à 3 degrés de liberté développé avec une pointe d’outil en diamant monocristallin. Les fréquences de résonance sont ajustées à 34,4 kHz et le système développé peut générer un locus arbitraire de vibrations elliptiques dansun plan arbitraire dans l'espace 3D. Le maximumles amplitudes sont 30 Pmp-p dans les directions U et V et 24 Pmp-p dans la direction Z, ce qui correspond respectivement à 195 et 156 m / min.

4. DÉVELOPPEMENT DU SYSTÈME DE COUPE DE VIBRATION ELLIPTIQUE

  Une machine-outil de précision, voir Fig. 6, a été développée pour le procédé d’usinage proposé basé sur un centre d’usinage commercial. L’outil de vibration 3 DOF développé est monté dans la broche de l’axe C, et il est connecté au contrôleur etles amplificateurs de puissance. Comme ils sont connectés par des fils électriques, l'axe C ne peut pas être tourné à l'infini. L’outil est introduit le long de la surface sculptée à chaque niveau Z et pivoté conformément à l’orientation de la surface coupée dansméthode proposée, comme illustré à la Fig.2 (b). Par conséquent, l'axe C subit une rotation inverse pour rembobiner les fils après chaque rotation au stade actuel de la recherche. Les fils seront remplacés par des bagues collectrices ou des transformateurs à la prochaine étape.

  Une rugosité de surface maximale inférieure à environ 100 nm est généralement requise pour l’état de surface des miroirs. Ainsi, les erreurs de mouvement de la machine-outil doivent être inférieures à environ 100 nm, y compris les vibrations indésirables entre l'outil et lepièce en raison de pompes à air / huile, de ventilateurs, etc. En utilisant une broche à air pour l'axe C, l'erreur de mouvement de rotation est limitée à environ 20 nm dans la direction X et à environ 80 nm dans la direction Y dans la zone non répétable(NRRO), comme indiqué à la Fig. 7. Celles-ci ont été évaluées en fixant une boule maîtresse à la broche de l'outil et en mesurant ses déplacements radiaux à l'aide de capteurs capacitifs fixés sur la table à pièces. Vis à billes de précision à faible ondulation de couple etdes guides à rouleaux linéaires de précision sont utilisés pour les axes X, Y et Z. La figure 8 montre les erreurs de mouvement linéaire de la table d'alimentation de l'axe X, par exemple. Ils ont été mesurés en fixant un bord droit sur la table d’alimentation et en mesurantses déplacements avec les capteurs capacitifs fixés à la broche. Comme le montre la figure, la fluctuation du mouvement est relativement importante avec un grand pas de 10 mm, ce qui correspond presque au pas de la vis à billes et à un autre.rotation des rouleaux utilisés dans les guides linéaires. Cependant, les composantes de hauteur les plus petites des erreurs de mouvement, qui affectent la qualité de la surface du miroir, sont nettement inférieures à 100 nm. Ces mouvements d'erreur de la broche et des tables d'alimentation incluentles vibrations indésirables entre la broche de l'outil et la table à pièces, car les deux ont été mesurés de manière relative entre la broche et la table.

  Un logiciel de FAO commercial est utilisé pour générer des données de CAO sur la surface de coupe des données CL et des vecteurs normaux. Un post-processeur spécial est développé ici pour transformer les vecteurs normaux en angles de rotation de l'axe C, de sorte quel'angle de coupe de l'outil est maintenu constant dans chaque coupe au niveau Z, tandis que la direction de la coupe change le long de la trajectoire courbe.

5. EXPÉRIENCES D'USINAGE

  Des expériences d’usinage ont été menées pour examiner les performances de base du système développé. L’expérience de rabotage a été réalisée en premier lieu, car la performance de base du système d’usinage apparaît clairement sur une surface plane. Ensuite, une sphériquela forme a été usinée selon la méthode d’usinage proposée à l’aide de la commande à 4 axes. L'acier trempé avec une dureté HRC54 ou 40 est utilisé comme matériau de pièce à usiner et il est coupé avec des outils diamantés monocristallins. Les deux expériences ont étéconduit uniquement par le découpage elliptique par vibration, car il est bien connu que l’acier ne peut pas être usiné par le découpage au diamant ordinaire. Les conditions d’usinage sont résumées dans le tableau 1.

  Le résultat de l'expérience de planage est présenté aux Figs. 9-13. La surface de coupe a été inclinée ici de 38,7 degrés autour de l'axe X lors de cet usinage, de sorte que tous les axes X, Y et Z sont impliqués dans l'opération. Comme le montre la figure 9, un miroirla surface est obtenue avec succès par le présent procédé. La figure 10 montre une photographie de la surface coupée prise avec un microscope à interférence différentielle. On observe à peine les marques d’alimentation dont la hauteur correspond à lataux d'alimentation de 15 um. Les autres marques dans le sens de la coupe apparaissent clairement avec un pas d'environ 2,5 um. Le processus de coupe par vibration elliptique provoque de petites ondulations géométriquesdans le sens de la coupe, comme indiqué sur la figure 2 (b), mais son inclinaison et sa hauteur doivent être théoriquement de 0,48 pm et de 5,3 nm respectivement dans les conditions actuelles. On considère que ces marques ont été causées par le 1er mode de résonance devibration de flexion du vibrateur, dont la fréquence, 6,5 kHz, coïncide avec celle des marques. La figure 11 montre les profilsde la surface de coupe mesurée dans les directions de coupe et d’alimentation. Ils montrent que la rugosité due aux marques d'alimentation et aux autres marques est d'environ 50 nm et que la rugosité maximale d'environ 150 nm Rz est obtenue sans polissage.

  La figure 12 montre le miroir en acier sphérique terminé par le procédé proposé. Le résultat indique que les surfaces de miroir incurvées en acier trempé peuvent être obtenues par le découpage par vibration elliptique proposé avec la commande à 4 axes.

  La figure 13 montre les profils de surface mesurés à la position où le vecteur normal fait 30 degrés avec celui situé au sommet de la sphère. La rugosité maximale d’environ 280 nm Rz est obtenue pour la surface sphérique, comme indiqué dans lefigure.

6. CONCLUSION

  La nouvelle méthode a été proposée pour usiner des surfaces de miroir sculptées en acier trempé à matrice en utilisant la technologie de coupe par vibration elliptique. Le système de vibration par ultrasons à 3 degrés de liberté, élément clé pour la réalisation del’usinage proposé, la machine-outil de précision et le post-processeur pour la FAO ont été développés, et les miroirs en acier plats et sphériques ont été obtenus avec succès par le système développé. Les résultats vérifient la validité de la propositionméthode et le système développé. On s'attend à ce que la méthode proposée réalise bientôt l'usinage de la surface des miroirs sculptés en acier trempé.

7.COMPENSES

  Les auteurs remercient sincèrement A.L.M.T.Diamond Corp., Honda Electronics Co., Ltd., Sansyu Finetool Co., Ltd. et Echo Electronics Co., Ltd. pour leur soutien et leurs conseils, ainsi qu’à A. Nakamura, étudiant diplômé, pour sonassistance. La recherche a été financée par le Bureau Chubu du Ministère japonais de l’économie, du commerce et de l’industrie en tant que projet de consortium régional de R & D.