ES2303602T3 - Sistema de estampacion para fabricar piezas de gran tolerancia. - Google Patents

Sistema de estampacion para fabricar piezas de gran tolerancia. Download PDF

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ES2303602T3
ES2303602T3 ES03770241T ES03770241T ES2303602T3 ES 2303602 T3 ES2303602 T3 ES 2303602T3 ES 03770241 T ES03770241 T ES 03770241T ES 03770241 T ES03770241 T ES 03770241T ES 2303602 T3 ES2303602 T3 ES 2303602T3
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ES03770241T
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Michael K. Barnoski
David Cohen
Dan Harris
Sangkyun Kang
Anthony Levi
Miguel Pinilla
Fritz Prinz
Alex Tarasyuk
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Nanoprecision Products Inc
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Abstract

Un aparato para producir piezas, que comprende: una herramienta que comprende un punzón (420, 530) y una matriz (450, 560) complementarios; un portamatriz (440, 550) para soportar la matriz (450, 560); una guía de punzón (410, 510) fija con respecto al portamatriz (440, 550), teniendo la guía de punzón un árbol (430, 540) para guiar el punzón (420, 530) en relación con la matriz (450, 560) y una interfaz (700) capaz de conectar mecánicamente la fuerza de un pistón de la prensa (210) con el punzón (420, 530) de una manera por la cual el punzón (420, 530) es desacoplado estructuralmente del pistón de la prensa (210) caracterizado porque el árbol (430, 540) está dimensionado y conformado para recibir el punzón (420) en contacto deslizante entre la superficie del punzón (420, 530) y la superficie del árbol (430, 540) en ausencia de cualquier pieza móvil intermedia.

Description

Sistema de estampación para fabricar piezas de gran tolerancia.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a sistema y procedimientos de estampación, y más particularmente procedimientos de estampación para fabricar piezas con grandes tolerancias para diversas aplicaciones, como conexión de fibra óptica.
Descripción de la técnica relacionada
Se requieren piezas de precisión en muchas aplicaciones, como comunicación basada en fibra óptica. Los canales de comunicación basados en fibra óptica son el sistema elegido en muchas aplicaciones de defensa y comerciales debido a su alto rendimiento y pequeño tamaño. Particularmente, la óptica de fibra se ha constatado en aplicaciones de larga distancia, como tramos de comunicación de ciudad a ciudad y continente a continente, debido al menor coste de los componentes de conversión eléctrica-óptica-eléctrica (E-O-E), amplificadores de fibra y cables de fibra en relación con los sistemas eléctricos puros que usan cable de cobre coaxial que no requieren E-O-E. Estos sistemas de fibra de largo recorrido pueden tener cientos de kilómetros de fibra entre terminales.
Los sistemas de distancias más cortas sólo tienen típicamente unas pocas decenas de kilómetros de fibra entre terminales, y los sistemas de muy corto alcance (VSR) sólo tienen unas pocas decenas de metros de fibra entre terminales. Aunque los enlaces de fibra para telecomunicaciones y comunicación de datos en el metro, áreas de acceso y de locales son cortos comparados con los enlaces de largo recorrido, existen muchísimos de ellos. El número de componentes requeridos en el despliegue de fibra para estos tipos de aplicaciones es grande. En estos sistemas cortos, la constatación de la óptica de fibra es muy sensible al coste de los dispositivos de conversión de terminales E-O-E y el conjunto de circuitos de soporte, así como cualquier dispositivo y equipo optoelectrónico pasivo y activo enlazado entre extremos terminales. Por consiguiente, para constatar componentes, montajes y subconjuntos optoelectrónicos activos y pasivos en sistemas de corta distancia y VSR, deben rebajarse sus precios medios de venta. La rebaja de los precios medios de venta ayudará a estimular el volumen unitario necesario para justificar la inversión en tecnologías de fabricación de alta velocidad.
Un elemento significativo del coste de los componentes de fibra tanto activos como pasivos y el cable con conectores es el propio conector de fibra. Los casquillos de precisión y medios asociados para alinearlos (por ejemplo, manguitos divididos de precisión para conexión de fibra única, terminales de tierra de precisión para conexiones de fibras múltiples) predominan en el coste de los conectores de fibra actuales. Los componentes de alineación se requieren normalmente para alinear fibras a dispositivos activos y pasivos, así como para alinear dos fibras para conexión desmontable. Se necesita alineación de precisión de dos extremos de fibras pulidas para asegurar que la pérdida óptica total en un enlace de fibra sea igual o menor que el presupuesto especificado de pérdidas de conectores ópticos para un sistema. Para fibra de calidad de telecomunicación de modo único, esto corresponde típicamente a tolerancias de alineación de fibra del conector que son inferiores a 1000 nm. El diseño básico de los conectores actuales no ha cambiado durante más de 20 años, y generalmente se acepta que cuestan demasiado y son difíciles de ensamblar. El coste de fabricación de conectores de fibra de precisión debe disminuir si la fibra óptica ha de ser el medio de comunicación elegido para aplicaciones de corto recorrido y VSR.
Los conectores, tanto en enlaces de fibras paralelas como de fibra única, que operan a tasas de múltiples gigabits deben ensamblarse con subcomponentes fabricados con precisión inferior al micrómetro. Como si producir piezas con tales niveles de precisión no supusiera un reto suficiente, para que el producto final resultante sea económico debe hacerse en un procedimiento totalmente automatizado de muy alta velocidad.
Se han utilizado procedimientos de estampación en procedimientos de fabricación para piezas de producción en masa a bajo coste. Sin embargo, hasta este momento, los procedimientos de estampación no han sido efectivos a la hora de producir piezas con tolerancias aceptables para componentes optoelectrónicos. De hecho, no existe procedimiento aceptable de producción comercial a alta velocidad que produzca componentes optoelectrónicos. De hecho, no existe procedimiento aceptable de producción comercial a alta velocidad que produzca componentes optoelectrónicos con tolerancias aceptables para componentes optoelectrónicos. De hecho, no existe procedimiento aceptable de producción comercial a alta velocidad que produzca componentes optoelectrónicos con tolerancias aceptables. La patente de EE.UU. número 4.458.985 de Balliet y col. está dirigida a un conector de fibra óptica. Balliet describe someramente que algunos de los componentes del conector pueden producirse mediante un procedimiento de acuñación o estampación (por ejemplo, col. 3, líneas 20-21, 55-57). Sin embargo, Balliet no proporciona una exposición habilitante de tal procedimiento de estampación, y mucho menos una exposición habilitante de un procedimiento de estampación para producir piezas dentro de 1000 nm. El documento US6122952 desvela una prensa de conformación capaz de realizar múltiples operaciones en un solo procedimiento de conformación. En este caso, el árbol y el punzón están en contacto, con piezas móviles intermedias.
Por lo tanto, es deseable tener una tecnología de fabricación capaz de producir piezas para aplicaciones optoelectrónicas y otras aplicaciones con tolerancias dentro de 1000 nanómetros y capaz de funcionar a velocidades muy altas.
Resumen de la invención
De acuerdo con la invención se provee un aparato y procedimiento según se definen en las reivindicaciones adjuntas.
La presente invención está dirigida a un sistema y procedimiento de estampación para producir piezas que tienen tolerancias inferiores a 1000 nm. La invención es particularmente adecuada para producir piezas optoelectrónicas, incluyendo, pero no limitados a componentes, montajes y subconjuntos, y componentes pasivos y activos. El sistema incluye una o una progresión de estaciones de estampación para soportar un punzón o matriz. Las estaciones de estampación incluyen una estructura novedosa para guiar el punzón alineado sustancialmente con la matriz con tolerancias ajustadas. El sistema incluye una prensa para proveer a las estaciones de estampación de la fuerza necesaria para realizar la operación de estampación particular.
En un aspecto de la presente invención, el sistema está diseñado para minimizar el número de componentes móviles implicados en la estructura de soporte en el guiado del punzón hacia la matriz. En una realización, la estación de estampación no incluye ningún componente móvil en la estructura de soporte en el guiado del punzón hacia la matriz. La estación de estampación incluye una estructura portapunzón fija que tiene un árbol dimensionado y conformado para recibir el punzón con tolerancias ajustadas. El punzón es guiado hacia la matriz deslizando por el eje.
En otro aspecto de la presente invención, el sistema incluye una subplaca de ubicación que tiene figuras de posicionamiento para alinear con precisión la progresión de las estaciones de estampación unas respecto a otras. La subplaca de ubicación y sus figuras de posicionamiento tienen tolerancias exigentes y acabados superficiales inferiores al micrómetro.
En un aspecto adicional de la presente invención, el sistema incluye un sistema de interfaz para acoplar la fuerza de la prensa con el punzón pero desacoplar estructuralmente la prensa del punzón. El sistema de interfaz también permite el aislamiento de cada estación de estampación de manera que la operación en una estación no afecta a la operación en otra estación. En una realización, el sistema incluye una instalación de rótula esférica, que permite a la prensa acoplar mecánicamente la fuerza al punzón, pero desacoplar estructuralmente del punzón. En otra realización, el sistema incluye un sistema de interfaz hidráulica. El fluido hidráulico acopla mecánicamente la prensa al punzón y suministra una fuerza uniforme al punzón pero desacopla estructuralmente la prensa del punzón. En otra realización más, el sistema incluye una combinación de la instalación de rótula esférica con accionamiento hidráulico del punzón. El accionamiento hidráulico permite el desacoplamiento estructural de la prensa del punzón mientras que la instalación de rótula esférica facilita la reducción de esfuerzo estructural sobre los componentes de la estación de estampación. Desacoplando estructuralmente la prensa del utillaje de ultra precisión en las estaciones y utillaje de estampación, las inexactitudes de la prensa no influyen en la ultra precisión de las estaciones y utillaje de estampación.
Breve descripción de los dibujos
Para una comprensión más completa de la naturaleza y ventajas de la invención, así como el modo de uso preferido, debe hacerse referencia a la siguiente descripción detallada leída conjuntamente con los dibujos acompañantes. En los siguientes dibujos, números de referencia iguales designan piezas iguales o similares a lo largo de todos los dibujos.
La Figura 1 es un dibujo esquemático que ilustra una prensa estampadora convencional.
La Figura 2 es un dibujo esquemático que ilustra un sistema para estampar piezas que tienen tolerancias inferiores a 1000 nm de acuerdo con una realización de la presente invención.
La Figura 3a es una vista en perspectiva de una estación de estampación de acuerdo con una realización de la presente invención.
La Figura 3b es una vista en corte de la estación de estampación tomada a lo largo de la línea 3b-3b de la Figura 3a.
La Figura 4 es una vista en perspectiva de una estación de estampación de acuerdo con otra realización de la presente invención.
La Figura 5 es una vista de montaje de la estación de estampación mostrada en la Figura 4.
La Figura 6a es una vista en corte de la estación de estampación mostrada en la Figura 4, tomada a lo largo de la línea 6a-6a.
La Figura 6b es una vista en corte de la estación de estampación tomada a lo largo de la línea 6b-6b mostrada en la Figura 4.
La Figura 7a es un dibujo simplificado del sistema de interfaz incorporado en el sistema de estampación de la presente invención.
La Figura 7b es una vista en corte que ilustra la rótula esférica del sistema de interfaz encajado.
La Figura 8a es una vista esquemática de una estación de estampación que incorpora un sistema de interfaz hidráulica de acuerdo con otra realización de la presente invención.
La Figura 8b es una vista esquemática de una estación de estampación que incorpora un sistema de interfaz hidráulica que tiene una instalación de rótula esférica de acuerdo con otra realización de la presente invención.
La Figura 9a es una vista en perspectiva del punzón y la matriz mostrados en las Figuras 4 y 5.
La Figura 9b es una vista en despiece ordenado del punzón y la matriz mostrados en la Figura 9a.
La Figura 9c es una vista en corte de la matriz tomada a lo largo de la línea 9c-9c en la Figura 9a.
La Figura 10a es una vista desde un extremo de un montaje optoelectrónico producido por el sistema de estampación de la presente invención.
La Figura 10b es una vista en perspectiva de la mitad de la pieza de casquillo estampada por los insertos de punzón y matriz (mostrados en la Figura 9a).
La Figura 10c es una vista desde un extremo de la mitad de casquillo mostrada en la Figura 10b.
La Figura 11a ilustra un diseño de "disposición en cinta" para producir un casquillo acuñado y soldado en una "configuración duplicada".
La Figura 11b es una vista en perspectiva de la pieza de casquillo final producida a partir del "diseño de disposición en cinta" mostrado en la Figura 11a.
La Figura 12a ilustra un diseño de "disposición en cinta" para producir un casquillo en forma de estrella y soldado por puntos contenido en un manguito dividido estampado.
La Figura 12b es una vista en perspectiva de un montaje que incorpora el casquillo en forma de estrella.
La Figura 12c es una vista en corte del montaje tomada a lo largo de la línea 12c-12c mostrada en la Figura 12b.
La Figura 13 es una vista desde un extremo de la sección transversal de una mitad de casquillo fabricado por un procedimiento de acuñación y conformación.
La Figura 14 es una vista de la sección transversal de un punzón de casquillo de fibras múltiples usado para acuñar una mitad de casquillo de fibras múltiples.
La Figura 15 es una vista en perspectiva de un manguito de fibras múltiples conformado que encierra un casquillo de fibras múltiples.
La Figura 16 es una vista desde arriba de la subplaca de ubicación.
La Figura 17 es un gráfico que muestra unos datos del perfil medido del punzón de 12 fibras superpuestos con datos obtenidos para una pieza acuñada de muestra.
La Figura 18 es un dibujo esquemático que muestra un relleno predicho por análisis de elementos finitos (FEA) de la preforma de acero inoxidable 304 en una configuración de matriz abierta.
La Figura 19 es una fotografía que muestra tres surcos de fibras de una muestra de casquillo acuñado de 12 fibras.
La Figura 20 es un gráfico que ilustra los datos del perfil medido del mismo surco de fibra procedentes de tres muestras de acero inoxidable 304 y los datos del perfil medido de esa figura en el punzón.
La Figura 21 es un gráfico que ilustra la variación máxima de la ubicación de surcos en relación con la ubicación media para tres piezas estampadas de muestra diferentes.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas
Esta invención se describe más adelante en referencia a diversas realizaciones con referencia a las figuras. Aunque esta invención se describe en cuanto al mejor modo para lograr los objetivos de esta invención, los expertos en la materia apreciarán que pueden llevarse a cabo variaciones en vista de estas enseñanzas sin apartarse del espíritu o ámbito de la invención.
\newpage
La presente invención está dirigida a un sistema y procedimiento de estampación para fabricar piezas que tienen tolerancias inferiores a 1000 nanómetros (nm). El sistema y procedimiento inventivos son particularmente apropiados para producir piezas optoelectrónicas, incluyendo, pero no limitados a componentes, montajes y subconjuntos optoelectrónicos, y componentes pasivos y activos. Con el propósito de ilustrar los principios de la presente invención y no por limitación, la presente invención se describe por referencia a realizaciones dirigidas a procedimientos de estampación para fabricar componentes optoelectrónicos, en particular conectores de fibra óptica, como casquillos y manguitos divididos.
Procedimiento de estampación convencional
Para completar la información, es instructivo describir brevemente un procedimiento de estampación convencional. La estampación es un procedimiento de fabricación que presiona una pieza de trabajo, como una cinta metálica, entre un montaje del juego de matriz y punzón en una forma o diseño predeterminado. Las prensas de estampación y las matrices de estampación son herramientas usadas en los procedimientos de estampación. La Figura 1 es un dibujo esquemático que ilustra una prensa estampadora convencional 10. La prensa estampadora 10 incluye un pistón de la prensa 20 y un bancada de la prensa 30. El pistón de la prensa 20 provee la fuerza necesaria para estampar una pieza de trabajo moviendo los componentes del montaje del juego de matriz y punzón unos respecto a otros. La flecha muestra la acción de golpeo del pistón de la prensa 20 subiendo y bajando respecto a la bancada de la prensa 30. Sin embargo, el pistón de la prensa puede tener otras direcciones de la acción de golpeo (no mostradas). Un montaje del juego de matriz y punzón 40, situado entre el pistón de la prensa 20 y la bancada de la prensa 30, es el utillaje usado para producir las piezas estampadas. El montaje del juego de matriz y punzón 40 incluye un punzón 50, acoplado estructuralmente al pistón de la prensa 20, y una matriz complementaria 60, sujeta a la bancada de la prensa 30, o viceversa. La prensa estampadora 10 puede incluir una placa portaestampa 65 sujeta a la parte superior de la bancada de la prensa 30 para sujetar la matriz 60 a la bancada de la prensa 30. El punzón 50 y la matriz 60 están alineados entre si de manera que cuando el pistón de la prensa 20 se mueve hacia la bancada de la prensa 30, el punzón 50 y la matriz 60 trabajan de manera complementaria para ejecutar una operación deseada en la pieza de trabajo.
En una operación de estampación, se coloca una pieza de trabajo 70 entre el punzón 50 y la matriz 60. Cuando se acciona la prensa 10, el pistón de la prensa 20 mueve el punzón 50 hacia la matriz 60. El punzón es guiado hacia la matriz por postes de guía y cojinetes (no mostrados) y el pistón de la prensa 20. A medida que el punzón 50 y la matriz 60 se juntan, la pieza de trabajo 70 situada entre el punzón 50 y la matriz 60 es estampada. El montaje del juego de matriz y punzón puede realizar diversas operaciones sobre la pieza de trabajo, como corte y operaciones de conformación como punzonado, embutición, plegado, rebordeado y dobladillado.
Varias condiciones potenciales podrían afectar a la desalineación del punzón 50 y la matriz 60. La prensa podría desalinearse. Como el punzón 50 está acoplado estructuralmente al pistón 20, la alineación del punzón 50 con la matriz 60 también se ve afectada por la desalineación del pistón 20. Además, los cojinetes podrían desgastarse con el tiempo, y aumentaría el huelgo entre los cojinetes y los postes de guía, ocasionando desalineación del punzón y la matriz.
La patente de EE.UU. Nº 6.311.597B1 desvela un diseño de sistema de estampación complicado que usa un extractor, como un poste de guía, y un encaje de matriz como un cojinete de guía. El cojinete de la matriz guía indirectamente un punzón hacia una matriz guiando directamente un montaje de punzón que soporta el punzón. El montaje de punzón comprende el punzón montado en un portapunzón, y un poste de guía de extractor, que tiene un marco portabolas de cojinete, montado en el portapunzón. El encaje de matriz guía el poste de guía del extractor, y por lo tanto guía indirectamente el punzón.
Este diseño complicado es propenso a desalineación del punzón y la matriz. Para que el punzón esté alineado con la matriz, es crítico que el punzón esté montado alineado con el portapunzón y que el extractor esté montado alineado con el portapunzón. Cualquier desalineación al montar cualquiera de estos componentes ocasionará desalineación del punzón y la matriz. Además, este diseño emplea al menos un componente móvil al guiar el punzón hacia la matriz, lo que puede aumentar la posibilidad de desalineación. El montaje de punzón se mueve dentro del encaje de matriz para guiar el punzón hacia la matriz. Cualquier leve movimiento descentrado del montaje de punzón dentro del encaje de matriz ocasionará desalineación del punzón en relación con la matriz. Usando el marco portabolas de cojinete en el diseño, se acrecienta más la posibilidad de desalineación. Por su misma naturaleza, los cojinetes de bolas permiten el movimiento
descentrado del extractor dentro del encaje de matriz, ocasionando desalineación potencial del punzón y la matriz.
Tolerancia definida
Según se ha expuesto, el sistema y procedimiento de estampación de la presente invención es capaz de producir piezas con una banda de tolerancia geométrica de "Seis Sigma" de 1000 nm. Estadísticamente, esto significa que, como máximo, sólo 3,4 piezas por millón no cumplirán los requisitos dimensionales definidos por la banda de tolerancia de 1000 nm. Para una distribución normal, para lograr un procedimiento de Seis Sigma, la desviación típica del procedimiento completo debe ser inferior o igual a 83 nm [(1000 nm/2)/6=83 nm], siempre que la media del procedimiento permanezca constante. En la práctica, debe hacerse una provisión para tener en cuenta las fluctuaciones en la media del procedimiento. Para el caso en que se tiene en cuenta la fluctuación en la media del procedimiento de \pm1,5*sigma, la desviación típica máxima se reduce a 67 nm [(1000 nm/2)/7,5=67 nm]. De nuevo, suponiendo estadísticas normales, para lograr esto en un procedimiento de fases múltiples con n fases de precisión, cada una de las n fases debe tener sigma/n^{\wedge}0,5. Así que si n=4 en este ejemplo, entonces sigma (por fase) es inferior o igual a 33 nm.
Generalidades del sistema de estampación
La Figura 2 es un dibujo esquemático que ilustra un sistema 100 para estampar componentes optoelectrónicos que tienen tolerancias inferiores a 1000 nm de acuerdo con una realización de la presente invención. El sistema de estampación 100 incluye medios para mecanizar en línea material en bruto 150, una prensa estampadora 200, una o una progresión de estaciones de estampación 250, y una subplaca de ubicación de estación de estampación 300.
Mecanizado de material en bruto en línea
El sistema de estampación 100 puede incluir medios 150 para mecanizado en línea de material en bruto 110 en piezas de trabajo que tienen dimensiones y calidad superficial predeterminadas. Por ejemplo, Moore Nanotechnology Systems ha desarrollado máquinas herramientas que emplean cojinetes hidrostáticos de aceite, refrigerados por líquido, que tienen una resolución de programación de 10 nm, exactitud de movimiento de 50 nm y resolución de realimentación de 8,6 nm. Estas máquinas herramientas pueden adaptarse para mecanizar en línea el material en bruto 110 a medida que se distribuye desde el desenrollador antes de que entre en las estaciones de estampación 250. Esto asegura que cuando el material en bruto o la pieza de trabajo entre en las estaciones de estampación 250 será registrada en cada estación de estampación con la precisión inferior al micrómetro necesaria para producir componentes optoelectrónicos que tienen tolerancias inferiores a 1000 nm.
Prensa estampadora
El sistema de estampación 100 incluye la prensa estampadora o una fuente de energía de alta velocidad a medida 200 para accionar las estaciones de estampación 250. La prensa estampadora 200 puede ser cualquier prensa estampadora convencional perfectamente conocida en la técnica (por ejemplo, hidráulica, electro-mecánica, etc.), que pueda soportar las estaciones de estampación 250 y proveerlas de la fuerza necesaria para realizar la operación de estampación particular. La prensa estampadora 200 incluye un pistón de la prensa 210 y una bancada de la prensa 220. Tal como se analizará con más detalle más adelante, las estaciones de estampación 250 están situadas entre el pistón de la prensa 210 y la bancada de la prensa 220. La bancada de la prensa 220 soporta las estaciones de estampación 250, y el pistón de la prensa 210 suministra la fuerza necesaria a las estaciones de estampación 250 para realizar las operaciones de estampación. Se sabe perfectamente que las prensas estampadoras pueden tener acciones de golpeo a velocidades superiores a 1000 golpes por minuto (SPM). Además, el sistema de estampación puede incluir más de una prensa estampadora para accionar las estaciones de estampación.
Estación de estampación-primera realización
La Figura 3a es una vista en perspectiva de una estación de estampación 400 de acuerdo con una realización de la presente invención. La Figura 3b es una vista en corte de la estación de estampación tomada a lo largo de la línea 3b-3b mostrada en la Figura 3a. La estación de estampación 400 incluye una estructura para soportar el montaje del juego de matriz y punzón y para guiar directamente el punzón hacia la matriz. La estación de estampación 400 incluye una placa portapunzón fija 410, para soportar un punzón 420, y una placa portamatriz 440, para soportar una matriz 450. La placa portapunzón 410 funciona para alinear y guiar directamente el punzón 420 hacia la matriz 450. La placa portapunzón 410 tiene un árbol 430 dimensionado y conformado para recibir de manera deslizante el punzón 420 y para guiar el punzón 420 hacia la matriz 450. El árbol 430 permite que el punzón 420 se desplace y penetre a través de la placa portapunzón 410, en contacto deslizante con el árbol 430. El árbol 430 alinea el punzón 420 con la matriz 450, guiando el punzón 420 hacia una pieza de trabajo 455 y la matriz 450. La placa portamatriz 440 también facilita la alineación de la matriz 450 con el punzón 420. La matriz 450 está alineada fijamente en la placa portamatriz 440 de una manera por la cual a medida que el punzón 420 penetra a través del árbol 430 hacia la placa portamatriz 440 el punzón 420 se aproxima a la matriz 450 de una manera complementaria para actuar sobre la pieza de trabajo 455.
Se define un espacio de trabajo 460 entre las placas portapunzón y portamatriz 410 y 440 proveyendo separadores 470 entre las placas 410 y 440. El espacio de trabajo 460 es un área donde se producen las operaciones de estampación. La pieza de trabajo 455 se inserta dentro del espacio de trabajo 460 donde es estampada para realizar una operación deseada sobre la pieza de trabajo 455; por ejemplo, para formar una forma deseada de una pieza. El espacio de trabajo 460 es de área suficiente para alojar el punzón 420 y la matriz 450, la pieza de trabajo, y la pieza estampada final. Alguien experto en la materia puede reconocer que las dimensiones de los separadores 470 pueden variarse, particularmente el grosor de los separadores 470, de manera que pueden proveerse las dimensiones deseadas del espacio de trabajo 460.
La estación de estampación 400 incluye un bloque de tope 480 para proveer un tope de seguridad para el pistón de la prensa 210 (mostrado en la Figura 2). El bloque de tope 480 está dispuesto entre el pistón de la prensa 210 y la superficie superior de la placa portapunzón 410. A medida que el pistón de la prensa 210 se mueve hacia la estación 400, el bloque de tope 480 contacta con el pistón de la prensa 210 para impedir la penetración adicional del punzón 420 dentro de la estación de estampación 400. El bloque de tope 480 controla la profundidad de penetración del punzón 420 dentro de la estación de estampación 400. La profundidad de penetración puede controlarse variando el grosor del bloque de tope 480. Alguien experto en la materia puede reconocer que el bloque de tope 480 puede estar hecho de cualquier material de suficiente dureza para resistir la fuerza de impacto repetida del pistón de la prensa 210. Además, el bloque de tope 480 puede tener cualquier configuración que permita al bloque de tope 480 controlar la profundidad de penetración del punzón 420.
El punzón 420 puede estar acoplado a muelles 490 u otros medios de empuje para retornar el punzón 420 a la posición abierta. A medida que el punzón 420 se mueve hacia la matriz 450, los muelles 490 empujan. Una vez que se suprime la fuerza del pistón de la prensa 210, los muelles 490 alejan el punzón 420 de la matriz 450.
Al ensamblar la estación de estampación 400, la placa portapunzón 410 se monta sobre la placa portamatriz 440, con los separadores 470 colocados entre las placas 410 y 440. Después se monta el bloque de tope 480 sobre la superficie superior de la placa portapunzón 410. Pueden usarse fijaciones perfectamente conocidas en la técnica para sujetar entre sí los componentes de la estación de estampación 400. Por ejemplo, pueden proveerse taladros 485 para recibir pernos (no mostrados) para sujetar entre sí los componentes de la estación de estampación 400. Cuando se sujetan entre sí, los componentes de la estación de estampación 400 se ensamblan en una estructura unitaria.
Estación de estampación-segunda realización
La Figura 4 es una vista en perspectiva de una estación de estampación 500 de acuerdo con otra realización de la presente invención. La Figura 5 es una vista de montaje de la estación de estampación 500 mostrada en la Figura 4. Las Figuras 6a y 6b son vistas en corte de la estación de estampación 500 mostrada en la Figura 4, tomadas a lo largo de las líneas 6a-6a y 6b-6b respectivamente. La estación de estampación 500 incluye una estructura de soporte del montaje del juego de matriz y punzón monolítica fija 510 para soportar el montaje del juego de matriz y punzón. El soporte del juego de matriz y punzón 510 incluye una sección portapunzón 520 para soportar y guiar un punzón 530. La sección portapunzón 520 tiene un árbol 540 dimensionado y conformado para recibir de manera deslizante y soportar el punzón 530. El árbol 540 se muestra en la Figura 6. El árbol 540 permite que el punzón 530 se desplace y penetre a través del soporte del juego de matriz y punzón 510. El punzón 530 desliza en contacto dentro del árbol 540. El árbol 540 facilita la alineación del punzón 530 en relación con la matriz, guiando el punzón 530 hacia una pieza de trabajo 595 (mostrada en la Figura 5) y la matriz. El soporte del juego de matriz y punzón 510 también incluye una sección portamatriz 550 para soportar una matriz 560. La matriz 560 incluye insertos de matriz 562, 563 y 564. Los insertos de matriz 563 y 564 encajan dentro de alojamientos 565 y 566, respectivamente. La sección portamatriz 550 incluye un alojamiento 570 (mostrado en las Figuras 6a y 6b) para encajar la matriz 560. El alojamiento 570 está dimensionado y conformado para recibir y encajar con precisión la matriz 560. Esta provista una placa de apoyo 580 para asegurar la matriz 560 dentro del alojamiento 570. Una vez que la matriz 560 está encajada dentro del alojamiento 570, la placa de apoyo 580 se asegura a la parte inferior del soporte del juego de matriz y punzón 510 para asegurar la matriz 560 dentro del alojamiento 570. La matriz 560 está alineada fijamente en la sección portamatriz 550 de una manera por la cual a medida que el punzón 530 penetra a través del árbol 540 hacia la matriz 560, el punzón 530 se aproxima a la matriz 560 de una manera complementaria para actuar sobre la pieza de trabajo 595. Se define un espacio de trabajo 590 entre las secciones portapunzón y portamatriz 520 y 550. El espacio de trabajo 590 es un área donde se producen las operaciones de estampación. La pieza de trabajo 595 se inserta dentro del espacio de trabajo 590 donde es estampada para realizar una operación deseada sobre la pieza de trabajo 595. El espacio de trabajo 590 es de área suficiente para alojar el punzón 530 y la matriz 560, la pieza de trabajo 595, y la pieza estampada final (no mostrada).
La estación de estampación 500 incluye un bloque de tope 600 para proveer un tope de seguridad para el pistón de la prensa 210 (mostrado en la Figura 2). El bloque de tope 600 está situado entre el pistón de la prensa 210 y la superficie superior del soporte del juego de matriz y punzón 510. El bloque de tope 600 controla la profundidad de penetración del punzón 530 dentro de la estación de estampación 500. El punzón 530 puede estar acoplado a muelles 610 u otros medios de empuje para retornar el punzón 530 a una posición abierta. A medida que el punzón 530 se mueve hacia la matriz 560, los muelles 610 empujan. Una vez que se suprime la fuerza del pistón de la prensa 210, los muelles 610 alejan el punzón 530 de la matriz 560.
La estación de estampación 500 también incluye un expulsor 612 para expulsar la pieza estampada 595 de la matriz 560 después de una operación de estampación. El expulsor 612 incluye un elevador 614 y un muelle 616 u otro medio de empuje. Tal como se analiza con más detalle más adelante, el expulsor 612 está dispuesto dentro de una porción ahuecada del inserto de matriz 562 de manera que el elevador 614 es capaz de enganchar la pieza estampada 595 a través de la parte ahuecada del inserto de matriz 562.
En la realización de la estación de estampación 400 mostrada en la Figura 3, las placas portapunzón y portamatriz 410 y 440 están ensambladas entre sí para formar una estructura unitaria para soportar el punzón 420 y la matriz 450. En la realización de la estación de estampación 500 mostrada en la Figura 4, las estructuras para soportar el punzón 530 y la matriz 560 están provistas como una estructura monolítica. El soporte del juego de matriz y punzón 510 se convierte en una estructura más rígida y estable, lo que permite que el soporte del juego de matriz y punzón 510 guíe con más exactitud el punzón 530 hacia la matriz 560.
Estación de estampación-tercera realización
La Figura 8a es una vista esquemática de una estación de estampación 800 de acuerdo con otra realización de la presente invención. La estación de estampación 800 incluye una placa portamatriz 850 para soportar una matriz 840, y un árbol 810 para soportar y guiar un punzón 860 hacia la matriz 840. El árbol 810 está dimensionado y conformado para recibir de manera deslizante y soportar el punzón 860, permitiendo que el punzón 860 se desplace longitudinalmente a través del árbol 810 hacia y en dirección contraria a la matriz 840. El árbol 810 facilita la alineación del punzón 860 con la matriz 840, guiando el punzón 860 hacia la matriz 840. Retenes mecánicos ajustables 880 están situados en el recorrido del punzón 860 para limitar el desplazamiento del punzón 860 hacia la matriz 840. El punzón 860 está provisto de un enganche 830 que puede encajar en los retenes 880 para limitar el desplazamiento adicional del punzón 860 hacia la matriz 840. Está provisto un separador 895 para ajustar la posición de los retenes mecánicos 880 en relación con el cierre 830. El separador 895 puede ser cuñas angulares y tornillos para ajuste micrométrico de los separadores 895.
Sistema de interfaz
El sistema de estampación 100 incluye un sistema de interfaz 700 que conecta mecánicamente la fuerza procedente de la prensa 200 y la estación de estampación 250 (mostrada sustancialmente en la Figura 2), pero que desacopla estructuralmente la prensa 200 de la estación de estampación 250. La Figura 7a es un dibujo simplificado del sistema de interfaz 700 incorporado en el sistema de estampación 100 de la presente invención. Tal como se mencionó anteriormente, la prensa estampadora 200 es capaz de suministrar la fuerza necesaria a la estación de estampación 250 para las operaciones de estampación. La fuerza es suministrada a la estación de estampación 250 a través del sistema de interfaz 700. En una realización, el sistema de interfaz 700 es una instalación de rótula esférica. Un punzón 710 está provisto de una rótula 720, y el pistón de la prensa 210 está provisto de una cavidad de la rótula 730. Alternativamente, puede estar provista con la cavidad de la rótula una placa adaptadora (no mostrada) adaptable al pistón de la prensa 210. Cuando el pistón de la prensa 210 encaja en el punzón 710, la rótula 720 encaja en la cavidad de la rótula 730. La Figura 7b ilustra la rótula 720 encajada con la cavidad 730. El sistema de interfaz 700 facilita la conexión entre la fuerza procedente de la prensa estampadora 200 y la estación de estampación 250. El sistema de interfaz 700 también permite que la estación de estampación 250 esté estructuralmente desacoplada de la prensa estampadora 200. Ninguno de los componentes de la estación estampadora 250 está fijado o empernado directamente al pistón de la prensa 210 de ninguna manera, no viéndose afectado así por las inexactitudes relativas de la prensa 200. Las prensas estampadoras convencionales, por naturaleza, no están construidas con tolerancias ajustadas. Además, los procedimientos de alta velocidad que operan bajo fuerzas elevadas tienden a introducir vibraciones y variabilidad dimensional. Desacoplando estructuralmente la prensa 200 de las estaciones de estampación 250, la variabilidad dimensional de la prensa 200 es aislada de las estaciones de estampación ultra precisas 250 y los insertos del montaje del juego de matriz y punzón. La prensa 200 puede ser simplemente una fuente de energía de alta velocidad y repetible configurada con tolerancias relativamente amplias que suministra fuerzas a las herramientas y matrices ultra precisas en las estaciones de estampación 250. Debe saberse por parte de alguien experto en la materia que la instalación de rótula esférica puede estar invertida, de manera que el punzón está provisto de la cavidad y el pistón de la prensa está provisto de la rótula de la articulación de rótula esférica.
Haciendo referencia a la Figura 8a, en una realización alternativa, el sistema 100 puede incluir un sistema de interfaz hidráulica para conectar la fuerza de la prensa y la estación de estampación 800. El sistema de interfaz incluye una placa de accionamiento 820 dispuesta dentro del árbol 810, en un extremo entre el pistón de la prensa y la placa portapunzón. La placa de accionamiento 820 también es capaz de desplazarse longitudinalmente dentro del eje. El árbol 810 está provisto de una válvula 870 situada entre la placa de accionamiento 820 y la placa portapunzón 830 para proveer fluido hidráulico a baja presión al árbol 810.
Durante el funcionamiento, se suministra fluido hidráulico a baja presión al árbol 810 por medio de la válvula 870. El pistón de la prensa 210 empuja sobre la placa de accionamiento 820 a través del árbol 810 hasta que la placa de accionamiento 820 cierra la válvula 870. Una vez que la válvula 870 está cerrada, la presión del fluido en el árbol 810 aumenta para ejercer una fuerza sobre la placa portapunzón 830 para mover la placa portapunzón 830 y el punzón 860. La fuerza sobre la placa portapunzón 830 es sustancialmente uniforme. El vector de fuerza es unidireccionalmente ortogonal a la cara de la placa portapunzón.
El sistema de interfaz hidráulica también puede incluir una instalación de rótula esférica. La Figura 8b es una vista esquemática del sistema de interfaz hidráulica que incorpora una instalación de rótula esférica. La placa de accionamiento 820 puede estar provista de una rótula 920 y el pistón de la prensa 210 puede estar provisto de una cavidad 930, o viceversa. Cuando el pistón de la prensa 210 encaja en la placa de accionamiento 820, la rótula 920 encaja en la cavidad 930. La inclusión de la rótula 920 y la cavidad 930 provee ventajas adicionales de minimización del esfuerzo estructural sobre los componentes de la estación de estampación. El accionamiento hidráulico permite que la dirección de la fuerza aplicada al punzón 860 sea independiente de la dirección de la fuerza ejercida por el pistón de la prensa 210. La instalación de rótula 920 y cavidad 930 reduce la deformación introducida en la estructura que sostiene el mecanismo hidráulico, como la placa de accionamiento 820 y el punzón 210, por esfuerzos cortantes y flectores resultantes de desalineaciones de la prensa.
El sistema de interfaz facilita la conexión entre la fuerza procedente de la prensa estampadora 200 y la estación de estampación. El sistema de interfaz también permite que la estación de estampación esté estructuralmente desacoplada de la prensa estampadora 200. Los muelles 910 acoplados a la placa portapunzón 830 pueden retornar la placa portapunzón 830 en dirección opuesta a la matriz 840.
Montaje del juego de matriz y punzón
La Figura 9a es una vista en perspectiva del punzón 530 y la matriz 560 mostrados en las Figuras 4 y 5. El punzón 530 y la matriz 560 están compuestos de bloques con superficies conformadas, espigas, punzones, levas, sensores y otros elementos. Estas herramientas de estampación están diseñadas y construidas con tolerancias inferiores a 500 nm. Esto permite que el punzón 530 y la matriz 560 sean situados con precisión en las estaciones de estampación 250. El punzón 530 y la matriz 560 pueden estar diseñados para poderse intercambiar entre estaciones de estampación. La Figura 9b es una vista en despiece ordenado del punzón 530 y la matriz 560 mostrados en la Figura 9a. La matriz 560 incluye los insertos de matriz 562, 563 y 564 (los insertos de matriz 563 y 564 no se muestran a escala). Los insertos de matriz 563 y 564 se encajan dentro de los alojamientos 565 y 566 del inserto de matriz 562. La Figura 9c es una vista en corte de la matriz 560 tomada a lo largo de la línea 9c-9c de la Figura 9a. La matriz 560 incluye una superficie conformada 1020 y una parte ahuecada 1030 que define una abertura 1025 en la superficie conformada 1020. El elevador 614 y el muelle 616 están dispuestos dentro de la parte ahuecada 1030. Si la pieza estampada (no mostrad) aún está unida a la matriz 560 después de la operación de estampación, el elevador 614 y el muelle 616 son capaces de expulsar la pieza estampada de la superficie conformada 1020. El elevador 614 es capaz de encajar con la pieza estampada a través de la abertura 1025.
Progresión
Volviendo a hacer referencia a la Figura 2, el sistema de estampación 100 es capaz de soportar una progresión de estaciones de estampación 250. Por ejemplo, la Figura 2 muestra el sistema 100 soportando tres estaciones de estampación, 260, 261 y 262. La progresión de estaciones de estampación 250 funciona como una matriz progresiva convencional, por lo cual cada de las estaciones de estampación 260, 261 y 263 realiza una operación de estampación específica. La progresión de estaciones de estampación 250 permite que el sistema 100 produzca múltiples figuras en la pieza fabricada simultáneamente por cada golpe de la prensa punzonadora 200. El sistema 100 incluye una subplaca de ubicación 300 dispuesta sobre la bancada de la prensa 220 para alinear con precisión las estaciones de estampación 250 unas respecto a otras. La Figura 16 es una vista desde arriba de la subplaca de ubicación 300 incorporada en la presente invención. La subplaca de ubicación 300 está provista de figuras de posicionamiento 310 para situar las estaciones de estampación 250 unas respecto a otras con precisión inferior al micrómetro. En una realización las figuras de posicionamiento 310 pueden ser surcos o ranuras 320 mecanizadas con precisión sobre una de las superficies de la subplaca. Los surcos 320 están dimensionados y conformados con precisión para recibir la base de las estaciones de estampación 250. Una vez que las estaciones de estampación 250 están colocadas dentro de los surcos 320, la subplaca 300 sitúa con precisión las estaciones de estampación 250 unas respecto a otras con precisión inferior al micrómetro. Puede utilizarse más de una subplaca de ubicación alineadas entre sí dependiendo de los requisitos particulares de la aplicación. La subplaca, o si se requieren, las subplacas 300 y sus figuras de posicionamiento 310, pueden fabricarse usando una máquina herramienta de precisión, como por ejemplo la FV-500 fabricada por More Nanotechnology Systems, que puede mecanizar la subplaca 300 plana y paralela con un acabado superficial de 10 nm o menos.
Control de realimentación
Volviendo a hacer referencia a la Figura 2, el sistema 100 puede incluir un controlador de realimentación activo 350 para monitorizar y ajustar continuamente diversos parámetros del sistema 100. Por ejemplo, el controlador 350 puede configurarse para monitorizar y ajustar la cantidad de fuerza suministrada a la estación de estampación 800 mostrada en la Figura 8a. Está provista una válvula de descarga de presión de trabajo 890 para controlar la cantidad de fuerza producida, y está provista una válvula de descarga de presión de parada 900 para minimizar el daño a la estación de estampación 800. La válvula de descarga de presión de trabajo 890 puede ser una válvula de flujo bajo con buena exactitud sobre el ajuste de presión. La válvula 890 se ajusta a la presión necesaria para producir la fuerza requerida, que puede basarse en la fórmula (superficie del accionador hidráulico * presión = fuerza). La válvula de descarga de presión de parada 900 puede ser una válvula de flujo alto con una histéresis de cierre, y se ajusta a una presión significativamente más alta que la presión de la válvula 890. La válvula de descarga de presión de trabajo 890 y la válvula de descarga de presión de parada 900 pueden ser una válvula de tipo mecánico o el electromecánico para mayor rapidez de tiempo de respuesta. Una vez que el punzón 860 golpea la pieza de trabajo, la presión del fluido aumenta hasta el punto de presión de conformación y la válvula de descarga de presión de trabajo 890 se abre. Se mantiene la presión de trabajo. Cuando la placa portapunzón 830 golpea los retenes 880, la presión aumenta en la cámara 810 con desplazamiento sustancialmente insignificante de la placa portapunzón 830. Entonces se abre la válvula de descarga de presión de parada 900 y la presión desciende. El pistón de la prensa 210 comienza a desplazarse hacia arriba y la estación de estampación 800 se reajusta a las condiciones de partida.
El controlador 350 puede incorporar diversos tipos de sensores perfectamente conocidos en la técnica, como sensores mecánicos, eléctricos y ópticos. Los sensores pueden estar incorporados en los montajes de los juegos de matriz y punzón, la pieza de trabajo, y en otros componentes del sistema. El controlador 350 puede configurarse para monitorizar las tolerancias de la pieza de trabajo y ajustar parámetros, como alineación del punzón y la matriz, alineación de la pieza de trabajo en relación con el montaje del juego de matriz y punzón, velocidad de golpeo del punzón y el pistón de la prensa, en respuesta a las respuestas medidas, para lograr las tolerancias deseadas en la pieza final producida por el sistema de estampación 100.
Consideraciones de diseño
Mantener la alineación sustancial del punzón y la matriz es una consideración importante al producir piezas que tienen tolerancias inferiores a 1000 nm. El diseño de las estaciones de estampación facilita la alineación sustancial del punzón y la matriz proveyendo una estructura sencilla y sustancialmente rígida para guiar el punzón hacia la matriz. En las realizaciones de las estaciones de estampación, las estructuras para guiar el punzón hacia la matriz son fijas, y no hay ningún componente móvil implicado en guiar el punzón hacia la matriz. El punzón es guiado directamente hacia la matriz por medio del eje. Minimizando el número de componentes móviles implicados en guiar el punzón hacia la matriz, también se minimizan las fuentes potenciales de desalineación. Comparado con el sistema de estampación desvelado en la patente de EE.UU. Nº 6.311.597B1, que tiene al menos un componente móvil en el guiado del punzón hacia la matriz (es decir, el montaje de punzón que se mueve dentro del encaje de matriz), el sistema de la presente invención está diseñado para minimizar mejor la fuente de desalineación potencial. Además, la rigidez de la estación de estampación facilita la alineación del punzón y la matriz. Las estructuras que soportan el montaje del juego de matriz y punzón están hechas de materiales de alta resistencia, como carburo de tungsteno, y están diseñadas como una estructura unitaria (como se muestra en la Figura 3) o como una estructura monolítica (como se muestra en la Figura 4). La estructura portapunzón está diseñada como una estructura que tiene tolerancias (por ejemplo, 150 nm) y acabados superficiales (por ejemplo, rugosidad superficial de picos a valles de 10 nm o menos) inferiores al micrómetro. Como resultado, el huelgo entre el árbol y el punzón es sustancialmente ajustado, permitiendo que el árbol soporte rígidamente el punzón. Los acabados superficiales del árbol inferiores al micrómetro permiten que el punzón se desplace suavemente dentro del eje, reduciendo el desgaste sobre el punzón y la desalineación potencial.
Desacoplar estructuralmente la prensa del utillaje también contribuye a que el sistema de estampación sea capaz de producir piezas que tienen tolerancias inferiores a 1000 nm. El sistema de interfaz incorporado en el sistema de estampación acopla la fuerza de la prensa con el punzón. En el sistema de interfaz mostrado en las Figuras 8a y 8b, el sistema de interfaz además facilita la conexión de la fuerza en una dirección unidireccionalmente ortogonal a lo largo de la placa portapunzón. Sin embargo, el sistema de interfaz está desacoplado estructuralmente del utillaje. Al proceder así, el sistema elimina sustancialmente la influencia de la prensa estampadora inexacta sobre el utillaje. Por lo tanto, la prensa puede ser de un tipo con escasas tolerancias.
Otras características de diseño del sistema de estampación 100 contribuyen a que el sistema sea capaz de producir piezas que tienen tolerancias inferiores a 1000 nm. El punzón y la matriz también tienen tolerancias inferiores al micrómetro (por ejemplo, 150 nm) y acabados superficiales inferiores a 10 nm, por ejemplo. Las tolerancias exigentes de estos componentes del sistema permiten que el punzón y la matriz sean situados con sustancial precisión dentro de las estaciones de estampación y sean alineados entre sí con precisión. Esto permite que el punzón se acople con precisión con la matriz. Además, el material en bruto puede ser mecanizado hasta tolerancias exigentes antes de entrar en las estaciones de estampación. Esto permite que la pieza de trabajo sea situada con precisión dentro de las estaciones de estampación durante las operaciones de estampación.
Ejemplo de piezas
Los ejemplos mostrados en las Figuras loa a 21 no entran dentro del ámbito de las reivindicaciones. Estos ejemplos representan técnica antecedente que es útil para comprender la invención.
La Figura 10a es una vista desde un extremo de un montaje optoelectrónico 1100 producido por el sistema de estampación 100 de la presente invención. El sistema tiene una pluralidad de estaciones en la progresión, dependiendo de detalles de diseño y consideraciones de metrología. La Figura loa muestra un casquillo 1110 que asegura un extremo de fibra óptica 1120. El casquillo 1110 está compuesto de dos mitades de casquillo idénticas 1130 ensambladas entre sí. La Figura 10b es una vista en perspectiva de la media pieza de casquillo 1130 estampada por el punzón y la matriz 530 y 560 (mostrados en la Figura 9a). La Figura 10c es una vista desde un extremo de la mitad de casquillo 1130 mostrada en la Figura 10b. El diseño de casquillo mostrado en las Figuras 10a-c tiene una sección transversal extrema parcialmente semicircular. Sin embargo, el sistema de estampación también puede fabricar un casquillo con una sección transversal extrema totalmente circular (según se muestra en la Figura 11b). El punzón y la matriz 530 y 560 pueden ser insertados en una de la pluralidad de estaciones de estampación. Pueden producirse dos de estas mitades de casquillo 1130 a partir de una sola cinta de material en bruto a la vez. Cada una de las mitades de casquillo 1130 está provista de muescas 1140 para ensamblar entre sí dos mitades de casquillo 1130 (por ejemplo, soldando en las muescas 1140). Cada mitad de casquillo 1130 también incluye un surco 1150 para encajar el extremo de la fibra óptica 1120. En la realización mostrada en las Figuras 10a-c, las dimensiones del casquillo son 2,5 mm o 1,25 mm de diámetro de la sección transversal extrema, y 10 mm de longitud con surcos de alineación. Se comprende, sin embargo, que las dimensiones son sólo a modo de ejemplo y que también son posibles otras dimensiones. En otra estación, pueden ensamblarse las dos mitades de casquillo 1130 y alinearse con una fibra óptica en preparación de la soldadura láser. Un soldador láser Star-Weld 20 fabricado por Rofin, Inc. es un ejemplo de un soldador láser en el que se suministra un impulso láser a la pieza que ha de ser soldada. Además de realizar la función de soldadura, el sistema láser puede emplearse para quitar el revestimiento de una fibra así como preparar apropiadamente la cara extrema de la fibra. Cuando las dos mitades de casquillo 1130 han sido soldadas entre sí en las muescas 1140, el casquillo 1110 coloca con seguridad y precisión el extremo de la fibra óptica 1120. El casquillo 1110 es capaz de asegurar fibras que tienen un diámetro de 0,125 mm, por ejemplo.
La Figura 11a ilustra un diseño de "disposición en cinta de configuración duplicada" 1200 para producir un casquillo acuñado y soldado 1210. La Figura 11b es una vista en perspectiva de la pieza de casquillo final 1210. La progresión de los procedimientos de estampación incluye nueve estaciones en serie (por ejemplo, consúltese la Figura 2), las estaciones 1212-1220, por ejemplo, y la progresión es de la estación 1212 a la estación 1220. En las estaciones 1212-1215, se dimensiona y se da forma a la pieza de trabajo. En la estación 1216 se forma el surco. En las estaciones 1217-1220 se coloca una fibra sobre el surco formado y las dos mitades de casquillo se pliegan juntas. La Figura 11b muestra una fibra 1225 colocada dentro del casquillo 1210. El casquillo 1210 está adaptado para un manguito de alineación dividido que tiene una sección transversal circular (no mostrado). Este procedimiento de acuñación ocasiona que las mitades de casquillo ensambladas rellenan completamente el círculo de construcción del manguito de alineación dividido. El manguito dividido es parte de un adaptador conector óptico de fibra (no mostrado) usado para hacer una conexión desmontable entre dos fibras (cada fibra colocada dentro de un casquillo 1210).
La Figura 12a ilustra un diseño de "disposición en cinta" 1250 para producir un casquillo en forma de estrella y soldado por puntos 1260. La progresión del procedimiento de estampación incluye 10 estaciones, las estaciones 1310-1319, por ejemplo, y la progresión es de la estación 1310 a la estación 1319. En las estaciones 1310-1312 se forma y se da forma a la pieza de trabajo. En las estaciones 1313-1319 se pliega la pieza de trabajo en forma de estrella. La Figura 12b es una vista en perspectiva de un montaje que incorpora el casquillo en forma de estrella 1260. La Figura 12c es una vista en corte del montaje tomada a lo largo de la línea 12c-12c mostrada en la Figura 12b. El casquillo 1260 se estampa usando el procedimiento de formación, por el que se forma el casquillo en forma de estrella 1260, se dobla hacia dentro sobre una fibra 1270 y se cierra con soldadura por puntos en un punto 1280. El casquillo 1260 está diseñado para ajustar con precisión dentro de un manguito de alineación dividido 1290 a la tolerancia inferior al micrómetro requerida para lograr conexión de fibra a fibra con poca pérdida. Las dimensiones de este casquillo son 2,5 mm o 1,25 mm de diámetro de la sección transversal extrema, 100 de longitud con surcos de alineación, y está diseñado para aceptar una fibra de 0,125 mm de diámetro. Se comprende, sin embargo, que las dimensiones son sólo a modo de ejemplo y que también son posibles otras dimensiones. El casquillo tiene tres puntos 1292, 1293 y 1294, pero puede estar diseñado con cualquier número de puntos incluyendo sólo dos.
El sistema puede adaptarse para producir casquillos usando una combinación de procedimientos de acuñación y conformación. La Figura 13 es una vista desde un extremo de la sección transversal de una mitad de casquillo 1300 fabricado por un procedimiento de acuñación y conformación. En esta realización, el surco de alineación se forma usando un procedimiento de acuñación mientras se forma el radio de la mitad de casquillo. Este diseño puede fabricarse "por duplicado" y montarse usando un procedimiento de soldadura láser. Debe observarse que, aunque se muestra como una sección transversal extrema circular parcialmente completa, el casquillo puede estar formado totalmente con una sección transversal extrema circular y cerrado por soldadura láser (no mostrado).
El sistema 100 puede adaptarse para producir casquillos de fibras múltiples para la conexión simultánea de fibras múltiples. La Figura 14 es una vista de la sección transversal de un punzón de casquillo de fibras múltiples 1350 usado para acuñar una mitad de casquillo de fibras múltiples (no mostrada). Particularmente, el punzón 1350 es un punzón de casquillo de 12 fibras. Dos grandes salientes semicirculares 1360 forman, cuando las mitades de casquillo están ensambladas, canales circulares para pasadores de guía que sirven para alinear las fibras cuando se acoplan dos conectores. Los pasadores sirven para la misma función que los manguitos divididos de fibra única. Los salientes marcados con f01 a f12 forman, cuando las mitades de casquillo están ensambladas, los canales circulares para fibras individuales. En este ejemplo hay 12 fibras. Las tolerancias sobre los salientes de alineación de fibras f1-f12 logradas en este
punzón particular son \pm150 nm paralelas a la superficie y \pm400 nm perpendiculares a la superficie del punzón 1350.
Las herramientas de estampación pueden estar fabricadas con tolerancias exigentes. La estación de estampación 400 mostrada en la Figura 3a está ensamblada a partir de componentes fabricados con tolerancias y acabados superficiales inferiores al micrómetro. Debido a la calidad resultante de la placa portapunzón 410, la placa portamatriz 440 y los separadores 470, se midió que la placa portapunzón 410 y la placa portamatriz 440 eran paralelas con exactitud de 16 micro-radianes. Con este grado de paralelismo, la desalineación entre punzón y matriz es inferior a 200 nm.
La estación de estampación 400, junto con el punzón de 12 fibras 1350 (mostrado en la Figura 14), puede usarse en una configuración de matriz abierta para acuñar mitades de casquillo de fibras múltiples en preformas de acero inoxidable 304 cuyas dimensiones son aproximadamente 10 x 10 x 1 mm. La Figura 17 es un gráfico que muestra unos datos del perfil medido del punzón de 12 fibras superpuestos con datos obtenidos para una muestra de pieza acuñada de 12 fibras. La línea A representa los datos del perfil medido del punzón 1350 y la línea B representa el perfil medido de la pieza de muestra. La Figura 18 es un dibujo esquemático que muestra un relleno predicho por análisis de elementos finitos (FEA) de una preforma 1365 de acero inoxidable 304 en una configuración de matriz abierta. La Figura 18 muestra el flujo de material de la preforma 1365 de acero inoxidable 304 cuando es estampado por el punzón de fibras múltiples 1350, y el FEA de la tensión residual en la preforma 1365. El color azul de la leyenda de colores representa el extremo inferior del espectro de tensión residual y el color rojo representa el extremo superior del espectro de tensión residual. Según se muestra por las Figuras 17 y 18, la replicación del diseño del punzón 1350 sobre la preforma 1365 de acero inoxidable 304 es direccionalmente coherente con los resultados de la simulación del procedimiento de matriz abierta que usa análisis de elementos finitos (FEA). El relleno incompleto de la depresión del pasador de guía 1360 observado en la Figura 18 es coherente con el que se anticipa a partir de una herramienta de matriz abierta y con el que se observa experimentalmente. La Figura 19 es una ilustración que muestra tres surcos de fibras 1367, 1368 y 1369 de una muestra de casquillo acuñado de 12 fibras 1370. La Figura 20 es un gráfico que ilustra los datos del perfil medido del mismo surco de fibra procedentes de tres muestras de acero inoxidable 304 y los datos del perfil medido de esa figura en el punzón 1350. Las líneas C-E representan los datos del perfil medido de las tres muestras y la línea F representa los datos del perfil medido del punzón. Se observa excelente conformación de la parte inferior del surco debido, en parte, al confinamiento natural provisto por el material circundante. La Figura 21 es un gráfico que ilustra la variación máxima de la ubicación de surcos en relación con la ubicación media para tres piezas estampadas de muestra diferentes, teniendo cada pieza estampada 12 surcos. La Figura 21 muestra la excelente reproducibilidad de pieza a pieza. La ubicación máxima de surcos en relación con la ubicación media es \pm160 nm a lo largo del eje x y \pm190 nm a lo largo del eje y, demostrando la capacidad inferior al micrómetro del procedimiento de estampación de ultra precisión.
La Figura 15 es una vista en perspectiva de un manguito de fibras múltiples conformado 1400. El manguito 1400 puede sustituir los pasadores usados típicamente para alineación de dos conectores de fibras múltiples. Como es el caso con el manguito/casquillo cilíndrico, las dimensiones exteriores del casquillo de fibras múltiples deben estar diseñadas para coincidir con las dimensiones interiores del manguito de fibras múltiples 1400. Esto debe hacerse con tolerancias inferiores al micrómetro para asegurar la correcta alineación de fibras y para minimizar la pérdida óptica.

Claims (24)

1. Un aparato para producir piezas, que comprende:
una herramienta que comprende un punzón (420, 530) y una matriz (450, 560) complementarios;
un portamatriz (440, 550) para soportar la matriz (450, 560);
una guía de punzón (410, 510) fija con respecto al portamatriz (440, 550), teniendo la guía de punzón un árbol (430, 540) para guiar el punzón (420, 530) en relación con la matriz (450, 560) y
una interfaz (700) capaz de conectar mecánicamente la fuerza de un pistón de la prensa (210) con el punzón (420, 530) de una manera por la cual el punzón (420, 530) es desacoplado estructuralmente del pistón de la prensa (210)
caracterizado porque el árbol (430, 540) está dimensionado y conformado para recibir el punzón (420) en contacto deslizante entre la superficie del punzón (420, 530) y la superficie del árbol (430, 540) en ausencia de cualquier pieza móvil intermedia.
2. El aparato de la reivindicación 1, en el que el portamatriz (550) incluye un alojamiento (570) para encajar la superficie de contacto de la matriz en orientación enfrentada con la superficie de contacto del punzón (530).
3. El aparato de la reivindicación 2, que además comprende una placa de apoyo (580) conectable al portamatriz (550) sobre el alojamiento (570) para asegurar la matriz (560) dentro del alojamiento (570).
4. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que además comprende un separador (470) dispuesto entre el portamatriz (440) y la guía de punzón (410), de manera que se define un espacio de trabajo (460) entre el portamatriz (140) y la guía de punzón (410) donde el punzón (420) encaja con la matriz (450) para producir la
pieza.
5. El aparato de la reivindicación 4, en el que la guía de punzón (510), el portamatriz (550) y el separador están provistos como una estructura unitaria o una estructura monolítica.
6. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que además comprende un tope (480) dispuesto entre la prensa (200) y el punzón (420), a lo largo de un recorrido de la prensa (200), para limitar el desplazamiento del punzón a través del árbol (430).
7. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que además comprende un tope (480) dispuesto a lo largo de un recorrido del punzón (420), para limitar el desplazamiento del punzón (420) a través del árbol (430).
8. El aparato de la reivindicación 7, en el que el punzón incluye un enganche adaptado para encajar con el retén, de manera que cuando el cierre encaja con el retén, el retén limita el desplazamiento adicional del punzón hacia la matriz.
9. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que además comprende medios de empuje (616) acoplados al punzón (530), empujando los medios de empuje (616) cuando el punzón (530) se desplaza hacia la matriz bajo la fuerza de la prensa (200), siendo capaces los medios de empuje (616) de alejar el punzón (530) de la matriz cuando se suprime la fuerza.
10. Un aparato para producir piezas, que comprende:
una prensa (200) que tiene un una bancada de la prensa (220) y un pistón de la prensa (210); y
al menos una estación de estampación (260) soportada sobre la bancada de la prensa (220), comprendiendo cada estación de estampación (260) un aparato para producir piezas según la reivindicación 1.
11. El aparato de la reivindicación 10, en el que la interfaz (700) comprende una rótula (720) fijada al punzón o al pistón de la prensa y una cavidad (730) fijada al otro de estos dos órganos, en el que cuando la rótula (720) encaja con la cavidad (780), la rótula (720) y la cavidad (730) son capaces de acoplar la fuerza del pistón de la prensa al punzón, pero el pistón de la prensa está desacoplado estructuralmente del punzón.
12. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 11, en el que la interfaz comprende:
una placa de accionamiento (820) que conecta con la prensa, estando dispuesta la placa de accionamiento (820) dentro del árbol entre el punzón y la prensa, en el que la placa de accionamiento (820) es capaz de desplazarse longitudinalmente a lo largo del árbol hacia y en dirección contraria al punzón; y
una válvula (870) para suministrar al árbol fluido hidráulico a baja presión;
en el que cuando la placa de accionamiento (820) se desplaza hacia el punzón, se ejerce una fuerza ortogonal, unidireccional y uniforme sobre el punzón para mover el punzón hacia la matriz.
13. El aparato de la reivindicación 12 en el que la válvula (870) está situada entre la placa de accionamiento (820) y el punzón, siendo la placa de accionamiento (820) capaz de cerrar la válvula (870) cuando la placa de accionamiento encaja con la válvula (870) a medida que la placa de accionamiento (820) se desplaza hacia el punzón.
14. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 12 y 13, que además comprende una válvula de descarga de presión de trabajo (890) acoplada al árbol para controlar activamente la fuerza ejercida sobre el punzón para producir la pieza.
15. El aparato de la reivindicación 14 que además comprende una válvula de descarga de presión de parada (900) acoplada al árbol para controlar activamente una fuerza máxima ejercida sobre el punzón.
16. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, que además comprende un bloque de tope situado entre el punzón y el portamatriz, siendo el bloque de tope capaz de impedir el desplazamiento del punzón hacia el portamatriz cuando el portapunzón contacta con el bloque de tope.
17. El aparato de la reivindicación 16, que además comprende un separador dispuesto entre el portamatriz y el bloque de tope para colocar el bloque de tope en relación con el portamatriz.
18. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 17, en el que la interfaz además comprende una rótula (920) fijada a la placa de accionamiento (20) y una cavidad (930) fijada al pistón de la prensa (210), en el que cuando la rótula (920) encaja con la cavidad (930), el pistón de la prensa es capaz de acoplar la fuerza del pistón de la prensa a la placa de accionamiento, pero estando desacoplada estructuralmente de la placa de accionamiento.
19. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 18, que además comprende medios para mecanizar en línea (150) una pieza de trabajo antes de que entre en la estación de estampación.
20. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 18, que además comprende una subplaca de ubicación que tiene figuras de posicionamiento (310) adaptadas para recibir las estaciones de estampación (260, 261, 262) y para alinear las estaciones de estampación unas respecto a otras.
21. El aparato de la reivindicación 20 en el que las figuras de posicionamiento (310) comprenden surcos (320) mecanizados sobre una superficie de la subplaca.
22. Un aparato para producir piezas que tienen tolerancias inferiores a 1000 nanómetros, que comprende:
un aparato para producir según la reivindicación 10;
una subplaca de ubicación (300) que tiene figuras de posicionamiento (310) adaptadas para recibir las estaciones de estampación (250) y para alinear las estaciones de estampación (250) unas respecto a otras; y
medios para mecanizar en línea (150) una pieza de trabajo antes de que entre en la estación de estampación.
23. Un procedimiento para producir piezas, que comprende las etapas de:
soportar una matriz (450) en un portamatriz (440);
disponer una guía de punzón (410) fija con respecto al portamatriz (440);
guiar un punzón (420) en relación con la matriz (450) por medio de un árbol (430), estando el punzón (420) desacoplado estructuralmente de un pistón de la prensa (210) y
estampar piezas usando un sistema de estampación (100)
caracterizado porque el árbol está dimensionado y conformado para recibir el punzón en contacto deslizante entre la superficie del punzón y la superficie del árbol en ausencia de cualquier pieza móvil intermedia para proveer un sistema de estampación (100) que está configurado para producir piezas que tienen tolerancias inferiores a 1000 nanómetros.
24. El procedimiento de la reivindicación 23, en el que el sistema de estampación (100) comprende un aparato para producir piezas según la reivindicación 10.
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