ES2395345B1 - Sonotrodo para mecanizar piezas y equipo de mecanizado que comprende dicho sonotrodo - Google Patents

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Francisco CAMPA GÓMEZ
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    • B06B3/02—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency involving a change of amplitude
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23B29/00—Holders for non-rotary cutting tools; Boring bars or boring heads; Accessories for tool holders
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    • B23B29/125—Vibratory toolholders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

Sonotrodo para mecanizar piezas y equipo de mecanizado que comprende dicho sonotrodo.#Sonotrodo para mecanizar piezas, que tiene elevada resistencia a las fuerzas de corte, que comprende un cuerpo central (1) que tiene un tramo cilíndrico respecto a un eje central del que se prolongan transversalmente al menos dos discos (2, 3) separados entre sí una distancia no inferior al diámetro del tramo cilíndrico, estando a su vez dichos discos (2, 3) fijados perimetralmente a una carcasa (12), pudiendo ser acoplado un elemento portaherramientas (9) a un extremo del cuerpo central (1) y un transductor piezoeléctrico (5) a un extremo opuesto.

Description

SONQTRODQ PARA MECANIZAR PIEZAS Y EQUIPO DE MECANIZADO
QUE COMPRENDE DICHO SONOTRODO
D E S e R 1 P CIÓ N 5
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención tiene aplicación en la
10 industria de procesos de mecanizado y fabricación mediante arranque de viruta, aplicado a piezas de revolución en diferentes geometrías y materiales tales como aceros , aceros especiales , aleaciones b ase níquel y base titanio y otras aleaciones metálicas y no
15 metálicas , el sonotrodo de la invención permite conseguir unu elevo.do. rigidez del sonotrodo unte las fuerzas que se producen durante el mecanizado de una pieza , que tienden a producir el vuelco del sonotrodo durante su uso , por ejemplo, en torneado asistido por
20 ultrasonidos al mismo tiempo que se consigue una máxima amplificación longitudinal de las vibraciones .
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
25 Un sonotrodo es una herramient a que comprende una pieza de metal que está expuesta a vibraciones ultrasónicas que transmite dicha energía vibratoria a un elemento , ya sea gas , sólido o tejido . De acuerdo con
30 los rangos de frecuencias para aplicaciones ultrasónicas (20-70 kHz), el sonotrodo resuena a dicha frecuencia mediante su contracción y e xpansión un número de veces por segundo, lo que se corresponde con la frecuencia . Su amplitud se encuentra en un rango de 13-130 micrómetros .
35 Los sonotrodos e xistentes en la actualidad suelen estar fabricados de titanio, aluminio o acero.
Las técnicas de mecanizado mediante tornos
asistidos por ultrasonidos tratan de mejorar la
rugosidad de las piezas torneadas , aumentar la vida de
la herramienta y aumentar la fragmentación de la viruta
S
mediante la introducción en la plaquita de corte de una
vibración de muy alta frecuencia , entre 10000 y 300000
Hz , pero de amplitud menor a 20 micrómetros . Dicha
excitación de alta frecuencia es producida por un
transductor piezoeléctrico, disponible en el mercado,
10
que se alimenta mediante una fuente de alimentación,
igualmente a frecuencia muy alta .
La disposición e n serie de la pieza de metal en
los sono t rodos , t iene por objet o amplificar la magnitud
15
del movimiento de vibración procedente del transductor,
hasta conseguir valores por encima de los 5 micrómetros
en la plaquita o cuchilla de corte que se dispone en un
e xtremo opuesto, de modo que el conjunto formado por el
transductor, la pieza de metal y la plaquita de corte
20
van montados en serie, con el objeto para amplificar el
movimiento del transductor hasta la punta del filo de
corte .
Por razones operativas, en el diseño de un
25
sonotrodo se busca, por un lado, conseguir una
disminución de sección , y por otro lado conseguir una
fijación a la torreta de un equipo de mecanizado , como
pueda ser un torno, de tal forma que se asegure que el
sonotrodo tiene suficiente resistencia al vuelco,
30
considerando las fuerzas y momentos que se producen
durante las operaciones de mecanizado de una pieza , dado
que en el proceso de torneado la fuerza de corte actúa
sobre la plaquita de corte , que está situada a una
determinada distancia de la fijación del elemento
35
portaherramientas a la torreta del torno . Por lo tanto,
es necesario tener en cuenta que el sonotrodo tiene que
poder fij arse al equipo de mecani zado por un punto que
tenga movimiento nulo en la vibración inducida, de tal
forma que el apoyo no actúe impidiendo el movimiento .
Algunos ej emplos del uso de sonotrodos en la
actualidad para operaciones de mecanizado de piezas
S
pueden encontrarse en documentos como la solicitud de
patente estadounidense n.o U5-5426341, donde se muestra
un sonotrodo rotativo pero para aplicaciones de corte y
soldadura , distintas al torneado, la solicitud de
patente estadounidense n . o U5-4911 044 , donde se describe
10
un sistema de corte con vibración ultrasónica que
utiliza un sonotrodo rígidamente amarrado en sus nodos ,
lo que merma la capacidad de amplificación del
movimiento vibratorio del mismo , así como en la
solicit ud de pat en t e est adounidense n . O US-4864904,
15
donde se muestra un sistema muy similar al del documento
anterior, pero que incorpora una corrección de la fuerza
radial generada durante el corte .
Sin embargo, todos estos sonotrodos no resuelven
20
de manera óptima la combinación de los dos
condicionantes antagónicos anteriormente expuestos , esto
es el problema de la fijación del sonotrodo a la torreta
de un equipo de mecanizado , por un lado , y maximizar la
amplificación del movimiento vibratorio procedente del
25
transductor, por otro lado.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
30
La presente invención se refiere a un sonotrodo
para mecanizar piezas, que permite resolver de manera
sutisfuctoriu lu problemóticu unteriormente expuestu,
consiguiendo una máxima amplificación longitudinal de
las vibraciones , además de que puede fijarse de tal
35
forma que su resistencia al momento de vuelco, que se
produce como consecuencia de la actuación de las fuerzas
que se producen durante el mecanizado, es muy elevada .
Este hecho es clave en el ámbito del torneado industrial
de metales y aceros .
Para ello, el sonotrodo para mecanizar piezas
que la invención propone comprende un transductor
S
piezoeléctrico generador de ondas u1 trasónicas capaz de
trasformar una se~al eléctrica, preferentemente de alta
frecuencia , en movimiento vibratorio, preferentemente
también de alta frecuencia y baja amplitud, tal y como
permiten los transductores conocidos en la actualidad.
10
Asimismo , el sonotrodo comprende un elemento de
corte que puede ser fij ado a un elemento
portaherramientas, donde dicho elemento de corte recibe
el movimien t o vibrat orio del t ransduct or piezoeléct rico .
15
Pues bien , de acuerdo con la invención , el
sonotrodo comprende un cuerpo central, preferentemente
metálico , que tiene un tramo mayoritario de
configuración cilíndrica respecto a un eje central,
20
prolongándose desde dicho tramo mayoritario del cuerpo
central y transversalmente a dicho eje central al menos
dos discos separados entre sí una distancia no inferior
al diámetro del tramo mayoritario de configuración
cilíndrica del cuerpo central . A su vez los discos están
25
fijados por su zona perimetral, es decir por su canto
e xterior, a una carcasa que queda situada exteriormente
y que puede acoplarse a una torreta de un equipo de
mecanizado .
30
El elemento portaherramientas puede ser acoplado
a un primer extremo, situado exteriormente a la carcasa,
del cuerpo centrul y el trunsductor piezoeléctrico puede
ser acoplado a un segundo extremo del cuerpo central,
opuesto al primer e xtremo .
35
Se contempla que la fijación de los discos en el
interior de la carcasa se efectúe por cualquier medio
convencional , con o sin la disposición de bridas o
elementos intermedios , así como mediante el apoyo
ajustado de los cantos e x teriores de los discos sobre la
cara interna de dicha carcasa .
S
Al disponer de al menos dos discos separados al
menos el diámetro del cuerpo central se consigue un
apoyo suficientemente resistente a las fuerzas de corte,
para mantener dicho cuerpo central en su posición de
manera estable durante el mecanizado. Al mismo tiempo ,
10
dada la inherente definición de disco, es decir, que
tienen un determinado espesor muy inferior al valor del
diámetro del cuerpo central, se consigue que actúen como
elementos flexibles que permiten maximizar la vibración
desde el transductor al elemento de corte, en la
15
dirección del eje central, dada la disposición en serie
entre el conjunto formado por dicho transductor, cuerpo
central y elemento portaherramientas, este último siendo
el soporte directo de elemento de corte .
20
El sonotrodo de la invención tiene una elevada
resistencia ante las fuerzas de vuelco originadas por la
acción de torneado , al mismo tiempo que tiene una gran
capacidad de movimiento y por tanto amplificación de los
micromovimientos de muy elevada frecuencia originados
25
por el transductor, dada la flexibilidad de los discos
de poco espesor donde se apoyan , que funcionan como
muelles espaciales tipo diafragma .
Aspectos menores de la invención se encuentran
30
descritos en las reivindicaciones dependientes .
Un segundo ~specto de l~ invención se refiere ~
un equipo de mecanizado que comprende un sonotrodo de
acuerdo con la invención , contemplándose que sea tanto
35
un torno manual como un torno de control numérico , así
como la realización , entre otras, de operaciones de
ranurar, refrentar o cilindrar.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con obj eto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento , de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompa~a como parte integrante de dicha descripción , un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente :
La figura 1 . -Muestra una sección longitudinal de una realización preferente del sonotrodo de la invención , pudiendo apreciarse el montaje en serie de sus elementos , así como el elemento portaherramientas donde se ubica el elemento de corte o cuchilla .
La figura 2 . -Muestra una vista de perfil del sonotrodo de representado en la figura 1, desde el lado del elemento de corte y con la tapa retirada de la carcasa , para una mejor apreciación de los elementos internos .
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de las figuras reseñadas puede observarse como en una de las posibles realizaciones de la invención el sonotrodo para mecanizar piezas que la invención propone comprende un transductor piezoeléctrico (5) generador de ondas ultrasónicas capaz de trasformar uno. señal eléctrica en movimiento vibratorio , así como un elemento de corte (10) que puede ser fijado a un elemento portaherramientas (9) , donde dicho elemento de corte (la) recibe el movimiento vibratorio del transductor piezoeléctrico (5) .
De acuerdo con la invención, el sonotrodo
comprende un cuerpo central (1) que tiene un tramo
mayoritario de configuración cilíndrica respecto a un
eje central, prolongándose desde dicho tramo mayoritario
del cuerpo central (1) y transversalmente a dicho eje
S
central dos discos (2 , 3) separados entre sí una
distancia no inferior al diámetro del tramo mayoritario
de configuración cilíndrica del cuerpo central (1) .
A su vez los discos (2 , 3 ) están fijados p or su
10
zona perimetral, es decir por su canto e xterior, a una
carcasa (12) de configuración cilíndrica hueca que queda
situada e xteriormente y que puede acoplarse a una
torreta de un equipo de mecanizado . Concretamente, de
acuerdo con una realización preferent e , los discos (2,
15
3) se fijan a la carcasa (12) por intermediación de dos
anillos (4 ) que se colocan en apriete y abrazan
fuertemente en toda la periferia los discos (2 , 3) ,
quedando a su vez dichos anillos (4 ) unidos por el
interior de la carcasa (12) . Así , los discos (2 , 3)
20
quedan aprisionados en su periferia por la carcasa (12),
de tal forma que el apriete es muy elevado e impide
completamente el movimiento . Este ajuste a la carcasa
puede realizarse también mediante tornillos o mediante
zunchado térmico . En cualquier caso en las superficies
25
circulares, es decir en el canto, el contacto es máximo
y no se puede desplazar el sistema ante las elevadas
fuerzas de corte .
Los discos (2, 3) están seleccionados, en
30
material, diámetro y espesorI para transmitir el
movimiento vibratorio del transductor (5) al elemento
porto.herro.mientils (9) , Y al mismo tiempo resistir las
fuerzas que se producen durante el mecanizado de una
pieza (14) , es decir, son discos (2 , 3) que tienen
35
espesor suficiente para resistir fuerzas de corte al
tiempo que son flexibles para transmitir el movimiento
vibratorio del transductor piezoeléctrico (5 ) al
elemento de corte (10) .
Tal y como puede apreciarse en la figura 1 , el
elemento portaherramientas (9 ) puede ser acoplado a un
primer e xtremo (7 ), situado e xteriormente a la carcasa
S
(12) , del cuerpo central (1) por medio de un segundo
vástago roscado (8) Y adhesiva f y el transductor
piezoeléctrico (5 ) puede ser acoplado a un segundo
extremo del cuerpo central (1 ) f opuesto al primer
extremo (7) , por medio de un primer vástago roscado (6 ),
10
que se aprieta y fija , por ejemplo con pegamento .
De esta forma puede conseguirse una
amplificación de las vibraciones de frecuencia superior
a 15000 Hz . Esta vibración es amplificada por el cuerpo
15
central (1 ) que se mantiene anclado por los discos (2 ,
3 ) que hacen de elemento flexible .
Las distancia máxima entre los dos discos (2 , 3)
depende del tama~o del sonotrodo que a su vez está
20
supeditado al tama~o del torno donde se ubica y al
tama~o del elemento portaherramientas y del elemento de
corte .
De acuerdo con una realización preferente , tal y
25
como se aprecia en la sección longitudinal de la figura
1 , el cuerpo central (1) y los discos (2 , 3) son
monopieza , es decir, del mismo material , realizándose
por torneado en una sola pieza partiendo de un cilindro
inicial cuyo diámetro se corresponde el diámetro
30
exterior de los discos (2 , 3) . Asimismo , el espesor de
los discos (2 , 3) se ajusta por torneado, hasta llegar a
un espesor t~l que permit~ la flexibilid~d a xial, según
el eje central, de todo el sonotrodo .
35
La unión de la carcasa (12) al portaútiles o
torreta del torno se realiza por el procedimiento más
adecuado según los medios de amarre (15) disponibles del
equipo de mecanizado . Además , debe tenerse en cuenta que
la cuchilla de corte (10) debe quedar en la linea axial
de la pieza a mecanlzar (14) . Se contempla que la
carcasa (12) disponga de elementos que permitan
diferentes opciones de apoyo para su colocación en el
S
portaútiles o torreta del torno .
Preferentemente, el primer extremo (7) del
cuerpo central (1 ) tiene configuración ahusada , es
decir, su e xtremo cercano a la zona de corte posee una
10
forma cónica , e xponencial o ahusada que en su e xtremo de
menor diámetro lleva unida la cabeza portaherramientas
( 9 ) .
Tal y como puede apreciarse en la figura 1, la
15
carcasa (12) está cerrada mediante una tapa (11) por su
e xtremo correspondiente al primer e xtremo (7) del cuerpo
central (1) f teniendo dicha tapa (11) un orificio (13)
que es atravesado , aunque no de manera totalmente
ajustada , por dicho cuerpo central (1) . Así , se protegen
20
los elementos alojados en dentro de la carcasa (12) de
las virutas producidas durante el proceso de mecanizado,
así como de la taladrina .
A la vista de esta descripción y juego de
25
figuras , el experto en la materia podrá entender que las
realizaciones de la invención que se han descrito pueden
ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de
la invención . La invención ha sido descrita según
algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para
30
el experto en la materia resultará evidente que
múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas
reo.lizo.ciones preferentes sin e xceder el objeto de 1<)
invención reivindicada .

Claims (6)

  1. REIVINDICACIONES
    1.Sonotrodo para mecanizar piezas f que
    comprende :
    5
    un transductor piezoeléctrico (5) capaz de
    trasformar una se~al eléctrica en movimiento vibratorio ,
    -un elemento de corte (10) que puede ser fijado
    a un elemento portaherramientas (9) , donde dicho
    elemento de corte (10) recibe el movimiento vibratorio
    10
    del transductor piezoeléctrico (5) ,
    caracter~zado porque el sonotrodo comprende :
    un cuerpo central (1) que tiene un tramo
    mayoritario de configuración cilíndrica respecto a un
    eje central, prolongándose desde dicho tramo mayoritario
    IS
    del cuerpo central (1) y transversalmente a dicho eje
    central al menos dos discos (2 , 3) separados entre sí
    una distancia no inferior al diámetro del tramo
    mayoritario de configuración cilíndrica del cuerpo
    central (1),
    20
    -estando a su vez dichos discos (2 , 3) fijados
    por su zona perimetral a una carcasa (12) ,
    pudiendo s e r acoplado e l e l emento
    portaherramientas (9) a un primer extremo (7) , situado
    exteriormente a la carcasa (12) , del cuerpo central (1)
    25
    y pudiendo ser acoplado el transductor piezoeléctrico
    (5) a un segundo e xtremo del cuerpo central (1) , opuesto
    al primer e xtremo (7) .
  2. 2 . -Sonotrodo para mecanizar piezas, según la
    30
    reivindicación 1 , en el que los discos (2 , 3 ) están
    seleccionados para transmitir el movimiento vibratorio
    del transductor (5) al elemento portaherramientas (9) , y
    al mismo tiempo resistir las fuerzas que se producen
    durante el mecanizado de una pieza (14) .
    35
  3. 3 . -Sonotrodo para mecanizar piezas, según
    cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2 , en el que el
    cuerpo central (1) y los discos (2 , 3 ) son monopieza .
  4. 4 . -Sonotrodo para mecanizar piezas, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores , en el que el primer e xtremo (7 ) del cuerpo central (1) tiene configuración ahusada .
  5. 5 . -Sonotrodo para mecanizar piezas, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la carcasa (12 ) está cerrada mediante una tapa (11) por su extremo correspondiente al primer extremo (7) del
    10 cuerpo central (1 ) , teniendo dicha tapa (11 ) un orificio
    (13) que es atravesado por dicho cuerpo central (1) .
  6. 6 . -Equipo de mecanizado, que comprende un
    sonot rodo de acuerdo con cualquiera de las 15 reivindicaciones anteriores .
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