SONOTRODO PARA MECANIZAR PIEZAS Y EQUIPO DE MECANIZADO QUE COMPRENDE DICHO SONOTRODO.

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.

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención tiene aplicación en la 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 base níquel y base titanio y otras aleaciones metálicas y no metálicas, el sonotrodo de la invención permite conseguir una elevada rigidez del sonotrodo ante las fuerzas que se producen durante el mecanizado de una pieza, que tienden a producir el vuelco del sonotrodo durante su uso, por ej emplo, en torneado asistido por

ultrasonidos al mismo tiempo que se consigue una máxima amplificación longitudinal de las vibraciones.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN 25

Un sonotrodo es una herramienta 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 tej ido. De acuerdo con 30 los rangos de frecuencias para aplicaciones ultrasónicas (20-70 kHz) , el sonotrodo resuena a dicha frecuencia mediante su contracción y expansión un número de veces por segundo, lo que se corresponde con la frecuencia. Su amplitud se encuentra en un rango de 13-130 micrómetros.

Los sonotrodos existentes en la actualidad suelen estar fabricados de titanio, aluminio o acero.

Las técnicas de mecanizado mediante tornos asistidos por ultrasonidos tratan de mej orar la rugosidad de las piezas torneadas, aumentar la vida de la herramienta y aumentar la fragmentación de la viruta 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,

que se alimenta mediante una fuente de alimentación, igualmente a frecuencia muy alta.

La disposición en serie de la pieza de metal en los sonotrodos, tiene por objeto 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 extremo opuesto, de modo que el conjunto formado por el transductor, la pieza de metal y la plaquita de corte 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 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,

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 portaherramientas a la torreta del torno. Por lo tanto, es necesario tener en cuenta que el sonotrodo tiene que poder fijarse al equipo de mecanizado por un punto que tenga movimiento nulo en la vibración inducida, de tal

forma que el apoyo no actúe impidiendo el movimiento.

Algunos ejemplos del uso de sonotrodos en la actualidad para operaciones de mecanizado de piezas 5 pueden encontrarse en documentos como la solicitud de patente estadounidense n.o US-5426341, donde se muestra un sonotrodo rotativo pero para aplicaciones de corte y soldadura, distintas al torneado, la solicitud de patente estadounidense n.o US-4911044, 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 solicitud de patente estadounidense n.o US-4864904,

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 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

transductor, por otro lado.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un sonotrodo para mecanizar piezas, que permite resolver de manera satisfactoria la problemática anteriormente expuesta, consiguiendo una máxima amplificación longitudinal de las vibraciones, además de que puede fijarse de tal

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

piezoeléctrico generador de ondas ultrasónicas capaz de trasformar una señal eléctrica, preferentemente de alta frecuencia, en movimiento vibratorio, preferentemente también de alta frecuencia y baj a amplitud, tal y como permiten los transductores conocidos en la actualidad.

Asimismo, el sonotrodo comprende un elemento de corte que puede ser fijado a un elemento portaherramientas, donde dicho elemento de corte recibe el movimiento vibratorio del transductor piezoeléctrico.

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,

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 fij ados por su zona perimetral, es decir por su canto exterior, a una carcasa que queda situada exteriormente y que puede acoplarse a una torreta de un equipo de mecanizado.

El elemento portaherramientas puede ser acoplado a un primer extremo, situado exteriormente a la carcasa, del cuerpo central y el transductor piezoeléctrico puede ser acoplado a un segundo extremo del cuerpo central, opuesto al primer extremo.

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, asi como mediante el apoyo ajustado de los cantos exteriores de los discos sobre la cara interna de dicha carcasa.

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,

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 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.

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 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 aspecto de la invención se refiere a un equipo de mecanizado que comprende un sonotrodo de acuerdo con la invención, contemplándose que sea tanto un torno manual como un torno de control numérico, asi 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 mej or 5 comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ej emplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado...

1. Sonotrodo para mecanizar piezas, que comprende: 5 un transductor piezoeléctrico (5) capaz de trasformar una señal 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

del transductor piezoeléctrico (5) , caracterizado 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 del cuerpo central (1) Y transversalmente a dicho ej e 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) ,

- estando a su vez dichos discos (2, 3) fijados por su zona perimetral a una carcasa (12) , pudiendo ser acoplado el elemento portaherramientas (9) a un primer extremo (7) , situado exteriormente a la carcasa (12) , del cuerpo central (1)

y pudiendo ser acoplado el transductor piezoeléctrico (5) a un segundo extremo del cuerpo central (1) , opuesto al primer extremo (7) .

2. -Sonotrodo para mecanizar piezas, según la 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)

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. - Sonotrodo para mecanizar piezas, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el primer extremo (7) del cuerpo central (1) tiene configuración ahusada.

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

cuerpo central (1) , teniendo dicha tapa (11) un orificio (13) que es atravesado por dicho cuerpo central (1) .

6. Equipo de mecanizado, que comprende un sonotrodo de acuerdo con cualquiera de las 15 reivindicaciones anteriores.