Anillos de matriz con vibración ultrasónica.

Anillos de matriz con vibración ultrasónica

Campo de la técnica

La invención se refiere a una matriz y método según los preámbulos de las reivindicaciones 1 y 4. Dichos matriz y método se describen por ejemplo en el documento US-A-4854149. Dicha matriz se puede utilizar en un aparato para dar forma a piezas de trabajo de metal conduciendo las piezas de trabajo a la matriz. Tiene particular aplicación para piezas de trabajo anulares que comúnmente tienen simetría circular alrededor del eje de movimiento, por lo cual en los cambios de proceso que forman el perfil longitudinal de la pieza de trabajo, por ejemplo para formar un cuello de radio reducido y forma predeterminada.

Antecedentes de la invención

Se sabe desde hace tiempo cambiar el perfil longitudinal de una pieza de trabajo anular o tubular mediante la conducción de la pieza de trabajo a lo largo de su eje de simetría a una matriz de forma adecuada para dar forma al perfil deseado, o a una sucesión de matrices que están formadas respectivamente para crear el perfil deseado mediante una secuencia de pasos más pequeños. También se sabe que vibrar la matriz a frecuencias ultrasónicas puede ayudar al proceso de formación mediante la reducción de la fricción entre la matriz y la pieza de trabajo y/o a mejorar la manera en que la superficie de trabajo de la matriz actúa sobre la pieza de trabajo para deformarla.

El documento de patente US 4.854.149 (Porucznic et al.) ilustra ejemplos de tal proceso de formación asistido por ultrasonidos. El extremo de la pieza de trabajo a formar se inserta coaxialmente en la abertura perfilada del anillo de matriz. Un transductor se une al anillo de matriz en una ubicación sobre su circunferencia y suministra energía ultrasónica al anillo de matriz. El transductor vibra a lo largo de su propio eje longitudinal, que se alinea con un radio del anillo de matriz. La aplicación radial de vibraciones ultrasónicas al anillo de matriz induce modos resonantes de vibración, dependiendo de la forma y el material del anillo de matriz y la frecuencia aplicada. El anillo de matriz se monta en una máquina de formación a través de un tubo de montaje que es coaxial con el anillo de matriz.

El anillo de matriz necesita ser montado con suficiente firmeza para resistir las altas fuerzas ejercidas sobre él durante la formación de la pieza de trabajo metálica, mientras le permite vibrar tan libremente como sea posible con la frecuencia aplicada. Esto es deseable para minimizar la transmisión de vibraciones del anillo de matriz sobre el tubo de montaje, tanto porque esto provoca pérdida de energía del anillo de matriz como porque ello puede interferir con el modo deseado de vibración del anillo de matriz.

El documento de patente US 5.095.733 (también de Porucznik et al.) revela y clasifica varios modos resonantes posibles de una matriz con forma de anillo. Esto muestra que el modo preferido es un modo radial puro denominado "R0", en el que el anillo de matriz se expande y se contrae de forma radial, centrado en el eje del anillo, así como la longitud axial se contrae y se expande respectivamente en menor medida.

Los inventores actuales han encontrado que el modo R0 radial puro no se puede lograr generalmente a las frecuencias adecuadas y dentro de las limitaciones de espacio típicas de una matriz en una máquina formadora. Sin embargo, el anillo de matriz se puede inducir fácilmente a vibrar en un modo "flexión radial" denominado "RB0", que se ilustra esquemáticamente en las figuras 1A a 1C. La figura 1A muestra un simple, cilindro hueco en su estado de reposo. Como el número armónico es cero, este modo continua mostrando simetría circular alrededor del eje del anillo, por lo que en circunstancias ideales el contacto entre la superficie de trabajo del anillo de matriz y la pieza de trabajo es sincrónico alrededor de cualquier circunferencia dada. La expansión y la contracción también están sincronizadas a lo largo del eje del anillo de matriz. Sin embargo, la amplitud de la vibración no es uniforme a lo largo del eje. En particular, la amplitud de la vibración oscila entre una forma de reloj de arena (figura 1B) y una forma de barril (figura 1C) durante un ciclo de la vibración, que pasa aproximadamente a través de su configuración (figura 1A) cilíndrica original en el punto medio entre cada uno de estos dos extremos. Se puede ver que en la configuración de "reloj de arena" de la figura 1B, la superficie final anular del componente sobresale hacia fuera en un cono convexo, mientras que en la configuración de "barril" de la figura 1C, la superficie final anular del componente se hunde hacia adentro en un cono cóncavo. Téngase en cuenta que la forma de la superficie final en estas configuraciones no es necesariamente un verdadero cono, es decir un plano que contiene el eje puede intersectar la superficie final en una línea curva en lugar de en una línea recta.

Resumen de la invención

La invención proporciona una matriz, que comprende:

un anillo de matriz generalmente cilíndrico que comprende una superficie final y que tiene un modo de vibración de flexión radial (RB0) en la que la superficie final oscila entre un estado cóncavo y uno convexo; y

un tubo de montaje coaxial con el anillo de matriz y que se extiende desde la superficie final del anillo de matriz; aracterizado por que el tubo de montaje se une a la superficie final del anillo de matriz en un radio donde la amplitud de la oscilación de la superficie final es mínima.

La invención también proporciona un método de operar una matriz que comprende un anillo de matriz generalmente cilíndrico que tiene una superficie final, y un tubo de montaje coaxial con el anillo de matriz y que se extiende a partir de la superficie final. El método comprende vibrar el anillo de matriz en un modo de flexión radial (RB0) , en el que la superficie final del anillo de matriz oscila entre un estado cóncavo y convexo, caracterizado por que la amplitud mínima de la oscilación de la superficie final se produce en un radio en el que el tubo de montaje se une a la superficie final.

Haciendo que el radio del tubo de montaje se una a la superficie final del anillo de matriz en un radio en donde la amplitud de la oscilación es mínima, la transmisión no deseada de la energía de vibración desde el anillo de matriz al tubo de montaje se puede reducir. Esto es una ventaja imprevista comparada con la sugerencia de la técnica anterior de que el anillo de matriz debería ser vibrado en un modo R0 puro radial, porque en el modo R0 todos los puntos del anillo de matriz oscilan en fase y no existe un radio en el que la amplitud de oscilación alcance un mínimo.

Los dibujos

Las figuras 1A a 1C son vistas en perspectiva de un modelo informático de un componente anular que experimenta una vibración en modo RB0 de flexión radial.

La figura 1D es una vista en sección esquemática de la pared final del componente de la figura 1A, mostrada en los dos extremos de su vibración.

Las figuras 2A y 2B son vistas en perspectiva en diferentes orientaciones de una matriz de acuerdo con la invención. La figura 3 es una sección longitudinal de la matriz de la figura 2.

Descripción de la realización preferida

La figura 1D muestra esquemáticamente la pared final del componente de la figura 1A en los dos extremos de su vibración en el modo RB0 de flexión radial. Las líneas 30 punteadas muestran el componente en su configuración "reloj de arena", que corresponde a la figura 1B. Las líneas 32 continuas muestran el componente en su configuración "barril", que corresponde a la figura 1C. Se puede ver que el movimiento de cualquier punto sobre la superficie de la pared final entre los dos extremos es principalmente en una dirección paralela al eje 34. Un punto P sobre la parte exterior de forma radial de la superficie final se desplaza entre una elongación axial mayor en la configuración barril y una elongación axial menor en la configuración reloj de arena, mientras que un punto Q sobre la parte interior de forma radial de la superficie final hace lo contrario, oscilando 180° desfasado con la parte exterior. En un punto intermedio, en un radio R intermedio, la amplitud de la oscilación de la superficie final debe ser mínima. De hecho, el movimiento de los puntos sobre la superficie final no es en general puramente axial, hay también una componente radial, pero sigue siendo cierto que en un radio intermedio existe un círculo de puntos sobre la superficie final en donde la amplitud de la oscilación de los puntos es mínima.

La amplitud se puede definir de varias...