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El torneado de diamante consiste en tornear con una herramienta de corte con punta de diamante . Es un proceso de mecanizado mecánico de elementos de precisión utilizando tornos o máquinas herramienta derivadas (p. Ej., Fresadoras, transfer rotativas) equipadas con brocas con punta de diamante naturales o sintéticas . El término torneado de diamante de un solo punto ( SPDT ) se aplica a veces, aunque como con otros trabajos de torno, la etiqueta de "un solo punto" es a veces solo nominal (las narices de herramienta redondeadas y las herramientas de forma contorneada son opciones). El proceso de torneado de diamantes se utiliza ampliamente para fabricar elementos ópticos asféricos de alta calidad a partir decristales , metales , acrílico y otros materiales. Las ópticas de plástico se moldean con frecuencia utilizando insertos de molde torneados con diamante. Los elementos ópticos producidos mediante torneado de diamantes se utilizan en conjuntos ópticos en telescopios , proyectores de vídeo , sistemas de guía de misiles , láseres, instrumentos de investigación científica y muchos otros sistemas y dispositivos. La mayoría de los SPDT actuales se realizan con máquinas herramienta de control numérico por computadora (CNC). Los diamantes también sirven en otros procesos de mecanizado, como fresado, rectificado y bruñido. Las superficies torneadas con diamante tienen un alto brillo especular y no requieren pulido o pulido adicional, a diferencia de otras superficies mecanizadas convencionalmente.
Proceso [ editar ]
El torneado de diamantes es un proceso de varias etapas. Las etapas iniciales de mecanizado se llevan a cabo utilizando una serie de tornos CNC de precisión creciente. Una herramienta de torno con punta de diamante se utiliza en las etapas finales del proceso de fabricación para lograr acabados superficiales de nivel sub- nanométrico y precisiones de forma submicrométricas . [ cita requerida ] La calidad del acabado de la superficie se mide como la distancia de pico a valle de las ranuras dejadas por el torno. La precisión de la forma se mide como una desviación media de la forma objetivo ideal. La calidad del acabado de la superficie y la precisión de la forma se controlan durante todo el proceso de fabricación utilizando equipos como perfilómetros láser y de contacto , láserinterferómetros , microscopios ópticos y electrónicos . El torneado de diamante se usa con mayor frecuencia para fabricar ópticas infrarrojas, porque a longitudes de onda más largas el rendimiento óptico es menos sensible a la calidad del acabado de la superficie y porque muchos de los materiales utilizados son difíciles de pulir con métodos tradicionales.
El control de la temperatura es crucial, porque la superficie debe ser precisa en escalas de distancia más cortas que la longitud de onda de la luz. Los cambios de temperatura de unos pocos grados durante el mecanizado pueden alterar la forma de la superficie lo suficiente como para tener un efecto. El eje principal se puede enfriar con un refrigerante líquido para evitar desviaciones de temperatura.
Los diamantes que se utilizan en el proceso son increíblemente fuertes en la dirección vertical hacia abajo pero muy débiles en las direcciones ascendente y lateral.
La máquina herramienta [ editar ]
Para obtener la mejor calidad posible, los diamantes naturales se utilizan como elementos de corte de un solo punto durante las etapas finales del proceso de mecanizado. Un torno CNC SPDT descansa sobre una base de granito de alta calidad con un acabado superficial micrométrico. La base de granito se coloca en suspensión neumática sobre una base sólida, manteniendo su superficie de trabajo estrictamente horizontal. Los componentes de la máquina herramienta se colocan sobre la base de granito y se pueden mover con un alto grado de precisión utilizando un cojín de aire de alta presión o una suspensión hidráulica. El elemento mecanizado se une a un mandril de aire usando presión de aire negativa y generalmente se centra manualmente con un micrómetro. El mandril en sí está separado del motor eléctrico que lo hace girar mediante otra suspensión neumática.
La herramienta de corte se mueve con precisión submicrométrica mediante una combinación de motores eléctricos y actuadores piezoeléctricos . Al igual que con otras máquinas CNC, el movimiento de la herramienta se controla mediante una lista de coordenadas generada por una computadora. Normalmente, la pieza que se va a crear se describe primero usando un modelo CAD , luego se convierte a código G usando un programa CAM , y luego la computadora de control de la máquina ejecuta el código G para mover la herramienta de corte. [ cita requerida ] La superficie final se logra con una serie de pasadas de corte de profundidad decreciente.
Los métodos alternativos de mecanizado con diamante en la práctica también incluyen el corte y el fresado con diamante. El corte con mosca de diamante se puede utilizar para generar rejillas de difracción y otros patrones lineales con formas de diamante con el contorno adecuado. El fresado con diamante se puede utilizar para generar matrices de lentes asféricas mediante métodos de corte anular con una herramienta de diamante esférica.
Materiales [ editar ]
El torneado con diamante es especialmente útil cuando se cortan materiales que son viables como componentes ópticos infrarrojos y ciertos componentes ópticos no lineales como el dihidrógeno fosfato de potasio (KDP). KDP es un material perfecto para aplicaciones de torneado de diamantes, porque el material es muy deseable por sus propiedades de modulación óptica , sin embargo, es imposible hacer ópticas a partir de este material utilizando métodos convencionales. KDP es soluble en agua, por lo que las técnicas convencionales de pulido y pulido no son efectivas para producir ópticas. El torneado de diamante funciona bien para producir ópticas de KDP.
Generalmente, el torneado de diamantes está restringido a ciertos materiales. Los materiales que se pueden mecanizar fácilmente incluyen: [1]
- Plástica
- Acetal
- Acrílico
- Nylon
- Policarbonato
- Polipropileno
- Poliestireno
- Zeonex
- Rieles
- Aluminio y aleaciones de aluminio
- Latón
- Cobre
- Oro
- Aleación de níquel-fósforo, depositada mediante niquelado electrolítico o no electrolítico sobre otros materiales
- Plata
- Estaño
- Zinc
- Cristales infrarrojos
- Sulfuro de cadmio
- Telururo de cadmio
- Fluoruro de calcio
- Yoduro de cesio
- Arseniuro de galio
- Germanio
- Niobato de litio
- Bromuro de potasio
- Dihidrogenofosfato de potasio (KDP)
- Silicio
- Cloruro de sodio
- Dióxido de telurio
- Seleniuro de zinc
- Sulfuro de zinc
Los materiales más solicitados que no se pueden mecanizar con facilidad son: [1]
- Vidrios y cerámicas a base de silicona
- Materiales ferrosos ( acero , hierro )
- Berilio
- Titanio
- Molibdeno
- Níquel (excepto para niquelado no electrolítico)
Los materiales ferrosos no se pueden mecanizar fácilmente porque el carbono de la herramienta de diamante reacciona químicamente con el sustrato, lo que daña y desafila la herramienta después de cortes cortos. Se han investigado varias técnicas para prevenir esta reacción, pero pocas han tenido éxito en largos procesos de mecanizado de diamantes a escalas de producción en masa.
Se ha considerado la mejora de la vida útil de la herramienta en el torneado con diamante, ya que la herramienta es cara. Los procesos híbridos como el mecanizado asistido por láser han surgido en esta industria recientemente. [2] El láser suaviza los materiales duros y difíciles de mecanizar, como la cerámica y los semiconductores, haciéndolos más fáciles de cortar. [3]
Control de calidad [ editar ]
A pesar de toda la automatización involucrada en el proceso de torneado de diamantes, el operador humano sigue desempeñando el papel principal en la consecución del resultado final. El control de calidad es una parte importante del proceso de torneado de diamantes y se requiere después de cada etapa de mecanizado, a veces después de cada pasada de la herramienta de corte. Si no se detecta de inmediato, incluso un error mínimo durante cualquiera de las etapas de corte da como resultado una pieza defectuosa. Los requisitos extremadamente altos de calidad de la óptica torneada con diamante prácticamente no dejan lugar a errores.
El proceso de fabricación de SPDT produce un porcentaje relativamente alto de piezas defectuosas, que deben desecharse. Como resultado, los costes de fabricación son elevados en comparación con los métodos de pulido convencionales. Incluso con el volumen relativamente alto de componentes ópticos fabricados mediante el proceso SPDT, este proceso no puede clasificarse como producción en masa, especialmente si se compara con la producción de ópticas pulidas. Cada elemento óptico torneado con diamante se fabrica de forma individual con un extenso trabajo manual.
Ver también [ editar ]
- Fabricación y prueba (componentes ópticos)
Referencias [ editar ]
- ↑ a b Mark Craig Gerchman (1986). Fischer, Robert E; Smith, Warren J (eds.). "Especificaciones y consideraciones de fabricación de componentes ópticos mecanizados con diamante" (PDF) . Especificaciones de componentes ópticos para sistemas basados en láser y otros sistemas ópticos modernos . Especificaciones de componentes ópticos para sistemas basados en láser y otros sistemas ópticos modernos. 607 : 36–45. doi : 10.1117 / 12.956360 . S2CID 135651810 .
- ^ Mohammadi, Hossein; Poyraz, H. Bogac; Ravindra, Deepak; Patten, John A. (2014). "Torneado de silicio con diamante de un solo punto mediante el uso de la técnica de mecanizado asistido por micro-láser" . Conferencia internacional de ciencia e ingeniería de fabricación de ASME 2014 . 2 . doi : 10.1115 / MSEC2014-4138 . ISBN 978-0-7918-4581-3.
- ^ Mohammadi, Hossein; Poyraz, H. Bogac; Ravindra, Deepak; Patten, John A. (2015). "Mejora del acabado superficial de una oblea de silicio sin pulir mediante mecanizado asistido por micro-láser" . Revista Internacional de Tecnología Abrasiva . 7 (2): 107–121. doi : 10.1504 / IJAT.2015.073805 .
