Torneamento de diamante - Diamond turning

Corte de mosca de diamante

Torneamento de diamante é o torneamento usando uma ferramenta de corte com ponta de diamante . É um processo de usinagem mecânica de elementos de precisão usando tornos ou máquinas-ferramentas derivadas (por exemplo, tornos -fresas, transferências rotativas) equipadas com brocas de ferramenta com ponta de diamante natural ou sintética . O termo torneamento de diamante de ponto único ( SPDT ) é algumas vezes aplicado, embora como com outros tornos, o rótulo de "ponto único" às vezes seja apenas nominal (pontas de ferramenta arredondadas e ferramentas de forma contornada sendo opções). O processo de torneamento de diamante é amplamente usado para fabricar elementos ópticos asféricos de alta qualidade a partir de cristais , metais , acrílico e outros materiais. Óticas de plástico são freqüentemente moldadas usando inserções de molde torneadas de diamante. Elementos ópticos produzidos por meio de torneamento de diamante são usados ​​em montagens ópticas em telescópios , projetores de vídeo , sistemas de orientação de mísseis , lasers, instrumentos de pesquisa científica e vários outros sistemas e dispositivos. A maior parte do SPDT hoje é feita com máquinas-ferramentas de controle numérico de computador (CNC). Os diamantes também servem em outros processos de usinagem, como fresamento, retificação e brunimento. As superfícies torneadas com diamante têm um alto brilho especular e não requerem polimento ou polimento adicional, ao contrário de outras superfícies usinadas convencionalmente.

Processar

O torneamento de diamante é um processo de várias etapas. Os estágios iniciais de usinagem são realizados com uma série de tornos CNC de precisão crescente. Um diamante de ponta torno ferramenta é utilizada na fase final do processo de fabricação para conseguir sub nanômetros acabamentos de superfície plana, e sub- micrómetro precisões de formulário. A qualidade do acabamento da superfície é medida como a distância pico a vale das ranhuras deixadas pelo torno. A precisão da forma é medida como um desvio médio da forma de destino ideal. A qualidade do acabamento superficial e a precisão da forma são monitoradas durante todo o processo de fabricação, usando equipamentos como perfis de contato e laser , interferômetros a laser , microscópios ópticos e eletrônicos . O torneamento de diamante é mais frequentemente usado para fazer óptica infravermelha, porque em comprimentos de onda mais longos o desempenho óptico é menos sensível à qualidade do acabamento da superfície e porque muitos dos materiais usados ​​são difíceis de polir com os métodos tradicionais.

O controle da temperatura é crucial, porque a superfície deve ser precisa em escalas de distância menores que o comprimento de onda da luz. Mudanças de temperatura de alguns graus durante a usinagem podem alterar a forma da superfície o suficiente para ter um efeito. O fuso principal pode ser resfriado com um líquido refrigerante para evitar desvios de temperatura.

Os diamantes usados ​​no processo são incrivelmente fortes na direção vertical descendente, mas muito fracos nas direções ascendente e lateral.

A máquina-ferramenta

Para obter a melhor qualidade possível, os diamantes naturais são usados ​​como elementos de corte de ponta única durante os estágios finais do processo de usinagem. Um torno CNC SPDT repousa sobre uma base de granito de alta qualidade com acabamento superficial de qualidade micrométrica. A base de granito é colocada em suspensão a ar sobre uma base sólida, mantendo a sua superfície de trabalho estritamente horizontal. Os componentes da máquina-ferramenta são colocados no topo da base de granito e podem ser movidos com alto grau de precisão usando uma almofada de ar de alta pressão ou suspensão hidráulica. O elemento usinado é conectado a um mandril de ar usando pressão de ar negativa e geralmente é centralizado manualmente usando um micrômetro. O mandril em si é separado do motor elétrico que o faz girar por outra suspensão a ar.

A ferramenta de corte é movida com precisão de submícron por uma combinação de motores elétricos e atuadores piezoelétricos . Tal como acontece com outras máquinas CNC, o movimento da ferramenta é controlado por uma lista de coordenadas gerada por um computador. Normalmente, a peça a ser criada é primeiro descrita usando um modelo CAD , então convertida em código G usando um programa CAM , e o código G é então executado pelo computador de controle da máquina para mover a ferramenta de corte. A superfície final é obtida com uma série de passes de corte de profundidade decrescente.

Os métodos alternativos de usinagem de diamante na prática também incluem o corte e fresamento de diamante. O corte com mosca de diamante pode ser usado para gerar grades de difração e outros padrões lineares com formatos de diamante com contornos apropriados. A fresagem de diamante pode ser usada para gerar matrizes de lentes asféricas por métodos de corte de anular com uma ferramenta de diamante esférica.

Materiais

O torneamento de diamante é especialmente útil ao cortar materiais que são viáveis ​​como componentes ópticos infravermelhos e certos componentes ópticos não lineares, como dihidrogenofosfato de potássio (KDP). O KDP é um material perfeito em aplicação para torneamento de diamante, porque o material é muito desejável por suas propriedades de modulação óptica , mas é impossível fazer óptica com este material usando métodos convencionais. O KDP é solúvel em água, portanto as técnicas convencionais de retificação e polimento não são eficazes na produção de ótica. O torneamento de diamante funciona bem para produzir ótica de KDP.

Geralmente, o torneamento de diamante é restrito a certos materiais. Os materiais que são facilmente usináveis ​​incluem:

Os materiais mais frequentemente solicitados que não são prontamente usináveis ​​são:

Os materiais ferrosos não são facilmente usináveis ​​porque o carbono na ferramenta de diamante reage quimicamente com o substrato, causando danos à ferramenta e embotamento após cortes curtos. Diversas técnicas foram investigadas para evitar essa reação, mas poucas tiveram sucesso em longos processos de usinagem de diamante em escala de produção em massa.

A melhoria da vida útil da ferramenta está sendo considerada no torneamento de diamante, pois a ferramenta é cara. Processos híbridos, como a usinagem assistida por laser, surgiram nesta indústria recentemente. O laser suaviza materiais duros e difíceis de usinar, como cerâmicas e semicondutores, tornando-os mais fáceis de cortar.

Controle de qualidade

Apesar de toda a automação envolvida no processo de torneamento do diamante, o operador humano ainda desempenha o papel principal na obtenção do resultado final. O controle de qualidade é uma parte importante do processo de torneamento de diamante e é necessário após cada estágio de usinagem, às vezes após cada passagem da ferramenta de corte. Se não for detectado imediatamente, mesmo um erro mínimo durante qualquer uma das etapas de corte resultará em uma peça defeituosa. Os requisitos extremamente elevados de qualidade das ópticas torneadas por diamante não deixam praticamente nenhuma margem para erros.

O processo de fabricação do SPDT produz uma porcentagem relativamente alta de peças defeituosas, que devem ser descartadas. Como resultado, os custos de fabricação são altos em comparação com os métodos convencionais de polimento. Mesmo com o volume relativamente alto de componentes ópticos fabricados usando o processo SPDT, esse processo não pode ser classificado como produção em massa, especialmente quando comparado com a produção de óptica polida. Cada elemento óptico torneado com diamante é fabricado individualmente com extenso trabalho manual.

Veja também

Referências